基于OPC技术的煤矿综合自动化系统研究与设计

1、基于opc技术的煤矿综合自动化系统研究与设计 密 级:公珏分类号:立鱼单位代码: 鱼:?工学硕士学位论文基于技术的煤矿综合自动化系统的研究与设计姓 名:郭龙作 者教 师:黄伟力教授指 导申请学位级别:工学硕士专 业:计算机应用技术学 科单 位:信息与电气工程学院所 在授予学位单位:河北工程大学一一:.: /:一一,一独创性声明本人郑重声明: 所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得河北工程大堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集

2、体,均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名:签字日期:/年月日蓦云.学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解塑兰垦王堡盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权塑皇垦墨猩盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档。保密的学位论文在解密后适用本授权说明学位论文作者签名:签字日期:为年参月如日番基导师签名:考怠久 签字日期:年厂月岁、日摘要摘要随着工业生产与自动化技术的发展,功能各异的煤矿自动化子系统相继得到应

3、用,在提高煤矿生产效率和管理水平的同时,也产生了新的问题,功能各异的自动化子系统之间相互独立运行、自成体系,存在着“信息孤岛”现象,无法实现信息集成共享与相互操作,难以满足煤矿信息化发展的需求,阻碍了煤矿企业的发展。因此,研究设计煤矿综合自动化系统整合现有数据异构的子系统,具有重要的理论意义和实际应用价值。煤矿综合自动化系统的集成是将煤炭企业中的分散的子系统,孤立的功能模块和信息模块通过现代的计算机、数据库、工控技术等集成到一个统一协调管理的大系统中,实现信息、资源、任务的整体共享功能。主要工作如下:、结合煤矿综合自动化系统的特点,对煤矿综合自动化系统进行需求分析,确定系统架构与总体设计方案。

4、、研究分析子系统的运行方式,设计子系统对平台的硬件接入方式与软件接入方式,按技术的合理性和性价比确定具体接入方式。、深入研究数据存取规范,分析数据存取的技术特点以及对程序的应用要求,采用技术在底层控制设备与煤矿综合自动化系统之间建立统一的数据存取规范,并以该接口规范支持煤矿综合自动化系统与各自动化控制子系统之间的通讯。、研究工业以太网技术的特点和组网架构,并将工业以太网技术应用到煤矿综合自动化系统集成之中。、以煤矿井下通风监控系统为例,在力控组态软件的平台上对基于技术的通风监控系统软件进行了设计开发,实现了对煤矿井下通风系统的实时远程监控与管理功能。关键词:煤矿综合自动化系统;数据异构;数据存

5、取规范 ,” ”, ,.,.,.,:. ,. , ,. .,. , ., ., .;: ;目 录目 录摘要?。.。?.?.第章绪论?.课题研究的背景及意义?.国内外研究现状?.技术的国内外研究现状?.煤矿综合自动化系统的国内外研究现状.煤矿综合自动化系统的发展趋势.本文研究的主要内容.论文的整体结构安排?.第章煤矿综合自动化系统的总体设计?.煤矿综合自动化系统建设的目标?.煤矿综合自动化系统设计与选型原则.煤矿综合自动化系统架构.煤矿综合自动化系统技术方案.煤矿综合自动化系统网络传输平台的特点与要求.网络传输平台架设使用的主要设备.子系统接入平台.子系统接入要求?.子系统接入方式?.煤矿综合自

6、动化系统集成平台.煤矿综合自动化系统的构成.软件部署?.数据流程?.系统平台开发流程?.本章小结第章工业以太网在异构系统集成中的应用研究.工业以太网?.工业以太网协议?.工业以太网数据通信目 录.工业以太网现场总线技术?一.简介?一.的通信?.用于的基于以太网的协议.基于技术的应用实例.本章小结第章技术在系统集成中的应用研究?一.定义?.数据存取规范?.接口规范.数据存取接口的实现?.服务器的实现?.客户端的实现?.技术的应用范围.本章小结第章技术在煤矿井下通风监控系统中的应用?.煤矿井下通风监控系统概述.煤矿井下通风系统的结构?.监控系统的功能分析与构成.基于技术的监控软件设计?. .服务器

7、端组态设计?.客户端组态设计?.组态图形界面?:?.本章小结结 论?. ?.致谢.参考文献.?.作者简介.攻读硕士学位期间发表的论文和参加科研情况第章绪论第章绪论.课题研究的背景及意义目前,在我国的能源组成结构中,相比于其他的一次性能源,煤炭所占比例比高达%以上,一直被作为主要能源广泛使用。在经济社会的进步发展的同时,我国发展对煤炭资源的消耗量也越来越大,需求量逐日攀升,一方面煤炭企业发展形势大好,另一方面煤炭市场供给持续紧俏。为了提高扩大煤矿企业的产能,解决供需矛盾,煤矿自动化的建设受到越来越多的重视,与之矛盾的是煤矿自动化建设起步较晚,程度低、规模有限,难以满足需求的现状。随着科学技术的发

8、展进步,我国煤矿自动化建设发展已取得了长足的进步,自动化厂商先后研发了种类繁多的应用于煤矿自动化控制的硬件与软件系统,例如:矿用无线通讯系统、型煤矿综合监测监控系统、煤矿井下人员定位管理系统等,这些来自不同厂商的系统对于煤矿生产、管理水平的提高发挥了积极的作用,但由于各自遵循的规范标准不同,便产生了系统间的数据异构问题。数据异构问题使得系统问的数据通讯变得异常复杂,管理层难以及时、准确地完成对相关工艺数据的分析、处理等操作,未能实现煤矿全面综合的管控一体化功能。综合应用先进的网络、通信、软件、多媒体等技术,解决数据异构问题,建设信息资源高效统一整合的煤矿自动化系统,已逐渐成为煤矿企业生产发展的

9、必由之路比。通常在传统的自动化系统中,开发人员往往需要投入大量精力为各个系统开发专用驱动程序,才能实现各个系统硬件系统与软件系统之间的数据通讯。针对具体硬件系统的开发通常采用动态链接库形式,以动态数据交换作为通信的主要方式,动态数据交换通信方式并不支持数个应用程序同时访问同一硬件设备的功能,这就导致了专业的驱动程序存在着很大的局限性,不能适应由于硬件系统改变或者升级所带来的变化,往往造成原有驱动程序的使用故障,而需要修改甚至重新开发,传统的自动化系统结构如图.所示。如图.所示,假设四个型号分别不相同的现场控制站连同四个开发平台各不相同的上位机监控平台共同组成了一个网络化的自动化控制系统,如果想

10、要实现自动化控制系统内数据的无缝隙访问,那么研发人员就需要投入大量的资金与精力针对上位机系统进行驱动程序开发,按如图.所示系统规模进行计算,可知至少需要开发出套驱动程序才能实现数据无缝隙访问。这显示出传统的自动河北工程大学硕士学位论文图.传统自动化系统结构.? 化系统软件与硬件组成缺乏开放性,系统内部各部分之间联系过于复杂、紧密,降低了系统的可靠性和安全性,除此以外,上位机的系统软件存在独立重复开发的问题,软件资源仅实现了小部分源代码的重用功能,软件资源的重用率很低,不利于系统的维护与升级。伴随着研究解决传统自动化系统中存在问题的深入开展,技术应运而生聆。作为一项新兴的技术,但又不止是一种单纯

11、的技术,它同时又是一项国际规范标准。作为一项国际规范标准,旨在通过建立标准化的现场信息读取接口,实现多个不同系统之间的综合集成。技术以/机制作为应用程序的通信标准,采用/模式,其工作原理是:为各个支持接口规范的自动化子系统开发相对应的服务器,服务器对来自各个自动化子系统的数据信息进行处理、存储操作;支持接口规范应用软件作为客户端,针对不同厂商提供的硬件设备、软件与系统能够定义公共接口。客户端通过定义的公共接口访问服务器,通过与服务器的交互,便可实现不同系统、设备与软件系统之间的连接、通讯与互操作,基于技术的自动化系统结构如图.所示。图基于技术的自动化系统结构.如图.所示,同样假设四个型号分别不

12、相同的现场控制站连同四个开发平台各不相同的上位机监控平台共同组成了一个网络化的自动化控制系统,区别于传统的自动化系统,新的控制系统引入了技术,如果同样实现自动化控制系统内数据的无缝隙访问,那么研发人员就不再需要投入大量的资金与精力针对上位第章绪论机系统进行驱动程序开发,而只需开发套通信接口基于技术的客户端与服务器程序各套即可满足需求,与传统的自动化系统相比较可知,技术的引入大大地减少了研发人员的工作量,简化了系统的复杂程度,大幅提升了系统的集成度。基于技术的完整自动化系统的组成包括:客户端程序与服务器程序两部分,这样的组成结构能够做到用户与供应商研发自动化系统的职责分工。按照数据存取规范设计服

13、务器程序与硬件设备通讯方式,客户端程序的数据读取直接从服务器上读取即可,而不再需要直接面向硬件设备。基于技术的自动化控制系统存在以下几点优势:在基于技术的自动化控制系统中,通信协议解析程序与硬件设备的驱动程序被封装成留有服务器接口的整体,被封装的整体能够被用作独立的服务器应用软件系统运行,很大程度的减少上层应用软件的任务量。服务器应用软件工作于硬件系统与上层应用程序之间,使得硬件系统与上层应用程序之间不发生直接的联系,上层应用程序不会因为硬件系统的升级、扩展而受到影响,硬件系统的运行也不会因为上层应用程序的更新而受到影响,具有良好的独立性。通信协议解析程序与硬件设备的驱动程序脱离上层应用程序的

14、独立运行,解决了一个硬件设备数据同时间被多个驱动程序读取造成的冲突问题。硬件设备的驱动程序与通信协议解析程序被封装成独立运行的服务器,采用/模式的工作方式,大大的增加了用户从客户端应用程序获取软件内部结构与运行情况的难度,更有利于保护硬件设备供应商的知识产权。基于技术的煤矿综合自动化系统以对全矿井资源的高效统一整合为出发点,结合煤矿企业实际情况,坚持高安全性、高可靠性、高实用性、高效率性的建设原则,设计建立综合自动化系统瞄,最大程度地发挥煤矿综合自动化系统的综合效用,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,消除“信息孤岛”现象,实现“”的协同效应,作为建设高产、高效、本质安全

15、型现代化矿井的重要技术保障,对提升煤矿企业的生产与管理水平具有重要意义。如何实现管理网从现场快速、稳定的获得所需数据是煤矿综合自动化系统实施过程中的核心问题之。煤矿综合自动化系统通过将全矿井的各个环节统一在同一的网络平台上,形成统一、完整的有机网络结构,将控制层与管理层的数据做到无缝集成,具有信息传输率高、适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点,使煤矿在“采、掘、运、风、水、电、安全”等生产环节全面实现信息化睛,大幅提升煤矿自动化系统的稳定性和设备利用率,减少设备停机时间与管理维修费用,对煤矿的安全、稳产、高产具有重要意义。河北工程大学硕士学位论文煤矿综合自动化系统处于企业综合自

16、动化建设的基础地位。煤矿综合自动化系统的应用实现了对全矿井数据采集、生产调度、决策指挥的信息化,集控中心人员通过相应的权限,对安全和生产的主要环节设备进行实时监测和必要的控制,大幅减少管理过程中存在的环节,提升管理效率,为矿井应对各类突发事故提供有效的预防和处理手段。管理人员通过煤矿综合自动化系统,可实现对相关联业务数据的综合分析与生产状态的实时评估,能够充分发挥利用信息资源,为煤矿企业的科学管理与决策提供支持,实现煤矿企业管理的最优化。煤矿综合自动化系统的应用有利于煤矿企业转变传统“粗、重、笨”的发展方式,有利于同国际先进管理模式接轨,有利于提升煤矿企业的竞争力,具有巨大的经济效益与社会效益

17、。当前,我国煤矿综合自动化系统的发展水平建设情况存在着较大的差异,表现在国有大型煤矿对综合自动化系统建设足够重视,相继下大力气进行煤矿综合自动化系统的改造和建设,发展势头良好;地方性小煤矿的综合自动化系统普遍存在建设落后甚至没有建设的问题。整体而言,煤矿综合自动化系统具有良好的建设发展空间,对提升我国煤矿企业核心竞争力具有重要意义。.国内外研究现状.技术的国内外研究现状最早的标准于年由家公司组成的特别工作小组共同开发完成,基于对原始标准的改进,年月,数据访问标准版本.开始在全球范围普及【,同年月,管理标准的国际组织基金会在美国城市芝加哥正式宣布成立。基金会作为一所非营业性的机构,其创立宗旨是通

18、过建立一个支持即插即用功能的开放性标准,为用户系统集成提供更多的选择,最大程度地减少供应商的开发与维护成本。在美国推广国际标准的过程中,日本、欧洲相继成立各国的协会,中国促进会也于年月由国内基金会全球范围内正式注册会员己超过家公司联合发起正式成立。目前,家,其中包括了当前几乎所有自动化领域内的仪器仪表与自动化控制系统公司,其官方网址为:四.。作为一项统一的国际标准,以其卓越的性能被广泛的应用到工业生产过程领域之中。标准的制定过程是在广泛征求、参考二百多个合作伙伴需求意见的基础上,由行业内全球知名的数家大型公司发起,组织来自九十多家公司的专家负责定制标准的具体工作。标准因其具备的广泛代表性,受到

19、越来越多厂商的青睐与支持,全球知名的公司相继宣布支持标准,例如:瑞士第章绪论公司、美国霍尼韦尔公司、德国西门子公司、日本东芝公司等,应用已经成为控制领域发展的主流。虽然标准自问世以来便得到了良好的推广应用,发展势头良好,但是这种情况主要存在于国外市场。我国对于的研究依然相对落后,国内大部分的科研院所基本仍处于研究阶段,距离最终的成熟应用仍有一段路程。我国的产品市场发展刚刚起步,仍处于概念宣传阶段,产品的开发无论是数量还是种类都是非常有限的,目前依然是只有数量有限的自动化硬件与软件制造商拥有自己的产品,现有国外市场的服务器价格高昂,考虑到购买成本问题,目前国内购买使用产品的只是为数不多的大型自动

20、化工程,市场潜力很大。正是由于看到了国内市场潜力的巨大,越来越多的国内科研院所、高等院校与自动化厂商开始积极研究、探索技术的应用开发。年,浙大中控成为我国首批加入基金会的会员单位,经过多年努力研发,现已推出一系列符合标准的优秀产品,实际应用结果表明其具备良好的性能;年月,国际基金会正式任命北京华富惠通技术有限公司作为其中国分会常务理事,北京华富惠通技术有限公司由此获得在国际基金会的投票权;中国科学院沈阳分院对服务器开发的研究始终走在行列前端,率先推出了服务器快速开发工具. ,服务器开发部署完成之后,应用层软件便可访问过服务器获取现场的信息;国内知名的工控软件公司纷纷将技术应用到产品技术增强与功

21、能扩展方面,例如:组态王是北京亚控公司推出的一款优秀工控软件,该软件自.版本便开始支持技术。技术一经问世,国外的研究机构便投入了大量的人力、物力开展针对技术的研究与应用工作。基金会的正式成员数量逐年增长,迄今为止基金会正式成员数量已经超过家,相应地会员所能提供的产品数量也与日俱增,基金会发布的产品名录上收录了当前包含服务器与应用程序在内的多种产品。国外当前针对技术的应用主要包括:基于硬件,即硬件供应商提供配套软件包;基于应用,即客户通过硬件供应商提供的配套软件包开展自助开发;基于开发工具,即完全由软件包工具供应商来完成。.煤矿综合自动化系统的国内外研究现状在煤矿综合自动化发展建设的历程中,美国

22、与澳大利亚始终处于领先地位,起到了行业内综合自动化发展建设的榜样作用。伴随着计算机技术、工业自动化技术以及网络技术的高速发展,上世纪以来三十多年间,煤矿生产、安全、管理等相关信息实现了从采集到处理的数字化与网络化。传感器经历了从单一的信息采集功能到兼具信息处理与校正功能的智能河北工程大学硕士学位论文化发展过程,根据实际需要通过总线加挂不同数量与种类的传感器口,便可实现信息的准确采集与处理。传感器发展的智能化不仅使得信息传输更为便捷,更解决了信息远距离传输与环境干扰的问题。信息采集、处理、传输以及应用过程的数字化作为信息综合集成的前提睛,使得各类信息得以通过同一平台实现信息的汇总与交流,做到信息

23、的充分利用,实现信息价值的最大化。煤矿综合自动化的组织架构多采用分层结构,现场的设备层、控制层以及信息层有机连接在一起,组成整个综合自动化系统的系统架构瞪。信息源是由煤矿全矿井的各个监控环节采集处理得到的数据、图像、语音等信息,信息源的传输方式选用现场总线、网络等形式,最终实现综合自动化系统平台信息源的自动导入,综合自动化系统平台作为核心,处理加工分析得到的信息源,进而完成对煤矿全矿井的综合监控管理。建立面向全矿井的统一综合数据中心,统一整合、存放、处理来自煤矿全矿井的各个监控环节采集处理得到的信息源,不但满足不同子系统对相关生产管理数据的需求,而且能够向领导的决策管理提供数据支持,有助于建立

24、企业级的专家分析系统及决策支持系统。科技发展日新月异的信息化时代,计算机、网络、数据库、多媒体等技术得到广泛的发展和应用,各行业都出现了以信息化进程。信息化进程的出现也带动了煤矿综合自动化的进步、发展和应用。特别是已经非常成熟的工业控制网络,为煤矿综合自动化系统的建设提供了一个开放、稳定、统一的网络平台,通过工业控制网络平台,煤矿综合自动化系统能够将涉及全矿井生产、管理等环节的各类信息融合,实现三网合一。国外煤矿综合自动化发展具有起步早、更新快、普及率高和技术先进的特点,处于领先地位的国家有美、澳、德、英、加等国家。目前主要研究机构有:公司、罗克韦尔公司、西门子公司、矿通公司、北光技术公司等。

25、国外实现煤矿综合自动化的网络平台无一例外,全部采用工业以太网作为统一传输网络平台,形成了统一的行业标准引;在调度监控平台的设计开发方面,国外多采用技术成熟的组态软件如、来实现,在具体系统的实现及控制策略方面也是比较超前的,考虑内容也更加全面细致,真正实现了系统与数据的集成。国外煤矿综合自动化系统中较具有代表性的是美国广泛使用的监控系统,该系统采用三层结构,选用工业以太网作为网络通讯平台,组态化设计应用软件,目前已经开始应用于煤矿企业,属于新一代的开放式系统 。发达国家煤矿综合自动化系统的发展正向着“管。控一体化”与“产供销一条龙”方向迈进,并逐步实现信息化我国煤矿自动化建设具有起步较晚、程度低

26、、规模小、差距大的特点 。针第章绪论对煤矿生产、管理等需求而开发的自动化子系统,提高了生产效率和管理水平,保障了煤矿各子系统的高效稳定运行,但随着煤矿综合自动化系统的建设实施,分散运行的各子系统,已不能满足煤矿综合自动化系统的需求,就实际运行效果:来看,存在以下问题现有综合自动化系统只是简单地将各子系统的软件从应用层集合到同一界面中,信息资源未能完成整合,尚未做到对子系统的真正集成,难以发挥自动化系统的综合效益。针对具体用途而开发的各子系统,硬件与软件组成由于开发时间、标准、功能不同,未采用统一的数据格式和通讯接口,数据存储分散自成体系,存在着“信息孤岛现象口制,造成系统开放互联性差,难以相互

27、操作的问题。各子系统存在着整体可靠性差、系统维护难度大、升级困难的问题。各子系统独立运作,需要专门的工作站与工作人员,存在着重复投资、人力资源浪费的问题。在国内,煤矿综合自动化系统的主要研究机构有:北京长安测控公司、天地科技常州自动化股份有限公司、东华软件公司、中国矿业大学信息与电气工程学院等。通过对我国山西省境内多家煤矿的调查访问发现,越来越多的煤矿加入到煤矿自动化系统建设的行列之中,煤矿自动化的建设成果比较突出 。但是,就现状来看,现有的煤矿自动化系统多是应用于局部的,主要功能是解决那些相对独立存在的问题,自动化系统建设缺乏综合化,其主要原因在于综合自动化系统建设前期缺乏统筹规划,认识不到

28、位,偏重硬件建设投资,轻视软件开发投入和管。理水平的提高,项目的开发、应用和管理往往存在较大的盲目与随意性国内实现煤矿综合自动化的网络平台形式较多,目前主要采用的三种传输平台:无源光网络传输平台、基于多业务的传输平台、工业以太网传输平台瞳,除此以外还采用多种工业现场总线,整体来看尚未形成统一的标准。国内在综合自动化系统监控平台的设计开发上主要采用自主开发和组态软件开发两种方法心。近年来,伴随着国内组态软件的发展进步,组态软件设计法已经逐渐成为主流,当然,目前在具体系统的实现及控制策略方面相对落后,考虑内容商不够细致全面,尚未真正实现系统与数据的集成。神华集团神东大柳塔煤矿从年开始,便率先在国内

29、实施了综合自动化改造工程,初步建设了煤矿综合自动化系统,并已取得了明显的经济效益和社会效益,达到了国内领先先进水平,处于世界领先地位瞳引。山东省兖矿集团八个生产矿井均安装了矿井综合自动化监测监控系统。山西潞安、阳煤、同煤集团等对矿井综合自动化的建设也有不凡的业绩。河北工程大学硕士学位论文.煤矿综合自动化系统的发展趋势综合当前国内外煤矿综合自动化系统的建设发展情况,总结得出煤矿综合自动化系统的主要发展趋势包括如下几方面心引:煤矿综合自动化系统结构发展趋向于集散化方向不同于过去传统的控制系统结构,煤矿综合自动化系统的结构采用灵活的集散结构。集散结构的组成包括:处于现场的控制分站与处于控制中心的主站

30、。控制分站的组成选用具备能够脱离主站自动实现就地监测和控制功能的专用计算机控制系统,主站的组成则选用具备能够完成对监测数据进行综合处理的计算机系统。煤矿综合自动化系统网络发展趋向于开放化方向新型的煤矿综合自动化系统采用开放式的网络系统。开放式的、网络系统通过采用支持多重方式相互连接的通信协议与标准模型,实现网络互联。在开放式网络系统里,任何遵循通信协议与标准模型的自动化子系统都成为网络系统的组成节点,实现各个系统间硬件系统的相互连接与软件系统的数据共享。煤矿综合自动化系统功能发展趋向于通用化方向煤矿自动化系统的功能也逐渐增多,在满足矿并生产与管理需要的同时,还能兼具实现多种监测与控制功能,例如

31、:系统。系统全称“可编程模块组合式控制系统”,该系统是由天津市贝克电子有限公司研发制造的用型监控系统,不仅可以满足辅助煤矿井下生产的需要,更具备多种监控功能。煤矿综合自动化系统设备发展趋向于智能化方向煤矿自动化系统的硬件设备越来越向智能化方向发展,例如:智能传感器。智能传感器区别于普通矿用传感器,可根据实际工作需要进行灵敏度与非线性自动补偿,并对采集的数据进行自动校正,大大提高了传感器的精度和功能。煤矿综合自动化系统应用软件发展逐渐成熟煤矿综合自动化系统应用软件包括:操作系统、控制软件、数据库等。操作系统是最基本的系统软件,其功能是作为计算机硬件与软件的接口,实现对计算机软件与硬件资源的有效管

32、理和控制,为用户提供良好的工作环境。目前,支持实时多任务化的操作系统越来越多的投入使用。控制软件的开发主要采用自主开发与组态开发两种方式,自主开发软件的方式需要大量的专业开发人员使用高级语言来完成,这种方式的开发在提高灵活性的同时,也带来了大量的开发任务;组态开发软件的方式通过选用、组态王、力控等专业的组态软件,轻松方便实现组态控制功能,虽然存在灵活性差、开发成本高的问题,但组态开发方式逐渐成为主流开发方式晗驯。煤矿企业应用系统涉及庞大数据量,要求频繁查第章绪论询和不断扩充应用,这都要求数据库具有优越的性能。如此,性能优越并且便于系统集成的工业数据库得到了广泛的应用,例如:工业数据库。.本文研

33、究的主要内容本课题主要研究技术在煤矿综合自动化系统中的应用,解决煤矿综合自动化系统中存在的“信息孤岛”问题,综合分析可知“信息孤岛”问题的产生主要是由两方面原因造成的:第一,缺乏统一的网络传输平台;第二,缺乏统一通信接口标准。选用工业以太网作为网络传输平台,接口作为统一的通信接口,解决各系统之间因数据异构所导致的难以集成问题,消除“信息孤岛”。具体的研究内容如下:对煤矿综合自动化系统进行需求分析,确定系统架构与总体设计方案。研究分析子系统的运行方式,设计子系统对平台的硬件接入方式与软件接入方式,按技术的合理性和性价比确定具体接入方式。研究工业以太网技术的特点和组网架构,并将工业以太网技术应用到

34、煤矿综合自动化系统之中。深入研究数据存取规范,分析数据存取的技术特点以及对程序的应用要求,采用技术在底层控制设备与煤矿综合自动化系统之间建立统一的数据存取规范,并以该接口规范支持煤矿综合自动化系统与各自动化控制子系统之间的通讯。以煤矿井下通风监控系统为例,介绍技术在工业控制领域的实际应用。.论文的整体结构安排论文共分为五章,具体如下:第一章绪论。本章首先介绍了与本课题的相关研究背景及意义,其次分析了煤矿综合自动化系统发展的国内外研究现状与趋势,最后阐述了主要的研究内容与论文的整体结构安排。第二章煤矿综合自动化系统的总体设计。本章首先对煤矿综合自动化系统建设的必要性进行分析,确定系统的建设目标、

35、设计原则、选型原则、框架结构与技术方案;其次,研究确定各个子系统对综合系统的接入方式与要求;最后对系统集成平台进行研究,确定系统的硬件与软件构成、软件工具的部署方案、系统内部的数据流程和系统平台的开发流程,完成对系统的总体设计。河北工程大学硕士学位论文第三章工业以太网在异构系统集成中的应用研究。本章主要对工业以太网的产生发展背景、工业以太网协议、技术的概念和通信方式等相关知识概要进行阐述,并举例将技术应用到煤矿井下变配电监测监控系统之中。第四章技术在系统集成中的应用研究。本章首先对技术产生的背景及研究意义进行阐释,介绍了的定义与当前存在的主要技术规范;其次,重点对数据存取规范展开研究,确定服务

36、器与客户端的程序开发步骤、过程以及关键程序实现方法;最后,说明技术的使用范围。第五章技术在煤矿井下通风监控系统中的应用。本章研究了技术在煤矿井下通风监控系统的实际应用,首先,对煤矿井下通风监控系统进行概述,包括:煤矿安全生产的重要意义、监控系统的结构与硬件构成;其次,对基于技术的通风监控系统软件进行包括服务器端程序、客户端程序以及组态图形界面三部分的设计开发;最后,对的技术应用进行总结。最后是结论,首先介绍了论文所做的主要工作,然后总结了论文研究的意义,最后然后指出了论文存在的缺陷及下一步要做的工作。第章煤矿综合自动化系统的总体设计第章煤矿综合自动化系统的总体设计煤矿生产系统的运行与管理、安全

37、管理体系的建设与控制、防灾体系的建立与实施等,都需要依托煤矿综合自动化系统才能够实现。煤矿综合自动化系统以整合现有子系统的信息资源为出发点,将各个子系统的运行工况、参数等统一于共同的网络及平台上进行传输共享,便于系统的未来扩展、统一管理与信息共享。融入先进的科学技术,构建信息资源高效统一整合的煤矿自动化系统,推进煤矿企业不断的深化改革,促进煤炭行业的科技进步,提升煤矿企业的管理水平,增强煤矿企业的核心竞争力与可持续发展能力【,已经成为煤矿企业生产发展的必由之路。.煤矿综合自动化系统建设的目标系统平台建成后,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及

38、生产状态的实时评估。集控中心人员通过相应的权限,对安全和生产的主要环节设备进行实时监测和必要的控制,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【。系统主要建设目标:建设煤矿综合自动化系统平台,建立矿井各主要生产环节的“就地自动化一远程自动化一综合自动化”三级自动化体系,最大限度地实现生产现场的“无人值守,有人巡视”。利用先进的计算机网络技术、数据库技术、多媒体通信技术、视频监控技术等,建立集全矿井监测、控制、管理一体化的、基于网络的大型开放式综合控制系统,实现全矿井生产各环节的过程控制自动化。建立全矿集中自动控制中心,建设成为全矿井生产

39、各环节自动化控制中心和全矿生产安全实时数据的信息枢纽,为矿井生产的综合过程控制、生产工程调度、设备人员管理、故障追忆分析等工作提供全面的实时信息。同时为矿井生产的通风管理、防瓦斯、防火灾、防水害、防顶板灾害,防游离煤尘等提供基础信息。最大限度的保障系统网络安全,充分采用各种网络安全技术,确保整体系统安全运行。河北工程大学硕士学位论文.煤矿综合自动化系统设计与选型原则煤矿综合自动化系统的组成包括硬件系统与软件系统两部分,总体设计方案必须坚持安全性、可靠性、先进性、开放性、经济性等原则畸。煤矿综合自动化硬件系统的设计与选型应该坚持以下几项原则:先进性。硬件系统的设计与选型应该坚持先进性的原则,利用

40、先进的硬件设备和科学技术提升系统性能,确保在硬件系统在未来的一定时期内能够正常使用不至于因为硬件系统的落后而被淘汰。可靠性。立足于硬件系统的先进性要求,结合用户对煤矿综合自动化系统的实际需求,选用可靠、成熟的先进技术与设备,确保系统建设投资效益的最大化。兼容性。硬件系统的设计与选型应该以现有的国际标准作为准则,选用成熟的标准化硬件设备,使得硬件系统不会因为兼容性差而出现系统升级、拓展困难的问题。可扩充性。硬件系统中的现场信息采集设备采用总线式的通信方式,为便于系统规模的扩展,硬件系统应采用模块化结构。煤矿综合自动化软件系统的设计与选型应该坚持以下几项原则:安全性与可靠性。煤矿综合自动化软件系统

41、应具备优越的安全性,此外,还需实现软件系统的可靠性。易用性。软件系统的设计选用中文图形界面,应该具备操作方便,人机交互界面友好的特点。标准化。软件系统的设计定型应该符合现行的国家行业标准与国际标准,具有良好的规范性,便于软件系统的后续开发与升级。可扩充性。煤矿综合自动化软件系统应具备良好的可扩充性。软件系统选用面向对象的设计方法,可以使软件系统具有良好的灵活性、可扩展性与丰富的软件支持性。经济性原则。软件系统的设计跟一般的工程设计一样,需要全面考虑包括:性价比、投入/产出比、经济担负能力等因素来衡量投资的合理性。,煤矿综合自动化系统架构煤矿综合自动化控制网络是由工业以太环网、控制网和设备网组成

42、的开放型网络,整个网络主要由三个层次结构组成。煤矿综合自动化控制网络三层结构示意图如图.所示【。第章煤矿综合自动化系统的总体设计信息层控制层设备层图?三层网络结构示意图.信息层信息层是整个综合自动化网络的最高层,它采用工业以太网技术,以/传输控制协议/国际协议通用工业协议作为信息层传输协议,将服务器、网关、人机接口,通过服务器连接至企业管理信息系统,实现对现场采集的数据和信息的管理。工业以太网运用了实时通信技术、总线供电技术、远距离传输技术、网络安全技术、可靠性技术等,适应了工业现场设备间通信具有实时性强、数据信息短、周期性较强等特点和要求。控制层控制层是整个综合自动化网络的中间层,是一个开放

43、型网络,连接操作监控站的计算机、各子系统的主控和其他智能控制单元等。控制层设备,采用高可靠性的智能控制设备进行控制,井下选用具有煤矿防爆合格证和煤安标志的设备,能够适应井下特殊的工作环境和防爆要求。为了保证建立一个冗余、可靠的网络结构,必须考虑各子系统的控制系统冗余性。对于重要系统或有联锁要求的子系统,采用双智能核心设备。现场采用放射式冗余网络。光纤环网冗余结构通过建立一个环状的光纤以太网结构来实现网络冗余,减少网络单点,增强整个通信网络在突发情况下的生存能力。设备层设备层是面向现场设备的一层,也是整个综合自动化网络的最底层。设备层无需中间的输入/输出系统就可以将现场设备和智能设备直接相连,实

44、现操作者和现场设备之间信息互传,并可实现故障自动诊断。河北工程大学硕士学位论文设备网使用现场总线等通信方式,辅以/模块,将底层设备直接连接到底层控制器上,进行实时/控制和点对点的信息交换,实现入网设备包括监控下位机、电力监测单元、软启动和远程/模块等。.煤矿综合自动化系统技术方案煤矿综合自动化系统平台建设内容包括建立网络传输平台、子系统的接入平台和软件集成平台,煤矿综合自动化系统网络架构示意图如图所示【鄂。“?”/冬/.、飞/ 固 皋挲 热蔷瓦采 七毒婶/ 警,黟订挚 :遵嫂。鹋点遵雠。?豳嬲篙,罴赢/图网络架构示意图 .?.煤矿综合自动化系统网络传输平台的特点与要求.煤矿综合自动化系统网络传

45、输平台的特点网络传输平台的特点如下【】:开放性的标准协议。网络的高可用性采用技术标准。产品的一致性可提供工控领域全线产品。备品备件通用性强。第章煤矿综合自动化系统的总体设计.煤矿综合自动化系统网络传输平台的要求网络传输平台要求具有实时性毫秒级、可靠性、健壮性、开放性【。.网络传输平台架设使用的主要设备架设网络传输平台所需要使用的主要设备包括:传输光缆。光缆均采用单模,地面光缆采用芯光缆作为千兆工业以太网传输链路,井下主光缆采用芯光缆作为网络传输线路。网络交换机。网络交换机分为骨干交换机和分支交换机。骨干交换机系列组成主干环网,分支交换机 系列组成分支网,交换机应放置在没有淋水侵入,空气流通的变

46、电所或固定机房中。光模块单模。.千兆光纤模块的传输距离可达,在不影响传输速率情况下适用多种网络结构总线、星形和环形结构。服务器。采用部件级冗余的工业标准容错服务器或双机热备方式的系列高性能服务器两台单机实现双机热备,在满足功能需求的基础上,尽可能的简便维护。要求所有部件均支持模块化的热插拔,即、内存、电源、风扇、硬盘、网卡、所有/设备、甚至主机板出现故障时,均可不停机进行更换,能把硬件故障导致的平均非计划停机时间控制在每年分钟之内。.子系统接入平台.子系统接入要求.。子系统接入的硬件要求子系统接入的硬件要求包括【:冗余上位机上位机采用方式时。须具备支持的以太网模块。采用标准以太网接口。.子系统

47、接入的软件要求子系统接入的软件要求包括:上位机软件支持标准接,通过各子系统厂家提供的接口,完成对子系统的实时数据采集,数据通讯延时不能大于.秒。各独立子系统厂家需要提供所有的变量表详细说明,包括:变量英文名、子系统变量中文名、子系统变量英文名和中文名的对应关系、子系统变量名和子河北工程大学硕士学位论文系统组态画面中的对应关系,子系统变量详细说明表如表.所示。表子系统变量详细说明表兰坐堡呈:坠宝垒星堕盟垒箜里堕逃翌堂坦 业坐里型生曼子系统 子系统变 变量中文 子系统组态 变量名画 对应变量 变量名称 量名 描述 画面名 面描述 名 比。 .一。墨谍报尊。子系统的接入必须有子系统厂家配合集成方完成

48、监控中心的集成开发。子系统提供接口软件,集成方负责系统接入,具体需求根据各个子系统的实际接入情况来定。.子系统接入方式.子系统硬件接入方式子系统硬件接入标准接口,可通过以下三种方式接入【】:上位机接入方式:对于已建立成熟网络的煤矿专业性较强的子系统,直接通过统一的网关接口即可接入环网,上位机接入方式如图.所示,例如:安全生产监测子系统。上位机接入方式冗余 冗余服务磊 撇秀嚣 冁务慕 骰秀器投作矗站操仵员站以太嘲忙.:震交羧枫工业以太网锄交换藜自动化系缎 、图.上位机接入方式.? 接入方式:对于采用控制方式的子系统,可以通过增加以太网模块的方式,与附近的交换机直接连接,接入方式如图所示,例如:皮

49、带运输监控子系统。第章煤矿综合自动化系统的总体设计接入方式冗余 冗余一 一一 一 一一 一 一服务器 撇务器操作员站一嘴一 一 一 一 一铡缕用 一. 一说,一 一 一罡工业以太网簟嗣?一锄锄邀机 交授图?接八方式.扩展接入方式:对于没有以太网接口,并且也没有上位机的子系统,可以通过对子系统支持接口增加接口转换装置井下转换装置必须有煤安认证的方式,将子系统接口转化成标准以太网接口接入环网,扩展接入方式如图.所示例如:等转换成。扩展接入方式服势器 撒务器操作员站?嬲站需鬻 ;说明啦觚图.扩展接入方式 .对于已有子系统的接入方式根据现场实际情况,按技术的合理性和性价比确定具体接入方式。河北工程大学

50、硕士学位论文.子系统软件接入方式子系统软件接入方式要求所有子系统软件统一采用标准接口,子系统接入具有以下特点【:当某子系统的通讯或元器件出现故障时,不会影响其他子系统的通讯和整个网络的传输性能。已建子系统只要能满足和接口要求,就可以无缝接入。以太网接口和工业标准通讯协议,具有良好的兼容性、可靠性和扩展性。.煤矿综合自动化系统集成平台软件集成平台建设是煤矿综合自动化系统集成的核心内容,该平台应用力控.组态软件,搭建统一的软件监控平台。在此平台上通过人机界面可实时监测子系统设备运行工况,并可对子系统的/进行控制。同时,通过存储的历史数据,实现对各子系统的显示、控制、报警、归档、分析、决策。.煤矿综

51、合自动化系统的构成.。硬件平台构成硬件部分包括:数据采集服务器、应用服务器、工业数据库服务器、发布服务器、工程师站、操作站、安全设备,电源等【。硬件组成中服务器处于核心地位,应当满足以下几点要求:服务器应当优先选用部件级冗余的工业标准容错服务器或者双机热备方式的高性能服务器【】,、内存、电源、/控制组件都需要进行冗余配置,服务器可靠性必须达到.%以上。服务器应当采用硬件容错方式,保证同一时钟周期内所有的相互冗余部件之间的工作同步性。当部件发生故障时,要求不通过任何软件与编写脚本程序便能够完成部件切换,实现零秒切换功能。服务器应当具备故障自动检测、隔离与恢复功能,同时,服务器能够配置自动报警,当出现故障时自动向管理人员报警,并且能够进行远程维护与管理。服务器硬盘数据,包括操作系统、应用软件与静态数据等都应当采用镜像 的方式进