浅谈数字化矿山建设_漳村煤矿综合自动化与信息管理的数字化矿山研究与应用

收稿日期:2008Ο08Ο26作者简介:矫林岳(1958-),男,山西长治人,工程师,漳村煤矿副矿长,从事煤矿机电工作。浅谈数字化矿山建设———漳村煤矿综合自动化与信息管理的数字化矿山研究与应用矫林岳,徐卓强(潞安环能股份公司漳村煤矿,山西长治　046032)摘　要:建立了综合自动化与信息管理数字化矿山体系结构,阐述了三层架构的概念;论述了数字化矿山体系三层架构以及一些支撑关键技术在漳村矿的具体研究与应用;提出了许多新思路及新观点,并对漳村矿的数字化矿山建设加以综述与总结。关键词:综合自动化;信息管理;数字化矿山;体系结构;PCS;MES;ERP中图分类号:TD67 文献标识码:A 文章编号:1005Ο2798(2008)10Ο0017Ο03DigitizationCoalMineBuildingJIAOLinΟyue,XUZhuoΟqiang(ZhangcunCoalMine,Lu’anEnvironmentalEnergyDevelopmentCo.,Ltd.,Changzhi　046032,China)Abstract:Thispaperhavingexpoundedthreelayersofframewhichinbuildingsynthesizedautomationandinformationadministrationdigitizationcoalminesystemstructure.HavingdiscusseddigitizationcoalminesystemthreelayersoftheframeandsomekeytechnologyusedinZhangcunCoalMine.Andhavesuggestedmuchnewideaandnewviewpoint,sumsupdigitiztioncoalminebuildinginZhang2cunCoalMine.Keywords:automatesynthetically;informationadministration;digitiztioncoalmine;systemstructure;PCS;MES;ERP引　言如何提高企业的竞争能力,我国未来煤炭企业的出路在那里,20世纪80年代后期,我国煤炭工业综合自动化在一些大型的煤炭企业得到了一些应用,但不同程度存在管理层与生产过程层数据不能共享,形成了信息化孤岛的状况。随着计算机技术、网络技术的迅速发展及在其他行业综合自动化的应用,信号处理技术、计算机技术、通讯技术及计算机网络与自动控制技术的结合使过程控制开始突破自动化孤岛模式,出现了集控制、优化、调度、管理、经营于一体的综合的信息化管理新模式。所有的信息将以数字化的方式表现出来,其应用的价值将体现在矿井安全生产自动化(管控一体化)上,体现在企业的减人增效、保障安全上。这给煤炭企业发展提供了一个挈机。根据煤炭企业生产的特点,企业生产强调的是生产过程的整体性,各个工序、各套设备生产加工组织的局部优化是不够的,局部的最优安排可能与整体优化产生冲突,只有企业整体生产经营过程的优化才能保证企业在生产成本和经营效益上的最优结果,因此需要利用CIMS的思想和方法,通过自动化系统的建设,达到整个设计、经营加工过程的集成,实现整体优化。而综合自动化系统的建设,不仅依靠提高生产设备控制的自动化水平和增强企业的经营管理,还要在设备控制和企业经营管理之间实现生产过程监控管理一体化,实现过程信息与管理信息的集成。对此,特提出数字化矿山的建设架构,见图1。

图1　煤矿企业ERP\MES\PCS三层体系的系统结构

71数字化矿井建设　总第108期1　数字化矿山的三层构架在漳村矿的具体研究与应用1.1　概　述漳村煤矿在对煤矿企业的生产工艺和管理流程深入分析、理解的基础之上,针对以前煤矿现代化建设中只注重底层各自动化子系统及上层管理系统建设,出现的生产与管理信息脱节现象,根据CIMS原理的三层架构(即ERP/MES/PCS体系架构)理念,提出了实用的煤矿企业综合自动化与信息管理数字化矿山体系结构。体系通过数据库技术、网络技术、计算机软件技术将来自PCS的反应生产过程信息、安全信息与MES的不同应用系统、ERP/MIS的多种应用系统之间的信息交互统一到一个完整的信息平台上,实现ERP/MES/PCS三层架构过程信息的集成与统一、过程信息与管理信息的集成。并将三维虚拟技术与煤矿安全生产调度管理系统(MES)结合,实现了自动化与矿井安全生产三维可视化信息平台集成;在传输平台上首次引入ProfiNet网络,实现了“数据、视频、语音”三网合一;在监控平台上将工业电视、视频数据、大屏显示、LED显示进行综合集成,达到智能调度的一体化的目标,见图2。

图2　漳村矿数字化矿山架构1.2　漳村矿综合自动化系统(PCS层)过程控制系统(PCS)。又称基础自动化系统。综合自动化系统中信息流和物流的结合点,也是资金流增殖的主要发生地。其位于整个煤矿企业综合自动化的基础层,接受上层MES系统调度指令,并将现场工况实时返回MES及ERP系统。本层主要以实现煤矿生产的过程优化为目标。在系统实现上,一般选择适合的DCS(集散控制系统)为硬件平台实现基础自动化功能,并在模型库的基础之上,实现各个生产环节的优化控制。按照PCS体系结构,整个自动化控制系统自上而下可分为2层,现场控制层和操作管理层。漳村矿综合自动化系统(PCS)包括矿井生产自动化系统、安全管理监控系统、辅助监控系统三部分。矿井生产自动化系统(PCS)由综采工作面自动控制、掘进工作面自动控制、主运输胶带、主排水、主扇风机、地面压风机、地面筛选、选煤厂综合自动化调度、地面装车自动监测、井下辅助运输监控、、矿井动目标跟踪系统、主煤流计量系统、矿井供电自动化控制系统13个子系统组成。安全管理监控系统由矿井巷道顶板压力监测系统、通风安全监测监控系统、矿灯智能管理系统、矿井安全生产无线监管系统4个子系统组成。辅助监控系统由视频监控系统、矿井通信系统两个子系统组成。在这个层次里,主要搭建了综合自动化管理平台,采用了千兆工业以太环网+PROFINET技术,实现了三网合一,见图3。

图3　漳村矿综合自动化信息集成平台拓扑结构示意1.2.1　漳村矿综合自动化信息集成平台综合自动化信息集成平台建设是漳村矿综合自动化系统集成的核心内容,该平台采用西门子的WINCC软件,搭建统一的软件监控平台。在此平台上通过人机界面(HMI)可实时监测子系统设备工况,并可对各子系统的I/O进行控制。同时,通过存储的历史数据,可对各子系统的设备状况进行分析、查询、统计。1.2.2　千兆工业以太环网的实施采用先进工业以太网技术加PROFINET实时通讯技术,分为两层,下层为工业以太网环网传输层,主要实现控制信号在环网上的实时、可靠的传输;上层为管控层,连接各个监控终端。两层间通过冗余的WinCC实时服务器实现控制数据的交换,两层间不存在直接的网络连接,从而保证了环网传输层的可靠和安全性。812008年10月 矫林岳等:浅谈数字化矿山建设 第17卷第10期千兆工业环网的实施成功既避免了网络传输瓶颈,又大大节省了投资。1.2.3　三网合一三网合一(Triple-Play)技术就是采用网络技术及光纤传输实现同网、同缆、同芯传输数据、音频和视频的业务应用,见图4。

图4　三网合一拓扑1)　实时数据整合。漳村矿已实现17子系统的数据均采用西门子千兆工业以太网交换机SCALANCEX-400搭建的网络传输平台进行传输。2)　视频数据整合。漳村煤矿在地面和井下一共安装了87路网络摄像仪,以光纤作为传送介质,井下的视频图像直接传输到1000M环网中,由调度中心统一调度和管理。3)　音频数据整合。目前漳村矿在皮带集中控制系统中已经实现了通过千兆工业以太环网进行扩音电话的语音传输,可以在地面通过麦克风与井下各主要地点直接通讯进行通话,效果良好。1.2.4　PROFINETPROFINET是一种用于工业自动化领域的创新的、开放式的以太网标准(IEC61158)。使用PROFINET,设备可从现场级一直连接到管理级,可以实现系统范围内的通讯,并支持工程范围内的工程与组态,直到现场级均支持IT标准。主要应用于工业以太网的分布式现场设备,用于在过自动化中实施的解决方案正在开发之中。象PROFIBUS等现有现场总线系统都可容易地加以集成,无需对现有设备作任何改动。PROFINET是一种全面的通讯标准,符合所有以太网用于自动化系统的所有要求。1.3　煤矿安全生产管理调度执行系统(MES层)制造执行系统(MES)。位于整个煤矿企业运营中管理与控制的结合部,是ERP和PCS之间的信息纽带。本层主要以实现生产调度管理层的运营优化及生产调度为目标。MES执行由ERP制定的计划,并根据实时生产信息调整生产作出调度,并将有关资源利用和生产情况的准确信息实时地提供给ERP系统。MES还能将生产目标及生产规范自动转化为过程设定值,对PCS有关工艺参数的调整进行干预。结合漳村煤矿生产管理模式及工艺特点,煤矿安全生产管理调度执行系统(CS-MES层)开发以下功能模块:基础信息管理、生产计划管理、生产组织管理、生产调度管理、设备管理、工程数据管理、生产信息查询、报表管理、技术文档归档管理、信息报警管理与其他井下安全检测系统集成等。该层次以数据仓库(DataWarehouse)技术为基础,以联机分析处理(OLAP)和数据采掘(DataMin2ing)工具为手段,并通过计算机技术及建立的关系与实时数据库,构建了三维虚拟数字化矿井信息管理平台。该平台以矿井安全生产综合管理三维可视化信息系统为主体,主要围绕矿井的生产过程(采、掘工作面的推进)引起生产环境(地质条件、生产系统)变化的特点,针对静态平面图形和数据图表难以反映矿井地质条件、生产条件、工作场所在时间、空间上变化而造成生产动态信息反馈严重滞后的问题,采用了先进的三维可视化技术,开发和集成了三维动画、多媒体、数据库及数据实时动态显示等系统功能,将矿井复杂的井巷工程、生产与安全系统、地质地测等综合动态信息通过三维立体图逼真地表现出来,使矿井各级生产部门、监察部门能直观、快速、全面地了解矿井生产状况和相关信息,为矿井生产管理、生产调度、安全监察部门的监督检查提供决策依据。矿井安全生产综合管理三维可视化信息系统是漳村矿综合自动化建设的一大亮点,该系统的投入,使漳村矿进入“数字化矿井”迈出了关键一步。1.4　漳村矿ERP/MIS层企业资源计划系统(ERP)。整个综合自动化与信息管理数字化矿山中信息的汇集点,统管系统,以企业级别的全局运营优化为目标。接收、综合企业内、外部各类资源信息,并对此做出快速而准确的决策,建立企业当前运营目标,实时监控企业当前运营状况,并对MES发出指令。ERP/MIS系统总体目标是建立一个能体现出现代管理思想的模式体系,实施战略导向的企业管理,覆盖企业主要生产经营管理业务,高效、敏捷、信息共享并具有良好开放性,全面提高企业信息处理能力,以此提高企业整体管理水平。并通过企业信息门户达到与客户、供应商之间的协同商务,提供企业本身以及供应链的整体效率,从而全面推进企业进步,实现效益增长。系统包括市场运营分析、客户管理、合同管理、计划管理、调度管理、发运管理、煤矿管理、煤质管理、人力资源管理、综合查询管理、决策支持系统、财务管理、物资管理、OA系统、基础数据管理、系统管理等子系统,覆盖了企业主要生产经营管理业务。(下转第67页)912008年10月 矫林岳等:浅谈数字化矿山建设 第17卷第10期