基于DCS系统和PLC+SCADA结构的煤矿工业生产控制系统的选择与研究

罗天敏

在当前工业控制领域，起主要作用的除了工业的主体控制计算机（IPC）之外，就是各类工业控制系统（结构或概念），如PLC、PAC、PCS、DCS，FCS、SCADA等。通过系统的紧密结合可以在极大程度上加快实现煤矿智能化的脚步。本文主要对煤矿建设预采用的工业控制系统进行分析，即，PLC+SCADA和DCS系统的结构、优劣分析。

一、相关概念简介

PLC-Programmable Logic Controller：可编程逻辑控制器。是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作电子系统。它采用一种可编程的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程，主要用于工厂自动化（生产线）。单纯的逻辑功能和控制，不提供人机界面，实现操作需要借助按钮、指示灯、HMI、SCADA系统。

SCADA-Supervisory Control And Data Acquisition：数据采集与监视控制系统。重点用在监视、控制，可以实现部分逻辑功能，基本用于上位机（WINCC）。

HMI-Human Machine Interface ：“人机接口”，也叫人机界面。HMI是SCADA的一部分。

DCS-Distributed Control System：分布式控制系统，是以微处理器为基础，采用控制功能分散、显示操作集中、兼顾分而自治和综合协调的设计原则的新一代仪表控制系统，主要用于过程自动化。DCS也可译为“集散控制系统”。它采用控制分散、操作和管理集中的基本设计思想，采用多层分级、合作自治的结构形式。其主要特征是它的集中管理和分散控制。目前DCS在电力、冶金、石化等各行各业都获得了极其广泛的应用。

DCS通常采用分级递阶结构，每一级由若干子系统组成，每一个子系统实现若干特定的有限目标，形成金字塔结构。可靠性是DCS发展的生命，要保证DCS的高可靠性主要有三種措施：一是广泛应用高可靠性的硬件设备和生产工艺;二是广泛采用冗余技术;三是在软件设计上广泛实现系统的容错技术、故障自诊断和自动处理技术等。当今大多数集散控制系统的MTBF（平均故障间隔时间）可达几万甚至几十万小时。

二、项目建设背景简介

煤矿智能化是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑，将人工智能、工业物联网、云计算、大数据、机器人、智能装备等与现代煤炭开发利用深度融合，形成全面感知、实时互联、分析决策、自主学习、动态预测、协同控制的智能系统，实现煤矿开拓、采掘（剥）、运输、通风、洗选、安全保障、经营管理等过程的智能化运行，对于提升煤矿安全生产水平、保障煤炭稳定供应具有重要意义。

三、煤矿初设中PLC设计与DCS系统技术对比

1、DCS 与 PLC 的主要区别：

可以简单的理解，PLC是硬件设备，是一种产品。而DCS、SCADA是系统，是一种概念，其不具备可比性，简单的说，PLC+SCADA类似于DCS。DCS体系结构源自一种完整的系统方法，由控制器+I/O采集+网络+软件等组成的系统。其焦点在于基于网络实现分布式控制，协助作业人员监视并操控生产过程中的任何一个区域。通过高性能、确定性的网络实现一致、同步并且完整的过程数据正是DCS体系结构的核心。当PLC和SCADA（或类似HMI软件）集成在一起时，其最终形态看起来与DCS十分类似，但是这仍旧是一种自建（DIY）的实现方法，意味着工程师必须亲力亲为实现系统的每一个环节。对于控制来说这种方法更加灵活，但是DIY通常意味着在组网和性能上更大的技术风险，其导致的成本增加会在后期慢慢体现。

煤矿的自动化控制系统通常分为四个层次：

L1设备层，包括控制器、各种传感器和执行机构等，对现场设备进行调节、控制等，完成对数据的采集和信息的传递;

L2控制层，由监控计算机、工程师站、操作员站等构成，完成对生产过程的监视、控制策略的实现等;

L3生产管理层，是基于前两层数据的积累和分析，为运行人员和生产管理者提供控制和决策依据;

L4企业管理层，其内容主要是高层次的生产调度、物资供应、设备管理、生产计划、销售等内容。

PLC的功能是实现小范围设备的自动控制，对应L1设备层中控制器的功能。而L2控制层，则需要依赖第三方组态软件来实现。L1与L2之间通常用单环网实现网络连接，采用标准工业通讯协议实现数据交互。

DCS在结构设计上直接覆盖了L1与L2的需求。在DCS系统架构中，分为控制器（DPU）与上位机（MMI）两个层次，分别对应L1与L2的功能需求。中间采用高速冗余网络连接，采用基于组播的实时通讯协议实现通讯。

在实际DCS工程应用中， L1、L2两个层次由一个DCS系统实现，做到了深度融合，省去两个层次之间的调试工作，同时确保两个层次之间的高效通讯和实时交互，可以为高层次的L3生产管理和L4企业管理提供更加及时、丰富、准确的生产数据。

综上所述，DCS可完全覆盖PLC的功能，并在性能上、未来发展趋势上优于PLC。

2、DCS的高系统集成特性

DCS体系结构源自一种完整的系统方法，其焦点在于基于网络实现分布式控制，协助作业人员监视并操控工厂中的任何一个区域。通过高性能的确定性网络实现一致、同步并且完整的过程数据正是DCS体系结构的核心。PLC体系结构聚焦于灵活快速的本地控制，PLC技术最近的发展为其增加了过程控制能力。当PLC和HMI软件集成在一起时，其最终形态看起来与DCS十分类似。

3、 DCS技术可实现国产自主可控

PLC系统目前主流设备均为国外产品。DCS产品在近些年的发展，已实现国有化，可以给客户提供安全、稳定、可靠的产品和服务，彻底解决国外产品安全隐患问题。

四、煤矿工业控制系统选型存在的问题。

根据近年煤矿生产控制系统的一般性设计和描述，矿井生产控制系统一般是基于PLC+工业以太网模式（PLC+SCADA结构，传输协议采用TCP/IP），在矿井提升绞车系统、带式输送机系统、水处理监控子系统、地面生产系统等区域建立。各生产、安全子系统独立运行，技术成熟，相关的解决方案和集成方案完备，完全可以满足矿井正常生产的要求。但是存在两个问题：

一是存在安全生产隐患：目前国内应用的PLC基本上都是国外产品和技术，随着企业生产和管理信息化技术的不断应用，信息安全风险也日趋突出。特别是涉及到国家战略安全的能源领域，更应该高度重视。伊朗铀浓缩机飞车事故和委内瑞拉电网停电事故就是典型的例证。

二是不能满足智慧矿山建设要求：

根据《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》及其它相关文件精神，多系统融合、集控管控是构建智慧矿山基础的一个重要步骤。通过PLC+SCADA结构组网形成的系统，依旧是相对独立，数据不能完全共享，不能深度挖掘各子系统数据的潜在意义，不能整合、统计和分析各子系统的有效数据，不能建立统一的大数据综合管控平台，无法满足将来智慧矿山建设需求。而DCS凭借其大规模、大容量、高实时性、高兼容性等优势可实现将煤矿井上、井下各生产子系统、安全监控系统、生产管理系统搭建在一个统一的平台上，消除信息孤岛，实现多源异构数据的融合、数据标准化与统一的数据存储和管理，为真正实现统一管控、智慧矿山建设提供坚强的支撑。如矿井安全六大系统、胶带机控制系统、地面生产系统、变电所监控系统、矿井风机在线监测监控、瓦斯抽放系统、火灾束管监测系统、主副（斜）井提升监测系统、矿压监测系统等等，形成一个统一的、数据共享的管控平台。

五、煤矿生产自动化的特点

随着工业革命的持续发展，煤矿行业发展的主要方向是信息化、自动化、智能化和网络化。先关技术的应用不仅提高了煤炭业的生产效率，促进了企业的发展，改变煤炭业工作环境，提高行业经济效益，同时还提高了行业的社会效益。其生产过程复杂、场所分散、移动频繁，部分系统之间关联性较低，相互制约情况较小等是矿井自动化生产的主要特点和技术难点。

主要生产环节：采煤、掘进、运输、提升、洗选、计量等;

辅助生产环节：通风、排水、压风、供电、矿压、火灾束管等;

其他环节：“六大系统”、供热、日用消防及给排水、水处理等。

如：采煤工作面实现自动化生产，需监控的主要设备有：采煤机、刮板输送机、破碎机、转载机、胶带机;其他还有乳化液泵、清水泵、液压支架、除铁器等。

监控的主要内容有：采煤机的牵引速度、方向、位置、电机电流、电压、电机温度、缺水监测和控制;液压支架的工作状况及连锁控制;监控泵站的工作状态、参数、故障信息;监控刮板机、转载机、破碎机运行状态及相关参数;监控被控电机工作电压，电流，温度，运行状态，故障状态;移动变电站电力参数等。并监测各保护妥投状况及连锁、报警、执行情况。工业电视系统监视等。

并将相关数据信息发送至中心调度室。

整体结构基本基于逻辑控制。

六、DCS（或类似）工控系统结构在煤矿中的应用情况

2019年年末，神东煤炭集团哈拉沟煤矿“多系统融合的煤矿安全监控系统研发”第一阶段成果顺利通过专家组验收，整体系统于2019年8月6日取得煤安认证证书，该系统成功引入了DCS理念及技术，打造了以“井下分布式智能控制单元”实施井下融合的煤矿安全监控系统，为行业发展引入了一种新模式。

七、结论

DCS系统和PLC+SCADA结构，各有优缺点，从技术上考虑均可行。DCS体系需要构建一套完整的生产体系，支撑其业务，在系统组网、集成化、协同化上要优于PLC。而PLC体系结构灵活快速，系统响应时间要优于DCS，适合单一系统结构的逻辑执行，在部署SCADA上层结构后，同样能够监测系统运行信息。

考虑煤矿与电力、化工行业在实际生产过程中各系统的生产连贯性、协同作业程度以及管控要点的差异，建議系统构建中，可以以SCADA作为生产管理级监控，即上位系统监控平台;DCS实现复杂控制和系统集成;PLC实现区域、单机及简单控制。形成完全自主的多系统统一协作的工业控制体系架构，而不单一指定某一系统结构，即构建SCADA+DCS+PLC的多系统复合结构。

在系统构建和研究中，应明确主要研究内容与要求：

（1）煤矿建设需遵循高标准、高起点，采用新技术和国产化的控制系统替代进口，打破国外垄断，防止“卡脖子”现象发生，解决信息安全问题，奠定智慧矿山建设基础。

（2）开发煤矿相关工业控制系统需要一定的时间周期，要与煤矿建设或技改周期吻合，不影响矿井设备安装和正常生产。

（3）以建设智慧矿山为目标，构建基于全矿井的一体化控制系统平台，实现“核心+边缘”的多级数据计算中心模式、多源异构数据的融合、数据标准化与统一的数据存储方案。并且充分考虑煤矿生产与电厂、化工企业在生产连续性、系统关联性上的区别，构建完全适用于煤矿的工业控制系统。

（4）在煤矿全面实现井上、下生产系统的融合、统一。在井下生产子系统（主运输系统、通风系统、压风系统、排水系统、井下供电系统等）、地面生产系统开展集散控制应用。并且要兼顾综采工作面系统、掘进生产系统、注浆系统、无极绳绞车、架空乘人装置、水文监测、矿压监测等相关系统的工业控制系统建设、使用。特别是在能够全面兼容智能化工作面的建设。实现矿井智能化系统全覆盖。

（5）对煤矿安全生产“六大系统”（监测监控、人员定位、紧急避险、压风自救、供水施救和通信联络）深度融合进行研究，实现对风、水管路的数据采集、数据传输与协同控制，提高煤矿安全预测预警水平，构筑矿井灾害预防和多系统联动体系。