2013-01-22
GENESIS64在矿井通风在线监控系统中的应用
供稿：ICONICS中国
关键字 数字矿山 矿井通风 组态软件 HMI/SCADA ICONICS GENESIS64
? 前言
矿井通风系统是矿山的重大安全设备之一，需要全天候运行和对应的安全保障，通风系统的正常运行与否，直接关系到矿井的安全生产和人员的生命安全，一套高性能、高可靠性的监控系统同样也是风机安全运行的重要保证。
传统的通风机房在线监控系统，主要以自动化控制系统作为设计依据，以SCADA作为监控平台，将通风系统房的主要设施如风机、风门等以抽象的静态的模拟图形的形式进行展示，而风机和风门通常被扩散塔或建筑所遮挡，各类传感器安装在比较隐蔽的位置，这就给操作员以及调度指挥人员在实际使用过程中带来极大的困惑；同时，由于监控系统的设计单纯从控制的角度展开，导致数据与设备脱离、工艺流程与现场实际情况脱节，于是经常出现操作员不了解工艺和设备，而调度指挥人员以及管理人员不了解现场设备工作状况，这就给通风系统房的正常运行和管理带来极大的安全隐患。
三维可视化技术可将数据以三维的模型和动画的效果方式显示在人们眼前，具有真实、生动、形象的特点，其表现的内容极具可读性；作为一种全新的交互方式，消除了平面交流界面的弊端，解决了传统平面展现方式带来的“不识风机真面目”的认知盲区；通过触手可及的三维模型，工厂操作员和IT专家可利用在线监控系统将抽象的实时生产数据与现场实际情况结合，现场设备的运行情况、各类传感器的安装位置以及测量参数直观形象并令人印象深刻。
图一：传统平面监控 图二：三维数字矿山
随着计算机技术和信息技术的应用不断深入，很多的领域逐步采用了三维可视化技术进行项目管理和工程实施的应用，而三维可视化作为数字矿山的重要内容之一，其在通风系统房监控中的应用中具有重要的意义。
? 系统概述
某煤业集团某煤矿矿井可采储量为800Mt，矿井服务年限72.0a，矿井采用斜井开拓方式。回风斜井井筒倾角20°，斜长748m，用于矿井回风兼作安全出口，井筒净宽大于5米。本矿井采用抽出式通风方法，中央并列式通风方式。
通风设备设置两台防爆对旋轴流式通风系统及配套电动机，其中一台工作，一台备用。每台电动机功率2×450kW,电压10kV，同步转速600r/min。在装设通风系统的场地附近设置配电间,通风系统值班室与配电间联合建筑。
通风系统配置在线监测装置一套，对通风系统运转工况进行在线监测。
图三：某集团某矿通风系统实景 图四：通风系统拓补图
? 系统功能需求
鉴于通风系统房对于煤矿安全运行的重要性，针对通风系统房的监控系统，用户在兼顾稳定性和安全性之外,对监控系统的信息化、数字化、可视化提出了严格的要求：
一．通风系统的3D可视化
运用最新的软件技术，实现生产场景的三维全景再现。
1、包括通风系统的建筑布局如：动力室、监控室、回风井筒、风门室真实再现。
2、通风系统的所有设备如：风机、风门、蝶阀、各类传感器、配电柜的三维模型还原。
3、监控系统：动力电缆、信号电缆、通信线缆的敷设方式、走向、网络结构、设备的安装等三维展现。
二．数据管理
1、数据通过标准的OPC接口进行采集。
2、按照在系统中的功能和对应的专业职能进行数据的分类管理，并对数据的重要性进行等级划分。
3、具备多媒体报警的功能；按照报警的严重性和重要性不同，使用不同的方式进行报警通知。
4、以通风系统房的管理规定和操作规程为依据，定制固定格式的日常报表如：班报表、日报表、月报表、年度汇总等；同时还需具备自定义报表的生成：自定义标签、查询时间、查询区间。
5、实现重要数据的实时趋势和历史趋势的查询，其他数据实现自定义趋势查看、数据分析、数据曲线对比等功能，使用户在最短的时间内得到所需的信息。
三．生产辅助管理
1. 操作权限管理，按照职能的不同进行操作权限的划分，并授予不同的操作权限。
2. 值班安排，根据风机房值班制度和交接班管理规定，对值班情况和交接班工作进行严格管理，杜绝脱岗、睡岗、替岗、换岗等现象。
3. 值班巡检，根据风机房巡检管理办法，通过监控平台可以实现对通风系统各个关键部位和隐藏设备的不间断巡视。
4. 日常维保及检修安排，系统按照通风系统运行计划、维保管理计划、定期检修计划、反风演练等生产安排计划，具备定时切换提醒、日常维保提醒、定期检修提醒功能。
? ICONICS解决方案
ICONICS GENESIS64工业自动化和信息化解决方案，是一个开放的基于微软系统和工业标准协议的软件包。GENESIS64 是基于.NET 64bit 平台全新设计的产品，为客户提供一个360 度三维操作视景。二十多年来，ICONICS HMI 可视化，SCADA，实时数据采集及生产智能化产品的用户持续拓展在各行各业。超过350,000 套ICONICS 软件安装和运行在世界各地。GENESIS64-GraphWorX?64 充分利用了 Windows Presentation Foundation (WPF)技术实现丰富的HMI和SCADA数据可视化。用户可以创建可扩展、基于向量的图形，即使缩放过程中也不会丢失细节。
图五：跨平台应用
GENESIS64 作为基于.NET 64bit 平台全新设计的产品，为客户提供一个360度三维操作视景。通过整合Windows Presentation System(WPF)、Card Flow Navigation、Geographical Information System(GIS)以及采用硬件加速3D成像，使用户获得更加丰富的应用体验。其核心模块包括：
? Workbench - 集中组态与部署环境
? GraphWorXTM64 - 2D 和3D 可视化
? AlarmWorXTM64 - 企业级报警管理软件
? TrendWorXTM64 - 组态和浏览3D 图表
? GridWorX TM64 –关系型管理数据集成
? VideoWorX TM64 - 视频集成和管理
? AssetWorX TM64 –基于ISA-S95的对象化信息管理
? EarthWorX TM64 – 地理信息集成和管理
? FDDWorX TM64 – 设备故障诊断与预防性维护管理
? PortalWorX TM64 –角色化管理层驾驶舱
? ScheduleWorX TM64 –Outlook风格的指挥与调度管理
图六：GENESIS64架构 图七：Workbench
该软件的特点如下：
1. 支持3D、基于WPF、Silverlight和Win7的信息展现技术
2. 单一组态开发环境，面向多种运行平台
3. 卓越的集成化和Web化开发、运行和项目管理能力
4. 组件化的HMI /SCADA 解决方案
5. OPC-To-The-CoreTM 技术、SNMP、BACnet 和数据库连接
6. 跨媒体OPC报警和报警发布
7. 支持冗余和服务器集群 / 稳定性、可靠性和冗余技术
8. 防火墙应用透明友好、易于无线设备集成
9. 多语言切换和可重复使用的全局别名
10.强大的数据挖掘技术
11.基于日历的排程调度技术
? 本项目的软件架构与配置
本子系统的应用服务器为1500点GENESIS64三维HMI/SCADA软件套件，该套件包含开发和运行版授权，动态计算有效I/O点；Web服务器一台，包含GENESIS64 Web服务器授权；5个WEBHMI64客户端开发/运行浮动授权，应用于GraphWorX64、AlarmWorX64、TrendWorX64和GENESIS64 Workbench等GENESIS64组件的胖客户端或瘦客户端。此外系统还包括GENESIS64 FrameWorX、Unified Data Manager，OPC-UA数据网桥、数据聚合、全局别名等功能模块。
图八：三位一体的信息化平台
根据用户的功能需求，我们将系统设计为不同的功能模块。通过点击菜单栏的下拉菜单按钮，打开相应的窗口画面，主要的功能模块有：系统管理、系统监控、数据管理、生产管理。
? 项目实施方法
一． 资料收集整理
在通风系统房监控界面的设计中，我们通过参考风机房建设的土建、机械、电气等方面的资料，并赴现场通过拍摄照片、视频等方式获取建模所需的材料。
图九：扩散塔 图十：风门室
二． 静态模型设计
由于GraphWorX具有丰富的3D模型库并能兼容3DS、OBJ等多种3D模型的格式，我们首先借助3D建模软件如3DMAX建立各个部件的3D模型：电机、蝶阀、轴流风机、配电装置、风压及风速传感器、风门、风机房建筑主体等。
图十一：从静态模型到全景模型
三． 全景模型搭建
将建立好的静态模型在GraphWorX导入，然后进行材质、颜色、光线等效果渲染。在此过程中，真实还原现场生产场景和工艺流程，从地理环境、建筑布局、设备及传感器安装位置，线缆及管道走向、设备运行及运行动作方式等各方面综合考虑，实现通风系统的三维全景再现，使操作者有身临其境的感觉。
图十二：360度三维操作
四． 数据采集
将下位PLC的数据以及其他智能仪表的数据，按照控制要求，分别建立数据标签，并定义其数据类型、添加注释，设置量程转换、工程量单位、数据刷新时间等。
五． 数据驱动的模型动画效果设计
1. 我们通过设置相应的数据源，电机启停信号同电机冷却风扇和轴承转动属性进行匹配，同时通过模型的转动速率的快慢来体现电机的运行转速，风门的开启通过模型的位置平移动画属性来实现。
图十三：电机动画配置 图十四：检修风门
2. 将主要的监测数据：风机运行、风速信号附在3D模型上进行实时的展示。
3. 我们根据系统功能的不同设计出供电参数仪表盘、风机运行参数仪表盘、风机系统参数仪表盘等定制仪表盘来进行数据的显示。
4. 特定工艺流程的实现：正常启动、正常切换、反风演练、异常处理等。将电机、风门、蝶阀的动画完全基于现场真实数据进行配置。
5. 报警的实现：主要包括状态改变、阀值、偏差、变化率的设置。通过报警浏览器对报警进行查询和管理。
6. 实时和历史趋势的设计中，我们采用了XY 图、对数曲线、棒图、带状图记录仪、环形累计图等多种展现方式。
图十五：实时报警 图十六：实时趋势
7. 报表的设计以通风系统管理中所使用的班、日、月报表为模板，设计常用标准报表，还实现了更为灵活的报表功能：对查询数据，所查数据的显示属性进行自定义选择，灵活设置查询起止时间和时间间隔等。
图十七：运行数据分析 图十八：运行报表
8. 多媒体报警，将重要的报警信息，通过AlarmWorX Multimedia，将实施报警信息以语音、电话、电子邮件、传真、短信息、滚动字幕、Skype等通讯方式发送，使得相关责任人无论身在何处，都可以即时获知相关报警、警示及事件信息，以便采取相应的应对措施，防止安全事故的发生。
? 部署与发布
项目开发完成后，首先将项目打包成一个文件，将打包项目文件复制到现场控制室的计算机，通过项目解包操作完成部署。部署完成后做好项目文件备份工作。最后进行项目文件的Web发布设置，设置站点地址和所需发布的文件，记下登录地址，这样就可以通过在远程计算机的IE输入地址，以远程登陆方式对项目进行管理。
图十九：IE浏览 图二十：多媒体报警配置
? 项目实施效果
借助ICONICS的创新一代工业自动化和信息化平台GENESIS64套件，实现了煤矿通风系统房对监控系统安全性、稳定性、3D可视化等方面的苛刻要求，数据采集、数据存储、场景3D模拟和3D可视化、报警管理、数据回放、数据查询、3D趋势、多媒体报警、权限管理等功能都超出了用户的预期；尤其是通风系统的全景3D模块，真实的再现了通风系统的各个环节。想象一下这是从任意角度可以实时观看到设备运行情况，这是工业领域可视化的一个全新高度。
在数据采集及处理环节，用户可以轻松地从多个系统、设备或智能仪表获得信息。所有的数据源，包括来自PLC、I/O 设备、HMI 应用和网络设备等，都可以被采集和存储，并且进行报告和分析。
通风系统在线监控系统的安全运行，对于通风系统的日常管理和设备维护也带来了极大的帮助，大大节省了人力投入，降低了值班人员的数量和工作强度，其中的辅助管理系统极大的降低了管理人员对通风系统的管理难度。
图二十一：系统主页 图二十二：通风监测
? 三维可视化在煤矿通风系统在线监控应用的意义
三维可视化以其真实，直观的特点，开创了一种全新的工业系统监控模式，消除了传统的二维系统表现形式单一的弊端，客服了系统使用单位同系统制造单位之间的技术障碍，加快了操作员同设计人员之间的沟通理解，也打破了不同专业不同领域技术人员协同工作的技术壁垒。
将三维可视化与自动控制相结合，可以消除操作员对新系统、新技术的认知瓶颈，有助于其加深理解和加快掌握新技术和新方法。
三维通风系统房作为数字矿山的重要组成部分，可以实现通风技术更大限度的共享，使复杂问题变得简单，大大提高了操作员的技能素质，保障了通风系统房的安全运行。对于提高矿井信息化管理水品，促进安全生产，提高煤矿经济效益具有十分重要的现实意义。
? 总结
某煤业集团某煤矿三维通风系统房监控系统自部署运行以来，运行稳定、可靠，为全矿实施数字化管理提供了可能，同时为全矿实施科学管理提供了准确的数据支撑。从使用情况来看，GENESIS64作为一款架构先进、高可靠性、高性能、扩展性及灵活性都非常强大的综合性管控一体化平台，其先进的3D可视化技术和信息集成功能必将在将来煤矿的生产管理和监控领域得到更广泛地应用。
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