基于多种接口互联技术的煤矿远程运维系统改造设计
王聪慧 赵瑞林 白蕾
摘 要：目前我国大多数煤矿企业仍然是设备类型多样，多种网络协议控制共存的情况，难以实现集中及远程监管，系统的运行和维护管理仍是传统人工操作，发现问题、诊断分析、及故障处理效率比较低。基于WINCC软件，综合运用以太网技术和OPC等多种接口互联技术对某煤矿企业生产系统进行改造，将多种不同系统集中在以太网平台上，通过Web Navigator提供的网络发布功能，实现了企业远程监控诊断与智能运维，通过实际运行发现系统稳定可靠，实时性和网络刷新率及故障处理速度明显提高。
关键词：远程运维;接口互联技术;Web Navigator
Abstract：At present， most coal mining enterprises are still in a variety of equipment types， and multiple network protocols control coexistence. It is difficult to achieve centralized and remote supervision. The operation and maintenance management of the system is still a traditional manual operation. Problem discovery， diagnostic analysis， and troubleshooting efficiency It is relatively low. Based on WINCC software， this article comprehensively uses a variety of interface interconnection technologies such as Ethernet technology and OPC to transform the production system of a coal mine enterprise， concentrates a variety of different systems on the Ethernet platform， and provides network publishing functions through the Web Navigator ， Realized remote monitoring and diagnosis and intelligent operation and maintenance of the enterprise. Through actual operation， the system was found to be stable and reliable， and the real-time performance， network refresh rate and fault processing speed were significantly improved.
Key words：remote operation and maintenance; interface interconnection technology; Web Navigator
安全生產一直是煤矿行业的头等大事，影响着结构调整和运行机制[1]，煤矿行业中传统的运维方式在监控、问题发现、报警以及故障处理等各个环节均存在明显不足，故障处理速度和工作效率低，导致现场运维管理和技术服务跟不上[2]。随着自动化、信息化与智能化的深入融合，目前大多数企业面临着传统运维方式的改变，期望通过云端、移动端、远程互联网实现信息融合和集中调度[3]。本文以某煤矿企业生产系统改造为背景，基于WINCC软件，综合运用以太网技术和多种接口互联技术对某煤矿企业进行改造，将企业多种不同系统集中在以太网平台上，通过Web Navigator提供的网络发布功能，实现了企业远程监控诊断与智能运维，通过实际运行发现系统稳定可靠，实时性和网络刷新率及故障处理速度明显提高。
1 煤矿生产系统改造现状
改造设计的煤矿生产系统主要包括中央35 kV变电所子网系统、绞车系统、地面生产系统、地磅系统、井下变电所和水泵系统、瓦斯监控系统、主通风系统等[4]。改造设计之前每个系统独立控制，主要有以下几种结构类型：
（1）35 kV变电站系统采用SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition System）来完成数据采集、监视和控制。
（2）绞车现场系统采用日本三菱公司FX2N-32MR系列PLC构成整个控制系统核心，并扩展若干模拟量及数字量I/O模块，组成现场信息采集控制系统。地面生产集中监控系统采用GE Fanuc的90-30系列PLC，并拓展一个以太网NIU单元完成现场信息的采集，采用iFix4.0组态软件完成现场信息的监控。矿井通风系统采用OMRON CP1H系列PLC进行综合管理。
（3）煤矿井下供电综保系统是煤矿电力系统的主要组成[5]，采用西门子S7-300系列PLC，以315-2DP系列CPU作为控制系统的核心，并附加模拟量及数字量I/O模块进行数据的采集。另外，采用CSU通信处理机采集现场的综保系统信息，并与西门子PLC进行通信，将综保系统的信息保存在CPU的数据块内。
（4）地磅系统采用磅房称重管理系统计量售煤吨数，磅房称重管理系统的计算机计量统计数据自形成网络。上位机电脑采用RS232串行接口与磅秤系统进行通讯，并实时的将售煤吨数存储到MS SQL数据库系统中，便于进行查询及生成历史报表。矿井瓦斯监控系统采用专用产品及软件，所有监控信息集中贮存在计算机中的终端软件中，对井下的瓦斯信息进行实时监控。
2 远程运维系统整体设计
由实际系统现状可以看出，这是一个多网络協议控制系统。要实现远程运维存在以下问题：
（1）矿井生产设备多种多样，系统复杂，有不同类型的DCS、FCS、PLC和其他现场控制设备。
（2）品牌差异造成了协议的不同，各品牌大多都遵循自己的通讯协议自成系统，数据共享困难。
（3）控制设备数量多、监测点多，造成集中远程监控的点数多，影响数据通信质量。
（4）监控范围广，各种设备分散在煤矿生产企业的各个区域，远距离数据传输有难度。
针对以上问题，综合运用以太网技术和多种接口互联技术对某煤矿企业进行改造设计，远程运维系统整体结构图如图1所示。
2.1 远程运维上位机管理平台设计
远程运维系统主要实现生产数据、运行参数、故障报警、设备参数、维修历史、人员信息等多种参数统一有机结合[6]。本文设计中，远程运维系统上位机管理平台主要由管理信息网、自动化网络和中央调度平台构成。
（1）管理信息网平台采用100 M快速以太网，采用星型拓扑，在网络的对外出口设置防火墙，通过实施网络管理策略保护信息网络的安全，在防火墙的DMZ区设置Web服务器作为企业网络发布的平台。整个网络信息中心设置2台服务器，按其功能分别为WinCC（Windows Control Center）数据归档服务器1台、Web服务器1台。自动化平台主要由100 Mbps工业以太网实现传输。设置1台工控机作为各子系统监控主机，各子系统信息可以在DLP（Digital Light Processing）大屏幕上显示，也可以在各控制机屏幕上显示。
（2）自动化网络由8台工业以太网交换机构成，分别在各个监控点设置一台以太网交换机实现各个监控点的连接。利用光纤环网实现整个工业自动化冗余设计，实现了网络的可靠性、冗余性及稳定性。这些以太网交换机能够实现即插即用和快速冗余（<20 ms），便于实现后续网络的连接和扩展。在以太网交换机发生故障时还可以通过不同的报警机制向相关人员提出报警（继电器输出和Email输出）。另外，利用Web配置还可以很方便地实现对各个交换机进行配置。
（3）在中央调度室的Web服务器中，安装Siemens公司的Web Navigator软件，通过网络发布，互联网中的计算机就可以登陆到Web服务器的站点，打开Web服务器发送的画面，通过画面中显示的数据信息，查阅生产数据和设备运行报告。
2.2 联网子系统设计
（1）35 kV变电站设计：为了保证监控系统的稳定性和可靠性，并且为了能够实现协议的转换，本文对35 kV变电站设计如图2所示。
（2）绞车、地面生产、主通风系统设计：现场这三个系统使用不同品牌PLC（三菱、GE、OMRON）实现各自控制，它们都支持OPC方式[7]，PLC系统、数据库系统经过不同形式的软件驱动方式采集之后，可作为OPC服务器向上层监控层提供数据[8]。因此设计时系统结构相似，绞车系统结构设计如图3所示，为了使绞车系统通过以太网接口连接到中央监控主机，在中央监控室数据服务器上安装三菱OPC Server软件，确定了各数据的地址，实现了远程数据共享及整合。而地面生产系统和主通风系统分别使用KEPServerEX OPC Server软件和SYSMAC OPC Server软件，其它设计思路一致。
（3）井下供电综保系统设计：现场控制系统采用西门子S7-300系列315-2DP系列CPU作为控制系统的核心，中央调度室采用西门子WinCC软件系统，西门子上位机软件本身对西门子PLC具有很强的通信能力，只需要直接在原系统上配置以太网模块，将DP总线上的数据转换成TCP/IP的协议形，这样就可以实现数据通信。
（4）地磅、瓦斯监控系统设计：地磅和瓦斯监控系统现场都使用专用产品和数据库，因此在设计时，它们都可以选择ODBC数据传输方式将现场数据上传到控制中心数据库服务器，然后通过WinCC组态软件显示在售煤画面和瓦斯监控画面，并在调度报表统计打印每日的销售煤总吨数和瓦斯监控数据，具体结构设计如图4所示。
3 远程运维系统软件实现
远程运维平台采用WinCC软件作为客户端采集各数据接口提供的数据，实现远程诊断、监控及运维功能。井下综保系统程序流程如图5（a） 所示，中央35 kV变电站系统、地磅系统及瓦斯监控系统数据通信过程采用ODBC方式，如图5（b）所示。地面生产、绞车系统及主通风系统采用OPC方式，实现过程如图5（c）所示。此种方式需要将各自的OPC Server软件安装到数据服务器上，将WinCC作为Client完成远程通信[9]。将所有PLC的OPC Server软件安装到同一台数据服务器上可以有效的避免多台Client读取Server数据，而造成的PLC系统死机问题，同时可以实现对众多数据的集中管理[10]。
4 系统的现场运行效果及分析
设计改造的煤矿生产远程运维系统已经投入运行，管理平台上运行画面如图6所示，通过互联网进行远程访问时，只需要在浏览器输入Web服务器的IP地址，就可以登陆到Web服务器的站点，打开管理平台画面和各种数据。Web Navigator网络发布图如图7所示。
5 结 论
从现场运行效果看，基于WINCC软件，综合运用以太网技术和多种接口互联技术对某煤矿企业生产系统进行改造，不仅实现了企业远程监控诊断与智能运维，系统稳定可靠，实时性和网络刷新率及故障处理速度明显提高，而且通过Web Navigator提供的网络发布功能，实现了互联网远程访问调度功能。此外本文中设计的系统是一个全开放式系统，具有很强移植性和技术升级空间，降低了企业的改造成本，可以很容易地应用到电力等其他领域。
参考文献
[1] 郭靖宇.煤矿安全生产监控系统的设计与实现[D].大连理工大学学位论文，2016.
[2] 侯志国. 浅析机电技术管理在煤矿安全生产中的应用[J].石化技术，2020（3）：141-142.
[3] 吴耀东. 煤矿安全生产监控系统中移动智能终端应用的设计.[J]. 自动化与仪器仪表，2015（10）：135-136.
[4] 索智文. 煤矿综采工作面无人化开采技术研究[J].工矿自动化，2017（1）：22-26.
[5] 张新.煤矿井下远程监控终端设计.[J].工矿自动化，2018（12）：97-101.
[6] 马小平，吴新忠，任子晖.基于移动互联的煤矿通风机远程监控技术[J] . 工矿自动化，2016（3）：7-12.
[7] 钱晨. 基于OPC技术垃圾焚烧数据采集系统的设计与实现[J]自动化与仪表，2020：100-104.
[8] 陈运启.SVG技术在煤矿监控系统中的应用研究[J].工矿自动化，2016（8）：77-79.
[9] 高罗卿，庄源昌. 基于OPC技术实现WINCC与FANUC数控机床的监控系统设计[J] . 制造技术与机床，2019（1）：169-172.
[10]王诚意，王琨，董康，等. 基于WinCC与OPC技术的车间数字化管理与控制系统设计.[J]. 轻工机械. 2019（6）：99-104.