基于数字化矿山的自动控制中心设计

天地（常州）自动化股份有限公司 中煤科工集团常州研究院有限公司 闫兆振

基于数字化矿山的自动控制中心设计

天地（常州）自动化股份有限公司 中煤科工集团常州研究院有限公司 闫兆振

本文分析了煤炭行业数字化矿山的应用现状，讨论了建立矿井自动控制中心的必要性，在实现数字化矿山的基础上进行业务流程的重组，建设多个自动控制中心，设计了一套较为实用的控制中心设计流程，并详细介绍了控制中心的设计原则、系统架构、实现方案及关键技术。通过建设自动控制中心，可切实提高设备、执行机构、控制系统的可靠性，实现生产流程重组，优化控制流程，节能降耗，提高生产效率。

数字化矿山；自动控制中心；流程重组

概述

目前，我国很多煤矿已经进行数字化矿山项目的建设，实现了井上井下监测、控制数据的集中、高速传输，实现了对煤炭生产、设备运行、生产调度、安全监测等实时远程监控和数据的自动采集，实现了煤矿的管-控一体化，使矿井在“采、掘、运、洗、选、风、水、电、安全”等环节全面实现信息化，并将矿井建设、生产、管理的各个环节，统一在同一个网络平台上，在煤矿安全生产过程中起到了重要作用[1-3]。

但是，国内数字化矿山的建设经过10多年研究应用，目前还基本上处于“堆积自动化”阶段，主要实现自动化系统的集成、数据集中展示及生产、安全、业务数据的集中存储，但对数据的深度融合和智能决策支持方面成功案例较少；系统主要实现集中监控，在生产过程优化控制、节能降耗管理和故障跟踪定位方面未见相关应用，没有真正达到人本安全、节能降耗、减人提效的目的。因此，我们提出建立自动控制中心，基于现有数字化矿山建设的成果，分析煤矿整体生产工艺、业务流程及部门职责，在自动化系统控制过程的可靠性、控制系统分类的合理性及操控平台的易操作性等方面进行深入研究。

煤矿通过建立自动控制中心，大幅提高煤矿开采的机械化程度，尽量减少井下作业人员，充分利用生产现场的自动化数据，将智能决策分析与生产过程自动控制系统相结合，实现煤矿信息资源的有机整合，为煤矿的安全生产、过程控制、运行与优化管理提供保障，实现设备的故障诊断，切实提高设备、执行机构、控制系统的可靠性；通过对各子系统的数据融合及分析，实现生产流程重组，优化控制流程，降低能耗，提高生产效率。

1 控制中心设计原则

通过研究煤矿生产工艺、业务流程及部门职责，考虑专业、工艺、闭锁关系、启动顺序、停机条件、系统间联动、数据影响等因素，对煤矿生产业务进行合理重组，规划采掘控制中心、电力控制中心、通风控制中心、维运控制中心、运输控制中心等五大控制中心。

1.1 采掘控制中心

采掘控制中心主要面向生产部门，实现对采掘工作面系统、采区皮带、水泵、供电、大巷运输皮带、以及主斜井皮带等系列原煤生产流程相关的子系统集中监测、远程控制、调度与管理。将采、掘、运等与生产息息相关的环节关联起来，统筹分析，通过煤流控制、系统联动等自动化控制手段减人提效，减少事故的发生，实现各种最优技术经济指标，提高经济效益和劳动生产率，节约能源。

1.2 电力控制中心

建立电力控制中心，面向机电部门，实现全矿各变电所的远程监测监控及供电信息分享，包括地面35KV变电所、井下中央变电所、采区变电所等矿井供电相关的系统；采用电力监控站、专用综合保护器、专用短路检测模块、防越级跳闸闭锁控制器等设备实现防越级跳闸功能；分析出供电网络设备事故的影响范围，如设备停电影响范围、停电影响设备具备的等级、停电带来连锁反应等，根据现场情况自动推送关联连锁分析结果，紧急情况下触发相应预案。

1.3 通风控制中心

通风控制中心主要面向通风工区，主要负责安全监测系统、通风系统、束管监测系统、防尘洒水系统等，实现系统的在线监测及控制，配合已有的数据分析系统、专家决策系统等将矿井的安全数据信息及时发布，提供给其他生产管理部门，对井下环境进行综合分析和科学判断，确保煤矿安全生产。

1.4 维运控制中心

维运控制中心主要面向维运工区，主要负责全矿井大动力维运系统及全矿电力系统的监测、调度与管理、维护，实现机电专业子系统集中控制与管理，实现智能供电，设备远程诊断。随时掌握设备的健康状况及生产系统的运行、控制情况保障大动力设备及系统的稳定运行。

1.5 运输控制中心

运输控制中心主要面向辅运部门，实现对轨道运输自动控制、猴车控制系统、梭车控制系统的调度与管理，通过信集闭系统、井下物流系统、猴车控制系统、梭车控制系统与工业视频、安全监测、人员定位系统联动等自动化控制手段减人提效，减少事故的发生。

2 实现方案

2.1 总体架构

自动控制中心的总体构架自上而下包括设备层、执行层、管控层、控制层，以设备层、执行层各子系统信息数据为基础，通过工业以太环网在运营层建立矿用管控层数据中心，实现执行层数据采集，并进行数据过滤、分析和信息融合，为管控层和控制层提供数据支撑。

图1 控制中心架构图

2.2 控制中心建设

本文中以采掘控制中心为例，详述自动控制中心的建设过程，其它控制中心的建设参照此过程。

采掘控制中心主要基于ABB 800xA平台进行建设，实现控制层、应用层的系统、设备和仪表等无缝集成，平台基于三层SCADA架构[4]，实现实时的人机交互和管理决策。ABB 800xA利用属性对象技术，实现监测、监控与数据管理，从而实现语音、数据、图像等数据的一体化集成、准确可靠的监控、设备在线监测、故障报警预警、高效组态等。基于现场子系统数据将各种情况的信息经分类、处理后准确、可靠、迅捷地反应给控制中心及相应的职能部门和主管领导，以便及时处理，指导和调节各生产系统或环节的运行。

首先，对采掘过程中的每个设备的基础信息（包括采煤机、皮带、水泵等）、控制系统及保护安装的相关状况，分析各种保护的工作状态，各种保护对皮带运行的影响，皮带启停的工作流程，与采掘系统相互关联的其他系统（包括供电系统、安全监测系统、人员定位系统等）的安装及工作状态等方面做深入的调研。

第二，对每个设备的控制流程进行综合评测。对于控制系统可靠的子系统采用OPC方式进行控制；对于控制系统不太稳定或者未安装控制系统的设备，通过安装统一的AC800M控制器与井下设备的控制器通讯，通过实时可靠的传输协议获取设备运行、监控状态参数及控制点，将井下设备统一集成到800xA平台，实现设备的远程控制。

第三，建立面向生产部门的采掘控制中心，实现对采掘过程，包括采掘工作面系统、运输顺槽、大巷运输、主斜井皮带等系列原煤生产流程相关的子系统集中远程控制；通过控制中心实现对主运输系统的远程一键式流程起停控制；根据产量计量均衡各工作面的出煤量，自动调整采煤机割煤进度；主运输环节与相关安全保障系统的智能联动。

最后，部署操控平台。操控平台如图2所示，常规的操控平台搭配3台大屏、6台显示器、2套扬声器、1台话筒、1个摄像头、1个多功能键盘、1个鼠标和一套照明系统[4]，可根据需要进行调整。3台大屏显示分别显示关键点视频信号、当前操作画面和当前报警提醒，显示器显示用于显示控制中心的总体监控画面及各子系统的整体监控画面，当操作某个画面时，该画面自动投射到中间的大屏上进行显示。

图2 操控平台示意图

2.3 控制流程

实现顺槽、装载、主井、上仓等与原煤生产流程相关的设备进行远程集中监测、控制及流程优化。

启动流程：先对装载、主井、上仓皮带运输机①设备是否健康、②通风情况是否良好、③区域环境是否良好、④设备供电是否正常，结合各个⑤视频监控点信息、⑥人员所在位置信息、⑦设备闭锁关系进行综合评估，一旦出现有一项不符合设备启动条件的，平台将无法进行集中流程启动，并通过平台返回相应提示信息，告知调度人员，待处理完毕后才能启动。其中①、③的结果来源于数据分析与专家决策系统。

必要条件：①设备是否健康；②通风情况是否良好；④设备供电是否正常；⑦设备闭锁关系。

参考条件：③区域环境是否良好；⑤视频监控点信息；⑥人员所在位置信息。

应急预案：当流程无法启动或停止时，需结合平台返回的信息，由调度人员决定是否待问题处理完毕后再启动，还是进行解锁单设备启动或停止，以免影响生产和影响安全。

3 关键技术

自动控制中心的规划，立足煤矿安全、生产、管理体系进行全方位设计，强调控制的高可靠性及操控平台的高效性。因此，控制中心需要从被控设备、执行器、控制平台、控制操作台等各个环节进行全面的评测[5-6]，对整个控制过程中的薄弱环节进行必要的升级改造，以目前国内现有技术为基础，以国外先进技术为支撑，建设高效、实用、可靠的控制中心。主要涉及以下关键技术：

3.1 研究被控制设备运行完好性的检测方法及标准

综合运用集成的设备数据，设备故障检测情况，设备检修情况、设备运行状况等，研究确定被控设备运行完好性的动静态检测的方法及标准。

3.2 研究并选用先进可靠的传感器与执行器

根据作业现场的特殊环境，结合设备及子系统的特性，研究不同种类传感器与执行器的特性，研究确定执行器完好性及相关评价标准，以确保执行器可靠运行，根据使用场合选用国内外先进可靠的传感器与执行器。

3.3 控制平台的可靠性研究及评价方法

利用现有成熟软件平台以及先进技术，研究适合煤矿行业可靠的控制平台，建立标准的评价方法以确保控制平台的可靠性。

3.4 选用先进高效的操控平台

根据控制中心的需要，研究并选用适合煤矿的一体化操控平台，通过多屏幕、广播、音视频通话等全方位的监测生产过程现场，根据每个控制中心的特点，设计适合该控制中心的监控画面、报警方式、操作模式等。

4 结语

通过建设自动控制中心，能够实现设备的故障诊断及自诊断，切实提高设备、执行机构、控制系统的可靠性；通过对各子系统的数据融合及分析，实现生产流程重组，优化控制流程，提高系统的可靠性，降低能耗，提高生产效率。实现生产数据与管理数据的结合，降低运营成本，全面提升企业运行管理水平。

[1]吕鹏飞,郭军.我国煤矿数字化矿山发展现状及关键技术探讨[J].工矿自动化,2009(9).

[2]吴义祥.煤矿综合自动化系统的研究[J].工矿自动化,2010(9).

[3]吴立新.数字矿山的若干问题[R].山东泰安:山东省煤管局、国际矿山测量委员会中国委员会,2007.

[4]http://www.abb.com.ABB网站.

[5]孙继平.煤矿物联网特点与关键技术研究[J].煤炭学报,2011(1).

[6]张群英.电气自动化控制设备可靠性测试研究[J].煤炭技术,2012(4).

[7]廖志强,陈东春,刘水文.煤矿井下电磁干扰源及抗干扰技术研究[J].工矿自动化,2012(7).

中国煤炭科工集团科技创新基金面上项目（编号：2014MS027）。

闫兆振（1981－），男，山东菏泽人，硕士，副研究员，现主要从事煤矿软件产品与系统的研发工作。