1、信息技术改造传统煤炭工业 学科建设发展讲座材料信息技术改造传统煤炭工业的有力武器谭得健，张申（煤矿自动化专业委员会 中国矿大信电学院）20世纪90年代我国已成为世界第一采煤大国，仅管今后煤炭在能源中所占比例会逐年下降，但煤炭产量还会增加，据有关部门预测，到2010年我国需要煤13.4亿吨。我国煤炭资源丰富，劳动力廉价，在国际市场竞争中本应占有优势，但是由于技术、管理、体制等原因，大多数煤矿的效率低下。1998年我国国有煤矿（原统配煤矿）平均全员效率仅为美国的1.6，澳大利亚的1.78；而工人工资仅为美国的2，澳大利亚的1.15，工资差别如此之大，但吨煤成本还是超过了美国。加入WTO之后，外国优
2、质廉价煤炭可能涌入我国，我国的煤炭企业如果不尽快改变目前这种状况，前景将不容乐观。如何提高企业的竞争能力，我国未来煤炭企业的出路在哪里？结论只有一个：运用自动化技术、计算机技术和微电子技术等高新技术改造传统的煤炭工业，即实现企业信息化。企业信息化是将信息技术应用于企业的设计、生产、管理、销售的全过程，以提高企业的市场应变能力和竞争能力。信息化的主要内容包括信息的采集（传感器与检测）、信息的传输、（通信）、信息的处理（计算机）、信息的应用与集成（自动化）等等。煤矿企业信息化的目的：（1）应用计算机技术、网络技术、信息技术、控制技术、智能技术和煤矿生产工艺技术，实现企业的经营、生产决策、安全生产管
3、理和设备控制等信息的有机集成。（2）通过应用软件，实现经营管理科学化，生产计划、生产安全调度、生产过程控制最优化。（3）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。（4）提高对客户多种要求的响应能力。在这方面美国和澳大利亚的煤炭企业给我们做出了榜样。自80年代以来，他们在工作面采用计算机控制的大功率电牵引采煤机、电液控制的液压支架和具有软起动功能的刮板运输机。由于采煤机、液压支架、工作面输送机都由计算机监控，信息互相交换、联通、控制，可以在顺槽实现对工作面综采设备的自动控制。综采设备还装有多种传感器，不仅能对设备的工况进行实时监测，而且还可以对设备进行故障诊断，由于运用了自动
4、化、计算机和微电子技术，使得采煤机的开机率大幅度提高。而在主煤流运输、矿井供电系统、矿井提升系统等方面，均采用计算机实现工况监测与自动控制，而这些设备的信息通过网络（通信线路）还传送到地面调度中心，使得煤矿的管理决策更便于优化，实现了电子生产。例如美国麋鹿矿1997年平均日产量4万吨，月产量达到100万吨，工作面平均工效为1520t/工；为减少设备及其零配件的库存量，进一步降低吨煤成本，他们注重供应链的管理，大力推进以计算机、网络和数据库为基础的电子供应链；面对市场竞争日益严峻，他们转为以市场的客户为中心，重视客户关系管理，实现自动配煤，满足用户对各种不同煤质的需要，推动电子商务。先进采煤国的
5、煤炭企业正向管控一体化和产供销一条龙发展，实现企业信息化。我国煤炭企业与先进采煤国比较还有较大差距，但“九五”以来发生了巨大的变化，取得了可喜的成绩：一、采、掘、运、提等设备的自动化、国产化水平大幅度提高1综采工作面的设备“九五”期间机电一体化技术在我国煤矿得到普遍应用，在工作面国产电牵引采煤机已成为煤矿的首选机型，太原矿山机械厂、鸡西煤机厂、煤科院上海分院、无锡采煤机厂都能生产电牵引采煤机，这些采煤机装备了以计算机为核心的工况监测和控制系统，它是由安装在采煤机上的计算机、配合多种传感器，对采煤机的运行工况及参数进行采集、处理、显示、存贮和传输，提供操作指导或控制采煤机做出相应的处理。信息流成
6、为国产电牵引采煤机的主要特色之一（见图1.1）。液压支架则向电液控制方向发展。兖州兴隆庄矿和铁法大隆矿均利用德国PM4电液阀研制成功国产电液控制液压支架，将计算机技术和液压技术有机结合，实现定向双向邻架或成组自动移架，避免顶板对支架产生冲击负荷，移架速度提高到8S/架（见图1.2）。此外，中国矿大所研制的KJ63综采工作面综合监测系统，该系统的传感器均实现了数字化，它可以监测采煤机的工作状态，液压支架的工作状态、刮板运输机、转载机、破碎机轴承的温度和液压站的工作状态，上述参数通过顺槽的中心站（由PC104嵌入式计算机组成）显示，并传送到地面调度室，为煤矿领导提供了大量的工作面生产信息，对指挥生
7、产、提高开机率起到了积极的作用（见图1.3）。2煤矿运输设备的机电一体化发展也十分迅速，由于胶带输送机已成为我国煤流运输的主要设备，因此，近几年来胶带输送机的机电一体化成为重点研究对象。以计算机为核心，配备堆煤、跑偏、打滑、温度、烟雾、横向断带等多种传感器的胶带输送机综合保护系统，已在煤矿得到普遍应用，并取得良好的效果；引进的电液控制软起动（CST）装置，在我国的多个矿区得到很好应用，它是利用计算机与液压技术相结合，很好的解决了胶带机起动、停车、调速和功率平衡等问题，而且能监测设备各部分的工况，对不正常状态进行保护、显示故障类型等。而利用电力电子和计算机相结合的电气软起动装置在我国得到迅速推广
8、，其中唐山开成公司开发研制的BGRQ-6A隔爆型3.3KV高压软起动装置，在淮南张集矿主运输胶带上使用，效果良好；由于以计算机或PLC为核心的胶带机自动控制装置得到迅速推广，为胶带集中控制奠定了基础，中国矿大研制的KJ42胶带机自动控制系统，在兖州兴隆庄实现了在地面远程集中控制井下胶带运输机，该系统投入使用后减少了33名岗位工，胶带机动力从1000t/h提高到1200t/h，取得了良好的经济效益和社会效益（见图1.4）。“九五”期间我国还研制成功钢绳胶带机全数字控制系统，具有完善的保护、自诊断和通信功能。该系统在平顶山六矿等十几个矿井使用，取得了良好的效果。图1.4 煤矿胶带监控系统图3矿井提
9、升设备的机电一体化在“九五”期间所取得的进步也是前所未有的。目前国产全数字直流提升机已占领了国内的市场，其中中国矿大研究成功，具有自主知识产权的全数字化直流提升机，核心部分ASCS是由双CPU构成的计算机系统。它是电力电子计算机自动控制的综合体，该系统高度可靠、具有可重复性；具有故障寻址、完整的诊断设施和自诊断功能；简单而快速地通信功能；采用总线方式，大大简化了电气安装；硬件配置简单、互相兼容、零备件少；可以方便的实现软起动、软件控制和改变瞬时加速度，达到了90年代国际先进水平。该系统在平顶山、永夏、开滦鹤岗等矿区使用，反应良好（见图1.5）。此外，采用SIMADYND和S7的国产交交变频提升
10、图1.5 主井提升机控制系统框图机2000年11月在焦作古汉山矿投入运行。冶金自动化院研制的23000KW交交变频特大型提升机2001年9月在淮南张集矿投入使用，运行情况良好，性能稳定、可靠，达到国际先进水平，该系统除引进SIEMENS公司的计算机主控柜之外，软件和系统其它硬件全部由国内设计、制造。该系统主要特点是：（1）交交变频供电的单滚筒、双同步电机驱动。（2）可实现恒减速制动并以恒力矩制动为后备的液压制动。（3）以矢量控制、PLC逻辑控制（采用双PLC）、网络通信技术为核心的全数字控制与监测。（4）与自动装载系统相结合，实现主井提升全自动化。（5）采用双PLC、双电机、3台液压站等全方位
11、、多层次冗余措施，保证系统绝对安全可靠。系统如图1.6所示。此外，国产的井下高低压配电装置、井下水泵和电机车信集闭系统等等都实现了以计算机为核心的综合保护或控制。可以说“九五”期间我国自行研制生产的煤矿主要生产设备都采用计算机技术，基本实现了自动化。在装置水平上接近或达到国际先进水平。有的设备其核心部分虽然采用了国外的技术（例如电牵引采煤机的变频器，全部是引进的，绝大多数全数字化提升机的调节柜和控制柜也是国外的产品），但价格大幅度下降，同功率的国产提升机价格仅为进口的1/3。价格的下降和产品质量的提高大大推动了煤矿自动化。虽然“九五”期间我国煤矿自动化有了很大的提高，为企业信息化提供了很好的基
12、础，但我国煤矿企业还远未实现信息化。上述这些自动化装置还处于过去机械制造厂加工中心的“自动化孤岛”状态，它们所提供的信息量少、所得到的信息还未能充分利用，在这方面还有许多工作要做。目前应进一步向综合自动化和管控一体化方向发展。二、计算机监测监控系统得到迅速推广1现状：自上世纪80年代以来，我国就大力推广煤矿井下安全生产监控系统，19831985年，我国从欧美国家引进数十套监控系统用于煤矿安全生产监测，如法国的CTT63/40系统、波兰的CMC20系统、英国的MINOS系统、德国的TF200系统、美国的FEMCO系统等等。同时我国自己也开始研究煤矿井下安全生产监控系统，推出A1、A2等系统。19
13、93年我国共研制出30多种型号的矿井监控系统，到2000年我国统配煤矿共装备安全生产监控系统共有30几种型号，近300套。主要煤矿安全监测系统分布情况见表2.1。而它们的主要功能是监测矿井瓦斯、风速（瓦斯超限后自动切断电源）、设备开停和核子秤计量等等。表2.1 各类系统装备分布情况系统型号系统数量（套）平均使用瓦斯传感器（个）平均使用所有传感器（个）KJ44930.850.1TF2003926.429.8KJ103715.917A12712.317.1KJ661932.462.8KJ951816.649.9KJ311513.057.7KJ921127.036.1KJ101826.826.8KJ
14、90635.544.7推广较多，用的较好的监控系统有：KJ4、TF200和A-1,KJ95，森透里昂600、KJ90、KJ66等系统。90年代以来在全矿井安全生产监控系统发展的同时，我国煤矿各种功能单一的监控系统也得到迅速发展，例如束管监测系统、电力监测系统、轨道运输信集闭系统、胶带机集中控制系统、矿井提升机监控系统、矿井通风机监控系统、工作面综合监测系统、矿山电网综合自动化系统、井下人员自动跟踪系统、顶板离层和巷道变形监测系统等等。上述系统为保障矿山生产、人员的安全、正常生产和减人提效起到了重要作用。与此同时我国煤矿管理信息系统也得到迅速发展。例如劳动人事管理信息系统、煤炭运销管理信息系统、
15、考勤系统、财务管理信息系统、物资管理信息系统、计划统计管理信息系统、机电设备管理信息系统、地质测量管理信息系统、生产调度管理信息系统已在许多矿区得到普遍应用。2国产煤矿监测监控系统的结构从我国目前使用的监测监控系统来看，其网络拓扑基本相同为总线形；通信方式基本为基带、FSK；半双工通信方式；介质访问控制方式的“轮叫轮询”方式，通信接口基本采用串行口；传输速率一般为600BPS4800BPS之间。其系统结构如图2.1所示。1）传感器及执行器，负责采集环境及工况参数，最终执行地面中心或分站发出的控制命令，是监控系统的边缘设备。2）智能分站，一种由微处理器控制的自动装置，负责传感器的集中供电，完成实
16、时信息的采集及预处理、完成与地面监控中心的数据通信。3）数据传输系统，由传输电缆（光缆）、通信控制器及相应的传输协议构成。4）地面监控中心，系统信息的处理中心，由工控机、打印机、电源、模拟显示屏、网络设备组成。监控中心完成实时数据采集、显示、分析、存储、查询、打印、系统维护工作。图2.1监控系统的基本结构3几种主要国产煤矿安全生产监控系统性能比较表2.2 常用监测监控系统性能分析表型 号KJ90KJ95（KJ1、KJ2、KJ22）KJ66KJ4最大容量64个分站255个分站128个分站分站类型KDF-2大分站、KDF-3中分站、KDF-4小分站KJF10、KJF11、KJF16、KJF17、K
17、HJ4、KJ2001、KJ2005、KJ2030KJF23AKJ2007C、KJ2007C1、KJ2007D、KJ2007D1、KJ2007K、KJ2007F、KJ2007E、测点数量模拟输入512开关输入512控制量512模拟输入512开关输入512控制量512模拟输入1024开关输入1024控制量512模拟输入1024开关输入1024控制量512传输方式同步差分四相码基带半双工基带半双工FSK半双工传输速率=2400BPS=1200BPS1200BPS=4800BPS传输距离20KM15KM15KM20KM联网能力有有有有开放性网络数据共享网络数据共享网络数据共享网络数据共享标准化厂标厂标
18、厂标厂标适用范围煤矿安全生产监控煤矿安全生产监控煤矿安全生产监控煤矿安全生产监控装备数量约2070多套20多套90多套表2.2列出了国内煤矿使用的几种主要监控系统的基本性能，表面上看它们都具有网络数据共享能力，但是其所遵循的标准都是厂家自己制定的互不相同。而且，其支持网络通信的能力很弱，只支持在对等网络下简单的数据共享，系统没有网络安全管理能力，极容易因为数据共享而造成系统死机。网络数据共享协议严格保密只限自己使用。4我国煤矿安全生产监控系统存在的主要问题4.1缺乏统一的通信及信息交换标准国内生产的安全生产监测监控系统，多为封闭系统，系统中使用的通信协议和信息交换标准都是厂家自己制定的，严格保
19、密，互不兼容，标准五花八门，十分混乱。有关部门应尽快出台我国矿山安全监测监控系统通信和信息交换规范。4.2网络结构不规范我国生产的煤矿安全生产监测监控系统，都有自己独立的通信系统，如KJ4使用总线FSK，组成主从式通信系统；KJ90使用同步差分四相码，组成半双通信系统；KJ95系统使用基带半双工传输方式。其它的系统如电力监测多使用ATM网，工业电视系统使用HFC方式，网络结构和通信模式多样，极不规范。每种系统都需要建立自己的网络系统，造成重复投资，通信资源利用低下，构建煤矿综合数字业务网络已成为目前迫切需要解决的问题。4.3应用软件设计理念陈旧，开放性差在应用软件方面，国内其它领域的监测监控系
20、统，如石化工业中的过程控制，普遍采用组态方法设计软件，用户只需做一些填表型数据设置，就可以组成适合自己要求的监测监控系统，而整个设计过程完全是在图形界面下完成的。而我国煤矿安全生产监测监控系统软件，功能比较单一，动画图形和网络支持能力较弱，国内主流的监测监控系统基本上还采用最简单的对等网络，软件的用户管理能力较弱，用户自主发挥的余地不大，软件不支持DCOM/CORBA等对象互连标准，系统开放性差，制约了系统信息的集成和作用的发挥。4.4以纵向集成代替横向集成为分析问题方便起见，我们将系统集成分为两类：1）纵向集成主要是指一个生产厂商可能生产多种监测监控系统，这些系统之间的集成称之为纵向集成。有
21、些厂家，已经意识到封闭系统的不便，在单位内部实行了统一的通信信令。不可否认纵向集成有利于本单位内部系统综合作用的发挥，但是，可以想象每一个厂商不可能在用户需要使用的所有领域中，都生产过硬的产品。所以从本质上讲纵向集成只不过是系统功能的增加，本质上仍然是一个封闭系统。2）横向集成不同厂家的系统集成称之为横向集成。通过横向系统集成将不同厂家的各具特色的系统互连起来，组成更大规模的综合自动化系统，是我们需要解决的主要问题。研究横向集成技术是保证系统集成顺利开展，保持监测监控系统特色，保证系统技术发展多样性，不断推出新技术的重要手段，决不能打着系统集成的旗号用纵向集成取代横向集成，决不能因系统集成的需
22、要限制监测监控系统技术的发展。4.5系统智能化和程度不高目前煤矿安全生产监测监控系统，主要是用于数据的实时监测和历史数据的存储，数据处理与分析能力不足，缺乏决策支持能力。可以说目前我国使用的各种监控系统是一种“信息孤岛”。三、煤矿综合调度指挥系统和管控一体化是我国煤矿今后的发展方向1煤矿信息化的发展趋势1）系统集成度高、信息量大，功能向控制、决策和故障诊断方向，结构向集散化方向发展。在先进采煤国井下设备都装有CPU，可以连续检测设备的各种工况和各种环境参数。上述信息通过计算机网络传送到调度室，而且通过网络可以实现综采工作面的顺槽控制和井下设备地面远程控制。对所采集到的各种信息不仅用于显示和简单
23、的报警，例如对采煤机、液压支架、提升机这些大型设备，通过对历史数据的分析，某些数据的变化趋势、诊断设备的故障，甚至通过互联网络实现远程诊断，又例如日本为能早期预报井下的灾害，正在研究，利用长期从事监控工作人员总结出的经验，开发由计算机进行综合判断的智能专家系统，该系统能够不间断地对井下异常情况进行监控，并能根据系统的智能判断作出决策。系统基本上都采用集散系统结构，一般在结构上由现场测控分站和控制中心主站组成。分站可以脱离主站自动实现就地监测和控制功能，分站一般由专用计算机系统组成。传输系统以FSK为主，拓扑结构多采用总线型。2）系统的开放性好。目前国内的煤矿设备和监控系统由不同厂家生产，其硬件
24、、通信协议和标准不同，很难集成为一个统一的综合信息系统。而一些国际厂商正在深入研究和采取各种措施，解决不同总线的集成、异构数据库、异构网络的集成等问题。其中以太网已被标准化，而且容易设置，价格较低，因此被广泛使用。近来在工业自动化领域中也开始采用以太网，制订了有关标准（如Ethernet/IP），其内容主要围绕确定性、互操作性和可靠性研究解决办法，随着高速以太网的出现，智能以太网交换机的使用和具有防尘、防潮、防爆和抗电磁干扰的以太网器件的面市，煤矿信息网络将更加开放，使系统更加灵活、经济、有效的加以扩展。目前SIEMENS公司和Rockwell公司的产品具有上述功能。3）管控一体化由于计算机和
25、网络技术的发展及市场竞争更加激烈。目前需要也能够将企业的各种信息融合在一起，企业的各种信息都有其内在联系，生产、安全的信息不但与管理信息有关，而且与市场信息有关系。为了使各种信息能得到充分利用，许多企业都在实施CIMS工程（计算机集成生产系统），它实质上是一个管控一体化系统，它将各生产子系统、办公自动化系统、管理子系统等等综合在一起。使企业的效率更高，产品质量更好，更符合市场的需要，而企业人员更少。4）智能化所谓智能化，就是不仅利用计算机和执行机构等代替人手，而且可利用计算机等设备代替人脑。首先是传感器的智能化，如需要不断推出具有自动校正，灵敏度自动补偿，非线形自动补偿等功能的智能传感器。目前
26、我国煤矿综合自动化系统不仅综合程度不高，而且现有的信息利用率也不高。目前所采集到的安全信息、生产设备的工况信息都处于在线显示、历史曲线的记录和超限报警况状，并没有充分利用这些信息、专家的经验和某些数学的方法，预测矿井的安全情况、矿井灾害的提前报警、设备的故障诊断、未来市场的预测等等。当然这项工作的深入研究，需要各个学科、专业紧密合作。不过目前计算机和信息技术的发展已为这项工作提供了初步条件。智能化是煤矿企业信息化的一项重要内容。2兖州济三、晋城寺河矿井安全生产监控系统兖州济三矿和晋城寺河矿新引进的Honeywell公司的安全生产监测监控系统，其作为“济三矿”和“寺河矿”全矿井的生产调度指挥核心
27、，担负着对井下各环境参数（瓦斯、一氧化碳、巷道风速、温度、负压、烟雾等），矿井主要设备的工况参数（主煤流系统设备、水泵、风机、风筒、主变配电设备运行工况及水仓水位、煤仓煤位等）进行监视和数据采集，并可实现对以上内容的数据储存、记录、报警、趋势分析、报表生成等，同时还可以实现对井下大巷胶带运输机的集中控制、掘进工作面风、电、瓦斯闭锁断电控制。HIMASS系统充分利用了现代计算机控制技术和网络技术，以提高矿井的安全生产、自动化水平和科学化管理水平。去MIS系统控制室网络(以太网、各种工作站)处理网络(以太网)地面各种系统(主、副井，变电所，风机)网关(以太网/DH+)光纤与DH+网光纤与DH+网图
28、3.1 HIMASS监控系统主干系统统统示意图HIMASS系统与我国目前运行的KJ系列监测监控系统相比，其主要特点是：1）系统设计基于现代控制理论，因此有较高的鲁棒性和冗余措施，可保证系统长时间安全运行。2）采用了最优的通讯和巡检策略，能快速可靠的进行远程监视和控制。3）可以支持多种通讯协议，如Modbas和TCP/IP等，以实现与第三方设备接口的通讯。4）井下分站采用PLC，其控制功能、可靠性、灵活性都优于单片机。HIMASS系统除配置满足系统运行所需要的基本软件外，还配置了代表Honeywell技术水平的标准SCADA软件。如预组态显示软件，可以降低工程组态时间。趋势图软件，可依照时间精确
29、地分析历史过程和获取数据。报警管理软件中的“相关画面”功能，允许将报警位置处不同测点参数曲线同屏显示。停机故障分析软件对设备停机或过程延迟进行检测、记录、从而进行分析。瓦斯防爆软件提供实时或历史的矿井爆炸状态，以图表指示该处潜在的爆炸状况的发展。这些应用软件都是国内系统所不具备和有待开发的。该系统技术先进，但因系统集成商未能选好，许多功能未能实现，目前只能作为监测系统使用，不能对井下设备实行控制。3大柳塔矿综合自动化系统大柳塔煤矿矿井调度监控网络选用美国Rockwell公司的工业控制产品，网络为三级结构，分为信息层、自动化与控制层和设备层。信息层采用以太网，用于全矿的数据采集和程序维护；自动化
30、与控制层采用控制网ControlNet、DH+和远程I/O，实现实时I/O控制、控制器互锁和报文传送；设备层采用设备网DeviceNet，进行底层设备的低成本、高效率集成。大柳塔煤矿矿井监控系统网络结构图如图3.2所示这里主要介绍ControlNet层和DeviceNet层。ControlNet层采用光纤为主干网，辅以铜缆ControlNet、DH+等分支网络构成覆盖全矿井的网络。控制网是一种基于生产者/客户模式的高速确定性网络，它为对等通信提供实时控制和报文传送服务。它作为控制器与控制器之间，控制器与I/O设备之间的一条高速通信链路，综合了现有各种网络的能力。控制网是一种现代化的开放网络。控
31、制网网络组态软件能够提供网络的视图，易于开发。DeviceNet层也是一种基于生产者/客户模式的网络。这种64个节点、多支线、高速率(500kbps)的网络，允许用户用一根电缆去连接500m以内有设备网络功能的智能设备，并连接至用户的可编程控制器，无需用导线将每一个设备分别连接到I/O机架上，减少导线费用并方便安装与维护。智能设备可以提供诊断、故障预测等功能，使系统停机时间减少。大柳塔煤矿综合自动化系统根据全矿调度监控的需要和网络信息流量、数据的相关性，设计了两段光纤ControlNet主干网络，分别为皮带运输系统网络和辅助系统统网络。调度室内为两段网络各配置三台工业控制计算机作为监控和通讯终端(SCADA)，其中各两台完成调度监控任务，各一台执行与管理信息网层通讯及故障报警、打印任务。另设一台打印服务器和一台打印机完成打印任务。综合自动化系统覆盖了大柳塔矿所有与生产相关的环节。系统具备完善的生产监控与管理功能，对全矿各主要生产环节及相关的辅助环节的生产过程进行实时数据采集、传输、处理、显示、记录、打印。对掘进和煤流运输的18条胶带进行包括软启动在内
