【導讀】泰山隆安煤礦綜合信息化方案。南京天溯自動化控制系統(tǒng)有限公司第1頁

　　

【正文】 產(chǎn)自動 化提出了更好解決集成問題的途徑。 ? 現(xiàn)場總線技術 現(xiàn)場總線（ Fieldbus）是近年來迅速發(fā)展起來的一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，它主要解決工業(yè)現(xiàn)場的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機構等現(xiàn)場設備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場控制設備和高級控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題。由于現(xiàn)場總線簡單、可靠、經(jīng)濟實用等一系列突出的優(yōu)點，因而受到了許多標準團體和計算機廠商的高度重視。 現(xiàn)場總線有以下優(yōu)點： N 的結構，一對傳輸線，可以對應多臺現(xiàn)場數(shù)字儀表，也可采用多種網(wǎng)絡拓撲結構，簡化了工程設計，降低了工程費用。 。 。 ，以微處理器為基礎的數(shù)字儀表具有多種功能；另外數(shù)字調(diào)節(jié)閥直接從現(xiàn)場總線接收數(shù)字調(diào)節(jié)信號，在現(xiàn)場總線上就可以構成回路，把原來的 DCS 站的功能下放到現(xiàn)場儀表，實現(xiàn)徹底的分散，提高系統(tǒng)的可靠性。 ? 集成化的通訊平臺 所有的部件之間的數(shù)據(jù)交換可以暢通無阻，因為現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)提供了通用的數(shù)據(jù)通道，無論是控制器，人機界面，還是工業(yè)控制 PC 中都集成了通訊接口程序， 泰山隆安煤礦綜合信息化方案 南京天溯自動化控制系統(tǒng)有限公司 第 14 頁 使的通訊連接沒有障礙。由于符合開放的標準，即使是第 3 方的設備也可順利地接入通訊網(wǎng)絡． ? 集成化的數(shù)據(jù)管理 傳統(tǒng)的方法是 PLC、網(wǎng)絡、人機界面等的組態(tài)在一個項目中的彼此獨立的，這須用大量的數(shù)據(jù)輸入和校對的工作。 在集成化的數(shù)據(jù)管理中，數(shù)據(jù)一旦被輸入，在整個系統(tǒng)中都可以使用。這是因為所有的數(shù)據(jù)是在一個數(shù)據(jù)庫中進行管理的。這樣就大大提高了工程效率，降低了工程的實施難度。 ? 集成化的編程組態(tài) 在功能上滿足一個自動化項目從設計、編程、組態(tài)、測試開車到操作診斷和遠程維護的全過程。所有的部件都可以有一個軟件進行組態(tài)；降低用戶用于培訓的費用；采用統(tǒng)一化的用戶圖形界面和面向對象的設計，使用起來輕松自如；采用模塊化的設計，使用戶根據(jù)需要進行選擇； 采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，保證了符號和變量在項目中的一致性，便于維護和提高效率。 管控一體化集成技術 隨著信息技術的發(fā)展和滲透，生產(chǎn)過程自動化與管理信息化的界限正日趨模糊。生產(chǎn)過程自動化的核心問題正在演變?yōu)樯a(chǎn)過程的信息化問題。而企業(yè)資源計劃也越來越強調(diào) “時間 ”作為企業(yè)資源，強調(diào)管理的實時性，強調(diào)生產(chǎn)過程的實時數(shù)據(jù)作為企業(yè)重要資源的管理應用。 這種 “融合 ”正日趨發(fā)展。雖然過去它們分屬于不同的領域，但是企業(yè)信息化的總目標，使它們結合起來。這個結合部位就是所謂的管控一體化系統(tǒng)。（如下圖） 圖 ： 管控一體化系統(tǒng)示意 框 圖 泰山隆安煤礦綜合信息化方案 南京天溯自動化控制系統(tǒng)有限公司 第 15 頁 從生產(chǎn)過程自動化觀點出發(fā)，強調(diào)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的 “管理 ”應用；從管理信息化觀點出發(fā)，強調(diào)面向實時化。這就是現(xiàn)今企業(yè)信息化解決方案的重要觀點和思路。這也是 “管控一體化系統(tǒng) ”的依據(jù)。 圖 ： 管控一體化系統(tǒng)示意 框 圖 企業(yè)級管控一體化系統(tǒng)實現(xiàn)目標： ? 實現(xiàn)異構控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成，消除信息 “孤島 ”； ? 實現(xiàn)從管理觀點出發(fā)，所必要的實時化數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)控。 泰山隆安煤礦綜合信息化方案 南京天溯自動化控制系統(tǒng)有限公司 第 16 頁 2 礦井網(wǎng)絡系統(tǒng) 工業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)設計 工業(yè)網(wǎng)絡需求 泰山隆安煤礦 建設安全生產(chǎn)一體化監(jiān)控指揮平臺，克服信息孤島，形成互相關聯(lián)的綜合信息化系統(tǒng)，系統(tǒng)之間信息實現(xiàn)共享，實現(xiàn)統(tǒng)一的 監(jiān)測與控制。這將有利于生產(chǎn)實時調(diào)度優(yōu)化和協(xié)調(diào)，提升處理突發(fā)事件的綜合應變能力與應急指揮處理能力。使各子系統(tǒng)協(xié)調(diào)運轉，合理發(fā)揮產(chǎn)能、提高生產(chǎn)效率和安全管理水平。工業(yè)網(wǎng)絡是建設安全生產(chǎn)一體化監(jiān)控指揮平臺這一總體解決方案的基礎。 工業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)的建設應遵循數(shù)字化、高速化、智能化、標準化、安全可靠、易擴充升級的原則進行設計。工業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)整體解決方案不僅要徹底解決自動化系統(tǒng) “孤島 ”問題，而且具有高的可靠性、可延展性，企業(yè)今后進行的各種自動化改造和新建項目均可快速、高效地和安全生產(chǎn)一體化監(jiān)控指揮平臺進行無縫連接，各種新數(shù) 據(jù)也可以被迅速反映到自動化調(diào)度指揮中心的數(shù)據(jù)庫中，所有的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)一管理，數(shù)據(jù)一旦被輸入，在整個系統(tǒng)中都可以使用。集成化的編程組態(tài)。實現(xiàn)從設計、編程、硬件組態(tài)、測試到操作診斷和遠程維護的全過程組態(tài)應用。 通過工業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)的建設，實現(xiàn)所有不同的獨立的子系統(tǒng)的集成，使得避免了重復的數(shù)據(jù)采集額外勞動，保證了信息數(shù)據(jù)的一致性，也使得數(shù)據(jù)信息能夠得到及時共享和反饋。使企業(yè)信息資源和設備資源得以充分發(fā)揮。 建設工業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)系統(tǒng)，實現(xiàn)將井上和井下區(qū)域控制器和綜合監(jiān)控站所采集的信息和控制信號傳送給有關系統(tǒng)。 考慮到 企業(yè)今后的自動化改造及設備更新，需要選用能夠方便更換和擴展接口的網(wǎng)絡交換機。這樣，企業(yè)今后新增加的地面、井下自動控制系統(tǒng)均可以方便接入綜合自動化控制網(wǎng)絡，而無需另外敷設線路或增加網(wǎng)絡設施。 設計目標 工業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)采用千兆工業(yè)以太網(wǎng)，按生產(chǎn)關系和地理位置構成邏輯環(huán)型網(wǎng)絡結構，將各子系統(tǒng)的主機作為工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)的一個節(jié)點，把各現(xiàn)場子系統(tǒng)整合于基于TCP/IP 的工業(yè)以太網(wǎng)中。通過 OPC、 DDE、數(shù)據(jù)庫共享、 FTP 文件上傳等軟件接口完成各子系統(tǒng)的信息整合，達到在地面調(diào)度室對全礦生產(chǎn)及相關環(huán)節(jié)的集中監(jiān)控，實現(xiàn) 泰山隆安煤礦綜合信息化方案 南京天溯自動化控制系統(tǒng)有限公司 第 17 頁 礦井的管控 一體化。 網(wǎng)絡技術選擇 作為現(xiàn)代工業(yè)控制網(wǎng)絡的技術方主要有：工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線。礦井綜合自動化網(wǎng)絡平臺設計可采用工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線兩種方案，具體比較詳見下表。 工業(yè)以太網(wǎng)方案與現(xiàn)場總線方案的性能比較 序號 比較內(nèi)容 工業(yè)以太網(wǎng)方案 現(xiàn)場總線方案 1 協(xié)議標準 統(tǒng)一且開放的 TCP/IP 通訊協(xié)議 ,便于集成多廠家設備 通訊協(xié)議有很多種，集成多個廠家設備困難 2 與管理網(wǎng)連接 相同的以太網(wǎng)協(xié)議，便于連接網(wǎng) 協(xié)議不同，不易連接管理網(wǎng) 3 帶寬 隨著技術的發(fā)展，工業(yè)以太網(wǎng)速率已達到了 1G，現(xiàn)已有 10G速率骨 干級設備可用 網(wǎng)絡速率很慢，只有幾十K。 4 可維護性 因在商業(yè)領域沿用多年，已為眾多的技術人員所熟悉，便于維護 維護不太方便 5 組網(wǎng)方式 根據(jù)情況可組成多種拓撲結構 只有總線式一種 6 技術發(fā)展 支持視頻、數(shù)據(jù)、音頻三網(wǎng)合一 不支持 從上面的比較可知：工業(yè)以太網(wǎng)技術具有組網(wǎng)方便、互連性好、帶寬高、可維護性好的特點。 現(xiàn)代的大型生產(chǎn)監(jiān)控管理系統(tǒng)中往往使用到多家廠商提供的多種不同類型的設備，為了達到方便管理，保證系統(tǒng)運行穩(wěn)定的目的，必須選擇一個開放的通信平臺，并將各種不同類型設備的通信統(tǒng)一到這一標準 通信平臺之上。為保證良好的兼容性和可擴充性，建議使用以太網(wǎng) TCP/IP 技術作為整個系統(tǒng)的通信標準。如有其他類型的通信格式，如 RS232， RS485 或其他專用通信接口等等，均可通過協(xié)議網(wǎng)關轉換為以太網(wǎng)信息包，在 IP 網(wǎng)絡上進行傳送。以太網(wǎng) TCP/IP 技術具有以下的優(yōu)勢： 泰山隆安煤礦綜合信息化方案 南京天溯自動化控制系統(tǒng)有限公司 第 18 頁 ? 隨著企業(yè)的發(fā)展、各種新技術的應用，可以預見，對網(wǎng)絡的帶寬要求也會越來越高，比如基于網(wǎng)絡的視頻監(jiān)控傳輸應用和井下設備震動信息數(shù)據(jù)采集等都需要進行大量數(shù)據(jù)的傳輸。以太網(wǎng)技術具有相當高的數(shù)據(jù)傳輸速率 (目前已有成功案例應用于工業(yè)環(huán)境下的以太網(wǎng)交換機 )， 能提供足夠的帶寬； ? 能在同一總線上運行不同的傳輸協(xié)議，從而能建立企業(yè)的公共網(wǎng)絡平臺或基礎構架； ? 支持交互式和開放的數(shù)據(jù)存取技術； ? 沿用多年，已為眾多的技術人員所熟悉，市場上能提供廣泛的設置、維護和診斷工具，成為事實上的統(tǒng)一標準； ? 允許使用不同的物理介質(zhì)和構成不同的拓撲結構； ? 以太網(wǎng)早期存在不確定性和實時性能欠佳的問題，智能交換機的使用、主動切換功能的實現(xiàn)、優(yōu)先權的引入等，基本上得到了解決。通過提高數(shù)據(jù)傳輸速率，仔細地選擇網(wǎng)絡的拓撲結構、設置服務質(zhì)量（ QOS）等，從而保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性和實時性。 因此，本設 計 方案 選擇工業(yè)以太網(wǎng)組網(wǎng)技術作為 我 礦 綜合自動化工業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)的技術選型。 工業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)設計 采用基于工業(yè)以太網(wǎng)為主的以太網(wǎng)構建礦井綜合自動化網(wǎng)絡硬件平臺。綜合自動化網(wǎng)絡技術選用千兆工業(yè)環(huán)形以太網(wǎng)，通過 HiperRing 技術組成環(huán)網(wǎng)，構成調(diào)度監(jiān)控中心網(wǎng)絡的骨干冗余層 。 地面 通過 千兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)交換機，井下 通過 隔爆千兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)交換機，接入地面和井下的各個子系統(tǒng)。 在礦井地面、井下各建立一個環(huán)網(wǎng)平臺，礦井地面、井下環(huán)網(wǎng)分別與調(diào)度監(jiān)控中心兩臺核心交換機連接，最終形成一個冗余工業(yè)千兆主干環(huán)形網(wǎng)的技術方案，充分滿足礦 井集成信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸捯螅矠榻衲旰蟀l(fā)展提供硬件保證。注：此時兩臺工業(yè)核心交換機組成 HiperRing 環(huán)網(wǎng)，兩個現(xiàn)場環(huán)網(wǎng)基于雙機 Coupling 冗余耦合技術接入兩臺工業(yè)核心交換機，組成全網(wǎng)一致的整體冗余網(wǎng)絡（任一單斷點自愈時間快于50ms）。 泰山隆安煤礦綜合信息化方案 南京天溯自動化控制系統(tǒng)有限公司 第 19 頁 工業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)可靠性設計 設備可靠性 煤礦行業(yè)的特點決定了整個系統(tǒng)必須具有很高的可靠性和可用性，以此保障生產(chǎn)活動的正常進行和井下工作人員的安全。 因此在選型時考慮所選技術 在冗余性，出錯處理和容錯方面的能力，所選的產(chǎn)品能夠適應井下惡劣的工作環(huán)境和防爆要求。 本方案設 計從網(wǎng)絡拓撲結構、網(wǎng)絡交換機、電源設計等方面，著重體現(xiàn)系統(tǒng)的可靠性： ? 網(wǎng)絡拓撲結構采用環(huán)網(wǎng)組網(wǎng)設計，解決單環(huán)鏈路斷點保護可靠、穩(wěn)定； ? 選用國際知名品牌，赫思曼工業(yè)網(wǎng)絡交換機，可靠、穩(wěn)定； ? 2臺核心交換設備，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的熱備與負載均衡，冗余可靠； ? 井下環(huán)網(wǎng)交換機使用雙電源冗余，為工業(yè)設備提供 2路供電，同時，配置在線式 UPS電源，提高系統(tǒng)供電可靠性。 鏈路可靠性 網(wǎng)絡通信線路可靠性設計來保證整個網(wǎng)絡系統(tǒng)的的傳輸可靠性。核心交換設備之間雙鏈路實現(xiàn)熱備冗余，環(huán)網(wǎng)交換設備使用千兆雙鏈路光纖用于環(huán)節(jié)點的冗余連接，環(huán)網(wǎng)之間 使用千兆雙鏈路光纖用于環(huán)間耦合冗余連接，調(diào)度中心服務器及操作員站使用雙鏈路連接網(wǎng)絡交換設備。 整個工業(yè)網(wǎng)絡平臺，當其中某一段工作中的光纖線路被破壞或網(wǎng)絡設備發(fā)生故障時，整個網(wǎng)絡實現(xiàn)快速自愈，并保證在 50ms 內(nèi)恢復正常的通訊。 光纜敷設時，使用多芯單模備份光纖，當其中兩芯出現(xiàn)問題時，可以使用其他備份光纖傳輸。同時，不定期地派工作人員對通信線路進行安全性的檢查，以保證各信息點訪問的暢通。 ? 50ms可靠性倒換保護，實現(xiàn)設備單點單鏈路故障切換 ? 環(huán)與環(huán)之間雙鏈路連接，實現(xiàn)環(huán)環(huán)冗余耦合 ? 操作員站、控制主機、服務器雙鏈 路連接核心網(wǎng)絡設備 ? 光纜芯數(shù)冗余設計，備份熔接 泰山隆安煤礦綜合信息化方案 南京天溯自動化控制系統(tǒng)有限公司 第 20 頁 供電可靠性設計 綜合自動化網(wǎng)絡整體設計中，環(huán)網(wǎng)交換機的電源供電設計是設計的重要環(huán)節(jié)，依據(jù)煤礦用電特點和供電穩(wěn)定可靠原則，提出以下解決方案： ? 地面環(huán)網(wǎng)交換機供電設計 根據(jù)煤礦用電設計，地面用電是 220V 的交流電，工業(yè)以太網(wǎng)交換機所需的是 24V直流電，因此為每臺交換機配置 2 塊 80W 的電源模塊，將 220V 的交流電轉成 24V 直流電。同時，設計 1 路 UPS 不間斷供電電源，在有一個電源模塊損壞或停電情況下，交換機設備可正常工作，完全不影響整個工業(yè)環(huán)網(wǎng)的傳輸。 地面環(huán)網(wǎng)交 換機供電連接圖 ? 井下環(huán)網(wǎng)交換機供電設計 根據(jù)煤礦用電設計，井下用電是 127V/380V/660V 交流電，同樣工業(yè)以太網(wǎng)交換機所需的是 24V 直流電，在電源轉換上做如下考慮，部署礦用隔爆兼本安不間斷電源，該不間斷電源可以適應井下 127V、 380V、 660V 交流電，變壓為 24V 直流電，再連接到交換機的電源模塊。同時，設計 1 路 UPS 不間斷供電電源，考慮了交換機的供電模塊的冗余設計。 根據(jù)井下供電情況，建議井下環(huán)網(wǎng)交換機供電采用專用綜保供電。 泰山隆安煤礦綜合信息化方案 南京天溯自動化控制系統(tǒng)有限公司