物联网智能化矿山综合自动化系统技术方案.docx
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物联网智能化矿山综合自动化系统技术方案
目 录
第一章、煤矿综合自动化系统概述
一、煤矿信息化系统发展方向
随着全球信息化的发展,信息化建设在煤矿安全领域中的作用也越来越受到重视,即已经认识到了信息化对企业发展的重要性。
但是在实际应用中,煤矿企业比较重视硬件的投入,而对于软件的投入比较轻视,即内部信息资源的开发比较轻视,在思想意识上,虽然各单位都意识到了办公自动化的重要性,但是在实际应用中还只是用计算机进行排版和打印之类的最基础的事情,对于信息化的概念、信息处理等是非常模糊的,造成资源的极大浪费。
随着我国煤炭事业的发展，高产、高效煤矿对生产过程监控、全矿井生产安全环境监测、生产过程信息综合利用等方面的网络化、自动化和智能化提出了更高的要求，矿井综合自动化系统因然而生。
矿井综合自动化系统（简称MSS系统-Minepitsynthesisautomatedsystem）属于生产过程自动化范畴，实现煤矿管理信息系统与各种分散控制系统之间数据交换的桥梁。
矿井综合自动化系统利用计算机技术为矿山企业实现综合信息网络化、过程控制自动化、安全管理信息化、生产集约高效化，使得信息与业务之间完全融合、信息共享，将是数字化矿山发展的更高追求，最终建设目的是实现矿山资源与开发环境数字化、技术设备智能化、生产过程控制可视化、信息传输网络化、生产管理和决策科学化。
以计算机及其网络技术为手段，把矿山的所有空间和有用属性数据实现数字化存储、传输、表达和深加工，并应用于各个生产环节的管理和决策之中，以实现矿山生产的系统优化，达到提高资源的综合利用率、降低生产成本、实现利润最大化的目的。
高效快速的推进矿山网络化、数字化、信息化、综合自动化在煤矿企业的整体应用。
矿井综合自动化系统实现了全矿范围内的管控一体化，为实现全矿整体效益的提高、信息技术的提升和稳定、经济运行的根本目的打下坚实基础。
随着现代煤矿采掘工业中计算机自动化技术的广泛应用，以及无人化、少人化、自动化煤矿采掘概念的逐步推广，煤矿采掘安全作业的需要，拥有实时、高效、可靠，高度集成化、智能化的一体化综合自动化系统越来越成为现代煤矿采掘监控调度中心进行生产及安全管理的重要工具。
二、建设必要性和意义
煤矿所带来的经济是我国国民经济中占有非常重要的地位。
而煤炭工作又是非一般的工作,具有一定的危险性,然而其信息化建设显得尤为重要。
MSS系统的引入，是通过先进的技术将各生产系统及相关辅助系统和公用系统等联成一体的通讯网络，组成管控一体化的实时监控信息系统。
从厂级管理的高度对各机器实现参数监测、设备检测、故障诊断及性能计算和耗差分析等指导矿井运行，有效地提高矿井各子系统运行的安全性、经济性和可靠性。
延长设备使用寿命，减少重大事故的发生，及由此带来巨大的经济效益，从根本上保证了矿井的安全运行及经济利益。
建立矿井综合自动化系统的主要表现如下：
1．监视、指导各子系统的运行
安全是煤矿生产的重要前提，当矿井在一定的负荷下运行时，各系统参数存在着与负荷及其他运行条件对应的理想值，通常称之为目标值。
这些目标值是根据设计、运行、实验等技术参数确定的，矿井在运行过程中，如果这些参数偏离了目标值，就会造成经济损失。
因此MSS系统应具有矿井各子系统的运行参数，在其发生偏离时，及时警告并对偏离进行分析计算，得出调整的操作方式，以指导矿井的运行优化。
2.降低企业的人力、物力消耗
MSS系统应根据矿井运行情况适时调整人力和辅助生产材料调度建议，对矿井各子系统协调运转进行有机的调整、及时优化系统运行条件，减少损耗，降低矿井运行的成本，从整体和全局观点出发，降低煤矿企业的生产成本。
采用新技术设备，培养“多面手”检修工人，实现矿井局部的无人值守；对运行设备的在线监测，综合考虑设备的检修周期，有记录、提醒对设备的检修并进行设备的备品备件管理，对待运行主设备配套辅助设备部分的节电管理。
科学的分配人力、物力,均衡设备运行时间，以获取煤矿企业产生最大的经济效益。
3.管控一体化
随着中国国家煤矿体制改革的深入发展，企业的生产成本已经成为煤矿系统顺应经济改革的必然发展趋势。
由于煤炭市场的出现，使煤矿生产调度、运行方式、决策管理、计划和财务各部门围绕煤矿企业最大利益目标而工作，就必须加快企业信息化建设，高度重视整合企业的软、硬件资源，生产过程实时信息资源。
综合考虑管理信息系统和生产过程控制系统的整合，加快MSS系统的应用及IT技术的提升，以实现全矿范围内的管控一体化提供了坚实基础。
4.实现矿井各子系统和谐运行
根据矿井总调所下达的全矿产煤量总指标，在现有的采煤环境下，对各采掘机、采掘队出力实施不同的负荷分配方式，各生产运转系统的所需时间有效分配每天运转时间、检修时间、紧急情况调用时间。
因此，MSS系统应进行科学合理的负荷分配，在满足矿井产煤量时，以大偏差优先，小偏差优化为原则，同时，根据各子系统负荷响应性能，尽可能各子系统负荷优化操作条件，以获取矿井整体的和谐运行。
三、矿井综合自动化系统设计目标
1．在设计中采用先进的自动化、通讯、计算机网络、软件编程技术对矿井上下的自动化系统进行系统集成，实现在矿调度监控中心对各自动化系统的“管控一体化”。
使整个系统达到国内、国际先进水平，保证10年不落后。
2．在网络平台的设计中采用多种网络技术保证数据传输的实时性、可靠性、安全性，使网络具有较强的适应性和开放性。
3．采用的通用软件开发方式、编程语言、标准的接口技术，为用户提供运行稳定、操作方便、界面友好的应用软件，应用软件具有较高的开放性，较强的组态性。
4.针对不同的网络隐患采用采用不同的安全防范技术对网络进行设计。
5.利用综合自动化的信息平台建立防灾指挥决策系统，以提高矿井防灾救灾的响应速度，降低人员伤害及财产损失。
6.设备选型既要先进又要考虑煤矿特殊的工作环境对设备的要求。
四、矿井综合自动化设计最终的效果
我们将根据为矿井信息化服务的多年经验，有针性的对矿井综合自动化控制系统进行信息集中、控制分散，矿井综合自动化控制系统建设总效果是：
在生产设备质量可靠、环境条件许可、生产机构和管理水平配套的情况下，逐步做到井下除采掘进头以外的所有电器设备均能在地面调度中心集中控制和监视，井下各系统的控制实现无人值守，进有巡检工进行巡视和维护；对地面各车间除副井绞车房、锅炉房和瓦斯抽放站外，均实现无人职守，设备的控制和监视均在调度中心进行，实现全矿的管控一体化。
Ø网络系统建设效果：
通过网络技术将各个部门的实时数据形成一个有效的整体。
使有权限用户在网上任一台计算机上浏览WEB信息，包括生产和管理的数据、图形、动画和图像信息。
有权限用户在网上任一台计算机上向监控子系统中的控制设备发送权限允许的控制操作，并得到与其对应的操作响应和反馈。
各专业调度工作站通过软件实施可以完成原子系统主机的操作和处理功能。
Ø综合自动化平台建设效果：
实现全矿井各个分散的控制单元全部联网，最终实现各分散的子系统高度集中到调度指挥中心，由调度指挥中心统一指挥调度室矿井各个控制层设备，为全矿井管理信息系统提供原始数据，最终实现矿井管控一体化综合控制。
通过全矿井综合自动化控制，有效地减少井下人员，提高设备的运转率，保障煤矿安全生产，降低设备损耗，提高矿井综合自动化控制，有效地减少井下人员，提高设备的运转率，保障煤矿安全生产，降低设备损耗，提高矿井综合经济效益。
Ø管理信息系统建设效果：
基于企业发展战略的目标、运用现代科学技术和先进的管理理念，建立健全先进、实用、安全、统一的矿井数字化信息工作安全生产管理平台系统，完善企业综合自动化基础建设，实现安全、生产、地测的三维可视化；安全监测、生产指挥调度的监测监控综合自动化，实现企业资源规划的一体化，管控一体化、市场营销网络化，企业管理办公自动化，并实现对企业生产经营决策的智能化支持。
Ø信息通道建设效果：
信息通道建立，可以全面考虑所有系统的传输冗余，使所有子系统成为一个有机的整体，统一使用光纤环网做信息传输通道，在系统建设成本方面，节约了整个系统的传输费用；在系统安全方面，使子系统设备区域化，大大提高了子系统安全性；在系统实时性方面，由于系统采用光纤以太网络，PLC子系统从总线通信发展到以太网通信，分站子系统从以前的单串口通信到多串口并发通信，从而大大的提高了系统的传输速率。
五、建设综合自动化系统的原则和依据
煤矿综合自动化系统建设思路应以生产过程自动化为基础、管理信息化为本质、三维可视化为直观表现形式、领导决策分析为管理依据的四位一体的矿井综合自动化集成平台。
考虑矿井综合自动化控制系统工程的实际应用状况和将来的发展趋势，各系统的实际需求及具体的使用特性，同时兼顾技术新旧更替不断加快的特点，整体方案设计遵循以下设计：
1、设计原则
先进性、成熟性：
使用先进、成熟、实用和具有良好发展前景的技术，使得各个子系统具有较长的生命周期，不盲目追求高档次，既能满足当前的需求，又能适应未来的发展。
实用性：
由于现代煤矿企业的安全、生产监控及调度任务、各职能部门之间业务的联系在很大程度上是以网络为基础，而安全、生产监控则对数据的实时性要求很高。
因此，在设计上应保证网络的处理能力和带宽越大越好。
可靠性：
高效稳定的系统，能提供全年365天，一天24小时的不停顿运作。
对于安装的服务器、终端设备、网络设备、控制设备与布线系统，必须能适应严格的工作环境，特别考虑要适应煤矿井下高温、高湿、高瓦斯的客观环境，以确保系统稳定。
在硬件选型、线路、支撑环境及结构上都必须高质量，并保证核心网络设备具备冗余。
安全性：
网络的各个环节要尽可能多的提供安全保密措施，来保证网络的性能。
安全措施应包括：
防病毒、防黑客、防止非法或越权访问、传输加密、安全策略控制等。
设备和终端必须反应快速，充分配合实时性的需求。
易操作性：
先进且易于使用的图形人机界面功能，提供信息共享与交流、信息资源查询与检索等有效工具。
完整性：
提供与各种外界系统的通信功能，确保信息的完整性并充分利用在整体系统的运作上。
提供易于使用的数据库功能，让使用者能随时查询信息及制作所需的报表。
互联性和可扩展性：
把各子系统有机结合起来，满足信息层结构中各层之间信息沟通，增加各子系统之间的互联性和可扩展性。
充分考虑将来需求的成长空间，所提供的系统平台与技术将充分配合未来功能及扩充项目的需求，以避免将来重复的投资。
标准化、结构化、模块化的设计思想贯彻始终，奠定了系统开放性、可扩展性、可维护性、可靠性和经济性的基础。
经济性：
在一定的资金资源下，尽量有效地利用，以适当的投入，建立一个尽可能高水平的、完善的网络系统。
2、设计依据
《煤炭安全规程》2010年
《煤矿安全监控系统及检测仪器使用管理规范》AQ1029－2007
《煤矿安全监控系统通用技术要求》AQ6201－2006
《煤矿安全生产监控系统通用技术条件》MT/T1004-2006
《煤矿安全生产监控系统软件通用技术要求》MT/T1008-2006
《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GB50343-2004
《电子计算机机房设计规范》GB50174-93
《电子计算机场地通用规范》GB/T2887-2000
《爆炸性气体环境用防爆电气设备》GB3836
《矿用一般型电气设备》GB12173－1990
《爆炸性环境用防爆电气设备防爆型电气设备》
《爆炸性环境用防爆电气设备本质安全型电路和电气设备》
《煤矿通信、检测、控制用电工电子产品通用技术条件》
《民用建筑电气设计规范》（JGJ/T16-92）
《建筑与建筑群综合布线系统工程设计规范》（GB/T50311-2000）
《建筑与建筑群综合布线系统工程验收规范》（GB/T50312-2000）
《工业企业通讯设计规范》GBJ42-81
《工业企业通信接地设计规范》GBJ115-87
《国际标准化组织标准（ISO）》
《国际电气电子工程师协会标准（IEEE）》
《国际电工委员会标准（IEC）》
《供电电源标准》（GB2887-82）
《计算机场地技术要求》（GBJ45—82）
《计算机场地技术条件》（GB2887—89）
《以太网通讯标准》（IEEE802.3）
《建筑设计防火规范》（GBJ16-37）
《电气设备用图形符号》（GB／T5465－1996）
《电气装置安装工程施工及验收规范》（GBF232-92）
《视听、视频和电视系统中设备互连的优选配接值》（GB/T15859-1995）
《煤矿综合自动化系统招标文件》ZBZX-2011-045
其他国家、行业有关现行标准。
六、系统运行环境
地面中心站机房设备是保证系统地面中心站设备长期稳定运行的首要条件，机房环境须符合国标GB2887-83“计算机站场地技术”的要求，对系统只要基本满足要求即可。
具体表现在动力、温度、防尘、防静电、防雷击等方面。
A．动力供电：
电压波动范围380V/220V±10%,频率50Hz±2%,波形失真率≤20%。
机房电源为双电源自动切换稳压供电，第一级为交流稳压器供一台UPS及其它电器外设，第二级为UPS，它的输出供主控计算机，UPS电源供电至少4小时以上。
机房应设专用配电柜或配电箱，并提供双路电源引入和相关配电装置。
UPS输入和稳压器的输入均由配电箱引出。
配备与地面中心站相兼容的电源插座，其接地应符合国家规定的机电标准。
（面对插座，右插孔为火线，左插孔为零线，上面插孔为地线）。
B．接地要求：
系统工作地，要求接地电阻≤4Ω，接动力源的输出零线；
保护地要求接地电阻≤4Ω；
通讯屏蔽电源接地点，要求接地电阻≤0.5Ω。
C．恒湿恒温要求：
机房内的环境条件要求开机时，温湿度为A级，停机时温湿度要求为B级。
D．防尘要求：
要求机房双层门窗密封，无灰尘，达到B级。
E．电磁场干扰：
采用防静电地板，机房内无线电干扰强度在（0.5-50MHz）时应小于12db，磁场干扰强度不大于800A/M。
F．机房通讯电话：
机房通讯电话应设生产、行政电话各一门。
生产电话为录音电话，行政电话须加传真机。
第二章煤矿综合自动化系统
一、建设总体思想
本工程作为矿井综合生产自动化系统工程，建设内容主要包括：
矿井综合生产自动化系统调度指挥中心网络建设、网络传输平台建设（环网井下设备、环网地面设备）、调度指挥中心机房设备、调度监控中心软件平台建设、矿井各生产子系统集成。
二、建设内容
新建内容：
调度指挥中心网络建设、网络传输平台建设（环网井下设备、环网地面设备）、安全监控、人员管理、风机监测、调度指挥中心机房设备、调度监控中心软件平台建设。
接入系统：
本次煤矿综合自动化系统主要接入有、绞车提升系统等4个子系统。
序号
系统名称
本次完成内容
备注
1
安全监控系统
接入
TCP/IP，RS485
2
风机在线监测
接入
TCP/IP，RS485
3
井下作业人员管理系统
接入
TCP/IP，RS485
4
绞车提升系统
接入
TCP/IP，RS485
5
中心机房建设
新建
大屏、供电、防雷
6
水泵房无人看守
新建
TCP/IP，RS485
7
工业视频监控
新建
TCP/IP，RS485
8
井下语音广播
新建
TCP/IP，RS485
9
调度通讯
新建
TCP/IP，RS485
10
压风机房
预留
TCP/IP，RS485
11
地磅
预留
TCP/IP，RS485
四、总体设计
1、工程范围
本工程的工作范围包括矿井综合自动化系统的设计、制造、供货、运输、调试、培训、试运行及质保期维护。
1）总体负责整个综合自动化工程的系统集成工作。
2）设计并构建矿井综合生产自动化控制中心和井上下综合生产自动化网络传输平台建设。
3）设计并构建矿井综合生产自动化控制中心及构建统一的软件平台，实现各子系统信息共享，系统的综合自动化。
包括：
中心机房建设、大屏幕建设、工业以太网建设、综合软件平台建设、子系统接入、子系统建设等。
4）接入子系统：
安全监控、人员定位；新建子系统：
视频监控、水泵房无人值守、电力监控、皮带集控、核子秤、工业视频、通讯调动、压风机房、地磅系统、井下语音广播、调动室大屏。
5）设计并构建统一数据存储体系，实现各子系统在统一平台上进行数据存储。
6）整个网络最少须有20%的扩容能力。
7）应提供全部图纸及技术资料。
8）对用户进行技术培训。
9）售后服务。
10）全面实现本技术规格书所确定的全部综合监控功能。
2、煤矿综合自动化系统结构
矿井综合自动化控制系统是整个矿井信息“大脑”，它需要一个快速、安全、运行可靠的网络平台为大量的信息流动提供支撑，同时要有一个功能全面的安全生产信息应用系统为矿井安全生产的科学调度提供决策支持。
一套完整的综合自动化控制系统包括资源管理层（信息层）、过程控制层、操作执行层（设备层）。
矿井综合自动化控制系统集成设计方案总体构架见下图：
资源管理层（信息层）：
其主要目的是利用操作执行层（设备层）提供的大量生产信息使企业各个实体将能够不受地域的限制进行监视与控制工厂局域网里的各种数据，并对这些数据进行进一步的分析和整理，为相关的各种管理、经营决策提供支持，实现管控一体化。
目前，资源管理层（信息层）实现的途径就是通过企业外部网（Internet）和企业内部网（Intranet）。
由于涉及实际的生产过程，必须保证网络安全，因此这一层还要采用防火墙、用户身份认证以及密钥管理等安全技术。
过程控制层：
是采集服务器和各个子系统主机或控制器之间采用OPC/DDE/FTP待协议方式传输控制信息命令，相互握手的一个过程。
控制层不仅仅是命令的传输，需要信号采集的归类、逻辑判断，完成各种控制、运行参数的监测、报警和趋势分析等功能，用户就能随时通过执行工作站查询网络运行状态以及现场设备的工况，对生产过程进行实时的远程监控。
赋予一定的权限后，还可以在线修改各种设备参数和运行参数。
过程控制层通常可以独立工作，主控设备本身具有或通过扩展接口可以接入到综合自动化控制系统中，操作执行层（设备层）的功能一般由计算机完成，还为实现先进控制和远程操作优化提供支撑环境。
例如实时数据库、工艺流程监控、先进控制以及设备管理等就本项目而言过程控制层对应这各子系统主机或控制器。
操作执行层（设备层）：
是通过底层测控信息的实时传递从过程控制层中获取数据，以它通过工业以太环网或现场总线与过程控制层相连，完成这一层功能的关键技术是以太网与底层现场设备网络间的接口，以及底层数据包的正确解释和传输。
操作执行层（设备层）越来越趋向新的技术发展，采用以太网网络接口方式。
3、煤矿综合自动化系统特点
3.1采用工业以太环网的网络结构
矿井自动化监控系统采用工业以太网的网络结构，以1000M工业以太网作为综合自动化的主干网络，各个监控自动化子系统通过1000M工业交换机接入主干网络，该方案可以解决就地控制存在的事故隐患，减少各设备之间相互脱节、无法充分发挥效率的缺点。
系统由地面控制中心、现场分站、信息传输介质、网络通信接口设备组成，以实现先进的、统一的自动化控制网络平台，使整个系统配置合理，信息共享，安全可靠，提高指挥效率和生产率。
采用工业以太环网后，解决了传输集成的问题。
当工业以太环网下井后，各子系统数据信息均汇集到环网中传输，每个子系统不再敷设一根井下到地面的传输线，结构清晰，维护简单。
目前重庆梅安森科技股份有限公司已具有系列产品，可以做到全矿井范围内的“三网合一”，即数据、语音、视频的信息数字化后合在一条线路上传输。
3.2采用环网冗余技术
煤矿井下环境条件恶劣，尤其是信道的故障率最高，因此本设计方案采用光纤环网冗余技术，地面上要求高可靠性的自动化控制系统也通过环网接入到综合自动化控制系统，大大提高了矿井自动化系统的可靠性。
在物理上和逻辑上兼顾到传输信道、管控服务器、调度主机、供电电源的冗余，并且确保传输通路、数据服务、监控工作站、供电电源的安全可靠。
整个工业监控网络中，当其中某一段工作中的光纤线路被破坏或网络设备发生故障时，整个网络实现快速自愈，并保证在50ms内恢复正常的通讯。
3.3异构系统的互联互通
本设计方案分别在网络级和串口级提供了多种符合国际主流标准的接口方式，便于各种子系统的接入，实现最大限度的信息共享。
它能够集成不同厂家的硬件设备和软件产品，实现各系统间互操作，并将各系统数据集成。
3.4先进的体系结构
采用B/S模式设计三层网络体系结构，便于及时、准确地采集各个子系统的工况、生产和安全参数，方便管理层实时查询、分析和决策。
应用系统采用三层或多层架构。
遵循统一数据出口和统一数据入口的原则，通过统一的一站式服务门户对外给用户提供闭环式服务和共享机制，对内整合各业务应用系统。
通过对上层应用服务的请求，调度下层业务逻辑及其相关业务系统的资源，完成以事件为驱动的工作流和数据流的运行。
3.5采用先进技术
按照“管控一体化”的要求，在经营管理系统和自动化控制系统之间建立处理联系，实现企业管理信息系统与工业控制现场的无缝连接。
3.6实时信息数据集成
以信息集成平台为核心，将实时数据流在企业统一信息平台上集成起来，同时，针对统一信息平台开发各种综合应用，形成集成化、网络化应用。
各种图形、图像、报表信息都可以通过Web的方式在任何一台终端统一浏览，统一界面。
3.7统一的数据仓库
在集成化的数据管理中，数据一旦被输入，在整个系统中都可以使用。
这是因为所有的数据是在一个数据库中进行管理的。
这样就大大提高了工作效率，降低了工程的实施难度。
3.8安全性
充分考虑系统和数据的安全性。
系统应具有较强的身份认证、授权、加密等机制、完善全面的事件日志、数据备份和病毒防护功能。
核心交换设备冗余，设备引擎、电源冗余。
服务器、磁盘阵列采用部件冗余和双机热备，保证数据的安全。
采用防火墙、网闸、杀毒软件对系统进行全方位的保护。
4、综合自动化系统软件
4.1技术选型
国内的煤矿综合自动化研究起源于2001年，经过10年的高速发展，自动化软件平台也是百花齐放，逐渐形成两大流派：
组态软件：
采用现在工业领域应用的组态软件，实现实时数据的采集和无缝接入；
定制软件：
通过采用组态软件的原始图例进行定制开发，实现实时数据的采集和无缝接入；
类别
特点
备注
组态软件
组态软件
集成平台和待集成系统选用同一组态软件可以实现数据的无缝接入
在人机界面上，提供丰富、专业的图形库供用户在制作工艺流程图时使用
支持微软的COM/DCOM组件技术和面向对象技术
软件实时性、开放性、互连性及操作性要优良，可通过ODBC技术共享实时数据库，方便与其它系统共享数据
组态软件主要将重点放在客户端上，而在WEB浏览功能上比较弱化，进行WEB发布，不支持显示自定义曲线及报表，运行效率很低，无法满足实时监控要求，需要采用其它工具重新开发
多系统联动、环境参数异常分析、生产效能评估等由于通过组态软件实现时需要通过编写脚本，使运行效率大大降低
定制软件
数据接入灵活，使得不同技术层次和技术途径的系统之间可以进行可靠的数据交换，可提供多种较低的接入门槛，使得各系统能够根据实际情况选择合适、并易于实现的方式接入，能够有效保护企业原有投资
可以建立统一的安全报警信息管理平台，将安全、生产、管理中需要报警的信息（如超限报警、异常报警、设备运行故障、隐患、违章作业等信息）进行集中管理，并做相应归类和分析
通过对我单位以前案例进行比对，结合组态软件和定制软件的优点，方案考虑采用定制软件平台进行生产过程数据集成以及WEB数据发布，并实
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