风机监控系统软件设计论文610.docx
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风机监控系统软件设计论文610
中国矿业大学
本科生毕业设计
姓名:
任旭涛学号:
21040398
学院:
应用技术学院
专业:
电气工程及其自动化
设计题目:
风机监控系统——软件设计
专题:
指导教师:
胡忠建职称:
副教授
2008年6月徐州
中国矿业大学毕业设计任务书
学院应用技术学院专业年级电气04-3学生姓名任旭涛
任务下达日期:
08年3月15日
毕业设计日期:
08年3月15日至08年6月18日
毕业设计题目:
风机监控系统——软件设计
毕业设计专题题目:
毕业设计主要内容和要求:
本文分析了基于MCGS的风机监控系统的软件设计,并给出了一种实现方案。
1、实时监测风机风压(静压、全压)、风速风量、轴承温度、定子温度、电网电流、电压、功率、电机与风机效率、风峒大气参数(温度、湿度、大气压力)等风机运行各种参数;
2、监测风门位置、风机开停状态、反风信号和电机编号等风机运行多种状态信息;
控制风门开/关、风机启/停;
3、具有现场控制、远程控制、手动控制等多种控制方式。
院长签字:
指导教师签字:
中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书
指导教师评语(①基础理论及基本技能的掌握;②独立解决实际问题的能力;③研究内容的理论依据和技术方法;④取得的主要成果及创新点;⑤工作态度及工作量;⑥总体评价及建议成绩;⑦存在问题;⑧是否同意答辩等):
成绩:
指导教师签字:
年月日
中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书
评阅教师评语(①选题的意义;②基础理论及基本技能的掌握;③综合运用所学知识解决实际问题的能力;③工作量的大小;④取得的主要成果及创新点;⑤写作的规范程度;⑥总体评价及建议成绩;⑦存在问题;⑧是否同意答辩等):
成绩:
评阅教师签字:
年月日
中国矿业大学毕业设计答辩及综合成绩
答辩情况
提出问题
回答问题
正确
基本
正确
有一般性错误
有原则性错误
没有
回答
答辩委员会评语及建议成绩:
答辩委员会主任签字:
年月日
学院领导小组综合评定成绩:
学院领导小组负责人:
年月日
摘要
随着我国信息化技术的发展以及安全生产要求的提高,我国大多数煤矿企业生产过程中都采用了各种各样的煤矿监控系统,然而,每年煤矿事故总是接连不断,一些统计数据表明,瓦斯灾害事故是煤矿企业中经济损失最大、死亡比例最高的重大事故之一。
而预防瓦斯爆炸最主要的措施就是加强矿井通风,降低瓦斯浓度,因此风机监控在煤矿生产中就显得尤其重要。
然而实际情况中常常出现控制工程人员缺乏计算机专业知识与计算机专业人员缺乏控制工程现场操作技术和经验的矛盾,极大地阻碍了监控系统工作效率的提高,这种矛盾由于工控组态软件的产生而得以解决。
工控组态软件作为一种用户无需改变运行程序原代码的软件平台工具,为实现工业控制免去了大量烦琐的编程工作,在各个工控领域逐步展示了其独特的优势并日渐成熟。
近年来,工控组态软件被逐渐应用到风机监控系统中,收到了良好的效果。
MCGS是国内比较流行且运行比较可靠的几种工控组态软件之一。
本文分析了基于MCGS的风机监控系统的软件设计,并给出了一种实现方案。
关键词:
信息化技术;瓦斯灾害事故;风机监控系统;工控组态软件
ABSTRACT
Withdevelopmentofourcountryinformatizationtechnologyandupgradeofsafetyinproductionrequire,majoritycoalminesenterprisealladoptallkindsofcoalminemonitoredcontrolsystemoutinprocessofproductionofourcountry.However,coalmineaccidentalwaysneverdyingineveryyear,somestatisticaldatasindicate,thegasdisastertroubleisaneconomylossbiggestinthecoalminebusinessenterprise,rateofdeathisthetallestofoneofthegravenesstroubles.Andgasexplosionleadingagainstmeasureamountstostrengthenventilationofmines,depressgassesstrength,henceblowermonitorseemsespeciallyimportatininductionofcoalmine.howeverpracticalsituationoftenofferscontradictionengineeringpersonnellackcomputorprofessionalknowledgeorcomputerprofessionallackengineeringtechnologyandexperimentofwellsiteoperation,hugelyresiststheadvanceofmonitoredcontrolsystemworkefficiency,thebringandsucceedinsolveforthofthesuchcontradictionowingtoConfigurationSoftware.thesoftwareplatforminstrumentoftheCONFIGurationsoftwarebywayofasortofuserdispensewithtransferworkingprocedureprimarycode,forrealizeindustrialcontrolexcusesplentytenuousprogrammingwork,ateachlabourcontrolregiongraduallyshowuniquepredominanceanddaygrewintoripe。
inrecentyears,labourcontrolconfigurationsoftwaregraduallyapplicationtoblowermonitoredcontrolsystem,receivesfavorableeffect。
MCGSisoneoffashionandresponsibleforoperatinginsomekindoflabourcontrolconfigurationsoftware。
thispaperanalysessoftwaredesignoftheblowermonitoredcontrolsystembaseonMCGS,andgaveoutasortofrealizeproject.
Keywords:
informatizationtechnology;thegasdisastetrouble;blowermonitoredcontrolsystem;labourcontrolconfigurationsoftware
1绪论
随着国民经济的快速发展,国家能源工业对煤炭的需求日益增长,然而煤安全事故频繁,其中以瓦斯爆炸事故最为突出。
2006年2月15日到3月19日一个多月时间里,就发生了5起煤矿特大瓦斯爆炸事故,共死亡165人。
据国家监总局公布的统计,全国一季度煤矿事故造成死亡的人数竟然已高达1113人,煤矿“吃人”己到了令人无法忍受的地步。
目前,我国煤矿约半数矿井为高瓦斯、煤与瓦斯突出矿井,瓦斯始终是我国煤矿安全的最大威胁。
本文开发了基于MCGS组态软件的风机监控系统,有效地监测并控制井下有害气体和其他影响井下工作人员健康的参数。
从而有效地减少了煤矿自然灾害的发生。
1.1问题的提出及研究意义
1.1.1问题的提出
众所周知,煤矿井下生产过程中时时刻刻都受到“水、火、瓦斯、顶板”五大自然灾害的威胁,其中,瓦斯煤尘爆炸事故能使矿毁人亡,危害极大,为五大自然灾害之首,为搞好矿井的“一通三防”管理工作至关重要,故“一通三防”技术的管理为煤矿的重中之重,矿井的“一通三防”管理就是矿井通风、防治瓦斯、防治煤尘、防灭火的技术管理简称,它的基本任务是根据党的安全方针、政策、掌握火、瓦斯、煤尘和地热等自然灾害的发生和发展规律,应用科学技术手段防治各种灾害,根据井下风流流动的规律,不断得将新鲜的风流输送到井下各个工作地点,创造良好的气候条件,以冲淡并排出井下的毒性、窒息性和爆炸性的气体和粉尘,以保证井下风流的质量(成分、温度和速度)和数量符合国家安全卫生标准,提供良好的工作环境,防止各种伤害和爆炸事件事故,保障井下工作人员身体健康和生命安全,保护国家资源和财产,在矿井建设和生产期间始终占有非常重要的地位。
瓦斯灾害给煤矿带来的最大危害是威胁井下人员生命,摧毁矿井设施,迫使矿井停产,并需要投入大量人力物力抢险救灾。
据资料统计,1981一1995年,我国重点煤矿在加强瓦斯灾害防治的前提下,仍因瓦斯爆炸死亡1582人,瓦斯窒息死亡278人,造成直接经济损失近几亿元。
我国煤矿瓦斯灾害事故仍呈不断上升趋势,给煤矿安全生产造成极大威胁。
为防治瓦斯灾害事故,国家煤炭工业局每年投入安全技术措施费近1亿元(大部分用于防治瓦斯灾害),矿井进入成本的瓦斯灾害防治费平均达10元/吨,有的矿井高达30元/吨。
粗略估算,从各种途径投入瓦斯灾害的防治费用每年达20亿元以上,给煤矿生产带来沉重的经济负担。
瓦斯灾害的威胁也极大的限制了矿井生产能力的发挥。
据有关资料统计,1995年130个国有重点瓦斯矿井年设计生产能力为9300万吨,核定生产能力为6000万吨,仅为设计能力的60.6%。
由于矿井生产能力的下降,产出减少,矿井经济效益显著降低;正因为矿井安全生产受到威胁,矿井经济负担重,效益差,致使矿井人员稳定困难,科技开发能力减弱,不少高瓦斯矿井步入恶性循环,最终导致矿井关闭
瓦斯灾害防治的主要目的是防治瓦斯积聚,防治瓦斯煤尘爆炸。
要达到这些目的,就要求有精确、稳定、安全的风机监控系统。
加强瓦斯监控可以实时发现瓦斯灾害预兆,及时采取措施消除灾害隐患,防患于未然。
[1]
1.1.2研究意义
矿井主风扇的通风是煤矿治理瓦斯、煤尘及火灾的基础,合理高效的矿井通风系统是煤矿安全生产的基本保障。
随着科学技术的发展,煤矿生产的计算机技术(网络化)和信息化程度的不断提高,矿井开采规模迅速扩大,通风线路随之加长,通风阻力增加,工作面配风困难,通风难度相应增加;另外,随着开采深度的增加,由于地热、机电设备散热、气候变热等因素,致使高温矿井也逐渐增加,矿井热害治理也成为矿井通风工作的一个重点;再者,在一些寒冷地区,冬季气温很低,对进风风流预热也成为矿井通风要解决的难题。
为了解决上述的各种问题,所以对主风扇的要求要大大的提高。
人们长期习惯生活在有阳光,有比较稳定的化学成分、温度、湿度的环境中,一旦生活在环境变化剧烈,人体将感到不舒适,甚至生病。
地下开采工作的环境与地面相比变化较大,瓦斯、矿尘、煤炭自然发火和水等事故时有发生,严重地制约着煤矿的安全生产。
为了在煤炭生产过程中创造良好的生产环境,对各种灾害切实可行的防治,最经济、最基础的解决方法是搞好矿井通风工作。
矿井通风是矿井个生产环节中最基本的一环,他在矿井建设和生产期间始终占有重要的地位。
多年时间证明,矿井通风是煤矿安全工作的重中之重,也是杜绝重大事故,实现煤矿安全状况基本好转的关键。
矿井通风的主要作用:
(1)供给井下工作人员足够的新鲜空气,满足人员呼吸的需要。
(2)稀释和排除井下有害气体,矿尘,有效减少事故的发生。
(3)调节井下气候条件,提高生产效率。
而矿井通风的关键就是矿井风机的主要作用,因此风机监控系统的研究具有重大的意义。
为了正确评价矿井的通风状况,解决煤矿通风的难题,总结矿井通风的丰富经验和科研成果,促进煤矿安全技术的发展,减少和杜绝煤矿事故的发生,作为煤矿“四大件”之一的主扇风机,承担着煤矿瓦斯抽放,向井下输入新鲜空气的重任。
中国煤矿事故中近60%以上的事故是由于瓦斯浓度过高引起的,而中国煤矿主扇风机监测几乎全部采用的是老式的模拟仪表,工作人员必须定时到现场抄表,而且对风机通风量几乎没有实现在线测量。
因此,要提高煤矿生产的安全性,减少现场噪音对工作人员的伤害,必须解决主扇风机的自动化控制技术和监测技术。
1.2本课题国内外研究现状
由于我国煤炭成形的自然条件和地质条件的多变,生产条件复杂,自然灾害较为严重。
在我国众多的行业产业中,煤炭行业事故所占比重最大,占工业死亡总人数的60%以上。
目前,全国煤矿百万吨死亡率高达3左右,其中以瓦斯煤尘爆炸恶性死亡事故为最。
进入新世纪以来,煤矿安全生产形势虽然有所好转,但形势依然严峻。
据统计,2001年,全国共发生煤矿事故2384起,死亡6078人;2002年,全国共发生煤矿事故3112起,死亡6528人;2003年,全国共发生煤矿事故4143起,死亡6424人;2004年,全国共发生煤矿事故3853起,死亡6027人;2005年全国共发生煤矿事故3341起,死亡5986人。
这些数字足以说明煤矿安全事故给人民生命带来的巨大伤害,给煤炭工作人员的家庭造成的极大痛苦,给国家建设造成的巨大经济损失,产生了恶劣的社会影响和极为严重的后果。
在“先抽采、监测监控、以风定产”方针的指引下,我国科研人员和煤矿职工在自力更生、艰苦奋斗基础之上,共同努力,不断学习国外先进经验,取长补短,使我国煤炭安全生产技术和信息化程度有了长足的进展和提高。
其中,煤矿安全的内涵也在不断的丰富和扩展,包括劳动者心理健康安全、环境卫生安全、劳动条件安全、机器设备安全、管理保障安全、生产系统安全意识等在内的大安全概念也正在形成。
国外煤矿监控系统的开发应用早于我国,技术也较我国成熟。
加之法律法规的完善,安全状况优于我国。
2004年度中国煤炭百万吨死亡率为3.08,美国为0.039,印度为0.42,俄罗斯为0.34,南非为0.13,中等发达国家大致为0.4[51。
例如矿业安全在德国不仅包含矿井防火、防水、防爆,而且员工的交通安全也属其中,同时还有职工的劳动保健。
在技术上采用先进的煤矿安全实时监控系统,在井下通过各种高级传感器取得现场各种数据,利用数码摄像头将采掘现场的实时画面通过网络传到总控制室,并以各种形式显示。
利用现代化手段使指挥中心与现场保持密切联系,任何事故的苗头都可以在监控中心找到并进行相应的处理。
美国不断加强煤矿安全立法、执法和各种教育工作,同时加大了对新技术的采用,最终使煤炭产量大幅度增长,劳动生产率成倍提高,安全状况大为改善,生产成本明显降低,工效水平明显提高,煤矿从业人员逐年减少,人均年煤炭产量逐年增加。
美国矿业安全状况的改善得益于新技术的开发与应用[[7l。
英国设立了矿山安全的监查机构,对政府负责,同时加大对新技术和新设备的推广,使用和加强各种层次的安全培训。
20世纪90年代以来,煤矿已经很少发生事故。
英国的煤矿安全的发展对世界许多国家的煤矿的健康发展都起到了积极的作用。
近年来,国外在不断完善现场监控跟踪预测的基础上,开展了研究瓦斯突出的动态预测技术和突出危险区域预测技术。
俄罗斯己经建立了区域预测预报专家系统,将突出煤层划分为突出危险区和非突出危险区,从而解放了一大片煤层,降低了突防工程量。
德国一直都很重视煤矿安全技术的研发,一种完全改变井下矿工工作方式的“超越现实”的高安全性通讯技术使得井下信息完全如实的反映在专家和技术人员面前,在有安全隐患或可疑之处让计算机参预作出判断,极大的降低了危险概率,缩短了停工时间,提高了工作效率。
将这些问题和解决方法都存储在知识数据库里,为新技术的革新作了大量的储备,并将在未来几年会全面投入使用。
另外,一些国家将声发射技术应用于工作面突出监测,以达到实用化、自动化方向发展。
这些国家针对不同的突出煤层研究了相应的配套防瓦斯突出措施及装备,俄罗斯利用声发射监测系统对采掘工艺进行了随机控制,实现了工作面作业的自我保护。
波兰和法国对煤层突出危险进行了分级,实现了科学管理。
1.3本文研究的主要目的和研究内容
1.3.1主要目的
随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展,信息交换沟通的领域正在迅速覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次,覆盖从工段、车间、工厂、企业乃至世界各地的市场。
信息技术的飞速发展,引起了自动化系统结构的变革,逐步形成以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统。
组态软件的应用就是顺应这一形势发展起来的新技术。
我国是一个矿产资源丰富的国家,采矿业在国民经济中占有一定比重。
随着我国改革开放不断深入发展,国民经济迅猛发展,生产力、生产关系发生了质的飞跃。
作为工业粮食的煤炭,经过上世纪九十年代的低谷以后,进入二十一世纪发生了巨大变化。
过去长期我国煤炭产量一直徘徊在8至10吨,到10年时间煤炭产量翻一番,一跃成为世界第一产煤大国。
而且煤炭供需矛盾不会很快得到缓解。
煤矿向着大型化、信息化、现代化迅猛发展,急切需要高新技术装备,特别是数字技术产品。
但是,伴随生产飞速发展而来的是,安全与生产的矛盾更加突出。
现有的术装备日益不能满足安全生产的要求,目前煤矿装备相当一部分还是苏联援助中国时的五十年代技术,有的虽有改进,但还是远不能满足数字时代安全的要求。
煤矿安全生产迫切要求更可靠、灵敏、准确、更安全的数字化产品装备。
煤矿安全监控系统正是基于上述前提下提出的。
煤矿风机监控系统是一个集计算机、网络、数据库、自动检测与自动控制、传感器与执行机构技术为一体的多学科综合性自动化系统,主要用于矿井全生的监测、控制、分析、综合决策及调度等。
煤矿风机监控系统主要由系统上位机(监控主机),通信适配卡(器),中继器,总线转换网桥和系统智能节点五种类型的节点组成。
其中,系统上位机是整个矿井风机监控系统中最复杂的站点,它的设计好坏直接关系到整个煤矿风机监控系统能否正常运行。
传统的系统方案中,系统上位机采用集中控制方式,在实际施工以及系统运行过程中,集中式矿井安全监控系统存在接线复杂、维修困难、危险集中等缺点。
为了克服上述缺点,可采用PLC来设计新型的基于MCGS组态软件的煤矿风机监控系统。
煤矿生产中安全问题是最关键的问题,在煤矿监控系统中应用成本低、功能全、性能可靠的现场总线技术已逐渐成为节约成本,确保安全的必要手段。
近年来国产的组态软件的发展和完善使其在众多总线技术中脱颖而出,成为煤矿风机监控的首选软件。
煤矿井下监测点星罗棋布、系统庞大、传输距离远、生产环境恶劣,作为一种具有本安性的分布式智能网络,本软件结合PLC能将监测点做到彻底的分散(在一个网络内可带32000多个节点),可以满足矿井安全监控的要求。
在矿井监控系统中主要包括矿井环境参数及工矿参数的监测与控制。
环境参数主要有瓦斯浓度、风速、温度、风筒压力等,每一种需要监测的参数和控制仪器都对应相应的智能节点,节点通过收发器接入总线网络进行通信,也可以与上位机进行通信实现必要的监控。
系统根据监测到参数就地进行控制和发出报警信号。
[2]
1.3.2本文研究的主要内容
矿井主扇风机是向井下送风的重要设备,也是大型耗能设备,对其实现在线监测监控,使之始终运行在良好状态,对于保障煤矿安全生产,保护矿工生命和企业财产安全,保证企业节能提效具有重要意义。
矿井主风机网络在线监控系统,综合利用现代传感技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、网络通讯技术,基于企业计算机网络实现主风机运行参数、通风数据的实时监测与风机主辅设备控制的一体化,监测内容丰富,控制功能完善,具有实时性强、安全可靠、操作方便、易学易用的特点。
主扇风机监控系统实现了风机的起、停和正反转的全自动化控制,运行数据的实时监测、存储和数据的网络发布与共享。
并且能在运行参数异常时发出报警,避免了原先人工观察数据可能存在的疏漏。
系统带有冗余设计,可以封锁PLC信号,进行手动控制。
(1)系统稳定性高
由于采用的是西门子200系列的PLC,内部采用集成电路,无触点控制,元器件的寿命几乎不受影响,与继电器接触控制装置相比,PLC更能适应工业现场恶劣的生产环境。
(2)自动化集成度高
系统实现了主扇风机的自动化控制,自动采集了风机几乎所有的运行参数,并能实现异常时的报警。
系统对数据进行管理和企业内局域网发布,授权人员可以网上浏览监测数据。
同时系统留有扩展空间,可对主扇风机实现在线智能故障诊断。
(3)操作安全方便
上位机软件采用的国产组态软件MCGS,对不同安全等级的操作区域系统有对应不同等级的密码保护级别。
操作人员必须按用户名和对应密码登录,才能操作相应区域。
对日常操作外的主扇风机起、停机和反风操作实行高级别的密码保护,只有通过口令确认才可以操作,杜绝了非专业人员的误动作,保证了主扇风机的安全、稳定运行。
该系统主要由PLC测控系统、上位机冗余组态软件系统、视频监视系统三大部分组成。
系统特点
(1)PLC测控系统采用双CPU,能够快速准确可靠地完成监测监控功能;
(2)上位机应用软件采用冗余组态软件系统,使得系统更加安全可靠;
(3)系统可根据现场应用需求灵活配置,伸缩性强;
(4)测控功能上的网络化、WEB化。
2矿井通风与主扇的经济运行
2.1引言
煤矿主扇是大功率长时连续运行的大型设备,耗电量高,据统计,1986年我国统配煤矿在运转的主扇共1078台,总功率为367084kW,平均效率为52,8。
运转效率小于50%的占总数的40,500,大于5000、小于60%的占57,800,大于60%的仅占1,7%。
全国统配煤矿平均主扇电耗占全矿总电耗的声%左右,部分矿井高达20-25%。
因此,实现主扇经济运行对节电和改善矿井经济指标具有重要意义。
2.2矿井主扇风机概述
金源矿地面主扇风机使用的是山东淄博风机厂生产的对旋式轴流风机2台。
其整体性好,并且采用内置防爆电机拖动,不受外界干扰。
风机的主要特点是:
1、该风机采用电机与叶轮直联的方法,简化了传动结构,改变了当前煤矿抽出
式轴流风机全部采用皮带轮传动或长轴传动的复杂结构,使维修和操作方便。
2、该风机配套电机为YB系列的YBFe派生系列,隔爆型三相异步电机。
电机置于全封闭型,并具有一定耐压强度的密闭散热罩中并于外界非瓦斯气相通。
使电机始终处于无瓦斯空气之中运行,起到了双重隔爆效果。
3、风机与扩散器之间设置后导叶,以提高静压效率,使得节能效果显著。
与目前使用的局扇群相比,可节电六倍,与离心式风机相比可节电40%.
4、该机可以反转反风,不必另设反风道,具有节约基建投资和反风速度快的优点。
5、叶轮的叶片安装角度可以调整,其范围为:
30度、33度、36度、39度、42度五个角度级。
在使用同一规格风机中,可根据生产扩大的要求来调整叶片安装角度。
6、该机配置了防止摩擦火花装置,确保了整机安全防爆性能。
7、该机采用特殊设计,性能曲线无驼
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