沙坪煤矿数字矿山的探索实践

宫德祥

（1.太原理工大学 矿业工程学院,太原 030024；2.山西省昔阳县煤炭工业局，山西 昔阳 045300）

沙坪煤矿是晋神公司的骨干矿井，近年来，坚持走资源整合的新型发展道路，利用信息化改造传统生产及管理模式，打造“数字矿山”，为矿井持续跨越式发展提供了强劲的动力。

1 矿山综合信息化

建设矿山综合信息化是实现矿山数字化的基础前提。实现信息化,需要建立信息化体系,并培养有关人才实现。综合信息化体系必须以实时数据库为平台，大型平台软件为终端软件提供信息化系统建设的一套整体方案，见图1。

1.1 网络平台的概述

沙坪煤矿以工业以太网为传输平台，承担矿井安全生产综合自动化系统的信息传输及调度中心的控制和监测信息的传输，对网络的可靠性、稳定性、实时性、安全性均是工业级要求，需要保证网络平台持续、稳定、可靠地运行。采用标准TCP/IP协议和工业以太网技术，实现井上和井下设备所采集的数据信息和控制信息实时传送到生产调度中心，通过网络安全设备和应用安全策略，在保证安全的前提下与煤矿企业信息管理网络进行互通互联，实现调度统一指挥管理，并且满足煤矿未来更多业务的需求。

1.2 网络平台的设计

1）网络平台设计理念。针对煤矿设计的工业以太网、网络平台基于千兆环网，采用单模光纤、保障各种数据高速传输。通过两台核心交换机，构建井上、井下生产各自独立的冗余、自愈的工业环网，自愈时间小于20 ms，保证了每个环网的单点故障不会影响另一个环网的数据传输，保证网络平台稳定可靠运行。地面办公网络采用光纤环网结构，办公网络与生产网络各自独立，通过网闸、防火墙进行连接，防止非法入侵，确保生产网络安全稳定。网络平台预留足够的接口，（包括RS485总线、RJ45以太网等），为现有及以后需要接入环网的设备系统打下基础。

2）网络安全设计。按照安全级别要求，采用以下技术保障网络平台安全。①划分IP子网，IP地址的合理规划是设计中的重要一环，IP地址的合理分配，必须与网络拓扑层次结构适应、满足路由协议要求，既要有效利用地址空间，又要体现网络的扩展性和灵活性，加快路由变化的收敛速度，提高路由算法的效率，还要考虑到网络地址的可管理性。②VLAN设计，（虚拟局域网）技术可以隔离各控制系统之间的广播泛滥，提高网络性能，保证各子控制系统之间的独立，最大可划分2 094个VLAN。③网络设备，要实现网络的安全，先要保证网络设备本身的安全性。在本系统中要用安全设备，提供高性能的保护，可防御网络和应用层攻击、拒绝服务（DoS）攻击，以及蠕虫、网络病毒、特洛伊木马、间谍软件广告软件等恶意软件。④网络数据流的控制，采用高度安全性的、专用的、独立网络安全产品。安全设备将内部网络和外部网络完全分隔开来，严格控制外部黑客侵犯内部网络。⑤网络链路安全，要在网络控制层光缆敷设时使用多芯备份光纤，当其中两芯出现问题时，可用备份光纤传输。最后实现与企业信息网络对接时，综合自动化监控中心是连接信息管理系统网络和矿井综合自动化控制网的核心，是网络安全设计的重要环节，见图2。

图1 煤矿综合自动化控制网络拓扑结构示意图

图2 综合自动化网络与企业管理网络的安全互联示意图

1.3 网络平台的建设内容

1）通过工业太网连接井上、井下各子系统，把系统设备的控制和监控信息传输到调度控制中心，经服务器进行数据采集、存储，调度控制人员完成各子系统的组态编程，对数据进行统计分析，达到监测和控制目的。

2）网络平台的建设内容包括以下六项：①建设调度指挥中心，包括机房装修，不间断供电系统，防雷接地系统；②敷设井上、井下光纤，建设冗余、具有自愈功能的光纤环网；③井上、井下网络设备安装、调试；④网络管理，根据需要，划分不同的VLAN，赋予不同的权限，访问不同的资源，确保网络安全；⑤设置网闸、防火墙，防止非法用户侵入；⑥配置杀毒软件，确保数据安全。

3）该网络属于工业级网络，考虑煤矿井下满足防爆、防尘、抗高温潮湿、电磁干扰的要求，地面系统考虑抗电磁干扰的要求；各个安全生产监控现场设备PLC、PC与工业以太网交换机连接的线缆使用工业级快速连接插件及线缆（工业级标准），要使连接的网络和终端传输数据平稳，并可实现系统维护方便，重新配置的灵活性。

2 工业综合自动化系统

沙坪煤矿生产过程自动化系统的主要涵盖内容：矿井自动化调度系统；综采工作面监测系统；矿井主运输监控系统；矿井电力监测/监控系统；井下水泵房监控系统；煤仓煤位监测监控；日用消防水泵房监测系统；矿井通风机监控系统；矿井水处理监测系统；生活污水处理监测系统；矿井锅炉房监测系统；生产过程动态监测系统；实时历史数据库管理系统。

2.1 矿井自动化调度系统

1）全矿的调度系统实时监控网络结构，具备完善的生产监控管理功能，是将各生产环节的监控系统组成全矿井统一的自动化网络系统，并与矿井计算机管理系统联网，实现管控一体化的全矿综合自动化系统。其中监控分站的位置分散、距离较远按生产关系和地理位置构成逻辑环型网络结构，各监控点通过千兆以太网络连接为一个统一的控制网络，最终接入矿调度楼调度（集控）室的工业核心交换机上，形成煤矿生产自动化系统。

2）选用EtherNet/IP（工业以太网+CIP协议）作为控制层网络。主干采用光纤传导模式，由调度中心通过9/125 μm单模光缆连接矿地面及井下的锅炉房、通风机房、矿井维修间10/0.4 kV变电所、35 kV变电所、主斜井机房、中央变电所、盘区变电所、中央水泵房、等控制分站或控制系统，构成整个控制层网络；其余如皮带监控系统用软件编程实现第三方通讯就近接入网络，顺槽CST系统、主井皮带变频控制系统经DH+网络接入临近的控制分站，实现网络扩展。

3）系统组成。①调度集控室是全矿安全生产的监控指挥中心，所有控制信息在这里汇总并发布。根据工业EtherNet/IP环网结构，在调度室实现操作控制、监测。配置6台工控机，（矿井监控2台，变电所监测1台，报警1台，综采面监测1台，报表处理1台）。调度室终编及服务器配置，见图3。②集控室机房。采用地面及井下两个单环网络结构，根据地理位置和光纤路径将各节点连接成光纤环网。工业以太网设备选择德国赫斯曼公司的产品。集控室机房配置2台多层路由核心交换机（MACH 4002）。地面、井下、通风机房等节点均用模块化交换机（MS4128）组成环网。核心交换机采用冗余电源、冗余模块满足系统的可靠性，并提供16个百兆电口用来连接调度室工控机终端和控制设备，见图4。矿调度监控室是全矿安全生产的监控指挥中心，所有的控制信息在这里汇总并由此发布。对全矿各主要生产环节及相关的辅助环节的生产过程进行实时数据采集、传输、处理、显示，对地面生产系统、皮带运输系统、变电所和通风机等设备进行集中监控，同时配合工业电视系统进行安全图像监视，以确保人员及设备的安全，全面提高矿井的监控能力。

图3 调度室终端及服务器配置图

2.2 综采工作面监测系统

综采工作面涉及的设备较复杂，各厂商的传输协议不同，需要对设备的传输协议进行整合，显示画面统一实施。目前沙坪煤矿综采工作面主要的设备有：采煤机、液压支架、刮板运输机、转载机、破碎机、可伸缩胶带机、3 300 V、1 140 V组合开关柜、泵站等设备，要对以上设备的运行情况做出详细记录。

1）系统设备。综采面数据采集器采用KJJ108，由防爆箱壳体、协议转换、数据传输、地面数据整合、显示部分组成。采煤机物理接口采用单模光缆，OPC通讯协议。雷波泵站和3 300 V、1 140 V开关柜物理接口采用RS485，Modbus通讯协议。

2）数据上传的管理。工业光纤环网将综采面的三机、泵站、顺槽皮带、组合开关柜的RS485信号转化为电信号，矿调度配置一台数据服务器，负责采集综采面的实时数据，将读取的信号转化为OPC通讯协议；调度室前台配置一台工控机，实现综采面数据的显示。数据上传结构示意图，见图4。

图4 数据上传结构示意图

3）系统功能。综采面数据上传的监测画面包括：采煤机工作状况，刮板运输机、转载机、破碎机工作状况，组合开关工作状况，喷雾泵、乳化液泵工作状况，实时状态及运行参数显示，实时报警，历史数据记录及曲线图。

2.3 矿井主运输监控系统

沙坪煤矿主运输系统包括所有带式输送机（上仓皮带、主井皮带、顺槽皮带系统）。

1）系统组成及监控范围。整个运输系统由上仓带式输送机、主斜井带式输送机、顺槽CST带式输送机组成。监控范围包括：上仓皮带机、皮带机保护，主斜井皮带机、皮带机保护、机头除铁器、制动闸、机头配电设备、机头除铁器、顺槽皮带机、皮带保护、机头配电设备、张紧装置、制动闸。

2）主要功能。在调度室有远控和就地选择功能，以便操作员实现四种控制方式。检修试车控制，就地控制（驱动机房控制），矿调度室集中控制（调度员控制每条皮带单独开停），按程序自动控制（调度员通过“一键式”触发：发出起车指令，各皮带按逆煤流启动，发出停车指令，各皮带按顺煤流停车）。

3）监控方案。包括上仓皮带、主斜井皮带、顺槽皮带，每条皮带自带就地控制系统。其中上仓皮带、主斜井皮带为罗克韦尔的控制系统，顺槽皮带为CST控制系统。①系统配置DeviceNet通讯模块和3块DeviceNet/Modbus通讯模块跟三条皮带机各自的华宁控制系统以Modbus协议进行通讯；通过数据读写实现对皮带远程起停控制，并将皮带机的相关数据，如皮带机运行参数（如开、停状态、运行时间、主电机电流等参数）、软启动设备（液力耦合器）的油温、皮带保护系统中各种传感器的信号状态，所在地理位置（皮带机打滑、跑偏、急停、纵撕、堆煤、烟雾、轴温及超温洒水等）等采集到处理器中进行处理上传。②系统配置DH+通讯模块跟顺槽皮带的CST控制系统的SLC以Message的方式通讯，通过数据读写实现对皮带的远程起停控制，并将皮带机的相关数据，例如皮带机的运行状态及主要参数（变频器运行参数、主电机的电流、电压、主电机的定子、轴承温度、主驱动滚筒轴承温度、张紧及制动器的运行参数等）、皮带保护信息、地理位置（皮带机打滑、跑偏、急停、纵撕、堆煤、烟雾、轴温、超温洒水等）、现有煤仓煤位信号等采集到处理器中进行处理上传。

通过以上的分析研究，沙坪煤矿要实现“数字矿山”，建立一套完善的数据采集系统非常必要，通过数据采集分析才能最终实现工业自动化，才能真正达到数字矿山的建设效果。

3 结束语

实现“数字矿山”后，不仅实现地上井下的透明管理，更能利用“数字矿山”管理的可视性、信息的及时性、计算的快速性、决策的智能性，提前发现各种安全隐患，并对其发展趋势、灾变过程、影响程度进行仿真模拟，提供出科学合理的避灾和救灾方案。沙坪煤矿数字矿山建设的整个系统，只要实现了自动化，不仅大幅度降低人的劳动强度、提高生产效率，更重要的是通过无人化达到的本质安全型矿井。

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