黄陵一号煤矿实现数字化矿山的转型实践

朱元军

(陕西陕煤黄陵矿业有限公司一号煤矿，陕西 延安 727307)

0 引言

2008年黄陵矿业公司一号煤矿启动了数字化矿山一期建设，一期建设主要实现在调度指挥、井下各生产系统自动化控制、安全生产作业等方面的煤矿综合自动化管理模式，为井下生产无人值守提供可能。2012年黄陵一号煤矿又对数字化矿山进行了升级，系统升级时黄陵矿业公司本着“安全、可靠、经济、实用”的原则，将工业网络升级为万兆工业网络，同时增加皮带运输系统、井下变电所、水泵房、洗煤厂远程控制系统，实现了统一通信与协作、统一实时数据获取模式、统一数据存储、统一编码、统一安全、审计管理机制，达到数据接口开放的原则。2018年年底又启动了安全信息共享平台建设，通过搭建安全信息共享平台，统一矿井管理信息，生产系统的监控信息、地质储备信息的统一管理，进而实现了黄陵一号煤矿“数字化矿山”转向“智慧矿山”的步伐。

1 数字化矿山一期建设情况

一号煤矿建立了1 000 M工业以太环网，并将综合自动化控制系统、工业电视监控系统、调度电话系统采用数字调度电话主机接入1 000 M工业以太环网。按工业以太网交换机分布设立IP语音网关将调度电话终端接入网络，利用工业以太环网的建立，为控制、语音、视频等信息三网合一提供基础网络平台，也为煤矿生产管理中实现“生产过程自动化”“安全监测数字化”“企业管理信息化”“信息管理集约化”的数字化矿井提供一个统一的开放型网络平台[1-3]。

1.1 工业网络系统

采用环间耦合冗余两级网络结构，在地面、井下各建立一个环网平台，地面、井下环网分别与监控中心网关交换机连接，最终形成一个冗余工业千兆主干环形网、百兆接入的技术方案。而地面的两台工业核心交换机组成Hiper-Ring环网，两个现场环网基于双机Coupling冗余耦合技术接入两台工业网关交换机，组成全网一致的整体冗余网络(任一单断点自愈时间快于50 ms)[4-6]。方便了地面与井下各个子系统的接入，同时方便井上下的工业网络的扩展与升级；实现了数据、视频、语音三网合一。同时工业电视系统也采用了本项目建立的环网进行视频传输，各监控点将接入就近的环网节点交换机。服务器、操作站及单环网与核心交换机均采用千兆口连接，整个综合自动化层达到千兆网水平。整个网络采用了双环网型设计，保证了数据传输，增加了网络的安全性和可靠性。

1.2 搭建一体化监控软件平台系统

一体化集控平台是集数据通信、处理、采集、控制、协调、综合智能判断、图文显示为一体的综合数据应用软件平台，平台能够在各种情况下准确、可靠、迅捷地作出反应，及时处理，协调各系统工作，达到实时、合理监控的目的[7-10]。其数据接口采用通用接口发布数据(HTML/XML/COM/DCOM)，提供与其他系统的集成接口。其次一体化的综合数据应用平台能够进行实时监控，对操作及事件记录做到记性记录，故障报警做到统计分析，所有的历史数据做到综合查询、趋势图与历史曲线查看。平台本身具有用户管理子系统，资源管理子系统，身份验证和权限验证子系统，报警联动预案系统，应急信息管理，Web浏览、数据管理以及画面数据系统分级管理，工业电视及大屏显示系统，是一个矿井全面综合信息的管理操控平台。其框架结构如图1所示。

图1 框架结构图

1.3 矿井各类自动化系统接入

自动化系统接入充分考虑了主皮带及煤流、井下供电、副井提升、水泵房、洗煤厂、综采面顶板压力监测、安全监测、主扇风机、人员定位等矿井辅助生产系统与监控系统。生产系统的远程控制要综合利用系统中已有的PLC控制系统，就近接入环网实现集中控制。其次在远程控制建设时要充分考虑各个设备的远程/就地的单机启停控制、远程闭锁联动启停控制、整个系统的急停控制。例如，胶带运输系统可对各种煤流流程进行编程和选择，对给煤机等单机设备可联机启动，也可单机启动，在煤流选择上要具有闭锁保护功能，在实现远程逆启顺停时，也要将所有设备的相关数据(电机电流、速度、保护动作)都进行实时显示、历史数据储存和查询，实现所有报警信息的提示、储存，相应报表的统计输出，同时将这些数据传送到矿调度室，实现信息的共享，及相关数据的Web发布，达到数据的远程查询和管理功能。在各类安全监测系统上位机上安装以太网卡，直接接到地面千兆以太环网中，通过编写程序协议转换，读取系统信息，实现安全监测系统与其他生产相关系统相结合，使设备的运行实现全监控安全生产的目的。

2 数字化矿山二期完善情况

2.1 网络框架升级

原有脚本：黄陵一号煤矿一体化监控平台设计始于2008年，一体化监控平台软件采用IFIX+iCV的模式，大部分自动化系统在IFIX平台下集成，部分应用功能在iCV下开发，平台软件采用脚本语言互相调用的模式。对于Web发布系统采用PORTAL软件，该软件虽然功能强大，但因为煤矿系统多、变量多、每个系统组态画面动态效果多，这样通过远程电脑登陆Web发布系统的话，响应速度就相对较慢。针对目前存在的以上问题，二期建设将平台控制程序的脚本升级为iCV5.X。

网络升级：黄陵一号煤矿工业网络系统以TCP/IP技术作为整个系统的通信标准，网络带宽采用1 000 M，其主要设备采用赫斯曼MACH 4002-24G-L3E和MS4128-L3E。其次控制设备的数据量与矿井监控系统的数据量不断提升，网络带宽占用率已经达到了70%左右，出现数据传输拥堵，数据丢包与数据丢失等现象。针对以上情况，一号煤矿对工业网络进行了完善，工业网络的带宽扩展至万兆，其次通过增加大功率的矿用隔爆型备用电源，为网络基础提供了可靠的稳压供电及后备供电。

2.2 矿井各类自动化系统完善

原系统存在的问题：一期建设期间由于黄陵一号煤矿自动化子系统的自动化程度参差不齐，比如二号风井提升系统、三号风井提升系统，子系统厂商设计的PLC控制系统采用的PLC型号过于陈旧，通讯速率低，CPU处理速度慢，没有通讯接口，监测的参数也不是很全面。针对存在的问题，二期完善阶段对原系统进行升级，逐步地实现井下主要生产系统的无人或者少人化职守。

改造内容：①提升PLC控制系统应配置以太网通讯模块，以便可以接入环网交换机，实现远程监控功能;②监控系统和提升监控系统数据实现全方位采集。通风机监控系统应包含瓦斯含量、风压、风速、风机电流、电压、电机振动、定子温度、轴承温度等参数；提升系统应采集提升速度、电机电流、提升勾数、提升高度、安全回路信息、保护信息等参数；③井下高爆开关的微机保护装置更换了具备以太网接口的微机保护装置，则远程控制基本上可以减少延迟到1～3 s，如果采用RS485接口的微机保护装置，远程控制的延时一般都在3～6 s。

3 数字化矿山升级转型

3.1 矿井安全信息共享平台

平台建设过程：近年来，陕煤集团黄陵矿业公司一号煤矿在“智慧平安新矿山”的规划下，总体取得了明显的进展和成效。2018年辅助生产系统的各类信息化、自动化体系基础建设日趋完善，设备运行监控数据也呈现立体化，有效保护了各系统的日常运行。2019年建立的矿井安全信息共享平台，实现矿井基础设施完善到各类信息的集中应用分析的跨越，平台结构如图2所示。

图2 安全信息共享平台

平台实现的功能：平台采用了地理信息系统、云平台、大数据、物联网等信息技术，将矿井遥感影像导航、图件叠加显示、基础信息等直观地展现在GIS一张图上，实现了对矿井采掘工程、地质测量、防治水、一通三防、机电运输、监测监控、应急救援、安全风险、预测预警、气象信息等数据的在线监测和提醒功能，杜绝了矿井“空间数据”和“业务数据”的不规范、不统一、不科学等管理漏洞，为管理层决策提供了依据。

3.2 信息共享平台数据接入

平台通过安全生产网的数据接入：实现矿井风险管控、隐患治理、三违管理、安全专项管理、职业健康、安全综合管理数据的多维度展示与应用，解决了隐患排查治理过程中责任落实不到位、问题剖析不全面、现场难预防等问题，堵塞了矿井不安全因素未解决、迟解决的管理漏洞，达到了隐患双重防御机制，健康监护自动提醒模式。

平台通过经营销售网数据接入：对矿井总产量、总进尺、开拓进尺、销售库存、排水用电、煤炭价格行情进行展示，为管理层准确把握市场动向，制定适应当前形势的生产模式提供了科学依据，避免了“信息孤岛”经营管理漏洞，实现产品结构的优化、市场核心竞争力的提升、地区价格风向标随时掌握的良好管理趋势。

平台通过物流供应数据的接入：对供应链库存、矿井物资库存进行数据整合，借助矿井自身的物资超市，达到物资数据集中共享、代储代销，有效降低库存资金占用率的良好效果。

3.3 下阶段智能化建设思路

建设方向及原则：下阶段煤矿辅助生产系统的智能化建设，将是建立矿井生产系统大型数据库，实现监测数据与设备运行状况的第三方深度融合分析、挖掘，形成数据的深层次利用，形成独立的“互动”型分析预警体系，使系统控制程序更加智能化。生产数据库的建立则要充分考虑综采、掘进、供电、运输、环境监测、排水等监测信息的梳理和统一收集，形成一个统一、完整、立体的数据库。

建设重点：要深度研究和寻找矿井各生产系统运行、报警、故障之间的相互关系，挖掘各系统运行的深度线性规律，并根据线性规律与参数变化之间的相互关系，挖掘和整理矿井生产系统数据库中能够产生“蝴蝶效应”的数据源。根据“数据源”制定生产系统立体式预警、智能诊断体系，使系统能够针对“异常变化”做好超前预判、预报。例如，形成煤矿安全监控在线分析预警系统，矿井安全供电专家管理系统，矿井三维通风、生产、管理的仿真系统等智能系统。最后通过开发智能手机APP，使矿井管理掌上化。

4 结语

在煤矿生产环节信息化、自动化、集成化的不断提高，数字化与自动化建设不断完善的情况下，矿井的自动化、集成化发展不仅提高了煤炭生产系统的管理水平，并且达到了安全、高效、环保、健康运行。然而现阶段多数辅助生产系统在远程操控后，系统的运行状况全部依靠监测监控数据，并且当监测数据提示报警时，系统不能够自我分析、预警、诊断故障类型，集控系统仍需现场巡视或远程人工干预。