第三章 张家峁煤矿综合自动化集成平台设计.docx
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第三章张家峁煤矿综合自动化集成平台设计
第三章张家峁矿综合自动化集成平台设计
煤矿综合自动化利用计算机技术、网络通讯技术、数据库技术及自动控制技术等，通过计算机网络（工业控制网络）将生产子系统数据上传，在综合自动化集成平台（综合自动化集成平台架构见下图）进行处理、分析。
综合自动化集成系统以信息集成平台为核心，将实时数据流进行集成，同时针对统一信息平台开发各种综合应用，形成集成化、网络化应用。
综合自动化集成平台主要由工业组态软件、数据库服务器、Web服务器及相应软件等组成，通过数据分析、数据处理、故障诊断、专家系统等技术和算法，所有的数据在一个数据库中进行管理，数据一旦被输入，在整个系统中都可以使用。
各种图形、图像、报表信息都可以通过Web的方式在任何一台终端统一浏览。
系统提供集成化的编程组态，实现了从设计、编程、硬件组态、测试到操作诊断和远程维护的全过程组态应用。
实现生产过程、企业管理之间的有机链接，为“管控一体化”实现提供保障。
矿综合自动化集成平台架构图（示意）
3.1工业组态软件设计
3.1.1概述
综合自动化集成平台是全矿安全生产的监控指挥中心，所有的监控信息在这里汇总并发布，并且接入企业管理网络。
综合自动化软件系统是集数据通信、处理、采集、控制、综合职能判断、图文显示为一体的综合数据应用软件系统，能在各种情况下准确、可靠、迅速地做出反应，及时处理，协调系统工作，达到实时、合理监控的目的。
采用GE公司iFIX的组态软件，完成全矿井生产工艺、安全环境参数、报警信息等数据采集，对矿井上、井下各设备控制层子系统发出控制命令，远程启/停各类电器设备，并能在调度中心监视井上井下各子系统设备运行状态。
通过数据库接口与调度中心数据库连接，并能够将此矿级信息系统连接到煤业集团公司管理信息网，实现煤矿与集团公司之间的生产与管理信息交换。
通过iClientTS向Internet网发布各子系统画面检测信息数据显示,矿各科室、矿领导通过浏览器Web方式可以看到与控制中心各子系统相同的画面，便于矿领导层及时查询了解煤矿生产情况。
3.1.2组态软件架构
依据煤矿自动化总体技术要求：
系统可靠性高、稳定性强、人机界面友好、操作简单、维护方便、方便升级并充分考虑系统平台和数据的安全性，且具有身份认证机制，数据备份和病毒防护功能，防止黑客侵扰的技术要求并吸收以往煤矿自动化集成经验，选用当前国际先进的开放软件、硬件设备来保证整个系统安全可靠正常工作。
HMI/SCADA分布式客户C/S服务器结构包括了可灵活构建的服务器（SCADA Server）和客户终端iclient，而对于用户来说iFIX却是一个集成的完整系统，每台计算机操作站有自己的节点，PLC的每个数据项都有自己在这一大系统中的唯一的点名，iFIX网络中数据读取都通过识别SCADA Server节点名，数据点名，数据域来识别，各个iFIX客户iclient通过在view节点设置适当的客户端权限。
各客户端可以访问到网络的任意SCADA Server中的任意数据，显示实时动态工况画面，动态参数值，趋势实时曲线，历史曲线显示，报表等应用都运行在客户端iClient上。
而且每个客户端view节点都能进行开发工作包括开发画面，组态SCADAServer中的数据库。
iFIX的iClientTS是基于windows终端服务技术，将SCADA Server服务器当前实时动态数据，曲线和各子系统监测画面、实时历史曲线发布出去。
系统软件架构如下图示：
综合自动化组态软件架构图
iFIX4.5是基于WindowsNT及Windows2000网络操作平台上面功能强大的自动化监视与控制组态软件，是国际上最著名，国内应用最广、最成熟的组态软件。
由于在国内应用广泛，熟悉该软件的用户多，便于交流，几百种驱动程序几乎支持全世界有名PLC，厂家的硬件设备。
调度中心各操作站利用iFIX软件完成全厂的自动控制和生产管理，它集中监视、管理、控制全部生产过程和工艺过程。
根据网络要求，调度中心和操作站设置为C/S（客户机/服务器）结构形式。
操作人员通过操作站的人机界面监视生产过程，调整工艺参数，控制现场设备。
动态显示各主要设备的状态、主要现场数据，如流量、液位、电力参数、电量数据、事故报警等。
各种报表，过程曲线等可由不同功能的打印机输出。
并为厂级信息系统提供数据接口。
iFIX采用许多工业标准技术，保证其开放性和可扩展性，使得系统的开发和集成变得十分简便。
这些技术包括：
（1）即插即解决技术（PlugandSolveTM）
（2）iCoreTM
（3）内嵌式VBA（VisualBasicforApplication）
（4）全面支持ActiveX控件
（5）安全容器（SecureContainmentTM）
（6）OPC（OLEforProcessControl）
（7）ODBC/SQL
IFIX4.5拥有先进人机界面产品的所有功能，主要功能包括：
●集成化的开发环境：
IntellutionWorkspace提供集成化的开发环境和丰富的图形工具，使得系统开发简便、快捷。
从而节省系统集成费用，降低系统投资成本。
●向对象的图形/图形工具-智能图符生成向导使创建图形变得十分简捷，许多预定义的图符集，如泵、罐，直接拖拽到Workspace中，减少系统开发时间。
动画专家（AnimationExpert）可直接从OPC服务器读取数据并获得动画效果。
所有对象属性都可以赋于动画效果，且在属性窗口及VBA中浏览或改变对象属性。
●脚本编辑向导-VBA提供丰富的编程命令，而且iFIX中内嵌了许多编程向导，使得生成脚本程序变得十分简单。
在iFIX中并不需要懂得很多VBA编程技巧，也能发挥出内嵌式VBA的强大功能。
●处理器-EventScheduler是一个计划调度处理器，允许用户基于特定的时间或时间间隔，及某一事件的触发执行某些任务。
例如：
当某数据点超过特定值后替换当前画面，或运行一个脚本程序并产生相应报表。
在EventScheduler中可以建立、编辑、监视、运行基于时间或基于事件的调度计划，并且这些调度计划可以以前台或后台方式运行。
●功能键编辑器-自定义用户功能键，在IntellutionWorkspace运行模式下，通过键盘按键激活一段VBA程序代码，执行相应动作序列。
功能键既可以全局有效，也可与某个画面或画面中的某一对象相关联。
功能键编辑器提供一种简捷的方法定义及修改功能键。
●在线组态-iFIX最大限度地发挥在线功能，对过程数据库进行在线修改、增加时，并不影响正常生产过程。
●安全管理：
iFIX提供系统安全级管理，增强Win2000系统的安全性。
在iFIX内，应用程序的调用，操作画面显示，事件调度，配方管理，都可以赋予权限管理。
除此之外还能限制某些关键程序的访问，如：
过程数据库的重装及过程数据库的写入操作。
iFIX的安全组态程序可以同步系统管理员提供Win2000的用户名和口令，作为iFIX的登录名和口令。
帐户同步，使得登录iFIX就可以利用已有的Win2000帐户，同时还保留了Win2000的一些安全功能，如：
口令大小写敏感，口令过期及在线更改口令。
●监控功能：
iFIX能准确地监视和控制所有现场过程，根据现场产品特性要求，及时、快速地调整设备和原材料，响应现场需求。
精确的现场分析和及时的响应减少了浪费，确保产品质量稳定，并使产品更快投放市场。
●先进的报警管理：
iFIX方便、灵活、可靠、易于扩展的报警系统，报告系统活动及系统潜在的问题，保障系统安全运行。
iFIX分布式报警管理提供多种报警管理功能，包括：
无限的报警区管理、基于事件的报警、报警优先级、报警过滤功能，以及通过拨号网络的远程报警管理。
另外，iFIX还可以记录操作员操作信息，并作为非关键性报警信息发送，而无需确认。
●数据管理：
iFIX提供了多种数据管理功能，包括：
数据采集和管理，历史数据存储，导出数据库及生成各种数据报表，保证系统处于最佳运行状态。
●历史数据：
iFIX自动采集、存储、显示历史数据，分析过程趋向，为官方的查询提供相应的文档依据，此外还能监视产品特性变化，分析设备性能，节省大量时间和资金。
●强大的趋势：
iFIX的图表对象（ChartObject）集成历史数据和实时数据于图表内，并且可以为每只笔分配多个时间段。
同一张图表对象内可添加的笔数是不受限制的，对于实时数据源，图表对象支持表达式计算。
图表对象有丰富的对象颜色和属性选择，X、Y轴还可单独组态定义，而且可以在运行环境下调整他们的属性。
使用表组向导（ChartGroupWizards）可生成多种历史图表。
3.1.3综合自动化集成平台软件接口
综合自动化系统与各现场子系统以1000M以太网相联。
软件采用标准的软件接口规范和协议，实现与现场子系统的接入。
（1）OPC接口
OPC（OLEforProcessControl）是被工控领域广泛遵循的一种标准，它规范了应用程序与现场设备或数据源之间数据存取的接口协议，它是基于微软的组件技术（COM/DCOM）设计，采用客户/服务器体系结构。
它既可存取本地OPC服务器数据，又可存取分布在网上其它节点的OPC服务器，并且具有高效、安全的特点。
它是目前存取现场数据最理想的方法。
管控网络单元的服务器中设计有OPC客户模块，可直接与具有OPC服务器的现场单元系统存取数据。
（2）NetDDE接口
NetDDE是基于网络的动态数据交换（DDE）技术，DDE由微软早期发布，解决应用程序之间数据的动态交换。
也采用客户/服务器体系结构。
它既可存取本地DDE服务器数据，又可存取分布在网上其它节点的DDE服务器，它比OPC在速度和安全性方面要逊色。
但对一些动态刷新系统（如监测系统）它仍不失为一种简单有效的方法。
管控网络单元的服务器中设计有DDE客户模块，可直接与具有DDE服务器的现场单元系统交换数据。
（3）ODBC数据库接口
现场单元系统将实时数据周期性地通过ODBC接口写入指定的共享数据库（如MSAccess或MSSQL等）中，管控网络单元的服务器可存取共享的数据库达到与现场单元系统的数据交换。
3.1.4综合自动化组态软件功能
在数据采集服务器由iFIX4.5对全矿各控制子系统的开关量、模拟量、脉冲量等参数集中组态,建立数据采集实时数据库及历史曲线数据库，由控制中心多台客户端完成对全矿各分区子系统的PLC开关量、模拟量、脉冲量等参数显示，实现动画效果，显示工艺流程过程模拟图，动态实时曲线，历史曲线，报警信息集中显示，发出对控制设备启动/停止控制命令。
当设备故障或各类模拟量超限时，客户端可同步显示故障设备名称，故障报警点名称，报警值，报警起始时间。
为了使过程控制各类参数与全矿信息管理系统有机结合，通过ODBC将各PLC的各类参数定时写入矿信息中心关系型数据库，并在数据库形成各类参数全矿生产日报、月报、年报，并为煤矿管理ERP系统提供原始数据。
本系统可设置各系统安全锁，具有身份证认证的机制，只有操作此系统的人员才能够实施控制操作，配置工程师操作站只有工程师级操作员才能修改参数值及报警值设定修改，并具有完善全面数据备份和防病毒保护功能。
主要指标和内容。
1）监控软件主要技术指标
✧画面显示分辨率：
1024X768
✧同屏色彩数：
32K色；
✧画面响应时间：
指从发出调出某幅图形指令到图形全部显示到屏幕的时
间。
全屏重绘可以达到1秒以内。
✧画面刷新周期：
指图形每间隔多少时间必须根据数据库中的数据重新显
示。
主要根据检测周期、通讯速度、及显示软件的编制技巧。
在本系统中，主控软件具有事件处理能力，各监测画面刷新周期与其数据上传周期时间的延迟为毫秒级。
✧画面刷新时间：
指画面和数据刷新一次所需要的时间，小于1秒。
各生产过程全面实现自动化，并在矿调度室分别对各生产环节进行监控，达到减员增效的目的。
1）实时运行参数监测
各监控系统采用图形、报表的形式，实时显示、采集生产工况参数。
2）实时过程控制
分析采集的参数，各系统自动完成过程控制，或由调度员操作控制。
3）历史数据查询
生产实时监测数据均可以存储于生产实时数据历史数据库中，可以实现历史回显．历史趋势分析，及直方图．饼图等进行综合分析。
4）设备故障及模拟量超限报警
当设备故障或模拟量超限时，生产监测及管理网络同步显示故障设备名称，并可实现语音报警．实时打印故障功能。
服务器将该故障信息存入故障信息数据库，供以后统计分析。
5）生产实时画面监测
工业电视信号可直接接入监测终端，当出现异常（故障．违章．检修）时，可将此画面截取，转换为数字形式存储，并可以通过网络上传集团公司，
6）优化生产计划
在网络服务器中建立了综合历史数据库，定时将生产．经营等数据存入数据库中，制作计划．生产完成情况的趋势分析图表，为今后的生产计划提供参考；根据外运下达的计划和设备实际状态．仓储煤量，合理安排生产计划．设备维修计划，以最大限度的减少对生产外运的影响。
2、集成化的信息处理平台
采用集成化的信息处理的软件平台，能够集成不同厂家的硬件设备和软件产品，实现各系统间互操作，并将各系统数据集成，实现企业信息系统与工业控制现场的无缝连接。
它以微软的OLE/COM、DCOM技术为基础，采用了OPC标准接口，从而具备了自动控制功能，并能实现设备和设备之间的互操作性与互换性。
加强自动化系统信息层与企业管理系统的通用性。
集成化的信息处理，具有以下主要功能：
1）将生产现场数据集成并在大屏幕上显示；
2）为企业管理系统提供生产实时数据；
3）向上级集团公司提供特定的数据内容；
4）将现场信息（包括控制的动态实时数据、信息管理系统数据）有效、快速、安全地传输到客户计算机，实现现代化大型企业的跨地域分布实时管理。
5）提供标准化接口，满足企业管理系统二次开发的需要。
6）上位监控系统软件、网络管理软件等均基于WEB浏览器模式开发，支持远程监测、远程维护。
3.2数据库服务器设计
数据库服务器设计包括2部分：
实时数据库与关系数据库。
3.2.1实时数据库设计
本次设计选用了GE公司的ProficyHistorian实时数据库。
将全矿的各个主要生产系统和辅助生产系统以及其他安全系统的实时数据采集到统一的数据库中，通过数据挖掘、数据分析等过程，以实时信息门户向决策层发布。
实时数据库的选用，将矿的综合自动化水平上升到了一个更高的层次。
实时数据库系统在生产控制系统和管理信息系统之间起着一个桥梁的作用。
由于生产实时系统与生产控制系统相连，项目在设计、实施和投用的各个阶段都将确保生产系统的安全运行。
实时数据库又是二次应用的开发平台，因此该系统具有很高的运行安全性和数据安全性、较强的扩充性和扩展性及开放性。
系统功能
通过接口软件采集各生产自动化系统的实时数据，形成实时、历史数据库，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。
建立一套适合煤矿的安全生产信息管理系统。
Ø数据采集
1）实时数据库系统设计各接口机与各控制系统通讯，采集各控制系统模拟量、开关量、脉冲量和累计量等实时信息。
2）接口机数据采集更新周期保持与现场数据刷新时间同步。
3）实时数据库系统设计可根据用户的需要自由定义采集周期。
4）数据采集率：
100%。
Ø系统性能
1）实时数据库系统在保存历史数据上采用了高效的“旋转门”压缩技术，使得历史数据可以保存很长时间：
2）数据在线存储时间>5年
3）数据采集率：
100％
4）接口机数据采集更新周期保持与现场数据刷新时间同步
5）数据存储周期和精度可自由定义
6）数据库数据恢复时间段＝0.1ms
7）系统的可靠性>=99.9%
8）系统平均无故障运行时间>10000小时
9）系统平均故障恢复时间<8小时
10）实时动态点刷新周期<1s（用户可自定义）
11）画面切换周期<3s
12）静态画面调用时间<3s
13）单个压缩数据的解压恢复和查询时间<2s
Ø方便的数据维护
系统设计支持在线和远方维护数据库、画面、报表和各种系统参数。
Ø数据一致性处理
实时数据库系统设计对从不同数据源采集到的实时数据进行有效性和一致性处理。
ØWEB发布
Ø灵活的二次开发手段
Ø实时数据库与关系数据库的连接
实时数据库接口方案：
1）支持标准OPC/DDE协议的数据采集
对于提供了OPC/DDE等接口协议的系统，采用实时数据库提供的采集器软件，直接从控制系统中读取数据。
标准接口自动化系统实时数据采集原理图
2）非标通讯接口的数据采集
如果系统为第三方设备方自行开发非标准的接口协议，利用iFIX软件开发具有针对性的专用接口软件I/OLink。
通过I/OLink，将子系统数据采集、传递。
专用接口的实时数据采集原理图
设计选用实时数据库，如果要实现企业信息管理系统应用还要配备关系型数据库。
3.2.2关系型数据库设计
张家峁矿综合自动化系统的核心是利用信息技术和控制技术，实现企业经营管理与生产过程的综合集成，进而提高企业的综合竞争能力。
以综合信息集成软件平台和实时监控软件平台为核心，包括企业信息管理层、安全生产调度信息管理层和控制层三个层次的软件、工程与技术服务。
其中综合信息集成软件平台基于关系型数据库，实时监控软件平台基于实时数据库。
底层数据存储于实时数据库，上层管理数据存储于关系数据库。
只有实现实时数据库和关系数据库的数据共享，才能使工业控制网的生产数据及时整合到管理网，进行统计、分析处理，成为生产管理和经营决策的依据。
张家峁矿综合信息集成软件平台建立在关系数据库系统基础上，实现各应用系统的集成、管理和信息共享、交互；实现矿企业经营管理与生产过程的综合集成，提高煤矿综合竞争能力，达到全矿资源综合分析，快速、充分地了解现有矿内各种动态和静态资源的状况，及时掌握资源利用情况，为生产、安全方面的规划和建设、为生产调度管理的信息化提供依据，实现“管控一体化”。
本设计选用Oracle关系型数据库。
作为数据库兼容性的引领者，Oracle数据库是第一个测试符合ANSISQL标准的数据库产品。
1、Oracle数据库技术特点
1）故障保护：
配置和验证Windows集群，并通过与微软集群服务器集成的高可用性软件快速、准确地自动恢复。
2）回闪查询：
无需复杂、耗时的操作即可恢复更早版本的数据。
3）回闪表、数据库和事务查询：
诊断和撤销错误操作以缩短恢复时间。
4）数据卫士：
创建、维护并监控一个或多个备用数据库，以保护企业数据不受故障、灾难、错误和损坏的影响。
5）安全备份：
针对数据库和异构文件系统的安全、高性能的磁带备份管理以降低网络数据保护的成本和复杂性。
6）服务器管理的备份和恢复：
借助恢复管理器（RMAN）简化并自动提高备份及恢复性能。
7）数据压缩：
在不影响查询时间的情况下压缩保存在关系表中的数据；降低磁盘系统成本。
8）分区：
可将大型表格和索引划分成多个规模较小、更易于管理的部分，而无需更改底层管理软件。
9）数据挖掘：
实现从极大型数据库中有效提取信息，并与商务智能管理软件集成。
2、Oracle数据库开发应用
基于Oracle数据库以上技术特点，对矿综合自动化系统行二次开发应用，构建综合自动化信息集成软件平台，实现安全生产调度、安全技术管理、机电运维管理、物资供应、财务管理、办公自动化及人力资源管理等信息应用软件的集成、管理和信息共享、交互。
（1）数据管理系统
系统应用高级编程语言和C/S（客户端∕服务器）体系结构开发完成。
主要功能为：
处理自动化采集数据，生成日志和各种生产报表，管理维护基础数据，录入和查询数据。
（2）数据储存
Oracle数据库对来于实时数据库的数据及人工录入数据，且对来于实时数据库数据降低精度，进行处理、分析后储存起来，为上层信息管理软件系统提供数据源。
3.3WEB服务器设计
本次设计选用了GE公司ProficyPortalWEB服务器软件。
其具有以下特点：
1）基于Web的生产数据可视化分析工具，可通过Internet/Intranet发布ProficyHistorian采集的生产过程数据。
2）快速开发：
所有应用的开发都是基于易于使用的Web环境，节省开发时间和成本。
3）易于配置和维护：
所有配置和维护都是基于Web的，因此配置和维护应用特别简单，只需在服务器中创建显示画面，所有客户端通过浏览器便可访问到画面。
画面的更新在服务器中完成后，所有客户端只需要通过Web浏览器打开此画面，便可以完成画面显示的自动更新。
因为不需要在每个客户端的计算机中安装和维护应用程序。
4）易于使用：
客户端的计算机只需Web浏览器，因此用户只要熟悉Web浏览器，简单地用鼠标点击按钮、超链接和类似Windows资源管理器风格的目录树，就可以浏览显示画面，按照时间来滚动浏览数据。
5）图形支持：
支持在创建显示画面的时候添加图形文件，所支持的文件格式包括：
JPEG、GIF以及动态GIF。
而且，当文件被添加进画面之后，文件索引也相应地被“链接”，因此一旦图形文件更新了，所有的画面也将相应地自动更新
6）PROFICYREALTIMEPORTAL提供的多种数据源结构，包括实时数据源（含OPC、iFIX等）、历史数据源（ProficyHistorian）、关系型数据库接口（JDBC数据库驱动）等。
7）画面基本风格以DCS/PLC原有画面风格为准，所有的实时参数都以只读的方式从DCS/PLC上采集上来，不进行操作，保证控制系统的安全。
它可集成多套DCS/PLC的数据。
8）历史趋势分析：
对历史数据库中所记录的所有数据都可以用曲线的形式显示出来，以供参考和分析。
提供的趋势曲线控件功能强大，所有操作都以Web方式进行，在客户端上有适当的权限可自行修改显示环境设置。
9）充分应用系统提供的JDBC强大的数据库引擎驱动，并且通过ProficyHistorian易操作的关系型数据库接口，建立灵活的SQL语句查询系统，根据不同的查询条件对实时、历史数据进行分类检索，达到快速提取数据和历史数据再现的WEB式用户数据交互功能。
利用实时数据库EXCEL加载宏或SQL语句连接关系型数据库数据及ProficyHistorian实时数据库数据，根据相关安全生产信息，生成各类生产调度图表以及生产日报、月报、年报等综合报表。
3.4煤矿安全生产调度管理系统
煤矿安全生产调度管理系统是综合自动化集成平台重要组成部分，以经济指标为目标，以生产过程优化运行、优化控制与优化管理为核心技术的功能模型，通过分布式实时数据库系统实现对矿井自动化设备的实时数据采集、存储管理与监控，通过实时数据库系统与关系数据库系统的数据整合形成煤矿生产的实时数据统计分析上报，通过建设安全生产监控系统、生产绩效分析系统、生产过程管理系统、生产综合驾驶舱系统形成面向不同生产岗位的一体化信息系统。
煤矿安全生产调度管理系统依据煤矿生产调度、安全、机电及技术等职能部门管理模式，基于MES系统原理和应用技术，将矿井与生产调度管理相关部门的工作流程与管理通过软件系统完成，针对煤矿而研发的生产管理系统，也是北京富力通能源软件技术有限公司为煤矿综合自动化建设一大特色。
系统的体系结构如下图所示：
煤矿安全生产调度管理系统体系结构图
本次张家峁煤矿安全生产调度管理系统设计在ProficyHistorian实时数据库基础上，在矿调度指挥中心设置2台MES系统服务器，对源于生产过程数
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