一种基于以太网和过程控制的深海采矿监控系统的制作方法

1.本发明涉及深海采矿技术领域，具体为一种基于以太网和过程控制的深海采矿监控系统。


背景技术：

2.全球科技技术和工业基础的不断进步，在海洋矿产资源竞争方面在国际上得到了极大的加强，世界上主要工业化国家以及一些大型工业企业对深海采矿技术和深海采矿设备高度关注，大大增加了在人力和财力资源上的投入力度。全世界大量的专家学者都投入到深海采矿这个领域，做了系统的理论分析和实验研究。
3.随着海底金属结核采矿作业从浅海到深海的转移，现场采用的仪器仪表的种类十分丰富，数据采集的过程也越来越复杂，传统的手工采集数据或者半自动数据采集已经逐渐不足以满足现阶段对于数据采集的高效的需求，且深海采矿需要运用的设备也较多，需要通过监控系统对各个设备和仪器进行实时监控和控制。


技术实现要素：

4.解决的技术问题针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于以太网和过程控制的深海采矿监控系统，具备自动化程度高，网络通信能力强，且监控安全可靠，实用性高等优点，解决了现有深海采矿监控系统自动化程度不够高，网络通信能力弱，监控不够实用的问题。
5.技术方案为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于以太网和过程控制的深海采矿监控系统，包括监控层、网络层，以及现场设备层；所述监控层用于实现中央监控系统与操作人员间的交互，包括子系统关键参数监控、历史数据管理；所述网络层通过光纤以太网与专业级交换设备将分布式控制系统中的各个设备联系起来；所述现场设备层用于接受上位机下达的控制指令和上传被监控变量的实时数值。
6.进一步，所述监控层还包括支持opc接口的服务器，对底层实时数据进行封装。
7.进一步，所述网络层利用全双工交换方式的ieee 802.3光纤以太网。
8.进一步，所述现场设备层为系统架构中的最底层部分，包含水面支持子系统、动力输送子系统、水下传输子系统以及水下集矿子系统的设备，所述现场设备层接受上位机下达的控制指令完成相关动作，上传被监控变量的实时数值。
9.进一步，所述水面支持子系统包括a架绞车、线缆绞车及相关辅助设备，水面支持子系统用于对动力输送及水下集矿子系统相关线缆、硬管的协同布放及回收，监控门架和绞车的状态，对异常信号报警。
10.进一步，所述动力输送子系统包括对中继站、提升泵、集矿车以及相关甲板设备完
成供电任务的电力系统，所述动力输送子系统用于监控提升泵、中继站、集矿车、甲板设备电机的状态，对异常信号报警。
11.进一步，所述水下传输子系统包括提升泵、中继站及相关软管、硬管设备部件，所述水下传输子系统完成对矿业的提升与输送，所述水下传输子系统监控的是电机和液压站，动力分线箱，中继站的运行状态，对异常信号报警。
12.进一步，所述水下集矿子系统指集矿车部分，中央监控系统需要实时监控集矿车工作过程中的电机、液压站、破碎机、软管应力、集矿车报警信息或者状态信息。
13.本发明的另一目的在于提供一种运行所述基于以太网和过程控制的深海采矿监控系统的深海采矿监控方法，所述深海采矿监控方法包括：启动前自检，所述启动前自检具体包括中央监控系统启动自检，水面支持子系统自检，动力输送子系统自检，水下传输子系统自检和水下集矿子系统自检；作业过程监控，所述作业过程监控具体为：在布放/回收及采矿作业过程中，中央监控系统对水面支持、动力输送、水下传输以及集矿子系统关键参数实时监控、显示、异常报警；作业结束自检，所述作业结束自检具体为：当“布放-采矿-回收”作业过程完成后，中央监控系统需对水面支持、动力输送、水下传输以及集矿子系统进行关闭前的二次自检。
14.进一步，所述中央监控系统对水面支持、动力输送、水下传输以及集矿子系统采用opc server完成数据采集和交互具体为：在opc方式下，现场设备的数据由设备驱动程序进行采集，采集完成后由opc server对数据进行封装，即将数据转换成opc协议下的统一方式进而直接与各opc client实现交互；opc数据封装由具体的opc server软件完成；所述现场监控层采用opc client与plc执行机构间的数据交换具体为：opc client与设备驱动程序之间的数据交换通过opc server实现；监控系统数据通过以太网，将现场设备层中的底层设备例如plc中的数据，通过opc3.0通信协议，经交换机将数据传输到opc server中，再通过opc server，将数据传输到组态网中，通过组态网进行数据处理，进行数据监控与转存到数据库中。
15.有益效果与现有技术相比，本技术的技术方案具备以下有益效果：该基于以太网和过程控制的深海采矿监控系统，通过以太网和opc技术实现上位机与相关子系统的通信连接，进而控制各子系统主要设备按上位机指令要求完成相关动作，降低软件开发的复杂度与工作量，有效保证opc统一方式下数据通信的可靠性，使得提高了系统的自动化程度，增强网络通信性能，实现安全可靠并且实用的监控功能。
附图说明
16.图1为本发明一种基于以太网和过程控制的深海采矿监控系统架构图；图2-1和图2-2为本发明一种基于过程控制的对象与嵌入技术的深海采矿监控系统现场设备层水面支持子系统布放作业流程图；图3为本发明一种基于过程控制的对象与嵌入技术的深海采矿监控系统现场设备
层动力输送子系统控制示意图；图4为本发明一种基于过程控制的对象与嵌入技术的深海采矿监控系统现场设备层水下传输子系统控制示意图；图5-1和图5-2为本发明一种基于过程控制的对象与嵌入技术的深海采矿监控系统现场设备层水下集矿子系统控制示意图；图6为本发明一种基于过程控制的对象与嵌入技术的深海采矿监控系统数流动图；图7为本发明一种基于过程控制的对象与嵌入技术的深海采矿监控系统opc server设计示意图；图8为本发明一种基于过程控制的对象与嵌入技术的深海采矿监控系统opc client与plc执行机构间的数据交换方式图；图9为本发明一种基于过程控制的对象与嵌入技术的深海采矿监控系统的opc client设计流程图。
17.图10为本发明一种基于过程控制的对象与嵌入技术的深海采矿监控系统的数据库设计示意图。
18.图11为本发明一种基于过程控制的对象与嵌入技术的深海采矿监控系统的作业监控流程图。
19.图12为本发明一种基于过程控制的对象与嵌入技术的深海采矿监控系统的作业监控中启动前自检流程图。
20.图13为本发明一种基于过程控制的对象与嵌入技术的深海采矿监控系统的作业监控中作业过程监控流程图。
21.图14为本发明一种基于过程控制的对象与嵌入技术的深海采矿监控系统的作业监控中作业结束自检流程图。
具体实施方式
22.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
23.请参阅图1，图1为本技术实施例中监控系统架构图，如图1所示，图1中包括：监控层、网络层以及现场设备层。
24.监控层用于实现中央监控系统与操作人员间的交互，包括子系统关键参数监控、历史数据管理等。
25.网络层利用全双工交换方式的ieee 802.3光纤以太网，采用树形拓扑连接结构与专业级交换设备以获取良好的网络通讯性能。
26.现场设备层用于接受上位机下达的控制指令完成相关动作和上传被监控变量的实时数值，以保证设备自身在上位机的监控作用下安全、稳定运行。
27.需要说明的是，监控系统由监控层、网络层和现场设备层组成，通过opc技术和以太网配合的方式实现上位机与相关子系统的通信连接，进而控制各子系统主要设备按上位
机指令要求完成相关动作，每个底层设备的监控数据点通过现场网络与上位机之间实现连接，连接方式为总线型结构，设备都通过opc接口接入局域网。
28.本技术中，通过监控层实现中央监控系统与操作人员间的交互，包括各子系统关键参数监控、历史数据管理等。
29.需要说明的是，监控系统的监控层主要包括上位机监控界面、opc客户端、通信服务器以及集控台等部分。
30.在一种具体的实施例中，监控层还包括支持opc接口的服务器，opc接口的服务器即opc server。
31.需要说明的是，对于支持opc接口的现场总线以及以太网接口设备分别通过软硬件接口和以太网方法连接到opc server，通过opc server 对底层实时数据进行封装，opc client通过opc server提供的 opc接口进行数据通信，实现数据的交换流动。
32.本技术中，通过网络层实现监控层与现场设备层之间的通信和将分布式控制系统的各个设备联系起来。
33.在一种具体的实施例中，网络层利用全双工交换方式的ieee 802.3光纤以太网，采用树形拓扑连接结构与专业级交换设备实现将分布式控制系统的各个设备联系起来。
34.需要说明的是，中央监控系统的网络层利用全双工交换方式的ieee 802.3光纤以太网，采用树形拓扑连接结构与专业级交换设备以获取良好的网络通讯性能。
35.本技术中，通过现场设备层接受上位机下达的控制指令完成相关动作和上传被监控变量的实时数值。
36.在一种具体的实施例中，监控系统的现场设备层为系统架构中的最底层部分，主要包含水面支持、动力输送、水下传输以及水下集矿子系统的主要设备。
37.需要说明的是，水面支持子系统包括a架绞车、线缆绞车及相关辅助设备，主要负责对动力输送及水下集矿子系统相关线缆、硬管的协同布放及回收。
38.请参阅图2-1和图2-2所示水面支持子系统流程布放作业流程具体为：水面支持子系统从各个设备的入水到回收，一直是保持运行的状态，贯穿整个作业过程，主要监控的是门架和绞车的状态，对异常信号起到报警的功能。
39.需要说明的是，当在水面支持子系统发出报警信号时，中央监控系统采集到该报警信号，在监控界面上发出相应的故障报警提示，并弹出报警窗口，提示工作人员对发生故障的水面支持设备进行检查。故障确认后，水面人员需要判断是否需要停止布放或回收作业，若不需要停止作业，取消报警状态；若需要停止作业，则启动子系统紧急联动或者紧急制动。待故障解除后，水面支持子系统恢复布放回收作业。
40.在一种具体的实施例中，水面支持子系统故障报警具体包括：界面告警及报警弹窗提示和软件提示及声光报警提示。
41.需要说明的是，水面支持子系统的界面告警及报警弹窗提示具体包括：钢丝绳下放长度、钢丝绳速度、门架角度、门架速度、钢丝绳张力、绞车电缆下放长度、绞车电缆速度、绞车电缆张力、油缸位移、协调控制状态等。
42.需要说明的是，水面支持子系统的软件提示及声光报警提示具体包括：泵站电机状态、泵站压力状态、绞车离合器状态、绞车刹车状态、绞车系统控制状态等。
43.需要说明的是，动力输送子系统主要包括对中继站、提升泵、集矿车以及相关甲板
设备完成供电任务的电力系统。
44.请参阅图3，图3所示动力输送子系统控制具体为：动力输送子系统从各个设备的入水到回收，一直是保持运行的状态，贯穿整个作业过程，主要监控的是提升泵、中继站、集矿车、甲板设备等电机的状态，对异常信号起到报警的功能。
45.需要说明的是，当在动力输送子系统发出报警信号时，中央监控系统采集到该报警信号，在监控界面上发出相应的故障报警提示，并弹出报警窗口，提示工作人员对发生故障的供电设备进行排查。经过短时间排查后，若动力子系统能正常供电，则继续工作，中央监控系统取消该故障信号的报警；若动力子系统无法在短时间内恢复正常供电或该报警信息的设备在观测时间段内持续故障，将保持该供电设备报警状态，并等待水上人员判断是否启动子系统紧急联动或者紧急制动。
46.在一种具体的实施例中，动力输送子系统故障报警具体包括：界面告警及报警弹窗提示和软件提示及声光报警提示。
47.需要说明的是，动力输送子系统的界面告警及报警弹窗提示具体包括：各个供电集装箱母线各相电压、各个供电集装箱母线各相电流、各个供电集装箱母线各相功率等。
48.需要说明的是，动力输送子系统的软件提示及声光报警提示具体包括：各个供电集装箱进线监测柜断路器状态、供电系统供电断路器状态等。
49.需要说明的是，水下传输子系统主要包括提升泵、中继站及相关软管、硬管等设备部件，主要完成对矿业的提升与输送。
50.请参阅图4，图4所示水下传输子系统控制具体为：水下传输子系统从集矿车的工作到回收，一直是保持运行的状态，直到采矿作业结束，中继站内矿物输送完成，主要监控的是电机和液压站，动力分线箱，中继站等的运行状态，对异常信号起到报警的功能。
51.需要说明的是，当在输送过程时输送子系统发出报警信号时，中央监控系统采集到该报警信号，在监控界面上实时的发出输送子系统相应的故障报警信号，并在监控界面上弹出该条报警信号的报警信息窗口提示工作人员进行故障排查以及设备运行状态确认。视实际情况，若输送子系统能正常进行输送作业，则继续工作，中央监控系统取消该故障信号的报警；视实际情况若输送系统并不能正常运行，保持该设备报警状态，并等待水上人员判断是否启动子系统紧急联动或者紧急制动。如需要清空中继站料仓内物料，将停止给料机运行，待料仓内物料排空后，中央监控系统发出输送子系统停机信号。
52.在一种具体的实施例中，水下传输子系统故障报警具体包括：界面告警及报警弹窗提示和软件提示及声光报警提示。
53.需要说明的是，水下传输子系统的界面告警及报警弹窗提示具体包括：液压站加载、硬管泵过流、软管泵过流、液压站电机过流、硬管泵各相电机电压、硬管泵各相电机电流、硬管泵入口压力、硬管流量、液压油压、给料机转速、中继站离地高度、中继站入水深度、中继站俯仰角、中继站横滚角、中继站方位角等。
54.需要说明的是，水下传输子系统的软件提示及声光报警提示具体包括： 硬管泵状态、软管泵状态、液压站电机状态、给料机状态、紧急排放阀状态、硬管电机绝缘、硬管电机漏电、软管泵电机绝缘、液压站电机漏电、液压站油温超温、动力分线箱漏水、阀箱漏水、中继站电子舱漏、控制电源绝缘故障、控制电源故障等。
55.需要说明的是，水下集矿子系统主要指集矿车部分。
56.请参阅图5-1和图5-2所示水下集矿子系统控制具体为：在所有设备布放完成后，进入集矿作业阶段，操作人员需要对水下集矿子系统在采矿前和采矿中设备正常状况进行确认；中央监控系统需要实时监控集矿车工作过程中的电机、液压站、破碎机、软管应力、集矿车等报警信息或者状态信息，保证设备的正常运行和采矿任务的顺利执行。
57.需要说明的是，当集矿车在一定区域内完成该区域的集矿作业后，需要移动到其他的区域去进行集矿作业，此时中央监控监控系统向集矿车和水面支持子系统船舶采集经纬度坐标并告知工作人员移动集矿区域并报告集矿车和船舶的经纬度信息，工作人员再按照一定算法进行合理的调度与移动。
58.需要说明的是，若当集矿车电机出现短暂的过流故障发出报警信号时，中央监控系统采集到该报警信号，在监控界面上实时的发出集矿车相应的故障报警信号，并在监控界面上弹出该条报警信号的报警信息窗口提示工作人员降低相应的集矿车电机的供电集装箱的供电频率。视实际情况若之后能平稳运行，则继续进行采矿工作，中央监控系统取消该故障信号的报警；视实际情况若之后系统并不能平稳运行或者持续出现过流报警信号，中央监控系统则应按上述步骤继续软件告警并发出声光告警提示其他子系统，并等待水上人员判断是否启动子系统紧急联动或者紧急制动。
59.需要说明的是，当集矿车电机出现漏电、超温等比较严重故障时，中央监控系统采集到该报警信号，在监控界面上实时的发出集矿车相应的故障报警信号，并在监控界面上弹出该条报警信号的报警信息窗口；此时上位机软件还将向声光告警体统发出报警信息，故障设备对应系统的提示灯发出闪烁提示以及对应的蜂鸣器发出声音告警。若集矿车电机直接出现停机故障时，除了上述的告警提示，并等待水上人员判断是否启动子系统紧急联动或者紧急制动。
60.在一种具体的实施例中，水下集矿子系统故障报警具体包括：界面告警及报警弹窗提示和软件提示及声光报警提示。
61.需要说明的是，水下集矿子系统的界面告警及报警弹窗提示具体包括：电机各相电压、电机各相电流、电机漏电流、电机绝缘电阻、软管应力、油泵电机温度、hpu1压力、集矿车潜入深度、集矿车离底高度、集矿车倾角、集矿车方位角、履带转速、履带压陷深度、作业车经纬度等。
62.需要说明的是，水下集矿子系统的软件提示及声光报警提示具体包括： 集矿车电机超温、集矿车电机漏电、液压站堵塞、液压站超温、液压站漏水、电子舱漏水、阀箱漏水、动力分线箱漏水、破碎机卡、软管应力过大、控制电源绝缘故障、控制电源故障等。
63.需要说明的是，现场设备层作为协调控制系统的控制对象部分，一方面接受上位机下达的控制指令完成相关动作以实现系统功能，另一方面上传被监控变量的实时数值，以保证设备自身在上位机的监控作用下安全、稳定运行。
64.请参阅图6，图6所示监控系统数据流动具体为：通过以太网，将现场设备层中的底层设备例如plc中的数据，通过opc3.0通信协议，经交换机将数据传输到opc server中，再通过opc server，将数据传输到组态王中，通过组态王进行数据处理，进行数据监控与转存到数据库中。
65.请参阅图7，图7所示opc server设计其功能具体为：opc server是设备驱动程序与opc接口的集合，为此，在opc方式下，现场设备的数据由设备驱动程序进行采集，采集完
成后由opc server对数据进行封装，即将数据转换成opc协议下的统一方式进而直接与各opc client实现交互，opc数据封装由具体的opc server软件完成。
66.需要说明的是，采用该种方式设计opc server具有以下优势，一是能够降低软件开发的复杂度与工作量，二是能够有效保证opc统一方式下数据通信的可靠性。
67.请参阅图8，图8所示opc client与plc执行机构间的数据交换方式，其功能具体为：opc client与设备驱动程序之间的数据交换通过opc server实现。
68.请参阅图9，图9所示opc client设计流程，具体包括：初始化设置opc client程序101、读/写操作opc标签数据102和清除opc组对象103。
69.在一种具体的实施例中，初始化设置opc client程序具体为：1）由opc client程序对dcom进行初始化设置；2）在正确初始化dcom的基础上，创建客户化接口；3）正确创建客户化接口后，由opc client程序为opc server对象创建一个opc组对象；4）正确创建opc组对象后，由opc client程序为opc 组对象创建多个opc标签对象。
70.在一种具体的实施例中，完成对opc标签数据的读/写操作具体为：创建两个自动化接口方法：1）on data change与on async_write complete，其在数据发生变化或异步写操作完成后被调用；2）完成对opc标签数据的读/写操作。
71.在一种具体的实施例中，清除opc组对象具体为：1）在opc client工作结束时，清除opc server对象中的opc组对象。
72.请参阅图10，图10所示监控系统数据库设计具体为：中央监控系统所管理的基本的对象是数据点和控制点。
73.需要说明的是，数据点和控制点的属性包括所属子系统、所属设备、本身数值、单位及数据类型等，这些属性既包含点本身的基本性质，也反映了对象之间从属关系。
74.请参阅图11，图11所示监控系统作业监控流程，具体包括：启动前自检101、作业过程监控102和作业结束自检103。
75.请参阅图12，图12所示启动前自检具体包括：中央监控系统启动自检，水面支持子系统自检，动力输送子系统自检，水下传输子系统自检和水下集矿子系统自检。
76.请参阅图13，图13所示作业过程监控具体为：在布放/回收及采矿作业过程中，中央监控系统对水面支持、动力输送、水下传输以及集矿子系统关键参数实时监控、显示、异常报警。
77.请参阅图14，图14所示作业结束自检具体为：当“布放-—采矿
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回收”作业过程完成后，中央监控系统需对水面支持、动力输送、水下传输以及集矿子系统进行关闭前的二次自检。
78.综上所述，本技术中监控系统基于以太网和opc技术的深海采矿异构网络监控系统，监控系统主要是四个子系统的现场设备进行监控，当产生报警信号时启动报警联动控
制。
79.监控系统还对船上a架、绞车以及塔吊等设备进行监控，完成对采矿设备的布放或回收作业，且监控系统基于opc da3.0技术规约建立了一组符合标准化网络控制需求的接口规范，并通过ieee 802.3光纤以太网传输上述标准化的opc协议数据。
80.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
81.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。