贵州xx煤矿辅助系统智能化升级改造项目设计方案

贵州xx煤矿
辅助系统智能化升级改造项目
设
计
方
案
2018年3月
目录
第一章项目背景 (6)
1.1项目说明 (6)
1.2项目建设背景 (6)
1.3项目建设的必要性 (7)
1.4项目效益分析 (8)
第二章项目设计概述 (9)
2.1矿井基本情况 (9)
2.2设计依据 (9)
2.3设计思路 (9)
第三章项目总体设计 (10)
3.1总体设计目标 (10)
3.2总体设计原则 (10)
3.3总体设计架构 (13)
3.3.1物理架构 (13)
3.3.2逻辑架构 (14)
第四章总体设计方案（一张网络二个中心二个平台多个子系统） (15)
4.1工业传输网络 (15)
4.1.1工业传输网络设计原则 (15)
4.1.2工业传输网络概述及特点 (16)
4.1.3 工业传输网络建设要求 (17)
4.1.4工业以太网安全 (18)
4.1.5工业以太网拓扑结构设计 (20)
4.1.6网络管理系统设计 (21)
4.1.7网络交换设备选型 (21)
4.2数据中心 (27)
4.2.1设计概述 (27)
4.2.2设计内容 (27)
4.2.3机房系统设计 (28)
4.2.4数据中心主要设备选型 (32)
4.3调度监控中心 (36)
4.4煤矿监控及自动化平台 (36)
4.4.1概述 (36)
4.4.2建设目标 (37)
4.4.3建设原则 (37)
4.4.4信息化标准体系建设 (39)
4.5.3硬件设计 (61)
4.5.4系统设计 (62)
4.5.5功能设计 (63)
4.5.6安全设计 (67)
4.6子系统融合接入 (70)
4.6.1融合接入的子系统 (70)
4.6.2子系统融合接入要求 (70)
4.6.3子系统硬件接入 (70)
4.6.4子系统软件接入 (71)
第五章详细设计方案 (72)
5.1通风子系统 (72)
5.1.1系统目前现状 (72)
5.1.2系统升级改造目标与要求 (72)
5.1.3系统升级改造方案 (73)
5.1.4系统改造实现功能 (75)
5.1.5系统拓扑结构设计 (76)
5.1.6系统升级改造设备选型 (76)
5.2瓦斯抽采子系统 (81)
5.2.1系统目前现状 (81)
5.2.2系统升级改造目标与要求 (81)
5.2.3系统升级改造方案 (82)
5.2.4系统改造实现功能 (83)
5.2.5系统拓扑结构设计 (84)
5.2.6系统升级改造设备选型 (84)
5.3压风子系统 (89)
5.3.1系统目前现状 (89)
5.3.2系统升级改造目标与要求 (89)
5.3.3系统升级改造方案 (90)
5.3.4系统改造实现功能 (90)
5.3.5系统拓扑结构设计 (94)
5.3.6系统升级改造设备选型 (94)
5.4井下排水子系统 (95)
5.4.1系统目前现状 (95)
5.4.2系统升级改造目标与要求 (96)
5.4.3系统升级改造方案 (96)
5.4.4系统改造实现功能 (97)
5.4.5系统拓扑结构设计 (99)
5.4.6系统升级改造设备选型 (99)
5.5.6系统升级改造设备选型 (113)
5.6供配电子系统 (117)
5.6.1系统目前现状 (117)
5.6.2系统升级改造目标与要求 (118)
5.6.3系统升级改造方案 (120)
5.6.4系统改造实现功能 (121)
5.6.5系统拓扑结构设计 (128)
5.6.6系统升级改造设备选型 (128)
5.7煤矿安全监控子系统 (133)
5.7.1系统目前现状 (133)
5.7.2系统升级改造目标与要求 (133)
5.7.3系统升级改造方案 (133)
5.8井下作业人员管理子系统 (133)
5.8.1系统目前现状 (133)
5.8.2系统升级改造目标与要求 (133)
5.8.3系统升级改造方案 (134)
5.9工业视频监控子系统 (134)
5.9.1系统目前现状 (134)
5.9.2系统升级改造目标与要求 (134)
5.9.3系统升级改造方案 (135)
5.9.4系统改造实现功能 (135)
5.9.5系统拓扑结构设计 (138)
5.9.6系统升级改造设备选型 (139)
5.10信息导引及发布子系统 (144)
5.10.1系统目前现状 (144)
5.10.2系统升级改造目标与要求 (144)
5.10.3系统升级改造方案 (144)
5.10.4系统改造实现功能 (145)
5.10.5系统拓扑结构设计 (145)
5.10.6系统升级改造设备选型 (145)
5.11光纤测温子系统 (147)
5.11.1系统目前现状 (147)
5.11.2系统改造目标与要求 (148)
5.11.3系统升级改造方案 (148)
5.11.4系统拓扑结构设计 (152)
5.11.5系统改造功能实现 (152)
5.11.6系统设备选型 (154)
5.12局扇风机控制子系统 (156)
第六章系统安全与可靠性设计 (159)
6.1系统可靠性设计 (159)
6.1.1设备可靠性设计 (159)
6.1.2链路可靠性设计 (160)
6.1.3供电可靠性设计 (160)
6.1.4数据存储可靠性设计 (160)
6.2系统安全性设计 (161)
6.2.1子系统接入安全设计 (161)
6.2.2网间隔离安全设计 (161)
6.2.2信息网络安全设计 (164)
第七章质保、技术服务及培训 (165)
第八章项目实施方案规划及售后 (166)
第九章项目业绩 (167)
第十章系统设备配置清单 (171)
第一章项目背景
1.1项目说明
根据贵州省能源局文件黔能源科技〔2017〕158 号与黔能源科技〔2017〕159 号相关内容与规定：
智能化升级定义是指以安全、高效、环保、健康为目标，运用先进的测控、信息和通信技术，建设包括煤矿监控及自动化平台、煤矿信息管理平台在内的煤矿综合信息化管控平台，对煤矿安全生产和经营管理信息进行采集、分析和处理，实现智能感知、信息融合、数据挖掘和决策支持，全面提升管理水平，改善工人劳动环境，实现减员增效。

依据煤矿生产及相关配套设施的需求，将煤矿划分为工作面系统和辅助系统。

工作面系统包括采煤工作面子系统、掘进工作面子系统，辅助系统指除工作面以外的其余子系统。

含以下内容：
1．工作面系统智能化升级：掘进工作面子系统智能化，采煤工作面子系统智能化等。

其中，采煤工作面支架配备电液控制系统，实现支架成组自动控制功能，完成采面支护智能化升级。

2．辅助系统智能化升级：综合信息化管控平台建设，通风子系统智能化，瓦斯抽采子系统智能化，压风子系统智能化，井下排水系统智能化，运输子系统智能化，供配电子系统智能化，工业视频监控子系统智能化，信息导引及发布子系统智能化等。

1.2项目建设背景
煤炭被人们誉为黑色的金子，工业的食粮，它是十八世纪以来人类世界使用的主要能源之一。

煤炭由于储量巨大，加之科学技术的飞速发展，煤炭汽化等新技术日趋成熟并得到广泛应用，煤炭必将成为人类生产生活中的无法替代的能源之一。

由于大部分矿层均远离地表，需采用地下开采的方式，而煤矿就是人类在开掘富含有煤炭的地质层时所挖掘的合理空间。

为认真贯彻落实国家能源战略和煤炭产业政策，深化煤炭供给侧结构性改革，坚定不移淘汰落后产能，加快培育释放先进产能，实现安全高效智能机械化开采，全力推进贵州省
展。

辅助系统智能化升级改造通过计算机技术、网络技术、测控技术、自动技术、信息技术等先进技术实现煤矿相关系统的网络化、自动化、信息化，达到煤矿安全生产管控一体化、智能化，全面提高安全生产管理水平，改善工人劳动环境，减员增效具有重要作用。

1.3项目建设的必要性
煤矿实现智能化的必要性：
1、煤矿生产是一个复杂的大系统
➢工作面、运输提升、供电、供水、排水、通风、供压等
➢矿山压力，瓦斯、一氧化碳、煤尘等
➢洗煤、泵房、地面供电、生产调度、营销等
➢煤矿生产战线长，范围广，各生产与保障环节之间既相互独立，又紧密联系。

➢煤矿生产环境比较恶劣，存在冒顶、瓦斯和煤尘爆炸、腐蚀性气体、水患等灾害的可能，而且灾害发生的随机性强，对安全生产威胁很大。

煤矿生产中各
种大小事故随时可能发生，有些是局部的，有些则会影响全局。

2、生产自动化系统的现状
➢目前生产自动化监测监控系统处于相互独立的状态，各系统自成体系，信息不能互通，形成“信息孤岛”现象。

➢通讯线路重复投资建设，费用过高，不仅系统维护量大，且整体可靠性差，维修、维护困难。

➢各个自动化系统都用自已的组态软件，互不相通，重复投资。

➢目前各生产自动化子系统无法实现网络共享，无法统一监测，无法统一调度，严重影响了生产力水平的提高。

➢由于各自动化子系统采集信息不能综合利用，所以很难从系统工程的角
3、智能信息化是保证复杂大系统正常高效运行的保障
➢对煤矿生产中的各个生产与保障环节的主要参数进行各种各样的监测与控制是煤矿正常、安全生产的重要保障。

只有实现全矿井乃至全矿区的信息化，才能确保煤矿安全、高效地生产。

4、智能化是煤矿必然发展趋势
➢煤矿从人工现场检测发展到煤矿瓦斯安全监控系统的普遍应用以及六大避险系统的推广应用，随着技术的发展及煤矿对安全、生产以及效益的需求日渐提高，智能化系统建设的迫切需求变得越来越强烈。

1.4项目效益分析
1、投资效益
➢节省传输通道（光纤、通讯设备等）的重复投资费用和维护费用；
➢节省数据库、组态软件、软件开发等重复投资费用；
➢搭建传输平台、数据平台和监控平台，一次投资，长期受益；
2、安全效益
➢在地面集中监测监控，井下减员，减少井下人员伤亡的可能性；
➢改善工作环境，提高安全系数，保障职工人身安全；
➢数据共享，报警联动，减少由于矿井灾难所造成的损失；
3、人员效益
➢实现无人值守和定期巡检，有效降低人员成本；
➢实现设备自动控制，减少工人劳动强度；
➢减少岗位用工，提高全员效率；
4、生产效益
➢减少人工操作失误，延长设备使用寿命；
➢提高对设备的故障分析和判断能力，减少停机事故；
➢实现煤矿管控一体化，提高煤矿的安全生产管理调度水平。

第二章项目设计概述
2.1矿井基本情况
2.2设计依据
➢贵州省能源局文件黔能源科技〔2017〕158 号《贵州省煤矿智能机械化建设与验收暂行办法》
➢《煤矿安全规程》
➢相关系统标准规范
➢煤矿提供的相关资料与图纸
2.3设计思路
根据贵州省煤矿辅助系统智能化升级改造的建议与相关要求，本方案设计按“一张网络+二个平台+二个中心+多个子系统”的设计思路进行方案设计。

➢一张网络：是指一张工业以太环网，包括地面以太环网与井下以太环网。

网络是实现智能化系统的基础设施。

另外煤矿办公信息网络不在本方案设计范围内。

➢二个平台：指煤矿监控及自动化平台与煤矿信息管理平台二个平台，二个平台也统称为煤矿综合信息化管控平台。

➢多个子系统：子系统建设升级与改造包括通风子系统、瓦斯抽采子系统、压风子系统、井下排水子系统、运输子系统、供配电子系统、工业视频监控子系统、信息引导及发布子系统、安全监控子系统、井下作业人员管理子系统等。

第三章项目总体设计
3.1总体设计目标
此次煤矿辅助系统智能化升级改造主要是建设统一的网络传输平台，将矿井的各个监测控制系统及各工业现场的视频监控汇聚到煤矿综合信息化管控平台，充分考虑子系统的接入与整合，节省投资、资源共享，提高系统功能，并可与矿办公信息管理网实现无缝联接，从而为信息化矿井建设奠定坚实的技术基础。

系统建成后，使各自动化子系统数据在异构条件下可进行有效集成和有机整合，实现相关联业务数据的综合分析，管控中心人员或相关专业部门人员通过相应的权限对安全和生产的主要环节设备实时监测和进行必要的控制，实现全矿井的数据采集、生产调度、决策指挥的信息化，为矿井预防和处理各类突发事故和自然灾害提供有效手段。

➢建立工业以太环网，统一为透明的光纤传输方式，整合传输通道，并无缝整合各控制子系统，实现音频、视频、数据三网合一的传输模式。

➢实现对全矿安全、生产的远程集中监测与控制；实现真正做到井下无人值守。

➢通过高速多媒体宽带自动控制及综合信息平台建立数字化煤矿，构建全数字化智能化管理矿山的样板。

总之：煤矿辅助系统智能化升级改造项目建成后，设备稳定，传输可靠，系统安全，实现三网合一，达到监、管、控一体化及减员增效的目的，建成矿井综合信息网络化、生产过程自动化、安全监控数字化、生产管理信息化的总体目标。

高性能价格比为目标，并坚持技术可行、安全可靠、经济合理、有序推进、因地制宜、实事求是、积极稳妥的原则，依据煤矿辅助系统智能化升级改造项目建设的实际应用要求和发展趋势进行设计，保护用户投资。

总体方案设计遵循以下设计原则：
◆统一规划、分步实施
智能化系统升级改造项目涉及多个子系统的接入，并要求今后能平稳升级、易于扩展及新系统的加入，整个项目方案应按总体规划、分步实施原则来设计。

◆可靠性、可控性
可靠性是煤矿智能化系统具有实用性前提。

针对煤炭安全生产的特殊要求，设计高可靠性系统。

对于系统中涉及到的硬件设备必须能适应井下特殊的工作环境并具备防爆标准；同时系统必须制定数据保护安全策略。

以确保系统稳定。

可控性是煤矿智能化系统提高实用性的前提。

针对煤炭生产过程中各监测监控子系统，为了降低井下安全事故、提高生产效率，可远程控制子系统必须依据严格的操作权限进行控制。

◆实用、准确性
煤矿智能化系统的实用性体现为功能实用、数据实用、业务实用、操作实用。

准确性体现为实时数据采集准确、管理数据有理可依。

◆先进性
先进性是指选用的软、硬设备是经过实践检验的成熟产品及先进技术。

选用先进、可靠的软件和硬件，以提升系统的技术性能，延长使用寿命，提高系统的可扩展性，目标在未来的相当一段时间内不会被淘汰；
◆安全性
煤矿智能化系统的安全性即指煤矿设备安全、网络安全、及权限安全等。

设备安全指井下用设备必须要符合煤矿安全标准；网络安全必须配备完善的安全保密措施（如防火墙、防病毒等），以保证系统安全稳定地运行；权限安全必须制定统一的身份认证体系，以保证越
矿智能化系统在总体结构、系统容量、数据传输、业务扩展、接口设计等方面提供良好的可扩展性和灵活性。

平台数据存储结构的设计在充分考虑其合理、规范性要求的同时，考虑其可维护性和可扩展性，对数据库的修改维护可以很方便地在短时间内完成。

系统设计中采用各业务系统功能划分，各业务系统流程化业务统一调用工作流引擎机制，在各业系统设计中采用功能模块划分的方式，实现各业务系统可维护性和可移植性，即可以根据需要修改某个模块、增加新的功能以及重组系统的结构以达到程序可以重新使用的目的。

◆易操作性
针对煤矿工作人员的技术特点，提供先进且易于维护的人机界面功能，提供信息共享与交流、信息资源查询与检索等快速工具。

◆面向应用的原则
系统体制必须反映业务对计算机的需要。

单一功能的系统难以满足需求．需要全面考虑这种需求，使它具有生命力、真正成为规划系统、设计与建立系统的基础，而不是一些毫无用处的概念或数据的堆砌。

◆人机协同工作的原则
要利用技术进步和信息处理的方式方法来建设本项目，系统全部能自动完成数据采集、报警等功能，网络故障时要求在管控中心能实现声光报警、短信提醒等功能。

◆信息资源综合管理的原则
系统的体系结构要从整个组织的信息资源综合管理着眼，对于共用的信息不能各部门各自为政，互不沟通，互不衔接。

要做到信息既丰富、全面、又不至于产生冗余和无用的信息。

既要使组织内部人员很容易得到他所需的信息，又要做到安全保密，这都是在系统体系结构中要考虑的。

◆广义信息网络的原则
利用计算机网络技术的发展，使煤矿智能化系统不是建在一个单一的计算机上，而是建在网络上。

◆兼容并蓄原则
量做到规划充分，力求在系统的生命周期内稳定使用，不要频繁变动。

3.3总体设计架构
总体架构的规划设计是否合理对于煤矿智能化系统的建设至关重要，所以在设计时，我们必须要理清思路，从全局考虑，结合建设的实际需求整体规划好总体架构，包括物理和逻辑架构。

3.3.1物理架构
3.3.1物理架构
3.3.2逻辑架构
第四章总体设计方案（一张网络二个中心二个平台多个子系统）
4.1工业传输网络
实现煤矿辅助系统智能化首先必须实现煤矿管理的信息化和生产过程的自动化，煤矿管
理信息化和生产过程的自动化建设是煤矿辅助系统智能化建设的重要组成部分，且生产过程
的自动化涉及到多个子系统的有机融合，要想将多个子系统融合成一个有机整体，实现统一
的管控及数据交换共享与数据分析处理，达到煤矿管理的信息化，必须建设一张可靠及统一
管理的网络，概括来说，智能化必须先搞信息化，信息化先搞自动化，自动化必须先搞网络化。

4.1.1工业传输网络设计原则
考虑到煤矿智能化系统工程的实际需要和将来的发展趋势，各系统的实际需求及具体的
使用特性，同时兼顾技术新旧更替不断加快的特点，为了使所设计的方案尽可能满足矿方实
际的需求，使系统正常、高效地运转，工业网络整体方案设计遵循以下设计原则：
可靠性
高效稳定的系统，能提供全年365 天，一天24 小时的不停顿运作。

对于安装
的服务器、终端设备、网络设备、控制设备与布线系统，必须能适应严格的工作环境，特别
考虑要适应煤矿井下高温、高湿、高瓦斯的客观环境，以确保系统稳定。

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+网闸技术保证系统的
安全。

安全性
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
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的处理能力和带宽。

实时性
设备和终端必须反应快速，充分配合实时性的需求。

完整性
提供与各种外界系统的通信功能，确保信息的完整性并充分利用在整体系统的运作上互联性和可扩展性
把各子系统有机结合起来，满足信息层结构中各层之间信息沟通，增加各子系统之间的互联性和可扩展性。

充分考虑将来需求的成长空间，所提供的系统平台与技术将充分配合未来功能及扩充项目的需求，以避免将来重复的投资。

标准化、结构化、模块化的设计思想贯彻始终，奠定了系统开放性、可扩展性、可维护性、可靠性和经济性的基础。

经济性
在一定的资金资源下，尽量有效地利用，以适当的投入，建立一个尽可能高水平的、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。

4.1.2工业传输网络概述及特点
工业以太网是应用于工业控制领域的以太网技术，在技术上与商用以太网（即IEEE 802.3标准）兼容，但是实际产品和应用却又完全不同。

这主要表现普通商用以太网的产品设计时，在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性、本质安全性等方面不能满足工业现场的需要，故在工业现场控制应用的是与商用以太网不同的工业以太网。

随着网络技术的发展,以太网进入了控制领域，形成了新型的以太网控制网络技术。

这主要是由于工业自动化系统向分布化、智能化控制方面发展，开放的、透明的通讯协议是必然的要求。

以太网技术引入工业控制领域，其技术优势非常明显，工业以太网有其独特的优势和特点：
➢以太网是应用最广泛的计算机网络技术，几乎所有的编程语言如Visual C++、Java、VisualBasic等都支持以太网的应用开发。

➢以太网是全开放、全数字化的网络，遵照网络协议不同厂商的设备可以很容易实现互联。

➢以太网能实现工业控制网络与企业信息网络的无缝连接，形成企业级管控一体化的全开放网络。

➢以太网的速率要比传统现场总线要快的多，特别对于需要语音、视频、数据传输的，完全可以满足工业控制网络不断增长的带宽要求。

➢随着Internet/ Intranet的发展，以太网已渗透到各个角落，网络上的用户已解除了资源地理位置上的束缚，在联入互联网的任何一台计算机上就能浏览工业控制现场的数据，实现“控管一体化”，这是其他任何一种现场总线都无法比拟的。

➢以太网的引入将为控制系统的后续发展提供可能性，用户在技术升级方面无需独自的研究投入，对于这一点，任何现有的现场总线技术都是无法比拟的。

同时，机器人技术、智能技术的发展都要求通信网络具有更高的带宽和性能，通信协议有更高的灵活性，这些要求以太网都能很好地满足。

➢工业以太网是开放的传输接入平台，系统集成能力高，今后矿井各种自动化监测监控系统均可方便就近接入，易于扩展，无须重复布线，节约投资。

4.1.3 工业传输网络建设要求
煤矿监控及自动化网络、煤矿信息管理网络按一体化原则进行统筹建设。

工业以太网应用于煤矿监控及自动化网络，主要设计要求如下：
➢煤矿监控及自动化网络主干网络采用工业以太网或兼容以太网协议的有线网络，并采用工业级设备，支持多种网络拓扑结构和冗余方式，网络故障重构时间不大于50ms，主干传输网络传输速率不应低于1000Mbps。

➢主干传输网络中接入煤矿安全监控系统的，严禁安全监控系统与图像监视系统公用同一芯光纤。

➢主干传输网络中各独立子系统应单独划分 VLAN 进行通信；支线网络可
接口；设备应支持 EtherNet/IP 或Profinet 或ModbusTCP 等协议；支持
VLAN，支持 SNMP 网络管理协议，支持远程维护与管理。

➢整个工业网络采用工业级的设备，实现井下高温、高湿等恶劣环境的稳定运行。

➢井下交换机经过防爆认证，具有MA，同时增加UPS电源保护，在市电停电后，可运行四个小时以上。

➢整个网管系统可对所有的综合自动化网的网络设备进行实时监控，出现故障实时报警。

➢网络管理软件要求能统一配置、管理、监视所有交换机，可监视所有具有SNMP(简单网络管理协议)功能的设备；支持通讯故障自诊断、定位、报警；在
更改设备配置时只要在网管工作站对相关设备进行合适配置，通过网管工作站对网络设备进行日常管理、流量统计、故障分析等。

➢交换机支持流量控制功能，防止广播风暴；支持端口的优先级划分和VLAN划分；支持端口和MAC地址的绑定，提高系统安全性。

煤矿信息管理网络本方案不做具体设计，其主要要求如下：
➢煤矿信息管理网络宜采用以太网技术的网络，煤矿信息管理网主干网络传输速率不应低于1000Mbps，出口带宽不宜低于 100Mbps。

➢煤矿信息管理网络传输核心层设备宜采用具有扩展能力的三层以太网交换机或光线路终端设备，数量不少于 2 台，应进行双机热备或负载均衡等配置；
接入层设备应采用 10/100/1000Mbps 自适应的以太网交换机或光网络单元；支持VLAN，支持 SNMP 网络管理协议，支持远程维护与管理。

设备之间接口应采用基于标准 TCP/IP 协议的以太网接口联网；交换机、服务器和存储设备之间接口宜采用 1000Mbps 及以上接口互联；煤矿信息管理平台核心交换机与路由设备之间接口宜根据接入外部网络情况选择接口；
4.1.4工业以太网安全
工业以太网是以太网技术为基础，脱胎于Intranet、Internet等类型的信息网络，但是工业以太网是面向生产过程，对实时性、可靠性、安全性和数据完整性有很高的要。