基于矿山安全生产实时监控与调度指挥系统的设计
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本钢板材股份有限公司采购中心的研究人员胡冰，在2016年第8期《电气技术》杂志上撰文指出，矿山安全生产综合信息化核心技术是集成化的数据管理、集成化的通讯、集成化的编程组态和现场控制设备的自动化、网络化，这些都是煤矿安全生产综合信息化的内容。其实质是依赖对矿区地理、生产、安全、设备、管理等方面的信息进行采集、传输、处理、应用和提升，达到信息增值的目的。
在此基础上采用实时以太网技术，在矿区建立实时工业以太环网，争取实现今后部分系统的无人值守，实现对全矿安全、生产的远程集中监测与控制。通过支持实时以太网技术的千兆工业以太网真正在矿山实现管控一体化。
矿山安全生产的实时监控是保障矿山生产、防止事故发生的关键，将以太网技术应用于矿山的安全监控系统，是矿山安全管理必不可少的基本手段，能够有效地保证矿山的安全生产[1]，从单台计算机的实时监控到多级计算机实时监控系统，以分布式、网络化和智能化的系统，在各种矿山企业中都有应用[2-4]。
随着计算机软硬件技术的迅速发展，将人的控制和对物的控制结合起来，构成矿山人与人、人与物、物与物相联的网络，将灾变信息的监测和减灾控灾措施有机地结合起来，动态详尽地描述并控制矿山安全生产与运营的全过程，以高效、安全、绿色开采为目标，保证矿山经济的可持续增长。
1 实时监控与调度系统总体概述
1.1 数字化矿山管理系统和硬件设施组建内容
针对矿山安全管理重点，如图1所示，建立矿山预警和调度指挥系统，在三维可视化平台上，实时采集、分析和管理关系矿山安全的人、机、环境进行实时三维数字化测控，以通讯技术和计算机网络为纽带，以数据挖掘、三维空间分析和虚拟仿真技术为手段，实现安全生产监督管理、监测预警、辅助决策、应急救援指挥级模拟演练等可视化、自动化，形成多种业务归并于同一网络系统中的综合应用平台，系统主要由以下几个方面组成：
图1 数字化矿山关系系统和硬件组建整体架构图
（1）建设矿山安全生产在线监测监控系统，实时监测监控井下人员与机车位置、重点工作区域、通风、排水、温度、有害气体等重大危险源实施监测、分析和预警，通过网络通讯系统传输和实时调度指挥，达到事前预防，提前控制。
（2）建设工业自动化控制系统，主要生产工艺实现自动化控制。主要实现皮带运输监控系统、通风排水自动化控制系统、电力监控系统、风机监控系统和有害气体抽放监控系统，避免人为操作，实现远程自动控制。
（3）建立矿山数据库，对矿山多源数据集成与共享，进行数据挖掘和快速提取，对矿山采矿和安全等不同应用需求进行模拟分析和决策。
（4）建立三维可视化平台，通过三维建模和虚拟仿真技术，重现采掘生产环境，有效集成矿山采掘生产辅助决策系统、在线监测监控与自动化系统、安全生产调度指挥系统，在三维可视化平台上实时进行矿山安全生产监测监控、分析决策和调度指挥。
（5）建设智能化服务，通过生产经营决策平台提供智能化工具和综合决策支持，最大限度地降低脑力劳动强度，避免人为决策失误。通过数字化再造使整个矿山具有自我分析能力和决策能力，使矿山的人、机、环境处在高度协调的统一体中运行。
1.2 数字化矿山软件系统总体概述
本系统围绕监控人的不安全行为和物的不安全状态以及事故预警等方面的内容建立平台[5]，从整体系统结构图可以，本系统将划分为9个功能区：（1）分布式设备数据采集区域，包含多个区域；（2）广域网数据传输网络；（3）网络互联区；（4）实时数据处理区；（5）数据存储区；（6）应用功能区；（7）安全防护区；（8）数据备份区；（9）画面展现区。
图2 矿山安全生产实时监控与调度指挥软件系统架构图
在各个站库安装及配置一台数据采集网关和一台工业隔离设备，其中数据采集网关通过以太网或串口等通讯方式将各个站库的硬件设备（如PLC，板卡，仪表等）采集到数据采集网关，数据采集网关通过自身的另外一个网口将数据实时的发送到工业隔离装置。
工业隔离装置收到数据包后，将数据包进行解析，剥离TCP/IP协议，将原始数据单向传输到工业隔离装置的另外一侧，工业隔离装置再对远程数据进行加密压缩，并通过Internet将加密压缩后的数据包传送到远端指挥中心的通信服务器，通信服务器获得数据包后，通过专有的解码程序对数据包解压缩及解码。
将还原后的数据实时发送到数据库服务器，由实时数据库对数据进行归档存储。应用服务器将汇集到中心数据进行二次加工及计算，回写数据存储区保存起来。开发出来的画面及报表等将通过WEB方式及指挥中心大屏幕展现给决策者。
为提高系统的稳定性，可靠性，可用性，在中心系统的建设中，考虑构建网络冗余提高底层通讯的稳定性，构建冗余的通信服务器、数据库服务器、应用服务器提高系统的可靠性，构建网络防火墙和病毒防火墙提高系统的抗风险能力。构建网络备份设备NAS，可大大降低意外事故带来的数据丢失损失。
2 系统功能设计
本系统主要实现对矿山采选生产流程和主要的生产设备进行实时监控。
2.1 动态监测
系统生产动态信息平台采用WEB方式，通过软件提供支持，实现展示页面数据监控，通过统一门户实现系统安全性控制。对各个生产流程中的重点部位的报警点进行相应配置，以满足在用户在工艺流程图上及时了解装置报警信息。
在流程图内，当工艺参数的值超过正常范围时会显示红框报警，如下图所示。
图3 报警例图
流程图中的数据按周期动态刷新，若系统与DCS的通讯不正常或个别数据采集错误，工艺参数值会显示“BAD”或“IO Timeout”。生产数据实时展示区域通过弹出式窗口方式展现，该区域用来实时展示矿山的主要生产装置的工艺参数。
改变该区域的展示内容，可以通过单击相关导航节点或单击展示页面中的切换按钮来完成。通过实时数据库系统组态软件，可以完成工艺流程图的绘制与修改、工艺参数的设定与修改、设备参数的设定与修改、数据点的建立、添加与修改等功能。
2.2 应用功能设计
在实时数据库系统全部建设完成后，需要实现对生产过程的监控。要实现该目标必须建立完整的生产监控系统，以实时数据库为数据源，实现对所有装置生产实时数据的自动采集、存储；以组态软件为平台基础，在管理层与控制层之间建立了一个桥梁，将具有重大价值的过程数据实时地呈现在企业管理层面前,对生产过程进行快速准确的分析，及时的响应、快速地决策，达到改进生产能力、提高经济效益的目的。
系统建成后具有如下功能：（1）数据采集功能是采集的数据信息包含DCS数据包括的：瞬时值，设定值，反馈值等主要设备的运行状态。（2）流程图展示功能是以图形方式实时显示企业现场工艺流程状态，涵盖流量、温度、压力、液位等参数信息。
同时集成了流程图导航、报警点展示及历史数据钻取分析、工艺点历史信息钻取分析、重要工艺参数汇总等功能，既满足了用户对生产现场情况的监控需求，又满足了用户对生产数据的分析、研究、决策的需求。
生产管理、调度和车间工艺管理人员可以通过Web浏览器访问数据平台的用户操作界面，对全厂的生产情况进行监视和分析。
2.3 数据趋势分析
数据趋势分析是一个图形化的数据分析功能，可以方便的观察数据库中的历史点在任意一个时刻的状态，方便的查询某个位号的历史趋势曲线，分析某一液位点、温度点、压力点、流量等的运行情况。
其功能是以曲线的方式展示实时数据，方便生产管理人员掌握过去生产的变化趋势。同时通过单点趋势展示，对于开发的所有展示界面，即时显示某个数据点的历史趋势以及历史数据。
2.4 数据报警
该功能可以自动记录系统状态变化、操作过程等重要事件，一旦发生事故，可就此作为分析事故原因的依据，为实现事故追忆，提供基础资料。系统提供了完备的报警机制，如高报、高高报、低报、低低报、偏差、变化率、延时、坏点、录入超时报警功能，提供报警确认、报警汇总、报警历史查询等功能。
在运行时自动记录系统状态变化、操作过程等重要事件，一旦发生事故，可就此作为分析事故原因的依据，为实现事故追忆，提供基础资料。报警和事件记录可以存放关系型数据库中，便于分析、查询和统计。
2.5 生产数据报表
系统采用的报表功能强大，基于EXCEL制作，PI客户端软件作为插件集成到EXCEL中，利用EXCEL的自身功能可以实现按行列分页、固定表头、批量打印等功能；可以完成时报、班报、月报、季报、年报等复杂报表。
采用B/S架构，用户可以方便地通过IE进行报表的查看，模版的建立和修改，在报表格式、内容需要变化时，用户可以通过增减报表的行或列，简单配置即可顺利完成修改，维护简便。
3 结束语
矿山安全生产实时监控与调度指挥系统的设计为今后通过实时高速多媒体宽带以及自动控制平台形成企业综合信息化平台，实现数字化矿山做基础数据铺垫。同时系统建成后，设备稳定，可靠传输，系统安全，三网合一，达到监、管、控一体化的目的。