煤矿数字化矿山方案.docx

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煤矿数字化矿山方案

煤矿数字化矿山方案

第1章前言

1.1某煤矿简介

1.2数字化矿山建设的必要性

数字化矿山现在是一个热门话题，国家科技部的中长期科学发展规划里边也有了这样的内容。

但是到目前为止，关于数字化矿山还没有一个准确的定义。

在此，我综合国外矿山信息化建设的各种战略设想，还有一些学者对数字化矿山的理解，将数字化矿山分为三个层次。

第一个层次是矿山数字化信息管理系统，这是初级阶段。

第二个阶段是虚拟矿山，是把真实矿山的整体以及和它相关的现象整合起来，以数字的形式表现出来，从而了解整个矿山动态的运作和发展情况。

第三个阶段是远程遥控和自动化采矿的阶段。

就是说坐在办公室里边就可以操纵很远的地方，比方说几十千米以外的井下设备运转。

总体来讲，数字化矿山就是矿山地面和井下的、人类从事矿产资源开采的各种动态、静态的信息都能够数字化，而且用计算机网络来管理，同时利用空间技术、自动定位和导航技术实现远程遥控和自动化采矿。

虽然某煤矿近年来投资建设了一批自动化监测监控系统，在矿井自动化建设方面取得一定的成绩，但是存在以下问题：

●早期的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。

●早期的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度来整体对企业进行统一的自动化管理，难以有效的整合各种资源和发挥自动化的最大效益。

●企业业务管理各子系统没有统一数据标准、业务规范，不能有效整合底层自动化数据及企业管理数据为领导决策提供合理的依据。

作为数字化矿山建设的重要组成部分，必须通过此次某煤矿矿井综合自动化项目建设，依托国内外信息和网络技术，解决以上这些长期困扰企业安全生产的难题，将某煤矿建设为国内一流的安全高效的数字化矿井。

1.3项目建设范围

目前某矿已建设或正在建设以下自动化子系统：

1）水处理系统

2）综采工作面监控系统

3）矿井瓦斯监测系统

4）微震矿压监测系统

5）主、副井提升监控系统

因此，根据以上具体情况，本项目的建设内容如下：

1）矿井自动化网络平台

建立千兆级骨干环网：

包括地面工业以太环网和井下工业以太环网，用于承担整个矿井自动化网络的干线传输，保证数据、视频、音频三网合一。

按照交换机就近接入原则，在运转区设立供电、排水、压风及主扇控制中心，可实现远程监控、报警、数据报表查询、视频监视、运行参数显示、电量管理和设备工况监测等功能。

调度指挥中心安装核心交换机、各种服务器、数据存储设备、网闸、人机界面设备、工程师站、工业大屏幕、打印设备等，担负全矿井自动化系统的总集成，以及数据处理、远程控制、故障报警、报表管理、网络安全等功能。

2）井下主排水无人值守

实现排水系统自动化，就必须对现在排水装置进行改造，在主排水泵房安装PLC控制系统，将所有需要人工开关的阀门全部更换为电动阀门，安装水位传感器，压力传感器，流量传感器，视频监视等，通过工业以太网交换机传到调度指挥中心，在地面进行远程控制和运行参数监测

3）矿井主扇通风机监控

通过主扇在线监测系统掌握设备运行过程中的风量、风压、电压、电流、风门状态等的实时信息。

接入已经安装的PLC控制柜，对风井高压柜保护器进行必要改造，通过工业以太网将控制信号及信息分别传送到矿调度指挥中心，可实现远程操作和在线实时监控，在矿调度室可实时监视其运行状态。

4）束管监测系统

对井下任意地点的O2、N2、CO、CH4、CO2、C2H4、C2H6、C2H2等气体含量实现24小时连续循环监测，通过烷烯比、链烷比的计算，及时预测预报发火点的温度变化，为煤矿自然火灾和矿井瓦斯事故的防治工作提供科学依据。

5）井下皮带监控系统

根据煤矿皮带监控系统的经验，结合某矿实际情况，确定接入方案。

实现在矿调度室对全部主要皮带运输系统的集中控制。

考虑单台运行及检修需要，设置就地控制方式。

具有完善、可靠的皮带保护与预警功能。

实现在矿调度室对所有皮带机的监控监测。

6）电力调度系统

对中央变电所高低压开关进行改造，对其它变电所高、低压智能保护器进改造，以满足自动化控制要求。

各个变电所安装防爆PLC控制柜，防爆UPS电源及防爆交换机实现变电所自动化控制功能。

在中央变电所通过交换机，利用工业以太环网协议Ethernet/IP上传到调度指挥中心。

7）工业视频监控系统

通过光缆电缆、无线网络等手段将地面工业广场、井下重要工作场所、主要巷道硐室等地点实时视频信号传输到地面调度指挥中心，同时要求部分摄像机与调度程控指挥系统、煤矿报警系统通过关联、智能存储及转发，使调度人员和相关生产指挥人员更直观、准确的掌握各生产环节的实时情况，从而更有效的指挥生产，处理和解决生产中出现的问题。

同时通过存储记录，对事件全过程进行录像备份，为事后事故调查、违章取证等提供直观证据。

8）电机车信、集、闭系统

在指挥中心内设置模拟盘，可以将整个车场及水平大巷机车运行状态，信号、道岔等开启状态一目了然地反映出来，在机车上安装速度检测及位置检测传感器，实现调车，岔位指示智能化，同时可以将模拟盘上所显示的数据通过以太网传至矿调度指挥中心，在调度室可以观测到电机车的各种运输状态，保证井下电机车运输安全。

9）调度指挥中心平台设计

调度中心机房是综合信息网络的核心机房，承载着各种信息网络的集中和汇接业务，是信息化各种应用系统的数据中心，其安全程度不仅关系着综合信息网的畅通，更关系到整个矿井自动化系统和各应用子系统的能否安全运行。

10）地面生产自动化系统

对地面筛选系统、装车系统现有的高低压开关设备进行改造，高低压开采用智能保护器，利用现场总线进入筛选及装车系统工业以太网子网，在地面筛选控制室实现集中控制。

现场安装各种皮带机保护传感器提高系统可靠性。

装车系统可采用无极绳铁牛自动调车的装载方式，快速调车，实现调车，装车与地衡数字化自动控制，达到安全，高效目的。

根据生产过程，合理确定工艺流程，将筛分系统，跳汰系统及装车系统进行统一考虑，组成选煤厂集中控制中心，工业电视现场监视，计算机人机界面操作，大屏幕显示实时工艺流程。

11）锅炉房监控系统

12）矿井压风机监控系统

在三处压风机站安装压力、流量、温度等传感器，具有超温、断水、缺相等完备的保护功能。

发生故障时均有相应的保护措施，及报警信息。

安装PLC控制柜，通过工业以太网将数据信息传到调度指挥中心，可在地面进行远程控制及各种工况数据监视。

13）地测三维系统

矿井三维可视化综合信息系统是针对生产矿井实现安全生产信息、工程信息和地质信息综合直观地共享而开发的三维可视化系统。

它运用了强大的三维矢量化造型、数据管理及三维动画功能，将矿井复杂的井巷工程、生产系统和地测信息通过三维图形逼真地表现出来，构建了三维虚拟数字化矿井，为矿井生产安全管理提供了有效的可视化、数字化管理工具。

1.4设计要求

根据管控一体化思想，结合工业自动化技术、信息化技术、嵌入式技术、网络技术和通讯技术等一系列现代化手段，搭建某煤矿矿井综合自动化系统。

解决所有子系统传输物理通道和接入问题；对所要求子系统进行数据采集、处理、存储、发布，完成一个信息集中管控/网络发布平台，实现生产、管理等环节的信息交流和资源共享，实现文字、数据、语音、视频、图像、图形等多煤体的传输和处理，达到自动监控、监测和检测生产过程，实现高层决策、管理和生产过程无缝连接，全面提升矿井自动化水平，并最终实现建立高产、高效的数字化矿井的目的。

具体建设目标如下：

（1）建设一套完整的全矿井综合自动化系统。

系统建成后，可实现矿井主要生产环节（如：

原煤生产、运输、提升、供电、通风、压风、排水、选煤厂等）的远程集中监测、控制。

（2）应用计算机技术、网络和自动控制技术实现在矿调度指挥中心监测井下环境参数，集中控制井上、下机电设备，减少井下作业人数，达到减人增效和提高矿井安全水平的目的。

（3）通过应用软件，实现生产计划、生产安全调度、生产过程控制最优化，并能实现对关键设备的状态监测和故障分析。

（4）保证煤矿生产安全，提高产量和质量，提高企业经济效益和竞争能力。

（5）利用先进的技术和合理的方案，使系统具有良好的性价比。

系统建设完成后，应能够使某煤矿井上下各生产环节的生产工况信息和视频信息在一个统一网络平台上运行，在异构条件下进行联通与共享，能够使不同功能的应用系统联系起来，协调有序运行，使各自独立的监控系统信息实现共享。

系统建设完成后能够对全矿井安全、生产的主要环节进行实时监测、监视和必要的控制，实现全矿井的数据采集、生产调度、决策指挥的信息化、科学化，为矿井安全生产、有效预防和及时处理各种突发事故和自然灾害，提供有效手段，为企业信息化的应用和发展奠定基础。

1.5某煤矿项目意义

该项目通过对矿井供电、提升、通风、排水、运输、采煤工作面、选煤等生产子系统远程监控，实现了地面主要生产车间及井下机电硐室无人值守，所有设备的状态监视和控制均在调度指挥中心完成，实现全矿井的集中控制。

通过构建综合自动化系统，提升了现代企业自动化管理水平，促进了矿井安全高效发展，简而言之就是“本质安全、经济运行、减人提效”。

本质安全：

利用计算实时监测及控制技术、使安全隐患及时发现、灾害情况及时预警等；同时，通过计算机控制、远程操作及时调整设备和系统运行状态，使其处最佳安全运行状态，从机理上杜绝恶性事故发生。

经济运行：

主要通过优化生产流程实现：

利用合理的削峰填谷等负荷分配手段、利用降低设备的无效运行时间等控制手段、利用高低压变频等节能手段，来达到最经济的运行效果。

减人提效：

通过完善系统的自诊断功能及控制模型，提供系统自我调节和远程控制能力，实现机电设备和系统的无人或减人值守，达到减员提效的目的。

第2章综合信息化系统平台总体设计

2.1总体架构

根据煤矿企业信息化建设的特点和业务需求，峻德煤矿公司综合信息化系统的总体结构如下图所示：

峻德煤矿公司综合信息化系统由基础网络平台、业务支撑平台和业务应用系统组成。

基础网络平台：

包含以太网络、光纤网络和工业控制网络，以及相关的应用服务器、数据库服务器，操作系统、数据库管理系统。

业务支撑平台：

按照总体规划，分步实施的原则，业务支撑平台是为了解决各产业务应用系统的互联互通、业务数据交换、统一管理等问题。

该平台提供标准化软件接口、标准化信息和标准化通信协议，以开放平台方式支持各种业务应用系统的接入和融合。

业务应用系统：

业务应用系统是指与整个企业生产管理、指挥调度、经营管理直接相关的各个业务系统，根据不同的应用层次，可划分为设备执行层、生产管理层和经营管理层。

生产管理根据部门结构和应用范围又可分成：

生产技术系统、安全管理系统、调度指挥系统和生产自动化系统。

生产管理层通过数据交换平台实现与设备控制层的信息采集和数据处理，实现统一的数据交换。

业务应用系统通过协同办公平台和工作流引擎实现协同办公。

通过综合信息平台实现个业务应用系统的统一入口、统一认证、统一管理和统一信息发布。

2.2信息综合平台功能

信息综合平台使系统所有的用户（企业领导、企业员工、客户、供应商、合作伙伴等等）授权访问企业应用系统，获取和分析他们所需要信息单一的入口。

它具有以下功能：

●底层数据信息存储与交换

底层是企业当前存在的各种专业系统及各种内容来源，包括文件系统，关系数据库系统，文本管理系统，电子邮件系统等。

它是企业内容管理及综合平台的内容的源泉。

●数据协作区

数据协作区是综合平台内外网之间数据协作交换的虚拟区域。

数据协作区由核心数据库和一组数据接口转换程序组成，数据接口转换程序可将外部数据传入核心数据库，也可将核心数据库以各种外部程序需求情况来提供不同的数据。

●内容管理整合

内容管理平台是整个信息综合平台中最关键与最重要的一环，是信息综合平台的基础。

采用先进的内容管理软件构建内容管理平台，它提供了实现异构信息源交换整合时，所遭遇的两个核心问题的解决方案：

异构信息源的访问：

能够简便，快速地访问到异地异构的信息。

无论信息源是何种信息，内容接口能适用于不同的数据或信息类型，可以是数据库的结构化数据、或是经过处理的文件、或是原始未经任何程序处理的数据流，都可以透过整合接口的沟通，进而达到统一管理的目的。

但这只解决了异构信息的共享问题，要想将各种内容综合处理，组织成综合信息，必须依据工作业务流程，人员职责分工，应用系统种类等条件进行分类管理，以保障业务信息流动的保密安全性与有效性。

整合信息的管理：

从异构的信息源找到后的信息，到成为用户或应用系统可以使用的“成品”，是一段动态的整合过程。

在过程中系统保持前端调用信息，后端信息源，及相关的元数据或索引数据的版本的一致性与统一性。

企业在实现内容的处理时，会面临许多工作流程、工作方式或人员职责分工的调整，内容管理整合层中提供了弹性的工作流，能随用户与业务的需求，灵活改变工作流程的制定，以适应不可避免的不确定性与变动性。

其中也包括功能测试，整合区，版本控制及回溯等管理功能。

●企业应用集成

搭建信息综合平台系统，可以将企业生产管理、调度指挥、经营管理、决策支持、办公管理等生产管理业务应用系统集成到一起，一方面可以平台户系统中获取这些系统中的数据，另一方面也可以从平台系统中将数据写入到业务系统中去，从而完成企业相应的业务流程和资源管理，例如客户交易、产品发布、邮件集成、请求处理、人事管理、项目安排等。

●个性化、多渠道的平台表现

面向信息综合平台的用户，我们提供不仅仅是平台网站单一的访问渠道，尤其是针对每天工作中对计算机依赖程度不高的非技术性用户，还可以依据用户与业务的需要，考虑采用其它方式，例如将一些整合后的数据，整合成为电子邮件或短消息的格式后，主动发给适合类型的用户。

用户通过不同渠道所得到的信息，应该统一一致。

同时应用设计应尽可能的考虑各种各样访问用户的具体要求和技术限制来提供友好的，有效的用户界面。

2.3平台逻辑结构

基础网络平台为各部门提供了访问应用系统的基础通路；各部门业务应用系统通过企业应用整合平台实现互联互通、数据交换、信息共享；综合信息平台实现了各业务应用系统的单点登录、统一认证、统一平台、协同工作和个性化设置；内网和外网用户通过综合信息平台访问授权的应用系统和信息。

业务支撑平台为建立统一、开放、互联互通的应用系统提供了支持，应用系统平台为各部门业务应用提供了相关的系统。

2.4平台组成

根据企业生产经营管理业务需求和系统的应用范围，峻德煤矿公司综合平台分成自动化子系统、安全生产管理信息系统、经营管理系统、决策支持系统四大模块，如下图所示：

自动化子系统包括：

1.地面上产自动化系统

2.井下综采工作面工况监控系统

3.井下轨道信、集、闭系统

4.矿井压风机监控系统

5.疏干井无人值守

6.矿井通信、定位系统

7.矿井粉尘监控系统

8.矿井水纹监测系统

9.束管监测系统

10.工业视频监控系统

11.数字程控调度系统

12.大屏幕显示系统

13.瓦斯发电监控系统

安全生产管理信息系统包括：

1.生产调度系统

2.机电设备管理系统

3.通风安全管理信息系统

4.采矿设计系统

5.矿井供电设计与计算系统

6.矿井三维可视化综合信息系统

7.矿井灾害预警系统

8.应急救援指挥管理系统

经营管理系统包括：

1.计划管理系统

2.财务管理系统

3.供应管理系统

4.运销管理系统

5.人力资源管理系统

6.协同办公管理系统

决策支持系统包括：

1.数据挖掘系统

2.企业绩效管理系统

3.供决策分析系统

4.企业内部控制系统

2.5设计依据

从矿井的用途和实际出发，把安全放在第一位，综合自动化系统设备的设计和制造应符合适用的中国最新版国家标准（GB）或在国际范围内被接受的具有不低于下列标准的标准。

井筒中和井下只准使用防爆设备。

矿井综合自动化系统的设计和制造应执行最新版国家标准（GB）和行业标准。

《煤矿安全规程》2009；

《工业安装工程质量检验评定统一标准》GB50252–94[1994.12]；

《电力工程电缆设计技术规范》；

《电气测量仪表装置设计技术规程》；

《低压电器电控设备》；

《低压开关和控制设备》；

《低压开关和控制设备的外壳防护等级》；

《煤炭工业选煤厂设计规范》；

DL5003–91《电力系统调度自动化设计技术规范》；

GB/T13729–92《远动终端同工技术条件》；

GB/T1514–91《微机线路保护装置通用技术条件》；

GB/3047.1《面板、架和柜的基本尺寸系列》；

GB11920–89《电站电气部分集中控制装置通用技术条件》；

SD227–87《电力系统通信运行管理规范》；

《爆炸性环境用防爆电气设备通用要求》；

《爆炸性环境用防爆电气设备防爆型电气设备》；

《爆炸性环境用防爆电气设备本质安全型电路和电气设备》；

《煤矿通信、检测、控制用电工电子产品通用技术条件》；

《煤炭工业矿井设计规范》GB50215—2005；

《监测监控质量标准化实施标准》；

《煤矿安全装备基本要求》；

《煤矿监控系统总体设计规范》；

《煤矿监控系统中心站软件开发规范》；

《煤炭工业调度信息化建设总体规划纲要》（试行）；

《煤炭调度信息化装备技术规范》（试行）；

《计算机软件开发规范》GB8566；

《电子计算机房设计规范》；

《煤炭工业信息化“十一五”发展规划》；

IEEE-802.3标准；

EIA/TIA568工业标准及国际商务建筑布线标准；

YD/T926.1-1997大楼通信综合布线系统标准（邮电部部颁行业标准）；

《建筑与建筑物群综合布线工程设计规范》（CECS2000）；

《AQ6201－2006煤矿安全监控系统通用技术要求》；

《MT/T1004-2006煤矿安全生产监控系统通用技术条件》；

《MT/T1006-2006矿用信号转换器》；

《MT/T1007-2006矿用信息传输接口》；

《MT/T1008-2006煤矿安全生产监控系统软件通用技术要求》；

《煤炭工业给排水设计规范》；

《建筑设计防火规范》；

《建筑内部装修设计防火规范》；

《煤炭工业矿井设计规范》；

《建筑工程消防监督审核管理规定》；

《煤炭工业给排水设计规范》；

《矿山安全条例》；

《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》；

《爆炸危险场所安全规定》；

《软件开发规范》；

《计算机软件可靠性和维护性管理》；

《计算机软件质量保证计划规范》；

GBGF001–9001《中国国内电话网No.7信号方式技术规范》；

GBGF0029002.1《中国国内电话网No.1信号方式技术规范》；

GB9254–88信息技术设备的无线电干扰极限和测量方法；

《邮电部电话交换设备总技术规范》；

《CCITT七号信令技术规程》；

《国内No.7信令方式技术规范综合业务数字网用户部分（ISUP）》；

《中国No.7信令方式技术规程》；

MT/T889–1995煤矿通讯井下汇接装置通用技术条件；

MT/405–1995煤矿生产调度自动交换电话总机通用技术条件；

《中华人民共和国公共安全行业标准》；

《建筑电气设计规范》《电气装置安装工程施工及验收规范》；

《用户终端设备耐过压和过电流能力规范》；

《信息技术设备包括电气设备的安全规范》；

《信号防雷》；

《通信网技术标准汇编GB84》[1989.10]；

《30MHZ~1GHZ声音和电视信号的电缆分配系统BG6510–85》；

《有线电视广播系统技术规范》GY/T1061–1999；

《有线电视系统工程技术规范》GB50200–1994；

《电子设备雷击保护导则》GB7450-87；

《国际标准化组织（ISO）》；

《国际电工委员会（IEC）》。

第3章数字化矿井网络平台建设

3.1网络总体设计

峻德矿巷道共分为4层：

140层、-50层、-250层和-500层，根据用户需求网络建设主要有如下内容：

1、搭建公司办公楼和矿区信息管理数据骨干网络：

采用千兆以太网技术，再实现百兆到用户办公桌面，满足用户数据传输的带宽要求。

2、矿区建设工业控制数据骨干网络：

采用千兆工业以太网技术，在竖井及地面建设工业控制网环网，在140巷预留网络接口，不铺设光纤；-50层铺设工业控制骨干网络（根据实际情况和需求情况决定井下网络不采用环网形式）；-250层铺设工业控制骨干网络；-500层目前属于新开采区，巷道较短，对现有巷道铺设光缆并进行预留；井下及地面各子系统采用交换机就近介入的方式，具体光纤铺设划为各子系统设计范围。

3、使用先进的高性能路由设备，解决企业信息网网络出口问题，实现与Internet及与集团公司的联网。

4、利用防火墙实现内生产管理控制网络与办公管理网络，和办公管理网络与到互联网Internet的隔离，满足矿企业办公管理和生产安全的需求。

5、采用核心交换机双冗余技术实现网络核心物理上的热备份，实现核心网络物理加固需求。

6、综合布线根据各个业务科室的实际需要，本着经济、合理、适用和可扩展性的原则进行传输线路铺设，数据信息点与语音信息点采用适当的标准化接口模块予以满足。

7、在网络设备（交换机、防火墙等）设置安全策略，严格控制办公网进出业务的各种访问；在网内部署防火墙系统、防毒杀毒系统及应用网络设备安全策略与安全配置，杜绝非法及越权访问；同时有效预防、发现、处理异常的访问，确保网络安全。

3.2网络拓扑图

3.3传输平台电源设计

1、UPS电源设计

●地面调度指挥中心：

安装1套APCUPS，为三进三出型（三相输入，三相输出）全数字在线式智能交流不间断电源系统，电池诞时时间不低于4小时,业内独一无二的UPS防雷技术，内置D级防雷装置，可承受8/20us6KV/3KVA的浪涌冲击，可外配C级防雷箱

●地面环网交换机UPS电源：

每台交换机安装1套山特UPS，1KVA不间断电源,4小时延时

●井下环网交换机UPS电源：

每台交换机安装1套井下矿用隔爆型不间断电源，供电时间不小于4小时

2、电源接入设计

峻德矿地面交流用电是220V/127V交流，工业以太网交换机所需的是24V直流，因此配置了220V交流转24V直流的赫思曼RPS30模块。

井下交流用电是127V/380V/660V交流，同样工业以太网交换机所需的是24V直流，在电源转换上做如下考虑，井下127V或660V交流接入井下防爆UPS电源，变压为24V直流，再连接到交换机的电源模块。

这样保证了交换机的双路供电，在有一个电源模块损坏或停电情况下，交换机设备可正常工作，完全不影响整个工业环网的传输，这点也是本方案设计的关键点之一。

地面设备供电连接图如下：

井下设备供电连接图如下：

3.4设备清单

序号

设备名称

规格型号

生产厂家

数量

单位

调度指挥中心核心交换机

1

SCALANCEXR324-12M（24V）

8个千兆光口,8个千兆电口核心交换机

西门子

2

台

2

MM992-2CUC

千兆单模SFP

西门子

6

台

3

MM992-2LD

8个10/100/1000Mbit/s端口，双绞线，RJ45口

西门子

4

块

4

SITOP电源

电源模块

西