“1+9”总控-分控自动化平台的研究与应用

毛 浩

(陕煤集团神木张家峁矿业有限公司，陕西省榆林市，719600)

近年来，随着煤矿开采技术的发展以及煤矿企业对数据、系统、工业自动化的需求，越来越多的煤炭企业开始应用信息化系统，这些系统的类别主要包括办公信息化系统、自动化系统以及监测类系统三大类，这些系统的出现与存在对于煤矿的生产及管理现代化起到了不可估量的作用。然而，由于煤炭企业的信息化系统存在数量众多、建设厂家和建设时间先后不一以及使用版本多种多样等因素，从而导致煤炭企业对信息化系统管理和运行繁琐，部分信息化系统形成了数据孤岛。此外，受到技术条件的限制，这些信息化系统对现场的实际控制及管理没有达到理想的效果，对数据的利用也没有达到预期的效果。

随着自动化技术及网络技术在煤矿的应用不断成熟，目前有条件和技术对上述问题进行修正。在工业4.0以及两化融合的大背景下，以张家峁公司的“1+9”总控-分控自动化平台为例，对张家峁公司信息化系统进行重新整合及升级改造。

1 张家峁公司的信息化系统现状

张家峁公司位于陕西省榆林市神木县北部，是一座大型的国有股份制煤炭企业。张家峁公司目前已经实现了以井下千兆工业以太网、办公局域网以及以3G无线传输网为一体的基础数字传输网络平台和统一的企业信息化应用平台。在安全生产建设方面，完成了监测和自动化的系统建设。由于网络化、信息化、自动化等技术的应用，张家峁公司从管理、安全到生产已经处于行业的先进水平。截至2015年，张家峁公司已经形成了24个办公信息化系统、25个自动化系统和17个监测类系统，张家峁公司子系统现状见表1。

表1 张家峁公司子系统现状

张家峁公司建成的子系统通过相应的综合自动化系统及上位机系统进行控制，由于各个子系统所实现的功能不同以及隶属在不同的区队或者部门，因此每个子系统都需要有专门的人员负责维护和管理，管理相对比较繁琐，而且浪费大量的人力资源。张家峁公司的综合自动化系统自运行以来，受技术条件限制，对现场的控制没有达到理想效果，具体表现如下：

(1)系统建设时受技术限制，达不到现有要求，如销售地销系统自动装车等；

(2)实时数据服务器未能实现完全同步和冗余报警，且报表功能不完善；

(3)自动化系统建设基本停留在监测阶段，未实现远程控制及无人值守；

(4)各单位之间的子系统衔接不够紧密，存在数据信息孤岛，工业化和信息化融合的程度不高。

基于以上种种原因，必须对现有张家峁公司子系统的技术运行及业务管理进行重新梳理，形成一种更适用于大型煤矿企业的综合自动化模式，通过“1+9”总控—分控自动化平台的实施，替代低端岗位和低端工种，对张家峁公司的井下、地面机房硐室全面实现无人值守和有人巡检功能。

2 “1+9”总控-分控自动化平台的数据采集与传输

实现“1+9”总控-分控自动化平台首先要解决的问题就是消除信息孤岛，实现子系统与子系统之间的数据共享，达到数据层面的互联互通与无缝对接，从而实现对数据和动态指令的全面应用。要实现这些目标，首先要对张家峁公司整体的现场运行生产实时数据及经营数据进行统一的采集和传输，形成张家峁公司大数据库，然后再根据具体业务划分逐个形成独立的分控中心数据库。数据的采集主要对象为矿井各个子系统的现场感知层，如各类传感器、电力电表、智能设备等，采集后的生产数据通过就近的PLC控制器进行就地汇总，视频数据通过光纤汇总，上述数据接入张家峁公司的工业环网交换机或者就近企业网交换机，利用张家峁公司工业环网或者企业局域网传输至公司网络处理中心的核心交换机，至此完成数据的采集功能及数据传输功能。“1+9”总控-分控自动化平台主要采集的子系统如下：

(1)PLC自动化控制系统。采集自动化子系统中的开关量和模拟量等信息，数据采集使用标准OPC接口与控制系统对接，生产数据归档到实时数据库。

(2)智能供配电系统。采集所有供配电系统中的实时数据并归档到实时数据库，实现高低压数据监测，包括电流和电压数据监测、故障报警、电量监测、远程安全控制、各种操作日志等信息。

(3)工业电视系统。使用通用视频浏览插件连接工业电视系统，实现工业电视报警、实时画面查看、历史画面回放。

(4)设备状态在线监测。采集设备静态资料、动态运行参数如温度和振动等信息，并将数据归档到实时数据库，实现在线监控设备的振动频谱、温度以及设备报警等。

3 “1+9”总控-分控自动化平台的基本架构

“1+9”总控-分控自动化平台的意义在于通过对原有自动化系统的业务进行梳理划分、技术升级改造以及网络平台的充分应用，打造一种新的自动化管理模式，并优于目前的多系统离散化控制，从而在管理升级的基础上，达到无人值守和减人提效的目的。“1+9”的划分是以矿井实际运行重要程度为基础的，在这个基础下，调度室作为矿井安全生产、日常运行和调度指挥的核心场所，代表该模式的 “1”，也就是总控中心。“9”代表该模式有9个分控单位，也就是分控中心。“1+9”总控-分控自动化平台基础架构示意图如图1所示。

图1 “1+9”总控-分控自动化平台基础架构示意图

3.1 总控中心

总控中心实时监视全矿的生产运行状况，包括所有分控中心下子系统的运行状态，设备的状态、参数、故障、报警、实时曲线、操作记录等；可以自动生成基于全矿或者具体到某个子系统的生产统计报表；可以方便地查询历史数据、报警、曲线、操作记录，以方便生产调度人员和各级领导实时掌握全矿每个细节的生产状况，从而做出及时地调度和决策。总控中心可以对分控中心进行远程控制，且远程控制总是处于三级管控模式(就地控制—分控控制—总控监控)下的第三级，其中就地控制优先级最高，可以在现场巡检人员发现状况的时候进行直接就地停止，分控控制作为主要操作手段，采用3班8 h制度，在分控中心内设置专职人员进行监控，总控中心作为一般的全矿全景监控，负责指挥生产，安排调度，同时具有操作权限，但在一般的情况下不做操作，操作级别最小。

总控中心的大屏可以实现矿井所有监测类系统的汇总展示，大屏幕可以实时观看与监控各种信息，包括三维一张图、视频监控、管理信息系统数据、历史数据图像以及电脑、电视、实物投影仪、DVD等信号源的信息和计算机网络信息等多种信息，可随时对各种现场信号和各类计算机图文信号进行多画面显示和分析，及时做出判断和处理，发布调度指令，实现实时监控和集中调度的目的。

3.2 分控中心

分控中心的划分依据主要是按照矿井生产环节中涉及到的重要职能单位来划分的，将张家峁公司的子系统按照业务需求划分为9个分控单元，分别是机电分控中心、水电暖分控中心、机运分控中心、洗选分控中心、销售分控中心、综采分控中心、通风分控中心、安防分控中心以及掘进分控中心。“1+9”总控-分控自动化平台子系统隶属划分见表2。

表2 “1+9”总控-分控自动化平台子系统隶属划分

由表2可以看出，自动化系统和监测类系统进行了隶属划分，而信息化办公系统作为张家峁公司办公平台上的独立办公业务系统，也根据不同的分控中心业务在数据中心给予了赋权处理，各分控中心经过划分，在各自所属的区域建设集控室，采用IFIX5.8作为上位机系统，利用工业环网技术将所含子系统数据从数据中心调出，从而进行采集、存储、查询和统计分析，并在上位机系统中进行融合。每一个分控中心可以实现以下功能：

(1)实时监控功能。分控中心通过视频实现实时监控各个子系统现场设备情况。

(2)保护功能。分控中心实现各个子系统的故障预警，并及时判断后急停。

(3)控制功能。分控中心控制模式可选择自动控制、半自动控制、手动控制、远程控制，具备远程/就地切换功能。

(4)操作模式转换。分控中心控制下的子系统分为远程和本地操作状态以及自动、手动、半自动几种操作模式，其优先级控制方案为手动控制→远程控制→自动控制。

(5)动态显示功能。分控中心能够实现图形动态显示设备的运行状态及参数。

4 “1+9”总控-分控自动化平台的多样化融合

在“1+9”总控-分控自动化平台的建立过程中，对相关分控中心的非自动化业务也进行了梳理和融合，在前期基础的数据采集过程中，对视频信息也进行了采集和汇总，根据隶属的范围不同，将所属各个分控中心业务下的视频信息进行调出，并在自动化操作系统的上位机操作画面里进行视频嵌入功能的实现，将自动化上位机的所处网段与视频系统的网段联通，同时开发视频插件，通过与视频源的连接及调用原摄像头的流媒体资源(不直接调用摄像头资源)，从而达到节省费用、充分利用资源、实时监控重要场所以及形成集控人员新的操作习惯的目的。此外还有人员定位系统的嵌入等等，诸如此类，让业务归属单位实时了解所辖范围内的设备、人员以及生产等动态。

5 “1+9”总控-分控自动化平台的虚拟化应用

在“1+9”总控-分控自动化平台的建设过程中，需要利用大量的网络资源，前期的网络资源及网络规划已经远远不能满足需求，为此需要购置大量的核心交换机及网络交换机，基于此次建设机遇，在思考网络建设的同时引入了虚拟化应用，并对张家峁公司的网络进行了基于VLAN划分的重新规划。虚拟化应用的建设使用两台虚拟化核心交换机替换了原有的28台交换机，在更新换代的同时大大节省网络设备的投入，这种思路的引入基于充分利用互联网信息技术、计算机管理、虚拟化手段实现张家峁公司信息服务化和企业数字化，在张家峁公司数据中心建设 “私有云”服务平台，开发接口设计、数据管理、应用系统等，发展基于互联网的按需服务的新型网络服务模式，并通过虚拟化平台的建设建立一体化管控系统，将生产过程控制、生产环境监测、设备远程诊断等相关传感器和智能设备接入物联网环境，利用信息技术将相关生产数据采集存入数据库进行综合自动化控制与数据分析。张家峁公司虚拟化建设架构示意图如图2所示。

虚拟化应用的建设夯实了“1+9”总控-分控自动化平台的建设理念及建设成果，张家峁公司通过虚拟化平台的建设将现场自动化系统及其它信息化系统融合在了一个整体的平台上，应用更加直观便捷，虚拟化平台集成示意图如图3所示。

虚拟化应用可以满足工作人员将文件上传至办公平台的个人网盘，支持随时随地上传下载，用户文档由张家峁公司网络机房统一存储管理保障资料存储安全。同时支持外网办公，张家峁公司人员可以实时登录手机、pad等客户端对张家峁公司虚拟化应用进行业务浏览，不受办公地点、场合以及时间限制，同时还能够减少系统管理员对数据中心及业务系统的维护工作量。

图2 张家峁公司虚拟化建设架构示意图

图3 虚拟化平台集成示意图

6 效益分析

张家峁公司通过“1+9”总控-分控自动化平台的运行，实现了固定机房、硐室设备、主煤流运输等子系统的集中远程控制和管理，达到了“无人值守、有人巡检”的运行模式，极大地提高了矿井生产效率。同时，多系统融合、矿井三维可视化、虚拟化平台的应用等手段，集成了视频、定位等信息在分控中心的交互实现，达到了设备、人员、车辆等虚拟现实交互和三维可视化综合管理。张家峁公司“1+9”总控-分控自动化平台的效益分析如下：

6.1 减人提效

(1)机运分控中心。机运队员工总数共计119人，进行无人值守升级改造后将固定岗位变成巡检工，减员人数为30人。

(2)水电暖分控中心。水电队员工总数共计53人，本次升级只增加了部分设备的远程控制，减员人数为5人。

(3)安防分控中心。安保及消防人员共计30人，通过安防分控建设，减员人数为10人。

(4)销售分控中心。销售分控通过建设达到的减员人数为12人。

(5)洗选分控中心。洗选分控通过建设达到的减员人数为15人。

以上合计减员103人，按照张家峁公司系统维护费用约为30万元/a、人均收入10万元/a计算，张家峁公司节约工资成本约为1000万元/a。“1+9”总控-分控自动化平台建设总投资约为500万元，回报周期为6个月，回报率为200% 。

6.2 提高生产效率

采用“1+9”总控-分控自动化平台进行集中控制管理后，按照故障停机恢复缩短0.5 h/次计算，故障次数按照50次/a计算，系统出煤量按照2000 t/h计算，可以提高产能为6万t/a。原煤均价按照500元/t计算，产生的经济效益为3000万元/a。

综上可得，该自动化平台带来的经济效益为4000万元/a。2017年9月，“1+9”总控-分控自动化平台被中国煤炭工业协会授予全国“煤炭工业两化深度融合示范项目”的荣誉称号。