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[摘 要]煤矿生产与安全监控经历了手动监控、PLC组态软件远程监控的过程。现在一般以PLC与组态软件组成的分散的单机监控系统。故对网络特别是web监控支持的不够。没办法实施网络监控，仍停留在矿调度和公司调度一级级的打电话询问情况的生产安全汇报管理模式。将主副井各个生产厂家的信号集成到了同一个系统平台上。改变传统主副井控制系统分散于各个生产现场且绞车监控系统与计量系统各自为政，无法与生产计划完成情况相关联的局面。形成煤矿安全生产、调度、管理、指挥的综合、立体监控的管理模式。使得煤矿生产过程自动化监控系统之间、数字监控与视频监控系统之间、自动化系统与调度信息化之间的数字鸿沟消隐于无形。在一定程度上，解决了“信息孤岛”现象，各监控系统之间的信息资源可以共享，监控系统之间可以实现业务联动。
[关键词]PLC组态软件 单机监控 网络监控 信息孤岛 业务联动
中图分类号：TD724 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）34-0325-02
1.系统集成概述
1.1 传统系统的现状与问题
煤矿生产与安全监控经历了手动监控、PLC组态软件远程监控的过程。主副井提升关系到生产与安全，也关系到生产计划与完成情况。传统的主副井控制系统将绞车提升监控与产量计量分离；侧重的是机电一线维护人员所关心的电流、电压、提升速度、工况状态，无计精细化钩数产量计算。对高层管理人员无实际的决策意义。
煤矿的系统状况为原来有分离式的各种检测控制子系统，采用的通信协议五花八门、参差不齐（如can、modbus、tcp/ip、RS-485、RS-232）等。每个分离子系统负责每个煤矿业的部分部门的生产管理活动，各个系统不能互通。煤矿上的主副井监控系统作为生产安全管理的一部分同样具有同样的问题。
1.2 本系统研究作用
将主副井各生产厂家的信号集成到同一个系统平台上。改变传统主副井控制系统分散于各个生产现场且绞车监控系统与计量系统各自为政，无法与生产计划完成情况相关联的局面。形成煤矿安全生产、调度、管理、指挥的综合、立体监控的管理模式。使得煤矿生产过程自动化监控系统之间、数字监控与视频监控系统之间、自动化系统与调度信息化之间的数字鸿沟消隐于无形。在一定程度上，解决了“信息孤岛”现象，各监控系统之间的信息资源可以共享，监控系统之间可以实现联动。
随着“矿井提升自动化监测系统”的进一步扩展，将使煤矿的安全生产步入网络化、立体多层次的监控、监督、管理、调度的全面信息化时代，使该矿能够对生产、安全的全过程实施全天候的数据监控、视频监控、立体监控管理和科学高效的调度。
1.3 研究可行性分析
现阶段矿山工业控制技术相对比较成熟，集成系统在国内外有部分的成功经验可以借鉴，煤矿上基本建成了分离式的控制子系统，且有一个个的分调度室，已经建成或者计划新建矿调度室和公司级总调度室。只是资源与数据分离，没有統筹与综合运用。只需将数据实时同步至数据中心服务器中进行综合分析处理、以网络（WEB）展示即可。拥有可靠的工业以太网为网络支撑基础；拥有IBM这样达到工业标准服务器支撑软件稳定运行；拥有windows2008稳定的操作系统稳定运行；拥有像sqlserver2008/2012这样的企业数据库管理系统和实时数据处理技术，进行实时数据处理；拥有.NET这样的软件技术为集成系统研究奠定了软件研发基础。所以矿山主副井提升集成系统的研究与实现成功的可能行较大。
2.研究实现要求
2.1 功能要求
2.1.1 子模块清单要求
⑴主副井监控系统：新老井（四井）、主井、副井、新主井、新副井、老主井、老副井提升监控系统、主副井实时监测总表、产量计划配置管理、日报修改。
⑵历史查询系统：班次日报、月报、年报查询系统、报警查询、历史曲线查询。
⑶系统维护：部门管理、用户管理、权限管理、用户审核、密码修改。
2.1.2 实时监控量要求
⑴基础实时数据：主斗深度、副斗深度、提升速度、电枢电流、励磁电流、运行方式、速度选择、操作方式、信号系统、报警信号。
⑵钩数、产量：①主井：早、中、晚、当天、当月对应的提煤、检修钩数、空钩钩数、提煤吨数、任务完成情况。②副井：早、中、晚、当天、当月对应的钩数。
⑶过卷量：极限过卷、过卷、停车、停校、减速、减校。
2.2 技术要求
2.2.1 基于网络的监控系统
系统需采用基于TCP/IP协议，只要有网络就可以在任一台计算机上实现系统监控，方便快捷。
2.2.2 采用B/S架构设计
系统需采用B/S模式，无需安装客户端，只需用户名和密码就可以登录监控，可以多用户、多部门、多级别同时监控。方便快捷。
2.2.3 实时数据采集
系统数据采集需达到实时系统标准，单次采集时间不超过50毫秒。
2.2.4 主备数据采集
为保证系统达到工业稳定的标准，当硬件和软件接口有部分冗余的情况下，需智能切换主备数据采集功能，不瘫痪整个集成子系统。
2.2.5 多子系统集成有机扩展
系统需建设一个基础平台在此平台上先集成主副井监控系统，然后再向供电、水泵、抽风、压风、流媒体视频监控方向扩展。
2.2.6 易与扩容
系统平台软件在设计时需充分预测未来扩容趋势，集成新子系统时，无需改动原平台软件即可完成新系统扩容。
2.2.7 灵活权限管理
系统平台软件需为每一个平台用户分配灵活的操作页面，发挥软件平台的多用户特性，在更短的时间内满足了更多的人的需求。 2.2.8 艺术感的模拟画面
需研究一种艺术感的模拟画面向用户形象地提供实时、准确的系统运行状态信息，给用户一种身临其境的感受。
2.2.9 个性化的监控数据总表
需研究实现监控数据总表，该总表除了能记忆用户的查看布局风格外，同时也准确实时的显示底层设备的运行状态信息。
2.2.10 个性化的报表
需研究实现个性化的报表，该报表为用户提供“量身定做”的报表功能，简化用户日常的统计数据流程、缩短用户因为统计数据而花费的时间，同时也提高统计结果的准确性。
2.2.11 便捷的业务联动
需研究实现便捷的业务联动，加强各个软件模块之间的关联性，不再是分离式的子系统，降低用户操作的难度，同时方便用户查看相关系统不同类型的信息（如模拟图画面、监控总表和视频画面等等）。业务联动的方式如下：通过手动点击按钮或者图标的方式实现业务联动，如点击监控总表的模拟图链接显示该监控子系统的模拟图、点击视频按钮显示该子系统的视频；点击模拟图中的视频按钮查看视频、点击报表按钮查看子系统对应的报表。
3.设计及其改进设计
3.1 原设计
分离式的生产监控和视频监控，系统的可扩展性有限。系统只是将各个子系统的数据采集到数据中心，以web方式供操作人员和管理人员使用，各个子系统还是相互之间无逻辑上的关联关系，数据采集以天地下位机移动罐笼、显示电流等其他实时信息，以冠宇下位机统计显示勾数、提升吨数等。
3.1.1 网络结构图
3.1.2 集成系统软件总体架构
姚桥煤矿生产监控与调度信息集成系统软件总体构如图6所示。
系统软件总体架构分三个层次：一是与监控子系统相关的底层软件系统接口，二是系统的数据中心（包括实时数据库和历史数据库）以及与之平行的信息交互交互系统，三是生产调度、管理与信息发布系统。
3.2 改进设计
3.2.1 数据采集完善性设计
经过一段时间观察发现他们检修时有时天地机器连接不上，有时冠宇机器连接不上，检修好机就能连接上了，并且两台下位机不会同时连接不上。因此有了下面的方案：
获取冠宇的参数： 左罐笼到位、右罐笼到位；获取天地的参数：主斗深度、副斗深度、电枢电流。
双备份钩数计算方式：
当冠宇的网络连接正常时，根据左罐笼到位、右罐笼到位参数的值，若左箕斗或者右箕斗到位，则钩数加一。
当冠宇的网络连接异常，天地的网络连接正常时，根据天地的参数电枢电流判断当前提钩的状态是提煤还是检修，根据天地的参数主斗深度、副斗深度的参数值判断是否进行记钩。
⑴优点：当冠宇正常（天地可以正常，也可以不正常时），准确记钩，准确记吨。在冠宇不正常，天地正常时，准确记钩，粗略估计吨数，钩吨大致一致。当冠宇天地都不正常时，钩吨均不计。但钩吨对应。根据概率论计算，假如每个机器出问题的概率为1/100，采用这个算法后出故障的概率为1/10000。比原来1/100的故障率大为减小。
⑵缺点：当冠宇和天地网络同时中断时，则在此时间内的提煤不计钩。
3.2.2 用户体验兼容性设计
在一般的浏览器和硬件的情况下，浏览器支持gif播放。但在姚桥矿几台配置比较老（显卡比较老且分辨率较大）的机器上gif的轮子没有转动。后来改为编码实现轮子转动动画。这样兼容老的硬件体系。
4.系统集成的实现
4.1 系统集成的功能
⑴三位一体的浏览功能
系统能够实现姚桥矿所有已经集成的各种监测监控系统的数字量、信号量的监控，可以以动态运行图、数据表格、曲线等方式显示出来。包括老主井监控系统、老副井监控系统、新主井监控系统、新副井监控系统等。
⑵消除信息孤岛的数据中心
集成系统上所有系统的数据保存在中心数据库中，各子系统共享数据库。子系统之间实现了数据共享。（本系统实现了OPC的集成）
⑶智能化拖动功能
综合总表显示方式提供智能自定义拖动功能：领导可以将自己关心的数字表拖动到主窗口上，系统平台能够在主窗口记住所有领导关心的子系统运行数据表格。
⑷完成集成各个子系统到数据中心的目标
数据采集的实时性在毫秒级的实时性目标，页面2s内打开的目标，业务之间相互联动的目标，界面风格灵活多变的目标。
4.2 系统集成作用
⑴通过“矿井提升自动化监测系统”，将姚桥矿各重要监控系统有效集成，有利于生产管理部门和各级领导随时了解各生产现场设备实时运行状况，便于领导和调度管理人员对生产过程数据进行分析和掌握，这对于提高生产调度和管理的准确性与及时性，提高生产运行的安全性， 减少和避免生产过程中的重大事件，保障生产安全、设备安全。
⑵通过“矿井提升自动化监测系统”的建设和进一步扩展，能够实现该矿自动化生产设备信息的集成，安全生产得到强有力的技术支持，调度人员和各级领导对生产现场突发事件的反应能力和掌控能力显著增强，调度决策迅速准确。
⑶使姚桥矿各级生产管理人员、各级领导在自己办公室的计算机上以及生产调度中心大屏上随时了解该矿主副井提升生产情况和安全情况等等，及时获知煤矿重要预警报警信息。实现立体多层次安全管理，减少煤矿安全生产的系统性风险，减少和避免事故的发生，使之在提高生产运行的安全性发挥重要作用。
⑷可以通过为ERP提供数据或者获取ERP的数据指导煤矿生产。比如通过主副井的勾数可以估算产量完成情况，根据产量完成情况和生产计划能够计算生产完成百分比和未完成的产量，并可以根据此提出增加产量和减产的建议。
⑸此系统自运行以来，每年创造社会效益巨大。该系统对煤矿节能降耗、减员增效及提高和完善主要生產环节及辅助系统的自动化水平，实现生产自动化、管理现代化具有重要的意义，同时结合当前煤炭生产企业信息化发展趋势，经济效益、社会效益、环保效益非常显著，具有广阔的推广和应用前景。
5.结语
姚桥煤矿矿井提升自动化监测系统的成功建设与应用，改变了煤矿员工的生产条件，树立企业新形象；提高煤矿的社会形象；为企业的决策提供了准确的各类依据以改进决策方法，提高决策质量；提高员工整体素质，促进企业生产与信息水平的提高；提高安全生产管理水平，保障职工人身安全；减少岗位用工，提高了企业效益；提高了管理者掌握全矿的生产和安全信息的能力，为煤炭企业的数字化矿山建设探索走出了新路子。
作者简介
张晓林，江苏泰兴人，1969年11月出生，大学文化，高级工程师，现任上海能源大屯煤电公司姚桥煤矿机电矿长。
[关键词]PLC组态软件 单机监控 网络监控 信息孤岛 业务联动
中图分类号：TD724 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）34-0325-02
1.系统集成概述
1.1 传统系统的现状与问题
煤矿生产与安全监控经历了手动监控、PLC组态软件远程监控的过程。主副井提升关系到生产与安全，也关系到生产计划与完成情况。传统的主副井控制系统将绞车提升监控与产量计量分离；侧重的是机电一线维护人员所关心的电流、电压、提升速度、工况状态，无计精细化钩数产量计算。对高层管理人员无实际的决策意义。
煤矿的系统状况为原来有分离式的各种检测控制子系统，采用的通信协议五花八门、参差不齐（如can、modbus、tcp/ip、RS-485、RS-232）等。每个分离子系统负责每个煤矿业的部分部门的生产管理活动，各个系统不能互通。煤矿上的主副井监控系统作为生产安全管理的一部分同样具有同样的问题。
1.2 本系统研究作用
将主副井各生产厂家的信号集成到同一个系统平台上。改变传统主副井控制系统分散于各个生产现场且绞车监控系统与计量系统各自为政，无法与生产计划完成情况相关联的局面。形成煤矿安全生产、调度、管理、指挥的综合、立体监控的管理模式。使得煤矿生产过程自动化监控系统之间、数字监控与视频监控系统之间、自动化系统与调度信息化之间的数字鸿沟消隐于无形。在一定程度上，解决了“信息孤岛”现象，各监控系统之间的信息资源可以共享，监控系统之间可以实现联动。
随着“矿井提升自动化监测系统”的进一步扩展，将使煤矿的安全生产步入网络化、立体多层次的监控、监督、管理、调度的全面信息化时代，使该矿能够对生产、安全的全过程实施全天候的数据监控、视频监控、立体监控管理和科学高效的调度。
1.3 研究可行性分析
现阶段矿山工业控制技术相对比较成熟，集成系统在国内外有部分的成功经验可以借鉴，煤矿上基本建成了分离式的控制子系统，且有一个个的分调度室，已经建成或者计划新建矿调度室和公司级总调度室。只是资源与数据分离，没有統筹与综合运用。只需将数据实时同步至数据中心服务器中进行综合分析处理、以网络（WEB）展示即可。拥有可靠的工业以太网为网络支撑基础；拥有IBM这样达到工业标准服务器支撑软件稳定运行；拥有windows2008稳定的操作系统稳定运行；拥有像sqlserver2008/2012这样的企业数据库管理系统和实时数据处理技术，进行实时数据处理；拥有.NET这样的软件技术为集成系统研究奠定了软件研发基础。所以矿山主副井提升集成系统的研究与实现成功的可能行较大。
2.研究实现要求
2.1 功能要求
2.1.1 子模块清单要求
⑴主副井监控系统：新老井（四井）、主井、副井、新主井、新副井、老主井、老副井提升监控系统、主副井实时监测总表、产量计划配置管理、日报修改。
⑵历史查询系统：班次日报、月报、年报查询系统、报警查询、历史曲线查询。
⑶系统维护：部门管理、用户管理、权限管理、用户审核、密码修改。
2.1.2 实时监控量要求
⑴基础实时数据：主斗深度、副斗深度、提升速度、电枢电流、励磁电流、运行方式、速度选择、操作方式、信号系统、报警信号。
⑵钩数、产量：①主井：早、中、晚、当天、当月对应的提煤、检修钩数、空钩钩数、提煤吨数、任务完成情况。②副井：早、中、晚、当天、当月对应的钩数。
⑶过卷量：极限过卷、过卷、停车、停校、减速、减校。
2.2 技术要求
2.2.1 基于网络的监控系统
系统需采用基于TCP/IP协议，只要有网络就可以在任一台计算机上实现系统监控，方便快捷。
2.2.2 采用B/S架构设计
系统需采用B/S模式，无需安装客户端，只需用户名和密码就可以登录监控，可以多用户、多部门、多级别同时监控。方便快捷。
2.2.3 实时数据采集
系统数据采集需达到实时系统标准，单次采集时间不超过50毫秒。
2.2.4 主备数据采集
为保证系统达到工业稳定的标准，当硬件和软件接口有部分冗余的情况下，需智能切换主备数据采集功能，不瘫痪整个集成子系统。
2.2.5 多子系统集成有机扩展
系统需建设一个基础平台在此平台上先集成主副井监控系统，然后再向供电、水泵、抽风、压风、流媒体视频监控方向扩展。
2.2.6 易与扩容
系统平台软件在设计时需充分预测未来扩容趋势，集成新子系统时，无需改动原平台软件即可完成新系统扩容。
2.2.7 灵活权限管理
系统平台软件需为每一个平台用户分配灵活的操作页面，发挥软件平台的多用户特性，在更短的时间内满足了更多的人的需求。 2.2.8 艺术感的模拟画面
需研究一种艺术感的模拟画面向用户形象地提供实时、准确的系统运行状态信息，给用户一种身临其境的感受。
2.2.9 个性化的监控数据总表
需研究实现监控数据总表，该总表除了能记忆用户的查看布局风格外，同时也准确实时的显示底层设备的运行状态信息。
2.2.10 个性化的报表
需研究实现个性化的报表，该报表为用户提供“量身定做”的报表功能，简化用户日常的统计数据流程、缩短用户因为统计数据而花费的时间，同时也提高统计结果的准确性。
2.2.11 便捷的业务联动
需研究实现便捷的业务联动，加强各个软件模块之间的关联性，不再是分离式的子系统，降低用户操作的难度，同时方便用户查看相关系统不同类型的信息（如模拟图画面、监控总表和视频画面等等）。业务联动的方式如下：通过手动点击按钮或者图标的方式实现业务联动，如点击监控总表的模拟图链接显示该监控子系统的模拟图、点击视频按钮显示该子系统的视频；点击模拟图中的视频按钮查看视频、点击报表按钮查看子系统对应的报表。
3.设计及其改进设计
3.1 原设计
分离式的生产监控和视频监控，系统的可扩展性有限。系统只是将各个子系统的数据采集到数据中心，以web方式供操作人员和管理人员使用，各个子系统还是相互之间无逻辑上的关联关系，数据采集以天地下位机移动罐笼、显示电流等其他实时信息，以冠宇下位机统计显示勾数、提升吨数等。
3.1.1 网络结构图
3.1.2 集成系统软件总体架构
姚桥煤矿生产监控与调度信息集成系统软件总体构如图6所示。
系统软件总体架构分三个层次：一是与监控子系统相关的底层软件系统接口，二是系统的数据中心（包括实时数据库和历史数据库）以及与之平行的信息交互交互系统，三是生产调度、管理与信息发布系统。
3.2 改进设计
3.2.1 数据采集完善性设计
经过一段时间观察发现他们检修时有时天地机器连接不上，有时冠宇机器连接不上，检修好机就能连接上了，并且两台下位机不会同时连接不上。因此有了下面的方案：
获取冠宇的参数： 左罐笼到位、右罐笼到位；获取天地的参数：主斗深度、副斗深度、电枢电流。
双备份钩数计算方式：
当冠宇的网络连接正常时，根据左罐笼到位、右罐笼到位参数的值，若左箕斗或者右箕斗到位，则钩数加一。
当冠宇的网络连接异常，天地的网络连接正常时，根据天地的参数电枢电流判断当前提钩的状态是提煤还是检修，根据天地的参数主斗深度、副斗深度的参数值判断是否进行记钩。
⑴优点：当冠宇正常（天地可以正常，也可以不正常时），准确记钩，准确记吨。在冠宇不正常，天地正常时，准确记钩，粗略估计吨数，钩吨大致一致。当冠宇天地都不正常时，钩吨均不计。但钩吨对应。根据概率论计算，假如每个机器出问题的概率为1/100，采用这个算法后出故障的概率为1/10000。比原来1/100的故障率大为减小。
⑵缺点：当冠宇和天地网络同时中断时，则在此时间内的提煤不计钩。
3.2.2 用户体验兼容性设计
在一般的浏览器和硬件的情况下，浏览器支持gif播放。但在姚桥矿几台配置比较老（显卡比较老且分辨率较大）的机器上gif的轮子没有转动。后来改为编码实现轮子转动动画。这样兼容老的硬件体系。
4.系统集成的实现
4.1 系统集成的功能
⑴三位一体的浏览功能
系统能够实现姚桥矿所有已经集成的各种监测监控系统的数字量、信号量的监控，可以以动态运行图、数据表格、曲线等方式显示出来。包括老主井监控系统、老副井监控系统、新主井监控系统、新副井监控系统等。
⑵消除信息孤岛的数据中心
集成系统上所有系统的数据保存在中心数据库中，各子系统共享数据库。子系统之间实现了数据共享。（本系统实现了OPC的集成）
⑶智能化拖动功能
综合总表显示方式提供智能自定义拖动功能：领导可以将自己关心的数字表拖动到主窗口上，系统平台能够在主窗口记住所有领导关心的子系统运行数据表格。
⑷完成集成各个子系统到数据中心的目标
数据采集的实时性在毫秒级的实时性目标，页面2s内打开的目标，业务之间相互联动的目标，界面风格灵活多变的目标。
4.2 系统集成作用
⑴通过“矿井提升自动化监测系统”，将姚桥矿各重要监控系统有效集成，有利于生产管理部门和各级领导随时了解各生产现场设备实时运行状况，便于领导和调度管理人员对生产过程数据进行分析和掌握，这对于提高生产调度和管理的准确性与及时性，提高生产运行的安全性， 减少和避免生产过程中的重大事件，保障生产安全、设备安全。
⑵通过“矿井提升自动化监测系统”的建设和进一步扩展，能够实现该矿自动化生产设备信息的集成，安全生产得到强有力的技术支持，调度人员和各级领导对生产现场突发事件的反应能力和掌控能力显著增强，调度决策迅速准确。
⑶使姚桥矿各级生产管理人员、各级领导在自己办公室的计算机上以及生产调度中心大屏上随时了解该矿主副井提升生产情况和安全情况等等，及时获知煤矿重要预警报警信息。实现立体多层次安全管理，减少煤矿安全生产的系统性风险，减少和避免事故的发生，使之在提高生产运行的安全性发挥重要作用。
⑷可以通过为ERP提供数据或者获取ERP的数据指导煤矿生产。比如通过主副井的勾数可以估算产量完成情况，根据产量完成情况和生产计划能够计算生产完成百分比和未完成的产量，并可以根据此提出增加产量和减产的建议。
⑸此系统自运行以来，每年创造社会效益巨大。该系统对煤矿节能降耗、减员增效及提高和完善主要生產环节及辅助系统的自动化水平，实现生产自动化、管理现代化具有重要的意义，同时结合当前煤炭生产企业信息化发展趋势，经济效益、社会效益、环保效益非常显著，具有广阔的推广和应用前景。
5.结语
姚桥煤矿矿井提升自动化监测系统的成功建设与应用，改变了煤矿员工的生产条件，树立企业新形象；提高煤矿的社会形象；为企业的决策提供了准确的各类依据以改进决策方法，提高决策质量；提高员工整体素质，促进企业生产与信息水平的提高；提高安全生产管理水平，保障职工人身安全；减少岗位用工，提高了企业效益；提高了管理者掌握全矿的生产和安全信息的能力，为煤炭企业的数字化矿山建设探索走出了新路子。
作者简介
张晓林，江苏泰兴人，1969年11月出生，大学文化，高级工程师，现任上海能源大屯煤电公司姚桥煤矿机电矿长。