顾桥矿综合自动化系统方案

淮南矿业集团顾桥矿综合自动化控制系统集成
天地科技常州自动化分公司
煤科总院常州自动化研究所
2005年4月
目录
第一章全矿井综合自动化控制系统集成 (1)
1、概述 (1)
2、系统设计 (3)
3、系统的安全设计 (25)
4、主要设备技术规格 (26)
5、系统设备清单 (33)
第二章、管理信息系统 (35)
1、概述 (35)
2、综合业务管理平台 (35)
3、通风管理系统 (36)
4、地测管理系统 (40)
5、安全管理系统 (44)
6、综合业务应用软件 (46)
第三章行政办公自动化系统 (47)
1、系统设计标准： (47)
2、系统技术架构： (47)
3、系统特点： (48)
4、系统优势： (48)
5、功能简介： (49)
6、办公自动化系统清单 (56)
第四章矿井工业电视系统 (57)
1、系统概述 (57)
2、系统设备选择 (57)
3、系统配置 (59)
4、系统功能特点 (59)
5、主要设备技术指标 (60)
6、设备清单 (66)
第五章大屏幕显示系统技术方案 (67)
1、方案概述 (67)
2、系统功能实现 (68)
3、系统特点 (76)
4、系统设备描述 (78)
5、工程实施和验收 (86)
6、售后服务和培训 (86)
7、设备清单 (88)
第一章全矿井综合自动化控制系统集成
1、概述
1.1 简介
顾桥矿井是淮南矿业（集团）有限责任公司的下属矿井，为了更好地发挥各自动化系统的作用，协调生产过程中系统间的关系，提高机械设备的利用效率，提高安全生产和管理水平，开发信息资源的价值，需要对多个自动化系统进行整合，并进行综合自动化信息系统集成建设。

综合自动化信息系统是将先进的自动控制、通讯、计算机技术、信息技术和现代管理技术结合，将企业的生产过程控制、运行与管理作为一个整体进行控制与管理，提供整体解决方案，以实现企业的优化运行、优化控制与优化管理，从而提高企业核心竞争力。

综合自动化是煤矿实现高产高效的有效手段，对于提高煤矿的生产运行状况、安全水平、事故灾害预测预报以及生产业务管理具有重要的作用。

顾桥矿通过综合自动化系统的建设可以实现：
(1)、生产的信息化促进全矿的管理信息化，大量的安全生产监测数据是管理信息化的基础，通过对监测数据进行转换、整理、挖掘，管理系统对全矿的安全生产状况进行综合性动态分析，为领导科学决策提供依据。

(2)、综合自动化信息系统与管理信息系统有机结合，可加强企业内部协作与通信，提高生产和管理效率，增强企业的市场竞争力，使煤矿企业的信息化进程实质性的跨上一个新台阶。

(3)、使管理人员从繁杂的手工事务性劳动中解脱出来，以便从事更高水平的管理工作。

(4)、实现对网络的集中管理，对网络上的各种设备进行监控和处理，对网络的正常运行提供保障。

为各种生产和管理的专家系统构建一个可靠的支撑平台。

从而实现矿井主要生产环节的无人值守，各生产环节或子系统间协调、高效运行，倍增各自动化子系统的效力。

(5)、能够有效的实现生产、安全管理和综合查询等功能，使其成为一个综合性的信息化网络。

为实现上述目标，系统采用当今国际、国内先进的监控监测技术，视频技术、网络等技术，建成一个现代化的安全生产监测、控制信息网络系统。

1.2 系统要求
用户希望通过对矿井综合自动化系统的整体规划设计，使系统达到以下要求：
(1).往下能监视各子系统内设备的运行状态以及所需的生产和安全参数；往上能够上联集团公司广域网，实现矿井与公司之间的生产与管理信息及时交换，实现管控一体化。

(2).建立一个生产调度中心，设备的监视和控制（保留功能）均可在调度中心进
行，实现全矿的管控一体化。

(3).在生产调度中心能对联网的各子系统按照生产工艺的要求进行划分，便于控制和调度。

(4).根据上述要求建立一个快捷的网络系统，要求此系统要充分安全、先进、可靠，能够满足生产和管理的要求。

(5).系统随着矿井建设能够整体规划分步实施，并能随着技术的发展方便升级。

(6).设备选型必须符合有关国家标准和行业标准。

1.3 设计依据
(1).《淮南矿业（集团）有限责任公司顾桥矿井综合自动化控制系统集成技术规格书》
(2).《煤矿监控系统总体设计规范》
(3). GB3836.1-83《爆炸性环境用防爆电气设备通用要求》
(4).《煤矿安全规程》
(5). GB3836.2-83《爆炸性环境用防爆电气设备防爆电气设备》
(6). GB3836.2-83《爆炸性环境用防爆电气设备本质安全型电路和电气设备》；
(7).MT209-90 《煤矿通信、检测、控制用电工电子产品通用技术条件》；
(8).MT772 《煤矿监控系统性能测试方法》；
(9).《煤矿监控系统中心站软件开发规范》
(10)《煤炭调度信息化装备技术规范》。

1.4 设计指导思想
本设计力求使信息集成为实现异构系统条件下的信息联通与共享，功能集成为不同功能应用系统联系起来，协调有序运行，从而避免了各自孤立的监控系统不能使信息资源和设备资源得以充分发挥的弊端。

通过分析用户的要求和矿井的实际情况，整个综合自动化系统中信息分布广，传输质量高，网络应保证安全生产监控信息的时效性、真实性、可靠性；功能要求全，系统有别于过去其它系统在功能上注重“监测”，强调管控一体化；包容性强，对矿井各自动化子系统均能接入到系统中。

为此，在系统设计重点考虑以下内容：
(1).实时性：系统必须保证系统中的所有监控信息“可用”，不能出现延迟，造成系统失控。

(2).可靠性：一方面当系统中任一组件（不论是硬件还是软件）发生故障都不会导致整个系统的瘫痪，另一方面为使系统运行时间的最大化，需要以可靠的技术来保证在网络维护和改进时，系统不发生中断。

(3).开放性：系统应能够保证来自不同厂商的设备可以相互通信，并且可以在众多厂商产品的集成环境中共同工作。

它决定了某一通讯技术能否被广大自动化设备制造商和用户所接受，并进行推广应用的关键。

(4).易于管理和维护：由于网络设备的数量、品种多，矿上专门从事信息管理工
作的人员少，因此，在网络设计时应考虑尽量降低管理与维护工作量。

(5). 安全性：系统必须建立可靠的数据传输、备份、存储等安全保障措施，同时应能防止外部非法用户的入侵。

最后，通过本系统的实施使顾桥矿井在采用先进的技术装备上达到国内现代化矿井水平，使矿井生产安全可靠，有效地预防和及时处理各种突发事故和自然灾害；实现全矿井的数据采集、生产调度、经营管理、决策指挥的信息化、科学化；是今后煤矿企业进行信息化建设的基石。

2、系统设计
全矿井自动化信息系统设计包括：系统网络平台设计、软件平台设计、现场子系统整合方案的设计。

2.1设计原则
先进性
以先进、成熟的网络通信技术进行组网，支持数据、语音和视像等多媒体应用，能确保网络技术和网络产品几年内基本满足应用的需求。

要求采用的系统结构应当是先进的、开放的体系结构；采用的设备、技术应当是业界先进的；采用先进的现代管理技术，以保证系统的科学性。

实用性
由于现代煤矿企业的安全、生产监控及调度任务、各职能部门之间业务的联系在很大程度上是以网络为基础，而安全、生产监控则对数据的实时性要求很高。

因此，在设计上应保证网络具有足够的处理能力和带宽，并留有相当余量。

开放性
网络具有良好的开放性，与其他网络有很好的互连性。

高可靠性
实时监控的不可间断性决定了在网络设计中（尤其是网络主干）必须考虑提高网络运行的可靠性，保证系统在一个节点出现意外时整个系统仍能运行。

因此，在硬件选型、线路、支撑环境及结构上都必须高质量，并保证核心网络设备具备冗余。

同时，采用先进的防火墙技术保证系统的安全。

可扩展性
在网络技术日新月异的今天，网络要有能力和将来的技术融合，同时要保护现有投资，保证网络系统随时加入新的设备，保证有关软件的顺利升级和扩充。

要求：网络规模的可扩展性，包括网络的地理分布、用户数。

网络容量的可扩展性，要求整个网络系统随着用户规模和应用的扩展，网络的传输容量也必须能相应的提高。

灵活性
整个网络系统必须满足便于安装、便于管理、便于维护、便于使用的要求。

网络的各个环节要尽可能多的提供安全保密措施，来保证网络的性能。

安全措施应包括：防病毒、防黑客、防止非法或越权访问、传输加密、安全策略控制等。

可管理性
网络的建设必须保证网络运行的可管理性。

要求可发现网络拓扑、实时监控网络性能、管理维护设备配置，并可迅速简便地进行网络故障的诊断。

经济性
在保证网络的先进性、可靠性等上述性能的前提下，尽量有效地利用设备资源，以适当的投入，建立一个设计科学合理、技术水平高的、完善的网络系统。

所有设备的选型配置和采购订货，坚持性能价格比最优的原则，同时兼顾供货商的资信度和维修服务能力。

2.2 硬件平台设计
全矿井自动化信息系统硬件平台设计采用信息层、控制层和设备层三层网络结构。

其核心任务是构建企业管理信息网、构建监控信息子网及网络的隔离设计、设备层与监控信息子网接入设计。

为矿井的管控一体化提供高效快捷的网络平台。

2．2．1 构建企业管理信息网
企业管理信息网由核心服务器、各专业服务器、千兆核心交换机、楼层交换机构建。

其中：
在六楼和三楼分别设立两个设备间，各终端用户分别连接到两个设备间的交换机上，设备间交换机采用堆叠模式共享交换机背板带宽。

大楼内楼层之间采用六类双绞线，水平子系统采用超五类双绞线，主机房与办公大楼外其它信息区之间采用1000M以态网（光纤）交换。

核心交换机采用性价较高的CISCO WS-C3750G-24TS-E交换机，可将整个局域网络按一定的层次结构划分，使网络中的每一中通信流量和服务都能得到最好的支持。

接入层交换机采用性价较高的48口可堆叠楼层交换机WS-C2950G-48-EI 层次化模型设计的好处可归纳为：节约成本、易于管理、易于扩展、易于排错。

此次网络建设中我们建议网络层次划分为两个层次：核心层和接入层。

中心机房设在办公大楼，整个网络结构采用星型结构，各层信息点都汇聚到中心机房核心交换机。

该核心层设备具有以下性质：
》非常高的网络吞吐量，以处理分组
》通过第三层操作进行VLAN路由选择
》保持高可用性的冗余和回弹
》通过访问列表或分组过滤而实现网络安全与基于策略的网络连通性功能
》作为数据交换中心，同时考虑以后网络的扩展、以及设备的平滑过渡。

该接入层设备具有以下性质：
》高端口密度
》通往更高层的可扩展上行链路
》用户访问功能
》基于MAC地址的通信量过滤及VLAN成员
》依靠多条上行链路而保持的回弹。

主机房设在矿办公大楼六楼，管理信息系统服务器(OA服务器1台、数据库服务器2台、管理系统WEB服务器1台、磁盘阵列柜1台、主域服务器1台)、核心交换机WS-C3750G-24TS-E、UPS、1台网管计算机等主要设备设在主机房内, 六楼和三楼设备间内共设立8台48口楼层交换机WS-C2950G-48-EI（由于设计不足400信息点）、客户终端30台。

核心交换机通过六类线连接楼层交换机实现1000兆主干，各楼层通过超五类线连接至工作区，实现百兆到桌面。

数据库服务器采用磁盘阵列柜实现数据备份。

主机房设立防火墙与路由器与Internet相连，实现信息共享和远程异地办公。

本网络与集团公司网络通过在核心交换机上设立VLAN进行隔离后向集团公司信息网上传有关数据，数据的具体定义及格式符合集团公司的要求。

信息层网络的拓扑结构图如下
2．2．2 构建监控信息子网
监控信息子网是企业信息网的一部分，子网中的节点共在一个相对独立的网段。

通过VLAN将其与企业信息网隔离。

它由管控服务器（双机热备）、地面及井下以太环网、图形控制器、操控站、各专业主机等部分组成。

2．2．2．1 管控服务器
管控服务器配置双机，用磁盘阵列进行热备。

它通过标准的软件接口、统一的数据信息描述与子网中的各现场子系统主机或主控制器（如PLC、嵌入PC）进行数据存取。

对数据进行综合处理，在子网内提供基于WEB控制浏览服务，为调度员提供操控页面和浏览页面。

并将各现场子系统的信息分类处理后通过授权通道送往企业信息网中。

2．2．2．2、地面及井下以太环网
根据对顾桥矿已定子系统和待定子系统的信息及分布情况分析，设计采用架构一贯穿地面各子系统的工业以太环网和一贯穿井下各子系统的工业以太环网。

两环网在调度中心汇接于双引擎的核心交换机。

环网交换机采用工业以太网交换设备和光缆构成一个贯通井下井上的信息的环型光纤高速通道。

关于环网的带宽和接入形式我们有几点说明：
系统信息量估算
带宽与所接的系统信息量有直接的关系，正确合理的估算网络中的信息流量是确定网络架构的关键之一。

目前大多数煤矿综合自动化系统均采用最先进、科学的控制方法，即分级和分布的控制模式。

该方式除具有危险分散、实时性好的优点外，从信息流的角度看，使得整个控制网络中各层的信息流量趋于均衡，不存在流量高度集中的区域，即网络上层的信息流量远远小于整个系统(网络)的流量。

且子系统或底层系统的自动化程度或功能越强，上层网络的流量越小。

以输煤控制子系统为例，子系统间的流量仅为子系统内流量的十几至几十分之一。

从顾桥矿所接的22个子系统中分析，电力调度系统的信息量最大，现以电力系统信息量为单位信息量计算(且不过多考虑分层系统的因素)：
每个开关柜的信息包括电压、电流、有功、无功、功率因素、电度、开关变位、绝缘电阻、过流、过压保护等信息占26字节；
井上井下共计300面柜；每秒存取2次；
子系统的信息量：300*26*8*2=124800 bit/s；
按24个同等子系统计算(实际上，其它子系统的信息流量要远小于电力子系统)，整个系统的信息：24*124800=2995200 bit/s；
网络上的传输的信息量（按1：4考虑余量）：2995200*4=11980800 bit/s；
所以环网上的最大带宽占12M左右。

一般用于办公或非工业用以太网的带宽设计考虑流量不超过带宽的50-60%。

因为这类网络的用户数、信息流量及流向都有非常大的不确定性。

必须留出一定的带宽以防止“网络风暴”造成网络阻塞。

对于控制网络而言，当控制对象、控制方法和子系统的结构及类型确定以后，系统的信息流量基本上是已知的或是可预测的。

同时选用的网络交换设备是具有端口优先级及流量控制功能的，可根据系统的不同要求进行控制调节。

根据前面高余量的流量估算。

本方案选用百兆带宽的工业以太网，是绝对可以
满足要求的，并留了相当大的冗余度。

数字视频传输
视频图像数字化技术应用日益广泛，其最主要的优点是：便于储存和检索，便于在网络上播放浏览，便于进行数字化的图像编辑。

对于监视系统而言，主要使用前两项功能。

视频图像数字化的方式主要有两类，一是在摄像头端数字化并进行数字传输，二是在监控室端进行数字化。

这两类方式虽然达到数字化后带来的便利，但两者的特点和适用场合差异明显，不易相互替代。

须根据实际需求进行选择，方可达到理想的效果。

具体分析如下：
（1）、在目前技术水平下，视频图像数字化后的数据流量非常大，经过MPEG4或H.264压缩后，1路图像变化缓慢的数据流量仍达到500K左右，而图像变换剧烈的要达到近1兆。

不可避免地存在画面滞后问题，滞后时间取决于不同的压缩方法和要求的图像分辩率及每秒图像的帧数，如要求较好的图像清晰度和连续性，则滞后现象较明显。

不适合用作实时监视，特别是对图像变化较快对象的监视。

（2）、在摄像头端数字化后，可直接在以太网上传输。

优点是可以监控数据和视频图像两网合一，但必须在摄像点相对集中且距集中监视室距离较远的场合才有优越性。

而由于地面、井下各摄像点的分布非常分散，大多成树状分布，由于实际应用中不可能每个点都设环网交换机，如果各摄像点通过光纤收发器传输到各环网交换机，再传输至调度室，则光缆的分支长度可能远大于环网的长度。

即没有节省光缆，还多了不少环节，造价及日常维护的工作量也提高了。

（3）、因视频数字化后的数据流量大，百兆网以满负荷60%计，极限也就是60个图像，而且会极大的影响其他子系统的信息采集及控制响应时间，使网络不可靠。

如工业电视如果单独走一个以太子网则造价过高而且会有第(2)点所说明的问题。

如仅为了把工业电视并入以太网传输而将带宽提高到千兆，增加大量的投资，以及为保证千兆网的工作环境等要求增加的维护成本和工作量，其必要性也不充分。

(4)、因在调度室是设有电视墙。

视频信号上电视墙必须是模拟信号。

如采用数字视频传输，工业电视图像数字化传输前已将图像分辨率压缩为702X576，造成了一定的图像损失，到地面后还需在调试室增加大量设备将数字图像转换为模拟图像将送至电视墙，两次造成的图像损失，将对电视墙的图像效果影响很大。

所以，本方案主张在工业电视系统中，从摄像点至调度室全部采用模拟信号传输，在调度室设置视频服务器对所有视频信号进行数字化处理。

完成数字储存及网上浏览的功能。

性价比因素
在顾桥方案中，我们之所以选择主干为百兆网是基于投资性价比方面考虑。

因为在任何一个工程项目中，对性能的追求是没有限制的，其结果会带来工程造价的无限制上升，因此找到一个技术性能与造价的平衡点是让一个工程达到最佳性价比的唯一途径。

在本方案中，如主干采用千兆方案，除主核心交换机需要采用千兆口外，其余挂接在环网上的字交换机均需采用具有千兆接口的交换机，经对比分析，带千兆接口的交换机比百兆口环网交换机造价高出近50%。

关健是在增加了投资和维护成本后，对整个系统的性能和可靠性没有实质性的提高。

综上所述，本方案选择100M工业以太环网，并可同时接入不同协议的数据在该网上进行传输和交换。

采用环型光纤以太网，实现了网络介质的冗余。

单环拓扑为系统提供了冗余，并且隔离了通讯的错误。

在使用工业以太网交换机时，以太冗余环网将自动的修复连接，它的恢复时间少于500ms，这为网络的稳定性提供了保障。

地面环网设6台交换机和一个核心交换机，
井下环网设6台防爆环网交换机，具体位置见下表：
顾桥矿环网冗余交换机设置地点
13 主井底变电所以太网/RS485
主井底变电所的井下电力集控系
统模块串接后接入
RS485 矿用人员安全监测系统
待定井下辅助运输系统（预留）
2．2．2．3、图形控制器
它是DLP大屏幕的图形显示的主控制器，可将视屏图象、子网中的VGA屏幕在DLP 大屏幕上显示。

2．2．2．4、专业主机
专业主机是指各现场子系统的主机或主控制器，它是子系统的核心，子系统的信息首先集中在各专业主机，系统的控制、处理逻辑由它实施完成，并将与管控服务器进行命令、数据的交互。

2．2．2．5、操控站
它分为通用的操控站和专业操控站两种，通用操控站为调度员提供的基于IE的操作、控制、浏览页面。

而专业操控站就是子系统的主机。

2．2．3、硬件平台的特点
采用国际标准，具有最广泛的厂商支持，良好的开放性；工业以太网技术是当前
及未来最有前途的网络技术，具有良好的先进性；具有很低的接入门槛，可使众多厂商的产品方便接入，给予用户以最大的设备选择权，不必限定用户选择指定厂商、指定产品类型、及产品系列等，用户可以为不同应用对象选择不同的类型的控制系统或设备，以达到最佳的控制效果和投资效果。

采用了专用的网管软件HiVision，它支持OPC Server ，可以与工业监控组态软件实现数据通信，从而使网络管理集成到SCADA系统中进行统一管理。

2.3、软件平台设计
综合自动化系统软件是基于网络平台运行，以网络操作系统Windows2003 Server 为运行环境，以关系数据库（如MS SQL_Server、DB2、Oracle等）为数据库支撑。

它是天地科技自主开发、具有完全知识产权并经过国家知识产权局评测登记的软件（登记号：2004SRBJ0935）。

其由综合自动化平台软件、实时WEB服务器软件、接入组件组成。

2．3．1 开发平台
系统的开发平台为微软公司Visual Studio .NET。

战略将互联网本身作为构建新一代操作系统的基础，并对互联网和操作系统的设计思想进行合理延伸，在不同的网站之间建立起协定，促使网站之间协同合作，实现信息的自动交换，使用户在任何时间，任何地点通过任何系统都可以获取想要的信息。

在其上开发出的应用程序功能强大，可移植性强，可以运行在各种平台之上，可以轻松实现互联网连接。

涉及到、、Activex以及XML等新技术。

2．3．2 软件接口
软件接口及标准的信息协议是软件整合能否实现的关键，对于各现场控制单元（子系统），接入组件支持业界普遍认同的一些标准接口接入。

2．3．2．1 OPC接口
OPC（OLE for Process Control）是被工控领域广泛遵循的一种标准，它规范了应用程序与现场设备或数据源之间数据存取的接口协议，它是基于微软的组件技术（COM/DCOM）设计，采用客户/服务器体系结构。

它既可存取本地OPC服务器数据，又可存取分布在网上其它节点的OPC服务器，并且具有高效、安全的特点。

它是目前存取现场数据最理想的方法。

2．3．2．2 DDE/NetDDE接口
NetDDE是基于网络的动态数据交换（DDE）技术，DDE由微软早期发布，解决应用程序之间数据的动态交换。

也采用客户/服务器体系结构。

它既可存取本地DDE服务器数据，又可存取分布在网上其它节点的DDE服务器，它比OPC在速度和安全性方面要逊色。

但对一些动态刷新系统它仍不失为一种简单有效的方法。

2．3．2．3 ODBC接口
现场控制单元（子系统）可将一些对实时性要求不高（如统计等）信息周期性地。