1、煤矿综合自动化系统的研究 摘 要 : 以龙口矿业集团建设的煤矿综合自动化系统为例 ,详细介绍了该系统的硬件、软件结构及井下胶带、井下供电、井下电机车运输、压风机、主通风机、主副井提升、井下排水、矿井安全监测、人员定位监测等各子系统的接入方法 ,并简要介绍了煤矿综合自动化辅助系统的功能。实际应用表明 ,该系统实现了在煤矿地面集控中心对各子系统的开停控制 ,提高了矿井的生产效率。 关键词 : 煤矿 ;综合自动化 ;工业以太网 ;接入方法 0 引言 几年来煤炭工业的发展证明 ,建设以自动化、信息化为标志的新型现代化矿井已成为煤 炭企业提高矿井安全程度 ,实现高产高效 ,增强核心竞争力的必然途径。因此
2、 ,龙口矿业集团在各矿井大力建设了煤矿综合自动化系统 ,从而提高了矿井的生产效率、经济效益、安全程度。 1 煤矿综合自动化系统实现的主要目标 煤矿综合自动化系统作为煤矿自动化总平台 ,实现了在地面对煤矿井上下诸多设备的可靠控制。 (1)采用光纤组建了煤矿井下工业以太网并形成环网 ,全矿井下胶带、轨道、供电、排水、通风、矿井提升、选煤等自动控制子系统均以现场总线等形式就近接入工业以太环网 1,同时 ,采用 OPC 及组态软件等技术接入软件平台 ,形成全矿井 自动控制信息传输及处理的总集成平台 ,基于该平台实现了在地面集控中心对井下胶带、供电、排水、轨道、通风、压风、提升、选煤等设备的远程开停控制
3、和在线监测 ,井下诸多环节和岗位实现了无人值守 ,大大减少了井下现场人员 ,提高了矿井安全水平。 (2)煤矿安全监控、人员定位等监测监控系统在地面接入煤矿自动化平台 ,实现了矿井自动化信息、安全生产监测信息的集成、共享和 Web 发布等功能 ,实现了对井下所有掘进头、工作面的瓦斯自动检测和超限自动断电、告警 ,实现了对井下所有重要地点的风速、温度、风门、局扇开停的自动监测 ,实现了对井下人 员分布情况的在线监测和统计。 (3)建立了矿井自动化监控中心 ,具有大屏幕显示功能 ,控制功能 ,数据统计汇总功能 ,网络功能等 ,操作员站之间具备相互冗余功能。 (4)建立了矿井工业电视监视系统 ,将井下
4、和地面各主要地点摄像机的信号传输到地面视频服务器 ,在集控中心显示和切换图像 ,为地面远程控制提供了必备的监视手段。 (5)建立了矿井移动通信系统 ,实现了井下现场与集控中心的清晰通话 ,为地面远程控制提供了畅通的联络手段。 (6)完成了煤矿综合自动化系统与煤矿管理网络安全对接 ,将煤矿井下现场的自动化信息、安全监测信息、井下 视频与管理信息系统联通 ,通过 Web 等方式实现了各类信息在全公司的资源共享。 2 煤矿综合自动化系统的组成 煤矿综合自动化系统采用 3 层 (管理层、控制层、设备层 )架构体系 ,主要由硬件平台、软件平台、各个接入系统组成 2,其网络结构如图 1 所示。 2.1 硬
5、件平台 数据传输网采用光缆冗余环形工业以太网 ,实现集成传输功能 ,可提高系统可靠性。地面集控中心采取双机互备的方式设置各子系统工作站、数据库服务器、管控服务器等 ,分别接入工业以太网核心交换机。网络中的所有设备均支持SNMP 网管。 整个控制网络为独立的监控信 息传输网络 ,只通过硬件防火墙与管理信息网联接 ,保证系统的安全。在管理信息网内配置 Web 服务器 ,用于提供 Web 应用发布 ,使管理信息网内的客户端能够浏览到综合自动化系统的相关信息数据。 2.2 软件平台 煤矿综合自动化系统采用 3 层网络体系结构 :浏览器 (客户端 )、应用逻辑服务器、数据库服务器 ,如图 2 所示。 煤
6、矿综合自动化系统的开发平台为微软公司 Visual Studio .NET,监控软件 (组态软件或定制开发 )基于网络平台运行 ,以网络操作系统 Windows2003 Server 为运行环境 ,以关系数据库 (如 MSSQL Server、 DB2、 Oracle 等 )为数据库支撑。 与各子系统的软件接口主要采用 OPC 接口 ;对于不具备OPC 接口的子系统 ,也采用 DDE、 TDCOM、 ODBC 或 FTP接口方式。 软件功能 :对各子系统进行信息协议交换、综合分析、分类处理 ,Web 浏览 (实时动态图形、实时数据表格、故障报警、趋势曲线等 ),数据分级管理 ,事件记录 ,报表
7、打印 ,安全认证。 2.3 各接入子系统 煤矿井下胶带、井下供电、井下电机车运输、压风机、主通风机、主副井提升、井下排水、矿井安全监测、人员定位监测等控制子系统的下位机 ,PLC 等现场控制设备挂接在环网交换机上 ,设在地面的管控服务器通过 OPC 软件接口与各就地控制机 (PLC)进行数据交换 ,获取现场各个点的信息并存储到实时数据库中 ,设在地面集控中心的操控工作站与管控服务器进行数据交互并可发布控制命令 ,从而实现对各子系统现场设备的远程控制和监测 3,同时 ,所有监测监控信息均实现了网上共享 (可通过 IE 浏览 )功能。 (1)井下胶带集控系统 该系统的各胶带就地控制机 (PLC)通
8、过 RS485 接口就近接入井下工业以太环网交换机 ,设在地面的管控服务器通过OPC 软件接口与各就地控制机 (PLC)进行 数据交换 ,获取现场各个点的信息并存储至实时数据库中 ,设在地面集控中心的胶带操控工作站与管控服务器进行数据交互并可发布控制命令 ,从而实现对多条胶带的集中控制和监测 ,以及顺、逆煤流程序控制和胶带运输系统的优化控制。 控制信号 :电动机开停、制动闸控制、给煤机控制、预告控制、后方胶带机的联锁等。 监测信号 :各胶带机的保护信号 (打滑、超速、堆煤、烟雾、跑偏、急停闭锁、温度、洒水、纵撕信号、张力下降保护等 )、电动机开停状态、给煤机状态、前方设备的联锁等。 (2)井下
9、供电集控系统 该系统的各变电所就地监控分站通过以太网接 口就近接入井下环网交换机 ,设在地面的管控服务器通过 OPC 软件接口与各就地监控分站进行数据交换 ,获取现场各个点的信息并存储至实时数据库中 ,设在地面集控中心的供电操控工作站与管控服务器进行数据交互并可发布控制命令 ,从而实现对各个变电所设备的集中控制和监测 4。 控制信号 :变电所高、低压设备的开关。 监测信号 :实时采集、计算开关设备的开关状态及运行参数 (电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数等 );当线路出现欠压、过压、过流等故障时 ,可迅速产生相应的报警输出。 (3)井下电机车运输集控系统 该系统的井下电机车运 输就地监控
10、分站通过以太网接口就近接入井下环网交换机 ,设在地面的管控服务器通过OPC 软件接口与就地监控分站进行数据交换 ,获取现场各个点的信息并存储至实时数据库中 ,设在地面集控中心的机车运输操控工作站与管控服务器进行数据交互并可发布控制命令 ,从而实现对井下电机车运输轨道道岔的集中控制和监测。 控制信号 :统控 (统计控制 )、进控 (进路控制 )、遥控 (电动转辙机单机正反控制 )、区解 (区段解锁 )、强制 (强制开放进路 )、就地等。 监测信号 :列车位置、车号、运行方向 ,列车运行速度、车皮数以及信号机状态 ,道岔位置和区段占锁等运行状态信息。 (4)压风机集控系统 该系统的压风机房就地控制
11、机 (PLC)通过以太网接口就近接入井下环网交换机 ,管控服务器通过 OPC 软件接口与就地控制机 (PLC)进行数据交换 ,获取现场各个点的信息并存储至实时数据库中 ,设在地面集控中心的压风机操控工作站与管控服务器进行数据交互并可发布控制命令 ,从而实现对压风机及高 (低 )压配电设备的集中控制和监测。 控制信号 :压风机开停、高 (低 )压配电设备的开关等。 监测信号 :压风机压 力、温度、电流、运行工况和在线设备性能等参数 ,高 (低 )压配电及 MCC 系统。 (5)主通风机集控系统 该系统的通风机房就地控制机 (PLC)通过以太网接口就近接入井下环网交换机 ,管控服务器通过 OPC
12、软件接口与就地控制机 (PLC)进行数据交换 ,获取现场各个点的信息并存储至实时数据库中 ,设在地面集控中心的通风机操控工作站与管控服务器进行数据交互 ,从而实现对通风机及其配电设备的在线监测。 监测信号 :通风机负压、风速、温度、运行工况和电压、电流、功率、效率等参数 ,高 (低 )压配电设备状态等。 (6)主、副井提升集控系统 该系统的主、副井提升房就地控制机 (PLC)通过以太网接口就近接入井下环网交换机 ,管控服务器通过 OPC 软件接口与就地控制机 (PLC)进行数据交换 ,获取现场各个点的信息并存储至实时数据库中 ,设在地面集控中心的提升机操控工作站与管控服务器进行数据交互 ,从而
13、实现对主、副井提升机及其配电设备的在线监测。 监测信号 :提升机提升位置、电动机电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数和电量等参数 ,配电设备状态等。 (7)井下排水集控系统 该系统的井下水泵房就地控制机 (PLC)可根据水位监测信号自动开停水泵 ,同时 ,通过以太网接 口就近接入井下环网交换机 ,设在地面的管控服务器通过 OPC 软件接口与就地控制机 (PLC)进行数据交换 ,获取现场各个点的信息并存储至实时数据库中 ,设在地面集控中心的水泵操控工作站与管控服务器进行数据交互并可发布控制命令 ,从而实现对井下水泵及配电设备的在线监测及集中控制。 控制信号 :各水泵房水泵的开停。 监测信号
14、:水泵电动机的开停状态、电流、温度、电动闸阀开度、真空度、流量、润滑压力等参数。 (8)安全监控系统、人员定位系统 安全监控系统与人员定位系统已集成为一个系统 ,该系统的地面监控主机通过以太网接口接入环网的 中心交换机 ,管控服务器通过 FTP 软件接口从监控主机获取数据 ,从而实现对安全监控系统、人员定位系统各类信息的接入。 监测信号 :矿井各类安全信息 (瓦斯浓度、风速、负压、温度、一氧化碳浓度及风门等环境参数 ),煤仓煤位、水仓的水位及主要机电设备开停等生产工况参数等。 3 煤矿综合自动化辅助系统 为可靠地实现煤矿综合自动化控制 ,在建设综合自动化系统硬、软件平台的同时 ,必须建立煤矿综
15、合自动化的辅助系统 ,包括井下移动通信系统、工业电视系统、集控中心机房及大屏幕显示系统、不间断电源系统 (UPS)及接地系统等 ,用于保证自动化 远程控制的安全性、可靠性。 3.1 井下移动通信系统 煤矿目前一般都使用了调度交换机 ,主要用于全矿井上下各部门和生产区队及辅助区队日常安全生产通信联系和调度。煤矿综合自动化系统建成后 ,有线调度交换机已不能满足及时巡检联络 ,处理设备事故的需要 ,为确保系统的正常运转 ,集控中心需要与现场移动电话进行通信联系。煤矿井下移动通信主要采用 WIFI 系统、小灵通系统或漏泄通信系统 ,由交换设备、控制设备、基站 (或漏泄天线 )、手机等组成。在煤矿井下及
16、地面工业广场建设多个基站 (或敷设漏泄电缆 ),实现对井上下无线信号的全覆盖 ,在所 有地点都可以清晰通话 ,同时 ,移动通信系统与有线调度系统实现联网 ,也可以实现一体化 ,达到有、无线电话通信的互连互通。 3.2 工业电视系统 工业电视系统可直观地监视各重要生产环节和设备 ,是煤矿集中远程控制必备的辅助手段。该系统主要由现场的防爆摄像机、传输光缆、流媒体平台等组成 ,可实现网上共享 (可通过 IE 浏览 )功能。 3.3 集控中心机房 集控中心机房的环境满足计算机等各种微电子设备和工作人员对温度、湿度、电磁场强度、噪音干扰等要求。其工程主要包括建筑装修工程、电气工程 (含接地 )、空调工程、设备监控工程、安全工 程 (门禁 )、消防工程等部分。 3.4 大屏幕显示系统 煤矿综合自动化集控中心配套 DLP 大屏幕投影拼接系统 ,并在两侧配备多台电视组成电视墙 ,在上面配备条形单色LED 显示屏。通过该系统可以对煤矿综合自动化系统的各种视频图像信号、网络信号、计算机图形信息进行多画面显示和分析 ,能够直观、清晰地显示各方面信息 ,便于及时做出判
