安政武
国家能源集团准能集团公司黑岱沟露天煤矿调度指挥中心 内蒙古鄂尔多斯 010300
摘要：随着科技的快速发展，现代数字技术与传统行业的结合，为传统行业带来了新的发展契机。基于数字化技术可以更为科学、有效的进行现场管理与调度分析，而这与当下矿工业的迫切需求，不谋而合。因此数字化矿山综合自动化系统的建设是矿工业的必然发展趋势。本文通过分析数字化矿山综合自动化系统的发展现状以及其网络结构，对数字化矿山的安全监控与生产监控的自动系统进行探究，以供相关单位参考。
关键词：数字化矿山；综合自动化系统；网络结构
引言
矿工业是地区以及国家发展的重要基础资源，对于地区工业文明、军事领域发展以及社会稳定发展等具有重要意义。随着全球化趋势高度集中且我国作为生产制造大国，对于能源的需求不言而喻。西方一些传统工业大国已经意识到提高矿工业生产管理的重要性，并相继研发了矿山自动化管理系统[1]。相较于国外，我国在该方面的起步较晚，因此在矿山的生产管理上存在一定滞后性。但随着互联网技术的发展，数字化理念深入人心，人们开始更多的关注将数字自动化技术与矿工业的生产管理相结合的研究，并且已经取得一定成效。数字化矿山综合自动化系统主要以计算机为核心，因此计算机网络技术的构建对于该自动化系统的实现意义重大[2]。故本文就现阶段数字化矿山综合自动化系统的构建进行探讨。
1 数字化矿山综合自动化系统的发展现状
数字化矿山综合自动化系统的构建目的在于实现矿井生产全过程的集约化与可视化的生产指挥，自动化的生产和辅助生产系统，以及数字化的经营决策，不断提高矿山开采的效率和质量[3]。随着科技的快速发展，矿井中的大部分单系统（包括主排水系统、主运输系统等）均已发展为自动化系统，实现了自动化管理。但与快速发展的高速网络信息技术和软件技术相比，数字化矿井综合自动化系统的建设水平依旧较低。现阶段，数字化矿井的建设仅实现了远程监控，实际对于现场的控制以及基于系统自我识别自动化决策依然未能实现。此外，数字化矿井的建设过程中，其综合自动化系统需基于单系统自动化，在各单一自动化系统经高速网络连接构成合理的联动机制后完成转换。由于涉及多个方面基础建设，且相关经费投入需求较大，因此目前国内一些矿企业依然未有普及该技术，这也造成目前一些矿山的生产与管理效力远远不能满足社会当下需求。由此也一定程度上影响了当下我国社会经济进一步高速发展。
2 数字化矿山综合自动化系统网络结构
数字化矿山建设过程中，通过利用数据、语音以及视频综合网络传输技术构建了具备控制系统、管理系统和决策系统的煤矿安全管理与生产管理平台，以实现矿山的数字化管理。该平台是通过协同控制矿山作业中的综采工作面、主运输与辅助运输、供配电控制、生产辅助控制、动态目标运行和维护管理、安全管理以及调度通信，来形成有人巡视、无人值守的生产调度模式，对矿山生产全程进行监控。同时，该平台的应用能有效实现对设备和人员的管理，确保矿井具备良好的通风环境，并落实有关预防瓦斯浓度超标、火灾、水灾、顶板灾害以及游离煤尘等决策。此外，该平台的应用，充分实现了对矿井生产全全程中的所有子生产系统的实时调度控制、生产运输的综合调度以及生产过程的自动化。
数字化矿山自动化管控内容主要包括有安全管理、生产管理、企业经营管理信息系统（事物管理、经营管理）、技术管理和能源管理。基于安全管理和生产管理数据，结合企业经营平台的应用，有效实现了电子化和信息化的矿井安全管理和生产经营管理。
以安全管理与生产管理平台以及企业经营管理平台为支撑所构建的综合自动化系统已基本实现了矿井生产全程中各关键环节的三级自动化系统（就地自动化、远程自动化、综合信息化），实现了监测、管理和控制为一体的监控管理模式，并有效降低作业人员的工作强度，减少劳务支出，在保障矿山开采质量的同时，提高生产的安全性。
2.1数字化矿山综合自动化系统
矿山综合自动化系统结构可分为四个层次，分别为：（1）设备执行与数据采集层：该层的数据采集和决策执行均为同一设备，其内容主要包括有：1）采集安全生产井上下动态的实时在线信息，主要包括有水、火、瓦斯、顶板和人员定位等生产环境在线检测系统、综采工作面和胶带机集控制系统等综合自动化系统以及井下工业电视系统等其他生产指挥信息采集系统；2）采集生产技术数据，主要包括有钻孔、地震、机电设备和通风阻力检测结果等非实时的生产数据、；3）采集运营管理数据，主要包括有财务管理数据、营销管理数据和人力资源管理数据等；4）采集执行控制层或管理决策层信息。数据经管理决策层的分析和处理后，由控制层和传输层传递至执行层，实现对设备控制的同时对矿体的空间形态以及属性进行合理调整。（2）数据传输层：该层主要由工业网与信息网构成。工业网通常具备安全监控和生产管控两个相互独立的网络，其安全隔离措施主要采用网闸加防火墙技术。全矿井的传输网络采用有线结合无线的方式实现全面覆盖。（3）运营管控层：该层由安全与生产管控平台和决策中心组成，其分系统主要包括有：1）实现工作面采煤机、三机、泵站和采面供电设备等自动化控制的综采工作面分控中心；2）实现采面胶带顺槽、盘区大巷胶带、主斜井胶带等主运输系统控制的主煤流运输分控中心；3）实现对地面110kV变电站和10kV变电所以及井下主变电所、盘区变电所与泵房变电所等集中远程控制的供配电系统分控中心；4）实现对人员定位、安全监控、井下光纤测温、顶板压力安全监测和矿灯房信息管理等系统以及与通风管理有关系统的集中监控的安全保障分控中心；5）实现对主通风、主排水、压风、计量称重、水处理、锅炉供热、机房环境监测、机房门禁以及工业电视等各类辅助监测系统的集中监控的生产辅助分控中心；6）实现对地面各类辅助运输车辆管理以及井下各类辅助车辆管理监控的辅助运输分控中心；7）实现对地面通信调度系统及动态目标运行与维护系统以及井下通信调度系统及动态目标运行与维护系统的综合管控的调度中心；8）以在线监测系统、综合自动化系统、知识库和模型库凳为基础，构建预测生产环境（水、火、瓦斯、顶板压力）预警系统，利用GIS、网络集成、互联网以及数据库等技术检测、分析和预测预警矿山作业中可能存在的重大危险源，并将各类危险源数据进行整合，利用WebGIS平台进行统一展示，落实对重大危险的预测预警，提前做好相应的防范措施提高煤矿生产的安全性，有效避免发生安全事故。（4）经营管理决策层：该层主要由两大系统组成，分别为：1）运营管理信息系统：该系统是根据企业管理网络平台和数据库为基础，实现对人力资源管理、财务管理、设备管理、生产规划管理、成本管理、安全管理、运营管理以及营销管理等数字化管理；2）生产技术综合管理系统：该系统主要由安全生产信息调度报表、机电设备管理、办公自动化、地测管理信息和任务闭环管理等系统构成，能实现对矿山生产全程中的地质、测量、水文、储量、设备选用、采矿辅助设计以及机电设计等的信息化和网络化管理。
2.2 安全与生产管控系统网络结构
数字化矿山建设中通过工业环网络平台结构的应用，来提高系统的数字化、高速化、标准化、安全性以及可靠性，并更有利于系统的扩充升级。数字化矿山系统按照业务需求分别设置了采用千兆宽带的生产管控骨干环网和安全监控骨干环网，并分别在井上和井下设置了单独的冗余骨干环。核心层的工业以太网聚合交换机采用万兆宽带，经万兆链路将环网中的所有设备连接到综合网络系统中，其冗余性和宽带性能均较高。各核心及主干节点交换机为支持网管型交换机，能实现端口宽带控制和网络节点管理。所有环网主干节点的网络均由周围较近区域的自动化设备提供，能实现高效的控制与检测信息的采集和共享。
2.3基于互联网信息传递技术
总线网、工业以太网以及GEPON共同组成了工业环网技术，同时该技术也是目前应用最为普遍的技术之一。实际矿山往往规模较大，网络传输距离也比较远，因此基于简单的总线网络传输形式难以达到理想的传输效果。而工业以太网技术和大多数自动化网络结构，在开放性以及支持厂家数等方面均具有一定优势。目前，可以全面支持GEPON技术的厂家不多，且受到最远交换节点的约束。与工业以太网相比，GEPON的传输技术主要以以太网、TDM以及环太网共同组成，传输速率实现主要以TDMA技术为基础，当流量不高于70%带宽时，系统相对稳定；传输质量普遍可以达到1250Mbps；在冗余性方面，GEPON技术还支持双环冗余，但基于GEPON技术的的相关产品技术目前依然并不完善，实际供应商也不多，系统应用而言，该GEPON技术主要采用无源光网络技术形式，多为应用于矿井区域覆盖面积小、网络主干节点少的环境中，相关设备安装较为简单，但前期投资较大，后期会慢慢减小，在系统维护方面更为复杂，配套相关网络管理软件也不成熟。而工业以太网技术主要以以太网为核心构建，传输速率当流量不高于30%带宽时，系统相对稳定；传输质量普遍可以达到1000Mbps；在冗余性方面，工业以太网技术知识单、双环冗余，相交环冗余等，中心助战还可以实现各个冗余之间的切换，且基于工业以太网技术的的相关产品技术目前已经比较成熟，实际供应商较多，实际产品质量也比较稳定。就系统应用而言，该工业以太网技术主要采用有源节点设备，多被应用于矿井区域覆盖面积大、网络主干节点多的环境中，相关设备安装较为简单，在各个时期投入相对均衡，相较于GEPON技术性价比更高。在系统维护方面比较简单，相关配套软件技术比较完善，功能性也更强。通过以上对比不难看出，随着社会的发展，矿山开采技术越来越先进，实际矿山开采规模越来越大，井区的覆盖面积将更大，井上以及井下的各个网络节点比较复杂，与此同时还应当综合考虑整个系统的配套技术是否成熟，能否担当不同环境下的应用需求。对比现有几种技术方案，工业以太网技术，无疑是目前较为合适的选择，实际所构建的工业传输环形网络稳定性较高，在信息传递等方面更为可靠。
表1：GEPON 和工业以太网技术
项目传输技术传输速率传输质量隔爆 类型冗余性系统 质量系统应用井下案例维护系统性价比网络管理
GEPON以太网+TDM+ 环太网控制TDMA技术，流量不大于70%带宽时系统稳定1250Mbps本安型支持双环冗余产品不成熟，供应商少无源光网络技术，适用矿井区域覆盖面积小，网络主干节点少的环境少设备尺寸小，安装简单，光纤接续要求高地面核心设备投资大，各节点投资小，初期投资大，后期投资大维护复杂；网络管理软件不成熟
工业以太网以太网流量不大于30%带宽时系统稳定1000Mbps隔爆兼本安型支持单、双环冗余相交环的冗余，中心主站可实现冗余切换产品成熟，供应商多；产品质量稳定有源节点设备，适用矿井区域覆盖面积大，网络主干节点多的环境多设备尺寸适中，安装简单核心和节点设备投资均衡；性价比高维护简单，网管功能强
2.4网络传输过程分析
依据《煤炭安全规程》相关内容，安全监控系统的构建独立专网。生产管控系统骨干环网以及安全监控系统主要环网均各自使用不同的传输光缆最终构成环形信息传输网络。基于该安全监控系统主要环网需要分贝建设地面以及井下光传输网络系统，基于主要环网与支线的组网路由方式。对于生产管控系统，同样也需要进行地面建设与井下的光传输主要网络建设，并基于环网与支线的成网路由模式。无论是地面的还是井下的主要网络传输媒介，均采用24芯的光缆进行，主要安全网络则采用8芯光缆，支线的传输可以采用4芯与8芯的光缆进行传输。位于主要光缆网上的所有节点，有的那个采用光纤配线架进行资源的合理分配与利用。
3.结束语
随着经济的发展，社会发展速度越来越快。随之而来的是对大量煤炭等资源的需求。以往传统形式的矿山管理主要以图纸与人工方式展开，实际生产与管理效率远满足不了当下的应用需求。此外，大量的矿难事件也充分说明了传统矿山管控系统落后，亟待进一步提高与完善。随着互联网技术的不断完善，数字化技术逐渐被用于各个行业，且均取得了较好的成果。数字化矿山管理模式也为当下矿山的生产管理提供了新的发展契机。由本文叙述可以看出，数字化矿山不但需要构建企业管理信息系统，同时还应当配备具有一定的自动化技术水平的矿山安全控制系统，从而构建符合当下时代特色的能有效覆盖整个矿井的矿山生产与调度实施管控系统，从而实现对现有煤炭搞下开采与综合管理。最终实现基于先进的数字化管控技术实现对矿山的集约化以及可视化实施管理，辅助矿山生产与辅助系统的自动化进行，为矿山运行提供智能化决策。未来随着社会对于矿产资源需求量的不断增加，基于数字化的矿山生产管理系统，无疑可以更好的满足产量需要。因此对于相关人员，应当从自我做起，不断的学习并提高相关技能，从而为打造现代化数字矿山自动化系统奠定基础。
参考文献
[1]蓝天.对电力综合自动化系统中数字化变电站特点和网络选型的探讨[J].电子测试，2018.
[2]曾润喜，王琳，杜洪涛.基于知识管理视角的大数据研究网络与结构研究 [J].情报学报，2016（11）：1173-1184.
[3]卢光云，梁伟鄯.基于云桌面的网络中控系统的结构及原理研究[J].教育界：高等教育研究，2017（10）：159-160.
[4]张建平，柴洪静.数字化矿山综合调度指挥平台研究[J].中国煤炭，2011，37（10）：63-66.
论文作者:安政武
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第33期
论文发表时间:2019/3/6
标签：矿山论文; 系统论文; 技术论文; 自动化系统论文; 矿井论文; 网络论文; 以太网论文; 《建筑学研究前沿》2018年第33期论文;