井下局扇监测监控系统.docx

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井下局扇监测监控系统

Themanuscriptwasrevisedontheeveningof2021

井下局扇监测监控系统

平宝公司局扇在

线监控系统

技

术

方

案

开封市测控机有限公司

一、前言

煤矿井田范围大，所以井下局部通风机数量多、分布散。

应用局扇远程控制系统之前，对局部通风机的停开控制，都是通过人工操作实现，工作人员从工作面到局部通风机处开启风机需要一段时间，这段时间内可能会造成工作面的瓦斯超限，从而影响生产，也增加了出现危险的系数。

所以为了在开停风机时更好的控制工作面瓦斯浓度和最快的开启风机就需要在地面对局部通风机进行远程监控，并通过监控系统所反馈的数据，及时直接对井下局部通风机进行起停操作，以最大限度降低工作面的瓦斯浓度，保证安全生产，同时根据井下工作面的瓦斯实际情况起停风机也达到了节能的效果。

二、项目需求

煤矿准备建设井下局扇风机监测监控系统，本次方案设计对井下12组局扇风机的运行参数的监测和对风机的远程自动控制。

1、现场情况

1煤矿井下建设有矿井工业以太环网，井下各监控子系统均需要接入以太网时间数据的传输和控制命令的下发。

2局扇风机均采用主备方式配置，共12组，每组有2个局扇，共24个局扇，所有的局扇均为对旋式风机，每台风机2个电机，根据风量需求决定电机的开停。

3为方便取电，风机的配电箱安装于井下机电硐室。

2、系统需求

根据实际情况，而需要对井下的12组局扇风机实现在线实时监测监控，做到在线监测、远程控制。

三、系统概述

矿井局扇通风机在线监控系统为煤矿风机在线监测系统的一个功能模块，能够连续在线监测矿井局扇通风机风量、开停状态、轴承温度、电流、电压、功率、功率因数、风筒状态等参数，控制对旋式风机的电机开停、主备风机的切换，提供高效、稳定、可靠、实时性强的数据采集、存储、管理、分析等功能和控制功能。

为用户提供了丰富的图表、统计、打印信息，及时了解风机运行状况，方便的进行就地远程控制，为煤矿的安全生产提供保障。

系统采用井下工业以太环网方式进行数据传输，并且提供标准OPC数据通讯协议接口，方便实现与安全监控系统的联动，实现矿井的联网监测，数据共享。

四、系统设计

1、设计依据

煤矿安全规程2010

AQ1011-2005煤矿用主通风机系统安全检测检验规范

GB爆炸性环境用防爆电气设备通用要求

GB爆炸性环境用防爆电气设备

GB爆炸性环境用防爆电气设备本质安全型电路和电气设备“i”

GB/T低压电器外壳防护等级

GB12173-90矿用一般型电气设备

GB50343-2004建筑物电子信息系统防雷技术规范

MT209-90煤矿通信、检测、控制用电工电子产品通用技术

MT210-90煤矿通信、检测、控制基本试验方法

MT/T1007-2006矿用信息传输接口

2、设计原则

可靠性

系统经过相关部门检测，井实际应用验证，取得合格证、防爆证、安标证，能够在煤矿恶劣环境下长期工作，确保系统可靠运行。

安全性

系统采用冗余及容错技术，具有数据续传、数据备份、数据恢复功能，具有完善的防范措施（如权限认证、防病毒等），保证系统安全、稳定地运行。

先进性

系统采用先进的技术，功能强，确保系统的使用周期。

扩展性

系统采用标准接口，结构灵活，根据需要，容易扩充，保护用户投资。

易用性

系统组成简单、灵活，易于安装维护，操作简便、实用，满足煤矿需求。

3、系统组成

局扇风机在线监测监控系统整个结构可分为三层：

第一层：

控制层

控制层包含系统中心站软件、监控电脑、数据接口、UPS、打印机等设备。

为整套系统的“大脑”，实现监测数据的采集、显示、存储、分析、报表打印和远程控制功能。

第二层：

传输层

传输层设备包含有系统传输网络设备、传输线缆。

如交换机、光端机、矿用阻燃光缆、矿用通讯电缆等构成，实现监测数据的实时传输、控制信号的有效下发。

第三层：

设备层

设备层为系统的前端部分，实现风机在线监测的各类数据采集，控制命令的执行。

包含监控分站、监测传感器、变送器、控制执行器等设备。

4、系统功能

1）在线监测功能

a）主备风机开、停状态；

b）通风风速；

c）通风机风量；

d）电机轴承温度；

e）供电电压；

f）电流；

g）功率；

h）环境温度

i）环境甲烷浓度

2）报警功能

a）环境甲烷浓度超标、环境温度超标，系统自动声光报警，上位机给出报警信号；

b）风机停止运行自动报警；

c）风机温度超标自动报警；

d）电流、电压低于或高于限定范围时报警。

3）控制功能

a）就地开关手动控制局扇风机启动、停止；

b）上位机远程控制风机的启停，对旋式风机电机的启停；

c）电机温度超限时，自动报警，并提示工作人员采取适当措施；

d）电流、电压超过限定范围时，自动报警并提示工作人员采取适当措施；

e）风量不足时自动开启对旋式风机的备用电机，增加风量。

4）系统软件功能

a）显示功能

实时数据显示：

实时显示设备开停状态、运行状况、各类监测参数；

过程监视显示：

以实时曲线动态跟踪监测参数数据，连续显示监测数据的变化。

以历史曲线图形显示在线测量与处理的风机运行参数，并能查询任意历史时刻的数据。

历史数据在计算机库中的保留时间为一个月或指定时间跨度，也可拷贝到磁盘长期保存，便于查询查询分析。

以多种形式对在先测量与处理的风机运行参数越限报警。

模拟图显示：

模拟显示系统的安装工艺流程图，传感器（或变送器）的安装位置。

b）打印功能

打印监测日报、月报、各个时间段报表。

打印所测点的定义表。

打印任意日期各测点数据形成的历史数据曲线。

以报表的形式查询在线测量与处理的风机运行参数的历史数据，便于值班人员打印值班报表及技术人员定量研究、分析和准备数据制作性能曲线。

c）存储记录功能

系统具有实时存储所有监测点的监测数据，监测数据的实时数据和趋势数据可根据计算机硬盘的大小来决定存储时间。

其中趋势数据包括一段时间内的最大值、最小值、平均值、报警值、报警时间、断电及复电时间、设备开停时间等。

d）报警与控制功能

对所有监测点中任何一个监测点的监测值满足报警条件，计算机和监测装置均能发出警报；

系统具有能根据用户设定好条件自动断电的功能，在紧急情况下，通过上位机进行手动控制断电。

e）联动功能

系统提供标准数据接口，实现与安全监控系统的联动，当安全监控报警，关联到风机在线监控系统，中心站实时报警，并提示工作人员进行适当的处理措施。

f）联网功能

可根据需要，提供系统上传数据，做到煤矿的联网查看，数据共享。

5、实施方案

1）系统整体结构

2）传输网络

本系统需要接入矿井工业以太环网，现有以太网作为传输主干线路。

地面监控主机通过交换机接入监测监控数据。

根据实际环网交换机的位置和局扇距离，确定通讯电缆长度。

3）前端设备

a）风机运行状态监测

运行状态监测为对通风机设备开停状况监测。

监测方式为：

选用EDC3322风机监控模块确定设备开停；

b）通风机电力参数监测

通风机电参数测量内容包括：

电流、电压、功率，通过这些电参数的监测，确定通风机的输入功率。

同时，通过这些电参数的监测也可以了解通风机当前的运行状态，有利于发现电动机的故障。

电压测量：

根据煤矿通风机的供电电压，利用现场综合启动柜中的电压互感器引出被测电压\电流信号，接入EDC3322风机监控模块，通过EDC3322风机监控模块可监测电流、电压、电量、功率等参数，上传至监控中心。

c）环境甲烷监测

在局扇前端风筒端安装GJC4低浓甲烷传感器，监测环境甲烷浓度，并实时上传至中心站，结合风筒风量传感器和断电执行器达到风电瓦斯闭锁功能。

d）风筒监测

在局扇风筒前端安装GFT5型风筒风量开关，监测风筒前端是否有风，判断风机开停和风筒是否破损。

e）环境温度监测

在风机安装地安装KGW200H环境温度传感器，监测当前环境温度，并设置超限报警值，中心站自动报警。

f）电机轴温监测

根据煤矿不同通风机已经在轴承上预埋PT100测温元件。

配套GWD100型温度传感器进行电机温度的监测。

如果没有预埋PT100测温元件，则测温元件随GWD100型传感器配套。

g）控制执行

现场配备KJ357-F（A）型监控分站，根据实际使用情况，中心站设置控制逻辑，对局扇风机的启停进行控制。

五、系统主要设备

1、系统监控主机

系统主计算机接收通讯分站上传的风机开关电力线路的电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、用电量等电力线路运行的实时数据和开关运行状态信号；对开关分、合闸状态和开关运行中分、合闸操作、过流、断路、过压、欠压、漏电等保护跳闸的事件进行纪录。

并通过组太软件对这些数据进行统计、归类、存贮、处理，形成电力系统运行的动画模拟图；实时数据、历史数据、运行事件、设备整定值数据表；历史趋势曲线、直方图、操作记录和用电量日报表、月报表等。

监控主机2台：

双机热备，能实现双机故障自动切换，并完全满足切换时间小于30s；UPS不间断电源1台：

给服务器以及中心站主机提供可靠备用电源，以保障断电情况时系统正常运行；

系统可以接入矿上的局域网和因特网，具有使用权限的用户可以通过网络观看系统的运行界面，查询数据和进行各种操作。

设备型号：

研华工控机CPU：

酷睿I5

内存：

2G硬盘：

1T

显示器：

22”三星液晶网卡：

10/100M自适应

操作系统：

WindowsXP组态软件：

力控FCPower电力版

2、监控分站

控通讯分站是一台小型工业用以太网工作站，它有两对百兆以太网光纤接口、6个百兆以太网电（RJ-45）接口和四个RS-485串行通讯接口。

百兆以太网光纤接口用于组成光纤以太环网或连接远距离光纤百兆以太网交换机和其它光口设备；RJ-45接口用于接入矿上已有以太网和其他监控系统或连接其它RJ-45接口设备；RS-485接口通过矿用两芯阻燃电缆连接高爆、馈电、磁力开关保护器的RS-485输出信号或其它RS485通讯设备。

每个RS-485接口可以并接16台设备；每台分站可接64台保护器或其他RS-485通讯设备。

高爆、馈电、磁力保护器可以混接在同一个RS-485接口上。

具有8路本质安全传感器接口，每路接口能兼容模拟量及开关量传感器，并为传感器提供本质安全电源。

8路断电控制输出，其中近程断电路2路，远程4，能实现就地断电和远程断电控制。

巡回显示各路传感器的值，显示控制输出状态、通讯状态等，具备实时时钟显示功能。

能与地面中心通讯，传送采集数据和接收控制命令。

具有RS485智能接口，可扩展连接各种智能设备。

通讯分站是一个小型监控工作站，它对保护器的监控是独立的，在与主机不能通讯时仍能正常工作。

KJ357-F型通讯分站由隔爆外壳、光纤以太网交换机、嵌入式工控机、本安转换接口、不间断电源和电源开关、线路等组成。

它将其他公司的通讯分站、防爆交换机、防爆计算机、防爆电源等多个设备的功能融为一体，体积小、功能强、减少了外部接线，增强了安全性和稳定性。

型号：

KJ357-F

电源：

AC127V（停电后仍可靠自身电源工作4小时）

功耗：

≤25W

接口：

标准百兆光纤接口2对，单模光纤，波长1310nm，最大传输距离40Km。

标准百兆电口（RJ45）6个，超五类双绞线（网线），最大传输距离100m。

标准RS-485接口4个，半双工，普通矿用阻燃电缆，传输速率9600bps，最大传输距离1200m。

具有8路本质安全传感器接口。

硬件特性：

CPU：

ARCS3C2440A400MHz内存：

64M

存储空间：

64M显示器：

”TFT真彩

网卡：

DM900010/100M自适应操作系统：

WindowsCE.Net

3、低浓甲烷传感器

每组风机前端配置1台GJC4型低浓甲烷传感器，监测环境甲烷浓度。

a）采用新型单片微机和高集成数字化电路，使电路结构简单，性能可靠，便于维修与调试；

b）用新型敏感元件，使仪器性能更加稳定，调校周期大大延长；

c）实现了红外遥控调校零点、灵敏度、报警点等功能,使调校方便简单；

d）增加了传感器断电控制功能,并可任意设定断电点,实现了一机多用；

e）采用新型开关电源,降低了整机功耗,增加了仪器传输距离；

f）增加了故障自检功能,便于使用与维护；

g）设计了新型高强度外壳结构,增强了仪器抗冲击能力。

h）主要技术指标：

测量范围：

%CH4～%CH4

基本测量误差:

%CH4～%CH4≤±%CH4

　　%CH4～%CH4≤±%CH4

　　%CH4～%CH4≤±%CH4

信号输出：

频率：

200Hz～1000Hz（脉冲宽度大于）（优选）；

电流：

1mA.DC～5mA.DC；

信号带负载能力：

0Ω～500Ω

报警方式：

二级间歇式声光报警

　声强≥85dB

　光强：

能见度>20m

　报警点范围：

%CH4～%CH4连续可调。

断电点设置:

%CH4～%CH4连续可调。

（断电点>报警点）

复电点设置:

%CH4～%CH4连续可调。

（复电点<报警点）

采样方式：

扩散式

　　　元件检测反应速度：

≤30S

热催化元件寿命：

一年以上

工作电流：

≤80mA（18V.DC）

工作电压：

9V～

4、风机综合监控模块

每台风机配置2台EDC3322风机综合监控模块，监控井下设备的工作电压变化。

EDC3322以32位ARM处理器为核心而拥有出众的性能与更多功能；采用6通道16位A/D以4K的数据率同步交流采样、数字滤波与校准、合理的数据处理算法，保证数据的可靠性与准确性；通讯接口、供电电源、电压输入、电流输入、开关量输入、继电器输出、电能脉冲输出、模拟量输出等都相互隔离，保证了产品的可靠性；

1.集全面的三相交流电参数测量、综合显示、需量统计、谐波分析、越限控制、开关量输入、继电器输出、模拟量输出、网络通讯等于一体；真正实现“四遥”功能；

2.三表法高精度测量三相三线／四线制交流电路的40多种三相电参数：

电压、电流、有功/无功/视在功率、功率因数、频率、有功/无功电能、零序电流、电压不平衡度、电压/电流K值、电压/电流0～31次谐波分量等；

3.采用交流采样技术，实现了受电/馈电线路四象限功率测量，具正/反向有功电能、感/容性无功电能的高精度计量；

4.谐波失真度THD、K值因数、三相电压不平衡度、零序电流及各种电量的最大/最小/平均值统计便于用户及时观察与分析电网供电质量并监测三相线路异动；

5.可编程电量越限控制功能可实现如：

过负荷、单相接地、谐波分量过高、相序错误及电压不平衡等预告报警或故障控制，避免事故发生；

6.输入为三相交流45～75Hz电压、电流；电压量程（相电压）为100V、250V、500V可选；电流量程为1A、5A、10A等可选。

过载能力为倍量程输入可正确测量，瞬间（<1S）电流10倍、电压3倍量程不损坏。

7.新颖的组合式结构与外观设计，保证产品具超小体积却拥有更强功能；可选配的多种规格分体式或一体式LCD（12864）图形液晶显示（带背光），可实时显示各种电量及信息，配合按键可设置参数，带背光的LCD显示器保证在各种环境中读表；

8.强抗干扰能力设计、数字化自动校准与免维护设计、工业级器件、标准化的生产工艺及测试，保证产品适用多种复杂环境及恶劣场所；

9.多种可选供电方式：

＋5V、10～30V、AC85～264V，为系统设计提供更多的灵活性；

10.标准RS-485通讯接口（可选RS-232接口、CAN接口），MODBUS－RTU通讯协议；可与多种品牌的PLC、RTU及工控组态软件进行网络通讯；

产品功能

标准PT、CT输入，适用于各种电压等级及接线方式；

1.40多种三相电参数的高精度测量、显示；

2.16位6通道同步交流采样，实现四象限功率量的方向测量，正/反向有功电能、感/容性无功电能高精度计量；

3.可设置数据更新周期：

秒～1秒（以为单位）；真有效值测量；

4.高测量精度：

电流/电压优于％，其它电量优于％；

5.完善的各种三相/单相电量最大/最小/平均值等需量统计；

6.利用零序电流/电压不平衡度可实现三相线路异常监测；

7.谐波失真度THD/K值因数便于及时分析电网供电质量；

8.2路开关量输入；2路可编程电量越限控制继电器输出（或作为遥控输出），可预防/避免事故发生；

9.2路可设置的有功／无功电能脉冲输出；

10.1路可配置的4～20mA模拟量输出；

11.实时测量三相电流、三相电压的1-31次谐波分量及相位；

12.可选多种规格分体式或一体式LCD（12864）图形液晶显示（带背光），实时显示各种电量及信息；

13.标准RS-485光隔通讯接口（可选RS-232接口、CAN接口），标准MODBUS－RTU通讯规约；

14.各种参数（地址、波特率、变比等）均可通过计算机“远方”设定或仪表面板设定；

15.所有的测量数据及越限报警信号均可经由通讯口读出，亦可由显示器查询；

16.模块的测量精度采用智能化自动校准模式，免维护设计；

17.多种可选供电方式：

AC85～264V，<3W;DC10～30V，<3W；DC5V±5%，<2W；

?

基本参数

?

∙输入电压：

电压量程（相电压）：

100V、250V、500V；

∙过载能力：

倍量程／正确测量；倍量程／连续；3倍量程／1S；

∙输入负荷：

<（100V）;<（500V）；输入阻抗：

>1kΩ／V；

∙输入电流：

电流量程：

1A、5A、10A；

∙过载能力：

倍量程／正确测量；2倍量程／连续；10倍量程／1S；

∙输入负荷：

<；

∙输入阻抗：

<10mΩ；

∙

∙输入频率：

输入范围：

45～75Hz；额定频率：

50／60Hz；

∙继电器输出触点容量：

5A/250V/AC;5A/30V/DC;

∙绝缘强度：

1500V/AC,50/60Hz;绝缘电阻：

≥100MΩ；所有输入输出端子间，有：

通讯接口、供电电源、电压输入、三相电流输入、开关量输入、继电器输出、电能脉冲输出、模拟量输出；

∙供电电源与功耗：

AC85～264V，<3W;DC10～30V，<3W；DC5V±5%，<2W；

∙数据更新：

秒～1秒可设置（以为单位）；真有效值测量，6通道16位同步采样，4000次/秒；

∙抗干扰：

受强干扰产生故障时能立即自动复位；设置的参数、电能等不出错；

∙平均无故障工作时间:

≥50000h；

∙外型：

外型尺寸：

122X70X54mm；安装方式：

导轨式；

∙工作环境：

工作温度：

-20～70℃；存储温度：

-40～85℃；相对湿度≤90%，86～106kPa，无腐蚀气体场所；

?

测量精度

?

∙电压/电流精度:

±（RD*%+FS*%）;

∙其它电量精度:

±（RD*%+FS*%）。

5、矿用一氧化碳传感器

GTH1000型一氧化碳传感器用于连续地检测煤矿井下空气中的一氧化碳含量，能单独使用或与各种煤矿安全监控系统配套使用。

该传感器是一种智能型检测仪表，所有调校功能可通过遥控器实现，具有精度高、稳定可靠、使用方便等特点。

技术参数

防爆型式：

矿用本质安全型，ExibⅠ

　测量范围：

0～1000ppm（也可根据用户要求定做）

测量误差：

测量范围

基本误差

　　0～50ppm

　±4ppm

　　50～200ppm

　±（4+3%测量值）ppm

　　200～1000ppm

　±（4+5%测量值）ppm

?

　响应时间：

小于30s

　遥控范围：

距离不小于5m，角度不小于120度

　报警点：

测量范围内可任意设置

　报警方式：

红色灯光闪烁，蜂鸣器鸣叫（报警响度1米内不小于85dB）

　输出信号

　　200～1000Hz频率（负载电阻kΩ时，输出高电平＞3V，输出低电平＜V）；RS485接口，通信波特率1200bit/s

　工作电压：

DC9～24V

　工作电流：

DC18V不大于100mA

　标定流量：

200毫升/分

　外形尺寸：

280×150×68（mm）

　重量：

1kg

　支持在线标校设定与解除

6、矿用二氧化碳传感器

GRG5H型矿用红外二氧化碳传感器用于连续地检测煤矿井下空气中的二氧化碳含量，能单独使用或与各种煤矿安全监控系统配套使用。

该传感器是一种智能型检测仪表，所有调校功能可通过遥控器实现，具有精度高、稳定可靠、使用方便等特点。

技术参数

　防爆型式：

矿用隔爆兼本质安全型，ExibdⅠ

　测量范围：

0～5%CO2

　测量误差：

±%CO2

　响应时间：

小于30s

　遥控范围：

距离不大于5m，角度不大于120度

　报警点：

%～%范围内设置

　报警方式：

红色灯光闪烁，蜂鸣器鸣叫（报警响度1米内不小于85dB）

　输出信号

　　GRG5H－1型：

200～1000Hz频率（负载电阻kΩ时，输出高电平>3V，输出低电平

　　GRG5H－2型：

1～5mA恒流，负载电阻0～500Ω

　　GRG5H－3型：

RS485接口，通信波特率1200bit/s

　工作电压：

DC9～24V

　工作电流：

不大于80mA

　外形尺寸：

280×150×68（mm）

　重量：

1kg

　标定流量：

200毫升/分

　支持在线标校设定与解除

六、系统配置清单

序号

设备名称

规格型号

单位

数量

备注

1.

监控主机

TPC610

台

2

研华（含键盘、显示器、鼠标）

2.

组态软件

力控通用版无限点

套

2

力控

3.

监控软件

风机监控

套

1

　惠普

4.

打印机

HPLaserjetPROP1106

台

1

　山特

5.

不间断电源

山特2KVA/2h

台

1

东土科技

6.

交换机

KIEN2000B

台

1

图腾

7.

监控分站

KJ357-F（A）

台

12

开封测控

8.

风机电参量采集模块

EDC3322

台

24

开封测控

9.

电流互感器

KFCK-45

只

72

开封测控

10.

风筒风量传感器

GFT16

台

12

南京北路

11.

甲烷传感器

GJC4

台

12

南京北路

12.

一氧化碳传感器

GTH1000

台

12

南京北路

13.

红外二氧化碳传感器

GRG5H

台

12

南京北路

14.

环境温度传感器

GWD100

台

12

南京北路

15.

KDW127/12

台

12

开封测控

16.

控制电缆

MVV4*1

KM

17.

屏蔽电缆

MHYVRP1×4×7/

KM

18.

屏蔽电缆

MHYVRP1×8×7/

KM

19.

阻燃网线

KM

1

20.

四通接线盒

JHH-4

个

70

21.

设备合计

用户自备

七、技术培训

项目实施时对矿方的技术人员提供免费的项目技术培训，培训目标使矿方的技术人员能够完全掌握系统正常情况下的日常运行维护和故障的排除等。

培训内容包括：

针对投标设备的技术基础培训，实施