摘 要：工業以太環網技術和先進的控制技術應用于煤礦數據采集系統中, 是新一代的煤礦SCADA系統，提出了它的結構組成，各部分功能和軟件設計。整個系統不僅實現了快速傳遞信息，同時也實現了煤礦的安全預警功能。 關鍵詞：數據采集；工業以太網；遠程數據傳輸；環網 1 引言 　　隨著科學技術的發展，煤礦生產規模不斷的擴大，電氣設備也不斷的增多，并逐漸向電氣化自動化方向發展，為了保證煤礦企業的安全生產，采用計算機實現遠程監測監控和管理數據化，生產管理自動化，操作簡潔，最終達到安全生產，提高煤產量。新型的SCADA數據采集系統采用了工業以太網絡交換機、智能I/O模塊，工業控制器和各類煤安傳感器構成遠程煤礦監控系統，實現網絡化的實時數據采集和數據存儲，動作控制以及提前預測。 2 煤礦大型設備數據采集系統介紹 　　2.1 整個系統結構介紹 　　工業環型以太網監測系統是一個易擴展開放式的監控系統，是目前世界上先進的過程自動化系統開放式解決方案，是面向工廠自動化的新一代開放式SCADA（易擴展開放式的監控系統）。網絡設計方案中由監控總站的管理計算機、數字服務器、視頻服務器、環網交換機和各種礦用儀器儀表搭建而成。系統的主干網采用100M的工業以太網技術，用以保證各監測，監控信息進行高速傳輸和交換，保證系統的實時性。主干網在設計時具有冗余性，設備具有糾錯能力，具有靈活性和可擴展性，保證了高可靠性，同時還能支持多種網絡協議。主干網的連接采用光纖分布式數據接口（FDDI），整個系統環形網絡的拓撲結構如圖（1）所示。 　　整個礦區很大，分布較廣由一個監控總站，多個監控分站組成，具體分別為遠程網絡監控總站、機運區分站、副立井分站、副斜井分站、空壓機分站、多個風機分站、中央泵房分站、主斜井皮帶機分站、運輸大巷皮帶機分站、運銷站分站等。現場所需要采集的模擬量為441個，開關量209個，脈沖量4個，其中具有R485通訊口的后備保護裝置及儀表有46個。系統在每個區建立子系統/分站，每一個分站既是下位機也是上位機，子系統亦能獨立處理本系統的命令，采取分布式控制，危險分散，局域癱瘓不至于影響整個系統的正常運行，從而保障了整個系統的正常運行。 [align=center] 圖（1） 遠程環形網絡監控系統拓撲結構[/align] 　　2.2 子系統結構： 　　由于各子系統大型設備采集的數據原理及其相似，下面是以副立井絞車房為例來說明器分站的結構和組成。該監控分站子系統如下圖所示，系統通過實時環型工業以太網交換機接入主干網，現場設備主要有以太網I/O集中器，16路模擬量輸入模塊，8路高速計數器模塊，16路開關量輸入模塊，電源模塊，監控計算機。各個子系統采用的軟件是組態王6.5，該組態軟件可實現動態數據,畫面監視,歷史數據分析，歷史趨勢曲線生成,實時報警功能,內容豐富,界面生動,保持了良好的人機對話。副立井系統圖如下圖（2）： [align=center] 圖（2） 副立井絞車房子系統結構[/align] 　　該子系統能實現多種功能：提升絞車房與主監控計算機的聯網，監控室可通過網絡實時檢查和查閱提升絞車的運行狀態;能以畫面的形式實時自動監測記錄提升絞車運行時各種參數，并自動生成表格或歷史曲線;運行設備的運行狀態以及后備保護、聲光報警、存儲和查詢各種數據，另外還提供在線幫助等功能，以解決實際操作中所遇到的疑難問題。 3 各部分功能配置和通訊 　　3.1 各部分功能配置 　　1）中央控制主要是對整個煤礦系統中運行設備狀態顯示并且控制的中心，是網管SCADA系統的控制中樞，是整個系統中數據安全性要求最高的地方。系統配置是就選擇了冗余配置，實現Server、網絡、通訊和各功能環節的冗余。中央控制室硬件是由SCADA實時數據服務器，組態監控軟件，歷史數據服務器，以太網交換機，工程師操作站，操作員工作站及其相應的防火墻，路由器等網絡設備。 　　2）各區域主要是由組態軟件監控軟件，以太網交換機，集線器，智能I/O模塊，各種傳感器以及PC機等組成，完成當地的數據采集和智能控制，通過PC機直接顯示各設備運行狀態。同時數據可以直接傳輸到上位機中在大屏上顯示，同時數據存儲在數字服務器中，實時更新。整個系統采用模塊化，內存和通訊接口為用戶提供了可擴展的空間，隨時添加I/O模塊，同時各模塊上在設計時就有冗余。同時系統提供的控制器為SEATRAK控制器ST-GT系列，具有32位PowerPC CPU，處理器性能與高端Pentium處理器相近，這使得控制器的處理能力非常強大，危險區域得到CSA C22.2 CLASS 1、ZONE2、EN50021等認證，滿足煤礦區域使用要求。 　　3）在各個分站實現功能主要是數據采集，自動控制，參數存儲，實時通訊和故障報警等。系統中運用到的美國SIXNET公司生產的實時環網以太網交換機，目前來說是以太網技術突破性的成就，提供容錯糾錯能力，能夠構建穩定可靠的網絡，同時方便實用，用戶可以像維護車間的儀表設備一樣維護實時環網以太網交換機。 　　3.2 系統通訊 　　3.2.1 工業環形以太網運用到數據采集系統中實現遠程通訊。 　　系統采用計算機網絡、光纖通信等先進技術，在環境惡劣、人員設備分散、有特殊安裝要求的煤礦構建一個符合防爆要求的井下100Mbps高速互聯網，系統的核心是在礦井建立具有開放協議的工業數字網絡系統，傳輸設備監測數據、語音信息、視頻圖像信息，為煤礦的綜合自動化提供可靠的高速信息平臺。整個環形網絡中，大量的使用了溫度傳感器，壓力傳感器，風壓傳感器，電流電量傳感器以及靜水壓力等傳感器，信號轉換為數字量后傳輸到上位機，實現大屏顯示和數據存儲。 　　3.2.2 視頻系統、語音系統與設備運行狀態采集系統三系統合一。 　　該采集系統涉及到圖像和語音采集，更加保障了煤礦的安全。所選擇的儀器產品都遵循Modbus通訊協議，實現高速傳輸，且具有很強的環自愈能力。視頻系統中選擇了視頻轉換器、網絡圖像處理器、VGA矩陣切換器和各種防暴攝像機，使用成熟的視頻監控技術實現煤礦安全監控，同樣語音系統亦是如此。在環形遠程監控網絡中，具有很大的可拓展性冗余性，因此增加的兩個系統情況下直接掛在工業以太環形網上。同時系統的主干網采用100M的工業以太網技術，用以保證各監測數據、視頻圖像和語音信息進行高速傳輸和交換，保證系統的實時性。 　　其中系統控制中心是整個系統的核心，所有各監測分站的監測數據、視頻圖像和語音信息通過高速工業環型光纖以太網傳送到中心，監測中心以動態圖形、實時數據顯示、數據報表、趨勢曲線、預警信息、語音信息和視頻圖像等進行顯示，實現對全礦固定設備安全運行狀態的實時24小時在線監測，對事故隱患提前預警。圖（3）為控制中心系統圖，主要包括：監控總站、數據服務器、視頻服務器、大屏幕電視墻系統等。 [align=center] 圖（3） 控制中心系統圖[/align] 4 軟件設計 　　在部分地區的下位機軟件采用的是北京亞控科技發展有限公司的無限點組態王Kingview6.51開發軟件，部分地區采用256點的組態王開發軟件，上位機和其他具有訪問權限的管理層采用的是無限點組態王運行軟件，目前是國內比較領先的數據采集和監控軟件之一，具有強大的功能，能實現自主開發界面，支持web上網連接方式。由于是網絡化的管理，為了防止病毒的入侵，因此必須安裝殺毒軟件和加強人員管理，所使用的殺毒軟件為金山毒霸，并且保證定期升級;人員管理必須制定嚴厲的相關制度和加強人員培訓。 　　監控軟件實現的主要功能為： 　　（1）數據采集：實時就地集中監測各主扇，空壓機，主排水泵、主井皮帶機、副立井、斜井絞車，大巷和運銷站皮帶機的運行參數、電量參數、工作狀態、保護狀態、聲光報警信息等;并且能實時顯示其運行狀態圖和數值。通過工業組態軟件進行系統開發，實現實時數據曲線，歷史數據曲線，在大屏上顯示出來。 　　（2）報警：組態王提供報警功能，可以是蜂鳴報警也可以是聲光報警，當采集的數據超出設置的各段數值時，給出報警，操作員或決策者就應該注意采取措施，同時給與權限的工作人員能在線直接修改參數。 　　（3）遠程控制：在整個控制中最多的是立井斜井處最多，主要是對電機控制和軸瓦間隙控制，軸瓦間隙調整需要對各液壓閥，流量計等控制;在水泵房控制主要是對電機啟停控制，當由靜水壓力傳感器采集的數據偏大到一定值時啟動另一臺或兩臺水泵;大巷皮帶溫度過高或者煙感傳感器采集數據超限自動啟動灑水裝置。 　　（4）歷史數據記錄和查詢：數據能實時被采集的上位機中，同時能寫入數據庫中，數據庫也實時更新并存儲，方便查詢和進一步的對數據分析。 　　（5）操作歷史記錄：組態王中能對每次操作記錄能自動記錄，同時在實際管理中對其操作的人員也只能是具有權限的工作人員或者總工能對其操作，這樣能進一步的保障系統的安全，穩定運行。 　　（6）在線查詢各報表并能提供打印：組態王監控軟件可直接通過IP直接訪問個區設備運行狀態，同時可以根據客戶的需求能打印報表。 　　（7）提供完善的在線幫助系統：當系統中出現故障時，可以提供在線幫助，直接的解決操作中遇到的疑難問題。對于復雜問題也可以結合語音系統、視頻系統與在線人員幫助實現迅捷的解決問題。 　　（8）方便迅捷的設備管理功能：在中央控制室能完全觀察到各設備的運行狀態，包括個設備的詳細信息，方便對設備進行管理。 5 結論 　　本文作者的創新點：給出了基于工業以太環網的煤礦數據采集系統的設計方案，使用新型的工業以太環網產品（廣泛用于美國軍方中），實現視頻系統，語音系統和數據采集系統三系統共一個主干為光纖的工業以太環網。不僅在設計上滿足的該用戶的需求，而且在產品上也保證了系統的穩定性，整個系統方案得到了用戶及其行內專家的認可。文中提出的新一代的SCADA系統，也是該煤礦預警系統，進一步的保障了煤礦人員的生命安全和設備的安全，從而避免或減少更多的安全生產事故和直接經濟損失。 參考文獻： 　　[1] 北京亞控公司.組態王6.5使用手冊.北京亞控科技發展有限公司.2003年12月 　　[2] 陽憲惠.工業數據通訊與控制網絡.清華大學出版社.2003年1月1日 　　[3] 劉鵬.薛培鼎.城市燃氣管網SCADA系統設計.微計算機信息.2005年第21卷第4期p78-79 　　[4] 雷煌.基于CAN總線的礦井分布式SCADA監控與數據采集系統.太原理工大學.2002年11月 　　[5] 王毅峰.溫希東.基于CAN總線的數據采集模塊的設計.微機算機信息.2005年第21卷11-2期p58-60 　　基于工業以太網遠程數據采集系統的設計