摘 要：工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)技術(shù)和先進(jìn)的控制技術(shù)應(yīng)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(shè)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(yù)警功能。 關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集；工業(yè)以太網(wǎng)；遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸；環(huán)網(wǎng) 1 引言 　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，煤礦生產(chǎn)規(guī)模不斷的擴(kuò)大，電氣設(shè)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(jī)實現(xiàn)遠(yuǎn)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(dá)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(luò)交換機(jī)、智能I/O模塊，工業(yè)控制器和各類煤安傳感器構(gòu)成遠(yuǎn)程煤礦監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)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(yù)測。 2 煤礦大型設(shè)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(kuò)展開放式的監(jiān)控系統(tǒng)，是目前世界上先進(jìn)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(kuò)展開放式的監(jiān)控系統(tǒng)）。網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方案中由監(jiān)控總站的管理計算機(jī)、數(shù)字服務(wù)器、視頻服務(wù)器、環(huán)網(wǎng)交換機(jī)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(shù)，用以保證各監(jiān)測，監(jiān)控信息進(jìn)行高速傳輸和交換，保證系統(tǒng)的實時性。主干網(wǎng)在設(shè)計時具有冗余性，設(shè)備具有糾錯能力，具有靈活性和可擴(kuò)展性，保證了高可靠性，同時還能支持多種網(wǎng)絡(luò)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(luò)的拓?fù)浣Y(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(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控總站、機(jī)運區(qū)分站、副立井分站、副斜井分站、空壓機(jī)分站、多個風(fēng)機(jī)分站、中央泵房分站、主斜井皮帶機(jī)分站、運輸大巷皮帶機(jī)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(guān)量209個，脈沖量4個，其中具有R485通訊口的后備保護(hù)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(jī)也是上位機(jī)，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(yuǎn)程環(huán)形網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[/align] 　　2.2 子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)： 　　由于各子系統(tǒng)大型設(shè)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(jī)接入主干網(wǎng)，現(xiàn)場設(shè)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(guān)量輸入模塊，電源模塊，監(jiān)控計算機(jī)。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(jī)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(jī)的聯(lián)網(wǎng)，監(jiān)控室可通過網(wǎng)絡(luò)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(shè)備的運行狀態(tài)以及后備保護(hù)、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(shè)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(luò)、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(wù)器，組態(tài)監(jiān)控軟件，歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器，以太網(wǎng)交換機(jī)，工程師操作站，操作員工作站及其相應(yīng)的防火墻，路由器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(jī)，集線器，智能I/O模塊，各種傳感器以及PC機(jī)等組成，完成當(dāng)?shù)氐臄?shù)據(jù)采集和智能控制，通過PC機(jī)直接顯示各設(shè)備運行狀態(tài)。同時數(shù)據(jù)可以直接傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中在大屏上顯示，同時數(shù)據(jù)存儲在數(shù)字服務(wù)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(kuò)展的空間，隨時添加I/O模塊，同時各模塊上在設(shè)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(rèn)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(jī)，目前來說是以太網(wǎng)技術(shù)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(luò)，同時方便實用，用戶可以像維護(hù)車間的儀表設(shè)備一樣維護(hù)實時環(huán)網(wǎng)以太網(wǎng)交換機(jī)。 　　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(yuǎn)程通訊。 　　系統(tǒng)采用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、光纖通信等先進(jìn)技術(shù)，在環(huán)境惡劣、人員設(shè)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(luò)系統(tǒng)，傳輸設(shè)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(luò)中，大量的使用了溫度傳感器，壓力傳感器，風(fēng)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(jī)，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(shè)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(luò)圖像處理器、VGA矩陣切換器和各種防暴攝像機(jī)，使用成熟的視頻監(jiān)控技術(shù)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(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)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(shù)，用以保證各監(jiān)測數(shù)據(jù)、視頻圖像和語音信息進(jìn)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(yù)警信息、語音信息和視頻圖像等進(jìn)行顯示，實現(xiàn)對全礦固定設(shè)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(yù)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(wù)器、視頻服務(wù)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(shè)計 　　在部分地區(qū)的下位機(jī)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(jī)和其他具有訪問權(quán)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(lǐng)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(luò)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(yán)厲的相關(guān)制度和加強人員培訓(xùn)。 　　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(jī)，主排水泵、主井皮帶機(jī)、副立井、斜井絞車，大巷和運銷站皮帶機(jī)的運行參數(shù)、電量參數(shù)、工作狀態(tài)、保護(hù)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(jìn)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(dāng)采集的數(shù)據(jù)超出設(shè)置的各段數(shù)值時，給出報警，操作員或決策者就應(yīng)該注意采取措施，同時給與權(quán)限的工作人員能在線直接修改參數(shù)。 　　（3）遠(yuǎn)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(jī)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(jī)啟?？刂?，當(dāng)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。 　?。?）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(jī)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(jìn)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(quán)限的工作人員或者總工能對其操作，這樣能進(jìn)一步的保障系統(tǒng)的安全，穩(wěn)定運行。 　　（6）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(shè)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(dāng)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(fù)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。 　　（8）方便迅捷的設(shè)備管理功能：在中央控制室能完全觀察到各設(shè)備的運行狀態(tài)，包括個設(shè)備的詳細(xì)信息，方便對設(shè)備進(jìn)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(shè)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(shè)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(rèn)可。文中提出的新一代的SCADA系統(tǒng)，也是該煤礦預(yù)警系統(tǒng)，進(jìn)一步的保障了煤礦人員的生命安全和設(shè)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(jì)損失。 參考文獻(xiàn)： 　　[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(luò).清華大學(xué)出版社.2003年1月1日 　　[3] 劉鵬.薛培鼎.城市燃?xì)夤芫W(wǎng)SCADA系統(tǒng)設(shè)計.微計算機(jī)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(xué).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(shè)計.微機(jī)算機(jī)信息.2005年第21卷11-2期p58-60 　　基于工業(yè)以太網(wǎng)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計