摘 要：工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)技術和先進的控制技術應用于煤礦數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中, 是新一代的煤礦SCADA系統(tǒng)，提出了它的結(jié)構(gòu)組成，各部分功能和軟件設計。整個系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了快速傳遞信息，同時也實現(xiàn)了煤礦的安全預警功能。 關鍵詞：數(shù)據(jù)采集；工業(yè)以太網(wǎng)；遠程數(shù)據(jù)傳輸；環(huán)網(wǎng) 1 引言 　　隨著科學技術的發(fā)展，煤礦生產(chǎn)規(guī)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(fā)展，為了保證煤礦企業(yè)的安全生產(chǎn)，采用計算機實現(xiàn)遠程監(jiān)測監(jiān)控和管理數(shù)據(jù)化，生產(chǎn)管理自動化，操作簡潔，最終達到安全生產(chǎn)，提高煤產(chǎn)量。新型的SCADA數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用了工業(yè)以太網(wǎng)絡交換機、智能I/O模塊，工業(yè)控制器和各類煤安傳感器構(gòu)成遠程煤礦監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)網(wǎng)絡化的實時數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)存儲，動作控制以及提前預測。 2 煤礦大型設備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)介紹 　　2.1 整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹 　　工業(yè)環(huán)型以太網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)是一個易擴展開放式的監(jiān)控系統(tǒng)，是目前世界上先進的過程自動化系統(tǒng)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(jiān)控系統(tǒng)）。網(wǎng)絡設計方案中由監(jiān)控總站的管理計算機、數(shù)字服務器、視頻服務器、環(huán)網(wǎng)交換機和各種礦用儀器儀表搭建而成。系統(tǒng)的主干網(wǎng)采用100M的工業(yè)以太網(wǎng)技術，用以保證各監(jiān)測，監(jiān)控信息進行高速傳輸和交換，保證系統(tǒng)的實時性。主干網(wǎng)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(wǎng)絡協(xié)議。主干網(wǎng)的連接采用光纖分布式數(shù)據(jù)接口（FDDI），整個系統(tǒng)環(huán)形網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)如圖（1）所示。 　　整個礦區(qū)很大，分布較廣由一個監(jiān)控總站，多個監(jiān)控分站組成，具體分別為遠程網(wǎng)絡監(jiān)控總站、機運區(qū)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?，F(xiàn)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(tǒng)在每個區(qū)建立子系統(tǒng)/分站，每一個分站既是下位機也是上位機，子系統(tǒng)亦能獨立處理本系統(tǒng)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(tǒng)的正常運行，從而保障了整個系統(tǒng)的正常運行。 [align=center] 圖（1） 遠程環(huán)形網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)[/align] 　　2.2 子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)： 　　由于各子系統(tǒng)大型設備采集的數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)和組成。該監(jiān)控分站子系統(tǒng)如下圖所示，系統(tǒng)通過實時環(huán)型工業(yè)以太網(wǎng)交換機接入主干網(wǎng)，現(xiàn)場設備主要有以太網(wǎng)I/O集中器，16路模擬量輸入模塊，8路高速計數(shù)器模塊，16路開關量輸入模塊，電源模塊，監(jiān)控計算機。各個子系統(tǒng)采用的軟件是組態(tài)王6.5，該組態(tài)軟件可實現(xiàn)動態(tài)數(shù)據(jù),畫面監(jiān)視,歷史數(shù)據(jù)分析，歷史趨勢曲線生成,實時報警功能,內(nèi)容豐富,界面生動,保持了良好的人機對話。副立井系統(tǒng)圖如下圖（2）： [align=center] 圖（2） 副立井絞車房子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[/align] 　　該子系統(tǒng)能實現(xiàn)多種功能：提升絞車房與主監(jiān)控計算機的聯(lián)網(wǎng)，監(jiān)控室可通過網(wǎng)絡實時檢查和查閱提升絞車的運行狀態(tài);能以畫面的形式實時自動監(jiān)測記錄提升絞車運行時各種參數(shù)，并自動生成表格或歷史曲線;運行設備的運行狀態(tài)以及后備保護、聲光報警、存儲和查詢各種數(shù)據(jù)，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(tǒng)中運行設備狀態(tài)顯示并且控制的中心，是網(wǎng)管SCADA系統(tǒng)的控制中樞，是整個系統(tǒng)中數(shù)據(jù)安全性要求最高的地方。系統(tǒng)配置是就選擇了冗余配置，實現(xiàn)Server、網(wǎng)絡、通訊和各功能環(huán)節(jié)的冗余。中央控制室硬件是由SCADA實時數(shù)據(jù)服務器，組態(tài)監(jiān)控軟件，歷史數(shù)據(jù)服務器，以太網(wǎng)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(wǎng)絡設備。 　　2）各區(qū)域主要是由組態(tài)軟件監(jiān)控軟件，以太網(wǎng)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?shù)氐臄?shù)據(jù)采集和智能控制，通過PC機直接顯示各設備運行狀態(tài)。同時數(shù)據(jù)可以直接傳輸?shù)缴衔粰C中在大屏上顯示，同時數(shù)據(jù)存儲在數(shù)字服務器中，實時更新。整個系統(tǒng)采用模塊化，內(nèi)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(tǒng)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(qū)域得到CSA C22.2 CLASS 1、ZONE2、EN50021等認證，滿足煤礦區(qū)域使用要求。 　　3）在各個分站實現(xiàn)功能主要是數(shù)據(jù)采集，自動控制，參數(shù)存儲，實時通訊和故障報警等。系統(tǒng)中運用到的美國SIXNET公司生產(chǎn)的實時環(huán)網(wǎng)以太網(wǎng)交換機，目前來說是以太網(wǎng)技術突破性的成就，提供容錯糾錯能力，能夠構(gòu)建穩(wěn)定可靠的網(wǎng)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(huán)網(wǎng)以太網(wǎng)交換機。 　　3.2 系統(tǒng)通訊 　　3.2.1 工業(yè)環(huán)形以太網(wǎng)運用到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中實現(xiàn)遠程通訊。 　　系統(tǒng)采用計算機網(wǎng)絡、光纖通信等先進技術，在環(huán)境惡劣、人員設備分散、有特殊安裝要求的煤礦構(gòu)建一個符合防爆要求的井下100Mbps高速互聯(lián)網(wǎng)，系統(tǒng)的核心是在礦井建立具有開放協(xié)議的工業(yè)數(shù)字網(wǎng)絡系統(tǒng)，傳輸設備監(jiān)測數(shù)據(jù)、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(huán)形網(wǎng)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(zhuǎn)換為數(shù)字量后傳輸?shù)缴衔粰C，實現(xiàn)大屏顯示和數(shù)據(jù)存儲。 　　3.2.2 視頻系統(tǒng)、語音系統(tǒng)與設備運行狀態(tài)采集系統(tǒng)三系統(tǒng)合一。 　　該采集系統(tǒng)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(chǎn)品都遵循Modbus通訊協(xié)議，實現(xiàn)高速傳輸，且具有很強的環(huán)自愈能力。視頻系統(tǒng)中選擇了視頻轉(zhuǎn)換器、網(wǎng)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(jiān)控技術實現(xiàn)煤礦安全監(jiān)控，同樣語音系統(tǒng)亦是如此。在環(huán)形遠程監(jiān)控網(wǎng)絡中，具有很大的可拓展性冗余性，因此增加的兩個系統(tǒng)情況下直接掛在工業(yè)以太環(huán)形網(wǎng)上。同時系統(tǒng)的主干網(wǎng)采用100M的工業(yè)以太網(wǎng)技術，用以保證各監(jiān)測數(shù)據(jù)、視頻圖像和語音信息進行高速傳輸和交換，保證系統(tǒng)的實時性。 　　其中系統(tǒng)控制中心是整個系統(tǒng)的核心，所有各監(jiān)測分站的監(jiān)測數(shù)據(jù)、視頻圖像和語音信息通過高速工業(yè)環(huán)型光纖以太網(wǎng)傳送到中心，監(jiān)測中心以動態(tài)圖形、實時數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)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(xiàn)對全礦固定設備安全運行狀態(tài)的實時24小時在線監(jiān)測，對事故隱患提前預警。圖（3）為控制中心系統(tǒng)圖，主要包括：監(jiān)控總站、數(shù)據(jù)服務器、視頻服務器、大屏幕電視墻系統(tǒng)等。 [align=center] 圖（3） 控制中心系統(tǒng)圖[/align] 4 軟件設計 　　在部分地區(qū)的下位機軟件采用的是北京亞控科技發(fā)展有限公司的無限點組態(tài)王Kingview6.51開發(fā)軟件，部分地區(qū)采用256點的組態(tài)王開發(fā)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(tài)王運行軟件，目前是國內(nèi)比較領先的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控軟件之一，具有強大的功能，能實現(xiàn)自主開發(fā)界面，支持web上網(wǎng)連接方式。由于是網(wǎng)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(jiān)控軟件實現(xiàn)的主要功能為： 　?。?）數(shù)據(jù)采集：實時就地集中監(jiān)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(shù)、電量參數(shù)、工作狀態(tài)、保護狀態(tài)、聲光報警信息等;并且能實時顯示其運行狀態(tài)圖和數(shù)值。通過工業(yè)組態(tài)軟件進行系統(tǒng)開發(fā)，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)曲線，歷史數(shù)據(jù)曲線，在大屏上顯示出來。 　?。?）報警：組態(tài)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(shù)據(jù)超出設置的各段數(shù)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(shù)。 　?。?）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(diào)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?？刂?，當由靜水壓力傳感器采集的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)超限自動啟動灑水裝置。 　　（4）歷史數(shù)據(jù)記錄和查詢：數(shù)據(jù)能實時被采集的上位機中，同時能寫入數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)庫也實時更新并存儲，方便查詢和進一步的對數(shù)據(jù)分析。 　?。?）操作歷史記錄：組態(tài)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(tǒng)的安全，穩(wěn)定運行。 　?。?）在線查詢各報表并能提供打?。航M態(tài)王監(jiān)控軟件可直接通過IP直接訪問個區(qū)設備運行狀態(tài)，同時可以根據(jù)客戶的需求能打印報表。 　?。?）提供完善的在線幫助系統(tǒng)：當系統(tǒng)中出現(xiàn)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(jié)合語音系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)與在線人員幫助實現(xiàn)迅捷的解決問題。 　?。?）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(tài)，包括個設備的詳細信息，方便對設備進行管理。 5 結(jié)論 　　本文作者的創(chuàng)新點：給出了基于工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)的煤礦數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計方案，使用新型的工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)產(chǎn)品（廣泛用于美國軍方中），實現(xiàn)視頻系統(tǒng)，語音系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)三系統(tǒng)共一個主干為光纖的工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)。不僅在設計上滿足的該用戶的需求，而且在產(chǎn)品上也保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，整個系統(tǒng)方案得到了用戶及其行內(nèi)專家的認可。文中提出的新一代的SCADA系統(tǒng)，也是該煤礦預警系統(tǒng)，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(chǎn)事故和直接經(jīng)濟損失。 參考文獻： 　　[1] 北京亞控公司.組態(tài)王6.5使用手冊.北京亞控科技發(fā)展有限公司.2003年12月 　　[2] 陽憲惠.工業(yè)數(shù)據(jù)通訊與控制網(wǎng)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(wǎng)SCADA系統(tǒng)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(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).太原理工大學.2002年11月 　　[5] 王毅峰.溫希東.基于CAN總線的數(shù)據(jù)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(yè)以太網(wǎng)遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計