煤矿机电装备高可靠性远程控制与指挥系统2011-3-11.ppt

1、煤矿高可靠性机电装备远程控制与指挥平台,中国矿业大学 机电工程学院 朱真才 院长 教授 谭 超 博士 教授 2011年3月,系统目标 系统功能 系统结构 系统特点 应用案例,目录,1 系统目标,在“总体规划、分步实施、流程建设”的思想指导下，建设安全高产高效的矿井自动化综合信息平台，实现： 管理信息网络化。 过程控制自动化。 安全管理系统化。 生产集约高效化。,1 系统目标,达到“五优”矿井建设目标，实现矿井信息化、网络化、集成化 机电装备实现“五遥四预”，功能上遥测、遥视、遥控、遥调、遥信，安全上预测、预报、预警、预案 建设国内一流的“示范性数字化矿山”,2.1 总体功能 2.2 信息高速公

2、路的建设 2.3 信息快车的建设 2.4 技术手段比较 2.5 关键功能 2.6 可靠性保障 2.7 多态数据集成,2 系统功能,建成具有高性能、高可靠性和操控方便等特点的全远程控制与指挥信息化平台。具体分为以下几个方面： 建成全矿井综合信息化平台的信息高速公路。提供包括万兆-千兆-百兆三个层次的可管理网络通道； 建成集成信息平台。能够通过统一门户进行管理，访问包括控制数据流、监控数据流、调度数据流、管理数据流、视频数据流和因特网数据流等不同形态的多态数据； 覆盖全矿井的生产、调度和管理部门。为每个部门提供授权的数据访问功能、远程监控功能和远程控制功能； 建成机电装备的远程控制与指挥系统。提供

3、机电装备的远程在线监控、故障在线诊断、操作集中控制等功能。,2.1 机电装备远程控制与指挥信息化平台的功能,建成的信息高速公路快速可靠。通俗的讲，就是通过先进的技术手段保证网络又快又皮实，在不发生较大事故的情况下，经受雷击、断电等情况的考验。 提供了万兆-千兆-百兆三级可管理的交换式网络。具体构成参见下页的 煤矿信息高速公路三级结构。 信息高速公路覆盖了井下地面的机电装备、安全监测监控、生产经营管理、办公自动化等不同战线，并提供了通过现场通讯总线集成专用分站设备的接口（包括地面煤楼、核子秤、信集闭、安全监控、人员定位等子系统的分站接入） 。,2.2 综合信息化平台的信息高速公路,机电装备后台控

4、制系统,生产调度后台服务器系统,视频服务器系统,生产经营服务器系统,冗余型万兆核心交换系统,机电装备远程控制系统,双环工业以太网,机电装备地面现场控制系统,机电装备井下现场控制系统,办公自动化服务器系统,办公自动化网,安全监测监控网,安防监控视频服务器,机电装备视频服务器,安全调度视频服务器,生产调度与安全监测客户端,办公自动化客户端,生产经营管理客户端,万兆交换,千兆交换,百兆交换,图1 煤矿信息高速公路三级结构图,现场总线分站,本安无线交换网,本安无线交换网,图2 煤矿综合自动化信息化平台 逻辑结构图（耿村煤矿）,图3 机电装备远程控制平台与指挥系统 逻辑结构图,所谓信息快车就是接入到信息

5、化网络平台的应用子系统，它通过网络连接现场装备、后台服务器和远程监控站。 建成包括机电装备远程控制、安全生产监测监控、办公自动化、生产经营管理、视频集中监控等系统相对应的信息快车，充分利用信息高速公路的带宽，实现建设信息高速公路上“多拉快跑”信息快车的功能。 对于信息快车的管理，不同种类信息快车之间提供分隔传输功能，万兆和千兆核心交换系统全部具备冗余传输通道，对机电装备远程控制快车提供双环冗余传输通道。 机电装备的远程控制快车提供了3DVR、时序逻辑互锁、传感自校正、快照状态诊断、有限状态机保护等高级功能。,2.3 综合信息化平台的信息快车,综合信息化网络平台,机电装备远程控制,生产调度及安全

6、监测监控,安防监控视频,机电网络视频,安全调度视频,数子视频网络监控,办公自动化,生产经营业务管理,图4 煤矿信息快车的分布结构,3D VR 操控平台,主 皮带运输远程 控制,中央泵房排水远程 控制,井下 皮带运输远程 控制,后台服务器与控制器,地面皮带运输远程 控制,东三泵房排水远程 控制,架空人车远程 监控,副井提升远程 监控,斜坡运输远程 监控,主扇风机远程 监控,机电装备远程控制,井下电网远程 监控,井下机车远程 监控,机电装备远程监控,生产调度,工业电视,人员定位,安全监控,冲击地压,核子秤,束管监控,井下机车远程 监控,综采综掘远程 监控,洗煤远程 监控,紧急救援,2.4 同类技术

7、比较,2.5 系统功能,监测单元运行工况,控制设备顺序运行,自动切换工业电视信号,生成曲线图、统计图、报表,设备故障自诊断与预警预报,远程控制可靠性保护,3D全景实时再现与实景操作,机电装备 生产指挥 与 控制系统,快照状态诊断与预警,二次传感与融合技术,综合组态技术,进化计算技术,具备故障自诊断与预警能力的 机电装备综合控制与指挥系统,2.5 系统功能,（1）自诊断与预警功能,同步互锁：对于每个集控单元提供同步互锁模快，解决网络故障状态下的本地PLC自治控制和故障恢复后的数据同步问题。 二次传感和多传感融合：实时二次传感和多传感融合在中央PLC实现，对于需要历史数据（主要是模拟传感信号）的二

8、次传感与融合在WinCC服务器上完成。（逻辑传感器）,2.5 系统功能,（1）自诊断与预警功能,2.5 系统功能,（2）可靠性保护功能,本地远程控制,手动自动控制,PLC控制器,具备无人值守能力的 远程控制可靠性保护系统,上下位控制器自同步,有限状态自动机保护,冗余工业以太网,2.5 系统功能,（2）可靠性保护功能,有限状态自动机可靠性验证：离散有限自动机状态验证在中央PLC中完成，模糊有限自动机状态更新在WinCC服务器上完成。 接入集控单元保护与控制逻辑执行：每个集控单元的控制和保护逻辑和本地PLC控制器实现一致的功能。对同类集控单元提供最大运行保护功能。,2.5 系统功能,（3）3DVR

9、全景仿真功能,3D VR 场景 建模,综合组态数据库,虚拟仪表盘,实时监控数据驱动的3D VR全景仿真能力,固定路径访问,漫游路径访问,2.5 系统功能,（3）3DVR全景仿真功能,煤矿综合信息平台及其运行的子系统与煤矿安全生产紧密联系，远程监控功能的可靠性是最重要的指标。 通过先进的技术手段保证后台服务器与控制器系统、核心交换网络、现场控制器的可靠性。这些手段包括冗余热备份措施、快照状态监控、时序逻辑互锁、多传感信息融合等。 在系统级别上，核心交换机、核心服务器、远程控制器、光纤通道和监控软件等都采用了双冗余热备份措施，保证了系统基础的可靠性。,2.6 可靠性保障,通过监控大型设备的启动和故

10、障信号，短时提高10倍信号采样频率，通过专门的快照分析器实现重点过程的监控与故障诊断。 通过时序逻辑互锁分析，防止传感信号瞬间失效和误操作造成的单元控制失效。 通过相关传感量的变化约束、一致性判断和历史数据进行多传感融合，矫正传感漂移和传感信号的干扰，保障控制单元的控制输入参数的有效行。,2.6 可靠性保障,在耿村煤矿综合信息平台上运行的数据有实时控制数据、实时监控数据、工业视频数据流、办公自动化数据、经营管理业务数据等不同类型的数据流，对网络通讯的要求也不同。 通过在网络平台划分带宽，设置虚拟网段，保证不同的数据流有独立的传输通道。 实时控制数据、实时监控数据、工业视频数据流、办公自动化数据

11、和经营管理业务数据通过专用的后台服务器群进行采集和存储，在统一的门户网站上进行授权访问。 对于像核子秤一类的专项设备级别数据流，实现了现场本地接入工业以太网和地面接入监控服务器两条集成通道。,2.7 多态数据集成,3.1 总体结构 3.2 网络结构 3.3 子系统远程监控集成实例,3 系统结构,3.1 系统总体结构,图5 煤矿集成信息平台的功能结构,整个系统分为信息门户层、决策支持层和监测监控等三个层次的模块组成。 通过信息门户能够穿透访问到集成的监测监控系统和远程控制系统，提供了安全监测监控、单元自动化控制和数字视频的多态数据集成的WEB访问。,3.2 网络拓扑结构,图6 煤矿集成信息平台的

12、网络拓扑结构,网络平台提供万兆-千兆-百兆的冗余通讯平台，不同子系统的后台服务器和控制器实现了集中数据存储与10G高速访问通道，并具备一倍以上的性能无缝扩容能力。 整个网络是可管理的，根据系统需要设置带宽限制、划分虚拟网段和设置访问权限。,3.2 网络拓扑结构,图7 煤矿综合自动化的网络拓扑结构,综合自动化系统采用郝思曼千兆双环工业以太网、IBM冗余服务器、西门子冗余控制器和微软冗余操作系统。监控平台软件采用iFix和WinCC冗余运行模式。 综合自动化网络也是可管理的，对监控数据、控制数据和视频数据单独设置带宽、划分虚拟网段和设置访问权限。 本地控制系统采用西门子S7-300控制器和Prof

13、ibus现场总线，远程控制系统提供3DVR、逻辑时序互锁、多传感融合和快照状态诊断、病毒防护等功能。,3.2 本安无线交换网络,3.3 子系统远程监控集成实例,综合信息化门户网站入口与部分集成子系统,3.3 子系统远程监控集成实例,3DVR子系统 实例,3.3 子系统远程监控集成实例,井下皮带监控,主斜井皮带监控,3.3 子系统远程监控集成实例,中央泵房实景,东三泵房实景,中央泵房监控,3.3 子系统远程监控集成实例,主扇变频风机监控,3.3 子系统远程监控集成实例,集成的副井监控及电网监控,3.3 子系统远程监控集成实例,集成的安全监测监控,3.3 子系统远程监控集成实例,3.3 子系统远程

14、监控部分集成实例,建成的信息高速信息道路又快、又皮实； 建成的信息火车内容丰富，操作方式统一（从具体的传感数据、每个动作的操作按钮到综合门户网站、子系统主画面、具体的功能画面反映了所监控子系统的运行状态）； 建成了满足不同子系统监控要求的多种信息火车，充分发挥了高速网络的效能。 需要说明的是，上述系统特点是建立在冗余可靠的技术装备、合理设计的系统结构、先进的功能（有相当一部分功能是国内首创的），开放的监测与控制接口等技术基础上实现的。,4 系统特点,在具体的技术方面，主要特点有： 万兆-千兆-百兆三级网络平台 多态数据集成技术 包括控制数据、安全监控数据、生产经营数据、工业视频数据等数据流的集

15、成。 远程控制的关键技术 覆盖网络通道、服务器、交换机、控制器、系统软件的冗余技术； 基于逻辑时序互锁的误操作防止技术； 基于3DVR的远程监控技术； 基于快照信息的单元状态诊断技术； 基于多传感融合的传感量自校正与故障诊断技术； 控制系统的病毒防护技术；,4 系统特点与经验,矿井综合信息化的建设理念 矿领导高度重视，责任落实到人，进度明细到周，每天检查进度； 按照“总体规划、分步建设、流程实施”的建设思路，三年三步走，每步见流程，分阶段建设了综合自动化网络平台、机电装备远程控制系统和综合信息化平台； 采取煤矿、高校、厂家三结合，吸收兼取各家之长，以创新为指导思想，引进新的控制技术与理论，装备具有开放二次接口的智能设备。,4 系统特点与经验,机电装备的升级改造 机电装备完成了三次大的升级： 第一次是从传统的机电