数字化矿山建设

数字化矿山建设 与安全生产自动化控制 概 述 随着煤矿安全生产问题越来越受到国家和社会各 界的高度重视，如何确保煤矿的安全生产，是各级领 导和全体员工关心的首要问题。全国各个煤炭生产企 业为了改善煤矿安全生产条件都在大规模地更新和提 高煤矿的技术装备水平。其中数字化矿山建设，实现 煤矿信息化、自动化是提高煤矿安全生产的最主要的 方法之一 。 概 述 十七大提出 “信息化与工业化融合， 促进工业由大变强，振兴装备制造业，淘 汰落后生产能力”的指导方针，要求大力 开展信息技术的应用，提高信息技术在传 统产业领域应用的广度和深度，用信息化 提升传统产业水平，实现企业体制创新、 技术创新和管理创新，提高管理效率，提 高企业综合竞争力。 数字化矿山概念 采用现代信息技术、数据库 技术、传感器技术、网络技术和 过程智能化控制技术等，对矿山 安全、生产、经营与管理的各个 环节进行网络化、集成化、模型 化、数字化、可视化和科学化管 理。 数字化矿山基本特征 以高速工业以 太网为“网路” 以矿业数据和 模型为“货物” 以数字化控制 平台为“调度” 数字化平台 数字化矿山的意义及作用 建设统一的数字化监测监控集成平台，将矿井的各监 测监控子系统集成、汇聚到平台上，从而为信息化矿 井建设奠定坚实的技术基础 使矿井规划管理具有更高的效率、更丰富的表现手法、 更多的信息量、更高的分析能力和准确性，从而提高 矿山生产和管理的时效性、有效性、资源优化配置水 平、综合实力，促进煤矿的可持续发展 实现井上下主要生产环节的“减人增安、减人增效” 数字化矿山建设的必要性 煤矿安全生产的需要。 煤矿高产高效的需要。 煤矿快速持续发展的需要。 煤矿企业综合实力提高的需要 。 煤矿信息化、自动化的具体体现。 煤矿自动化、信息化 系统建设内容 统一网络平台 统一数据平台 统一系统支撑平台 统一应用平台 煤矿自动化、信息化系统建设 系统目标 建成设备稳定，传输可 靠，系统安全，多网合一， 达到监、管、控一体化及减 员增效的目的，建成本质安 全型的数字化矿井。 系统建成后，使各子系统 数据在异构条件下可进行有 效集成和有机整合，实现相 关联业务数据的综合分析及 生产状态的实时评估。 系统原则 实时性原则 可靠性原则 开放性原则 实用性原则 先进性原则 软件资源丰富性原则 易操作性原则 互联性和可扩展性原则 经济性原则 煤矿自动化、信息化 系统建设 系统功能 矿井综合自动化、信息化系统由网络传输 平台和集成软件组成，集控中心服务器与井下 子系统通过标准的数据交换方式（如 OPC等） 进行数据通信与采集，并对数据进行有效综合 集成，将实时、历史及综合的数据形成生产调 度信息，分析后为管理层提供决策依据，专业 操作人员根据相关信息对各系统进行操控，从 而实现监、管、控一体化。 S C A L A N C E X 4 1 4 千 兆 交 换 机 千 兆 交 换 机 千 兆 交 换 机 千 兆 交 换 机 千 兆 交 换 机 千 兆 交 换 机 千 兆 交 换 机 千 兆 交 换 机 千 兆 交 换 机 打 印 机 安 全 生 产 监 测 运 输 监 控 提 升 监 控 压 风 系 统 主 扇 风 机 排 水 监 控 人 员 定 位 供 电 监 控 锅 炉 监 控 地 面 煤 流 矿 井 供 水 备 份 / 漏 洞 扫 描 服 务 器 大 屏 系 统 W e b 服 务 器 信 息 管 理 网 防 火 墙 路 由 器 集 团 公 司 网 闸 数 据 库 服 务 器 中 央 归 档 冗 余 服 务 器 工 程 师 站 7 0 0 米 5 0 0 米 变 电 所 监 测 监 控 变 电 所 监 测 监 控 1 0 0 0 米 变 电 所 监 测 监 控 2 5 0 0 米 6 5 0 米 变 电 所 监 测 监 控 8 0 0 米 1 5 0 0 米 南 翼 皮 带 集 控 系 统 四 采 皮 带 集 控 系 统 四 采 上 部 变 电 所 轨 道 运 输 信 集 闭 系 统 1 6 0 0 米 6 0 0 米 8 0 0 米 南 一 采 区 变 电 所 中 央 变 电 所 （ 新 ） 变 电 所 监 测 监 控 中 央 变 电 所 北 翼 采 区 变 电 所 二 采 区 变 电 所 一 采 区 变 电 所 三 采 区 变 电 所 三 采 区 中 部 变 电 所 5 0 0 米 1 3 0 0 米 6 0 0 米 二 部 机 头 变 电 所 监 测 监 控 矿 井 供 水 上 加 压 泵 房 监 测 监 控 三 采 胶 带 机 变 电 所 监 测 监 控 3 2 0 米 矿 井 水 澄 清 系 统 大 巷 胶 带 机 变 电 所 监 测 监 控 矿 井 供 水 加 压 泵 房 监 测 监 控 主 排 水 泵 监 测 监 控 9 0 0 米 3 5 0 米 8 0 0 米 北 翼 皮 带 集 控 系 统 千 兆 光 纤 工 业 以 太 环 网 图 列 说 明 1 0 0 0 M 工 业 光 纤 环 网 1 0 0 M 工 业 单 模 光 纤 工 业 以 太 网 电 缆 自 动 化 系 统 交 换 机 安 装 地 点 数 据 光 端 机 X X X X S C A L A N C E X 4 1 4 视 频 服 务 器 视 频 解 码 器 煤矿自动化、信息化 系统建设 综 合 自 动 化 系 统 平 台 煤矿自动化、信息化系统建设 综合自动化、信息化系统平台，采用现代 信息技术、计算机技术、通讯技术、自动控制 技术，由监控系统（如：安全生产监控系统） 、生产经营管理、管理决策、办公自动化、数 据安全等分结构组成。使用数字化、集成化、 网络化、自动化的生产和管理设备，将企业管 理信息系统和集散型测控系统进行一体化集成 设计，实现企业生产、经营、管理的高度自动 化。综合自动化平台可以实现对各个子系统的 显示、控制、报警、归档、分析、决策。 系统构架 系统建设内容 千兆工业以太网 综合自动化系统 平台 支撑软件平台 安全生产调度指 挥系统 生产监测监控子 系统 煤矿自动化、信息化 系统建设 数字化系统平台构建要解决的几个问题： 网络平台； 通讯接口与协议； 数据管理； 网络安全等 。 煤矿自动化、信息化系统建设 调度集成平台功能 监控功能 打印功能 实时管理界面功能 报表曲线功能 历史事件记录功能 实时报警功能 事故追忆功能 控制功能 故障自诊断功能 千兆工业以太环网 以太网是目前最为广泛的计算机网络技术，其 具有成本低廉、通讯速率高、软硬件资源丰富、 可持续发展潜力大、应用支持技术成熟等优点 工业以太网运用了实时通信技术、总线供电技 术、远距离传输技术、 网络安全技术、可靠 性技术等，适应了工业现场设备间通信具有实 时性强、数据信息短、周期性较强等特点和要 求 千兆工业以太环网 以太网是指遵循 IEEE802.3标准，可 以在光缆和双绞线上传输的网络。 工业以太网，是指技术上与商用以 太网（即 IEEE802.3标准）兼容，但在产 品设计时，在材质的选用、产品的强度、 适用性以及实时性、可互操作性、可靠 性、抗干扰性和本质安全等方面能满足 工业现场的需要。 数据库应用 关系数据库 关系数据库，是建立在关系数据库模型基础上 的数据库，借助于集合代数等概念和方法来处理 数据库中的数据。 关系数据库的需求前提 对数据库高并发读写的需求 对海量数据的高效率存储和访问 的需求 对数据库的高可扩展性和高可用 性的需求 数据库应用 关系数据库 数据集中控制 数据独立 数据共享 减少数据冗余 数据结构化 统一的数据保护功能 关系数据库系统的主要特点 数据库应用 实时数据库 实时数据库系统是开发实时控制系统、 数据采集系统、 CIMS系统等的支撑软件。 使用实时数据库系统进行控制系统监控， 系统先进控制和优化控制，并为企业的生 产管理和调度、数据分析、决策支持及远 程在线浏览提供实时数据服务和多种数据 管理功能。 组 态 软 件 组态软件是指一些数据采集与过程 控制的专用软件，它们是在自动控制系 统监控层一级的软件平台和开发环境， 使用灵活的组态方式，为用户提供快速 构建工业自动控制系统监控功能的、通 用层次的软件工具。 组态软件能支持各种工控设备和常见 的通信协议，并且提供分布式数据管理 和网络功能。 组 态 软 件 组 态 软 件 组态软件特点 （ 1）延续性和可扩充性。 （ 2）易用性（易学易用） （ 3）通用性 系 统 安 全 网络冗余 网闸 防火墙 路由器 防病毒软件 权限设置 VLAN划分子网 煤矿自动化、信息化 系统建设 子系统接入平台 第一部分：已经形成或部分形成的子系统，需 要经过完善其功能，改造其通讯方式，以最 为合理的技术形式就近接入综合自动化平台。 第二部分：与安全生产紧密相关，具备实施条 件的子系统，运用成熟的系统技术，按照综 合自动化平台的整体要求，建设各监测监控 子系统。 煤矿自动化、信息化 系统建设 通过系统建设，最终达到的建设目标： 多网共管 满足视频、音频、数 据信号的同网传输 对矿井内各子系统发 布控制命令 (工业数 据 )；上连集团公司 广域网，建立一个统 一的、开放的信息化 集控平台。 管控一体化 实现系统的高度集成（自动化、管 理信息、视频） 提高管理信息系统数据的准确性和 实时性 提高煤矿的安全生产管理水平，整 体提升煤矿的自动化水平 形成集成调度和远程监测监控的作 业体系 生产监控数据与管理信息的整合， 打通管控之间的狭缝 煤矿自动化、信息化系统建设 子系统接入 安全生产 调度指挥 系统 生产监测 监控系统 工业电视系统 大屏综合显示系统 生产调度通讯系统 无线通讯系统 人员定位系统 矿井应急广播系统 安全生产监测系统 主、副井提升监测系统 主煤流集控系统 主通风机监测系统 选煤厂监测监控系统 井下主排水监测监控系统 。 工业电视系统 局 域 网 视 频 监 控 工 作 站 项 目 部 监 控 中 心 I E 客 户 端 监 控 中 心 N V R 一 体 化 网 络 视 频 管 理 服 务 器 井 下 监 控 前 端 网 络 数 字 矩 阵 系 统 管 理 工 作 站 电 视 墙 交 换 机 井 下 专 用 交 换 机 网 络 球 机 防 爆 网 络 摄 像 机 防 爆 网 络 摄 像 机 防 爆 网 络 摄 像 机 井 上 监 控 前 端 网 络 球 机 大屏综合显示系统 大屏综合显示系统 当前显示技术主 要有 : 阴极管（ CRT） 技术、 液晶（ LCD） 技术、 等离子电视 （ PDP） 数字光处理 （ DLP，俗称： 背投） 生产调度通讯系统 生产调度通讯系统 地面不需要安装程控交换机，不需要敷设通信电缆； 基于 IP，以太网到哪里，网络电话交换机就可以到哪里， 设备自带光口和以太网口，可以自由选择通过光纤直接连 入光纤网络，也可通过网线接入工业以太网络； 网络电话交换机为分布式安装，无数量限制，系统容量不 限，扩容方便快捷； 本安模拟电话机可直接就近接入网络电话交换机； 可以实现办公电话系统与井下网络电话系统互通； 网络电话交换机产生铃流和进行语音驱动，音质更清晰， 通信距离更远； 网络电话交换机内置不间断电源，电话系统不受井下停电 的影响； 可作为 IP电话调度系统的终端，实现生产调度功能。 无线通讯系统 Wi-Fi是一种短程无线传输技术，能 够在数百米范围内支持互联网接入的无 线电信号。执行 IEEE 802.11a/b/g高速无 线网络通信标准。 Wi-Fi新一代移动通信技术，具有高 带宽、强抗干扰、小型灵活等技术优势， 能有效解决目前井下无线通信功能单一、 抗干扰性差、容量小、技术水平落后等 问题。 生产监测监控系统 应用 电力拖动技术 、 供电技术 、 传感技 术 、 计算机技术 、 通信技术 、 网络传输及应 用技术 ，对煤矿生产各系统的资源和信息进 行集成、控制和管理，实现内外资源、信息 共享和有效利用，实现测、管、控一体化。 生产监测监控系统结构示意 集成化的三层网络结构 设备层： 就地采集、保护、执行层 控制层： 集中控制层 信息层： 远程控制、调度指挥层 集成化的三层网络结构 生产监测监控系统基本功能 运用现代控制技术及网络技术 ， 选用先进的工 业控制产品 ， 构建起集成的全方位网络体系 。 系统实现了数据采集离散化 ， 设备控制分布式 、 智能化 ， 调度操作集中化 ， 生产管理信息化 。 实现了从设备运行第一线 、 调度中心 、 管理科 室和领导办公室的层层联网及信息共享 。 监控人员 能够瞬间了解安全及生产运行情况 ， 根据趋势图表 ， 调整运行管理 、 准确预警分析 ， 及时设备维护 ， 以降低运行管理成本 ， 减少下井 作业人员 ， 实现矿井安全生产 、 高产高效 。 煤矿井下供电监测监控技术 煤矿供电涉及煤矿生产的方方面面，煤矿供电可靠性，对煤 矿安全生产有着直接的影响，是应该特别重视的一个重要环节。 据统计煤矿井下瓦斯积聚百分之八十是由于无计划停风造成 的，而无计划停风百分之九十是因为无计划停电造成的。井下电 网的供电可靠性，已成为与井下安全生产密切相关的主导因素。 国家发改委为更好地贯彻落实国务院第 81次常务会议精神， 组织编写了 煤矿瓦斯治理经验五十条 ，其中第 44条要求“ 矿 井供电设备实现无油化，并做到实时监测监控 ”，煤矿电网监测 监控系统必将成为矿井电网建设的重点。 解决的方法 从设计思想上，树立井下供电可靠性达于地 面的思想，可靠性优先，而非成本优先。 利用地面成熟的技术，充分结合井下的供电 特点来开发新一代保护与控制系统。 利用当今最新的信息技术，完善功能，能够 在地面掌控井下电网的运行。 煤矿井下供电监测监控技术 煤矿井下供电监测监控关键技术 故障录波 防越级跳闸 漏电保护 故障录波图示 煤矿井下供电监测监控技术 煤矿大型设备监测监控 煤矿大型设备 （ 主排水泵 、 空气 压缩机 、 主皮带运输 、 综采工作面三 机设备 、 选煤厂等 ） 监测监控是矿井 安全生产自动化系统的主要环节 ， 以 期在高效 、 经济 、 可靠的最佳工况下 运行 。 大型设备监测监控设计原则 安全 可靠性 先进性 经济性和适用性 大型设备 PLC监测监控 PLC的全集成自动化 高效率的组态和编程，基于世 界标准的 STEP 7 更高的可用性 ， 基于强大的集 成的诊断功能 轻松易用的入门级软件 STEP 7 Lite 新的编程软件包含基 本的功能，可视化操作。 模块化可扩展系统 大型设备 PLC控制方式 网络远程控制 就地自动顺序控制 就地单机自动控制 就地手动控制 PLC主要实现 生产子系统的数 据采集、动态显 示及设备自动启 停、自动倒换等 顺序控制功能。 井下主排水泵 PLC控制原则 高水位运行，低水位停止。警戒水位全运行。 低涌水量时兼顾用电避峰填谷。 使用“轮换工作制”，均衡水泵磨损及备用时间。 故障水泵警示，并自动越过实施其它泵运行。 水泵运行的其它要求。 井下主运皮带 PLC控制原则 根据煤仓煤位或采煤面生产情况实现对皮带机的 远程启动、停止、复位功能，并可进行地面远程控制 方式转换、振动给煤机点动操作等功能控制。具有同 煤流方向相互闭锁功能，实现逆煤流起动，顺煤流停 机。 系统具有皮带机低速打滑、机头堆煤，满仓，超 温洒水，烟雾，滚筒超温，沿线急停和跑偏等多种保 护。 能够实现控制室对每一条皮带进行广播功能，能 够实现皮带机在启动时进行预报警，能够实现半双工 通话的功能。 综采工作面监测监控技术 系 统 功 能 实现综放工作面的生产过程自动化，减轻劳动 强度、提高生产效率； 实现对主要生产设备 工况的实时在线监测 , 提高设备正常率和开 机率； 将工作面的相关信息及时传输到地面 ,并通过 计算机网络实现共享 ,达到生产管理的信息化。 巷道顶板位移监测系统 离层破碎型煤巷顶板的失稳表现为 向上渐次垮冒的动态发展过程，煤巷采 用以锚杆为基础的支护形式时，其顶板 的稳定性取决于锚固区内外的离层状况。 监测顶板离层、失稳，防止巷道变 形、顶板冒落的主要方法是顶板离层的 监测。 巷道顶板位移监测系统 顶板位移监测装置是由两个位移传感器对巷道顶板 位移及离层量进行监测。 位移传感器将巷道顶板离层的物理位移信号转变 为模拟电信号变量，此变量经 A /D转换器转换成数字 信息并经 MCU处理后，主站就地显示数据。数据传输 时，响应上位机命令， 将数据发送给上位机，地面计 算机接收到井下各位移传感器的数据后，保存到数据 库中，生成图形、文本，为巷道支护设计人员进行巷 道支护的动态设计提供可靠的基础数据。 巷道顶板位移监测系统 系统采用主 从结构设计， 即由一个主站 和若干测量分 站组成，测量 主站和测量分 站之间采用双 音多频信号 （ DTMF）进行 通讯 ，突出其 抗干扰能力及 供电能力 巷道顶板位移监测系统 MES生产管理执行系统 提高设备运行的可靠性，延长生产时间，提高 生产效率 挖掘设备潜力，追求最高的设备综合效率改善 最关键设备实行以可靠性为中心的维修（ RCM） 通过设备能耗的计算，及时掌握企业的用能信 息，有利于积累数据，制定能耗标准 MES生产管理执行系统 MES生产管理执行系统 应用的 Ampla 模块 生产管理 Production 模块 质量管理 Quality 模块 停机 Downtime管理 维修 Maintenance 管理 绩效 Metrics管理 煤矿企业管理信息化 总体应用架构模型 煤矿企业管理信息化主要包括 企业决策信息化、经营管理信息化、 办公自动化和信息资源管理 等方面。 结合煤矿企业信息化的实际情况，在 概念上提出煤矿企业管理信息化总体 应用架构模型 煤炭企业管理信息化 决策支持 财务管理 成本管理 人事管理 销售管理 库 存 管 理 主生产计划 物料需 求计划 作业生 产计划 采购管理 生产管理 系统维护 OA管理 业务流程重组和优化 供应链管理 、 客户关系管理 （ SCM、 CRM） 绩 效 评 价 安全 管理 设备 管理 目标：企业资源优化组合 ， 提高企业竞争力 信 息 集 成 煤 炭 企 业 管 理 信 息 化 系 统 模 型 煤矿企业管理信息化 CERP系统是针对煤炭企业实际设计和 开发的系统，系统以安全生产为前提，以 提高企业经济效益及管理水平为目的，围 绕煤炭企业的产、供、销、人、财、物、 质量、安全、环境等业务，全面整合财务、 成本、物资供应、煤炭运销等企业各类信 息资源，并针对煤炭行业的特点，开发了 安全管理、党委绩效管理、 6S管理、后勤 管理等具有行业管理特色的模块，从而形 成了一个覆盖煤炭行业主要业务管理需求 的信息化管理系统。 煤矿企业管理信息化 C E R P 系 统 生 产 体 系 系 统 基 础 平 台 辅 助 办 公 党 政 体 系 安 全 体 系 后 勤 体 系 人 事 体 系 经 营 体 系 O A 系 统 安 全 管 理 经 营 计 划 采 购 管 理 库 存 管 理 生 产 管 理 质 量 管 理 设 备 管 理 成 本 控 制 煤 炭 运 输 存 货 核 算 财 务 管 理 固 定 资 产 销 售 管 理 应 收 账 款 应 付 账 款 人 事 管 理 工 资 管 理 6 S 考 核 绩 效 管 理 班 中 餐 管 理 车 辆 管 理 党 委 绩 效 支 部 建 设 系 统 配 置 数 据 管 理 通 用 代 码 CERP 体系结构图 人事管理 人 力 资 源 体 系 安 全 管 理 体 系 井 下 触 摸 屏 安 全 管 理 采购管理 物资管理 生产管理 设备管理与诊断 生 产 管 理 体 系 经营计划 质 量 控 制 煤炭运输 后 勤 管 理 班 中 餐 管 理 成本控制 系统管理与维护 系统代码 系统设置 应付帐务 应收帐务 财务管理 经营分析 资产管理 经 营 管 理 体 系 系 统 基 础 管 理 平 台 CERP 煤炭销售 流 程 管 理 B B S O A 系 统 资金控制 资金预算 存货核算 车 辆 管 理 短 信 系 统 邮 件 系 统 综 合 信 息 员工绩效 人 力 资 源 管 理 党委绩效 支部建设 效能监察 党 委 管 理 6S考核 工资管理 人事管理 数字化矿山建设工程应用 冀中能源梧桐庄煤矿数字化矿山系统建设 现有子系统整合，通过协议转换，汇入矿井综合 自动化千兆以太网络中； 在综合自动化、信息化系统平台上对各生产环节 进行集中监测监控，同时对各生产环节进行信息 化管理，为矿井安全、生产提供依据 ； 通过 WEB发布，在矿各管理部门和管理者终端上 进行相关的安全、生产、运行状况浏览； 通过企业局域网上传有关信息，在集团公司调度 中心对矿井生产及安全情况进行远程监测。 数字化矿山建设工程应用 汾西矿业集团双柳煤矿本安型矿井数字信息系统 统一搭建矿井千兆以太环网，将各安全、生产监 测监控子系统、网络视频系统、无线移动通信、 生产调度电话等测、控、视、音等不同信号同网 传输； 在矿调度中心对这些子系统实现集中监测监控， 真正实现多网合一，管控一体化； 通过 WEB发布，在矿各管理部门和管理者终端上 进行相关的安全、生产、运行状况浏览； 通过企业局域网上传有关信息，在集团公司调度 中心对矿井生产及安全情况进行远程监测。 总 结 数字化矿山建设与安全生产自动化控制是多学科 多种技术的综合应用 以工业以太网为纽带的 数字化矿山建设与安全 生产自动化控制 使得煤矿安全生产、经营管理更 加协调统一 数字化矿山建设与安全生产自动化控制 势在 必行 谢谢 ！请指正！