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三、综合自动化控制系统方案
现代工业生产过程综合自动化控制系统,都是以SCADA来概述的。
SCADA(计算机监控和过程数据采集系统),常用的有两种:
一种是以现场总线为基础的,另一种是以态网为基础。
1、现场总线为基础的SCADA
这种方案是将全矿井的控制系统都通过控制网总线连接,所有的控制信息在调度中心汇总后,通过工业现场总线(控制网)与EtherNet(以态网)网关,连接管理信息网络。
现场操作监控计算机则连接到控制网上。
2、以态网为基础的SCADA
这种方案是将全矿井的控制系统,根据其相对独立性,分为多个相对独立的子系统。
各子系统主控PLC配置以态网模板。
整个控制系统信息层,通过EtherNet连接。
这样,调度中心和现场设置的操作监控计算机均连接到以态网上。
采用基于OPC技术规范的组件软件,能大大减少了系统集成的编程费用。
同时,减少操作站的投资。
上述两种方案,区别在信息层上。
前者存在的主要问题有:
技术标准性问题、用户程序可移植性问题、系统功能可伸缩性问题、控制设备互操作性问题等等,所有这些,使得以“企业综合自动化”为目标的“管控一体化”变得较为复杂,同时,系统软硬件互换性和开发性较差,系统投资较高,并且投产后系统日常维护费用较高。
在上个世纪90年代以来,基于Internet和Web应用技术爆炸性发展,不仅改革了管理模式,提高了管理效率,同样引发了工业控制领域深刻的技术变革。
以现场总线为基础的SCADA存在的各种问题找到了一个既成事实的解决方法——这就是在全球范围内得到广泛而深层次应用的基于TCP/IP协议的网络技术和基于WWW协议的Web技术——也就是说,组成企业“综合信息自动化”的企业Mis(管理信息系统)和企业生产过程SCADA都以TCP/IP和Web技术为基础,实现企业“管”“控”数据流之间的无缝连接,从而使“管控一体化”解决方案变得简捷和现实可行,产生了以开放性、网络化为特征的立足于Web和“Infarnet+Intranet+Internet”一体化的应用可靠成熟的SCADA系列产品,近几年来,在冶金、电力等行业得到了广泛的应用。
为顺应潮流,所有主流PLC或DCS均配套了以态网通讯模板。
Ethernet/IP是一种开放式的工业网络标准,支持隐式信息通信(实时的I/O通信)、显式信息通信(通信交换)或者两者都有,使用商用的、现成的Ethernet通讯芯片和物理介质。
对于现场环行网络冗余系统,采用Ethernet/IP的带宽为100Mbps(根据现场需要,能升级到1000Mbps),是Profibus、ControlNet等高速控制总线网络的带宽的20倍以上,对于现场监测监控量极大的大型矿井,能保证高速实时数据传输,不会因为网络阻塞而中断。
枣泉煤矿的综合自动化控制系统,即企业生产过程SCADA的设计,就是利用以态网SCADA模式,采用Ethernet/IP工业网络,实现煤炭生产采掘运的综合调度和生产过程自动化。
3、以态网为基础的综合自动化解决方案的特点:
与现场总线为基础的SCADA相比,以态网为基础的枣泉煤矿的煤炭生产过程综合自动化控制系统(SCADA)的主要特点是:
信息层软硬件可以选用目前市场上触手可及的廉价的兼容性产品,而且还可以得到广泛而廉价的维护备件和维护人才的支持。
与传统模式的SCADA系统相比,其初始建设投资和随后的日常维护费用都会大幅度降低。
综合自动化控制系统规模越大,这两种费用下降的幅度也会更大,其性能/价格比上升的幅度自然也会更大。
具体地说,有以下几部分的优势:
1)网络硬件:
工业控制信息层,采用与管理信息网络完全相同的网络产品、传输方式和传输线路,大大减少了信息层设备投资,同时,方便了系统网络升级,减少了备件和维护费用。
2)网络技术:
基于TCP/IP协议,实现现场总线、非标准控制网络和信息网络的透明互连,并最终形成“Infarnet(面向控制设备的现场总线及工业控制网络)+Intranet(实时数据库和人机操作界面)+Internet(远程人机交互)”一体化。
3)操作系统:
采用以Windows2000为基础的大系统操作平台。
4)数据库:
生产过程实时数据库与企业Mis数据库一样,采用基于Windows操作系统的数据库,可以实现无缝相连。
5)编程软件:
采用基于OPC(OLEforProcessControl,过程控制中对象嵌入技术)技术规范的组件软件,大大减少了系统集成的编程费用,同时,方便了系统功能升级和用户程序移植。
6)操作监控站:
采用与办公计算机相同的宽带接口,连接综合自动化控制网络。
根据需要能够廉价地任意增加,增加的投资只与选用的工控机(包括运行需要的操作系统软件和接口软件)价格有关。
四、综合自动化系统网络结构
枣泉煤矿综合自动化系统所需覆盖的范围广、规模大、控制距离长、涉及工艺多、信息量大,点对点控制无法实现现场的实际要求,为了最大限度的保证系统的可靠性和实时性,就必须采用多级异构网络结构,并保证异构网络之间的互联互通。
根据自动化各组成部分的不同需求,系统设计为三层网络结构:
层次
名称
网络类型
带宽
协议模式
1
信息层
EtherNet
100M/1000M
CSMA/CD
2
控制层
10M/100M
Producer/consumeeer
3
设备层
CIP
30k-12M
Producer/consumer
信息层:
采用以太网,用于全矿的数据采集和程序维修,通过实施企业资源管理系统,将企业各方面的资源充分调配,平衡和控制,通过柔性的生产计划实现及时生产,全面、实时控制业务过程、信息支持决策以及支持创新体系。
控制层:
采用以太网,通过实时I/O控制、控制器互锁和报文传送,实现全系统的高效集成。
设备层:
采用设备网,用于底层设备的低成本、高效率信息集成,达到减小费用和方便安装之功效。
三级网络之间的互联互通将由带背板通讯功能的PLC网关来桥接或传送网络之间的控制及信息数据,通过软件编程配置,实现异构网络之间及异型数据库之间的无障碍贯通。
同时,矿自动化网络又隶属于更高级的宁夏煤业(集团)有限责任公司综合信息自动化网络,构成一个上通下达的企业综合多级异构网络。
五、综合自动化所要达到的总体要求
1、各生产过程全面实现自动化,并在矿调度室分别对各生产环节进行监控,达到减员增效的目的。
2、遵循先进、可靠、实用原则,尽量减少投资。
3、加强自动化系统、信息管理系统在煤炭行业的通用性。
4、在实现设备层、控制层全面自动化的基础上,提高信息层的技术含量。
通过引用、开发及实施具有现代生产管理思想的软件系统,使综合自动化系统能发挥更大的整体效益。
5、实现生产控制的实时数据库和信息管理的关系数据库的接口,能够实现信息系统对生产数据的无障碍存取。
6、上位监控系统软件、网络管理软件等均基于WEB浏览器模式开发,支持远程监测、远程维护。
六、综合自动化系统主要内容
枣泉煤矿综合自动化控制系统为实时监控网络结构,具有完善的生产监控管理能力。
它主要由以下系统组成:
1、生产指挥中心:
配置最先进的大屏幕拼接显示系统,实现生产调度和安全监测的集中管理。
2、主运输带式输送机监测监控系统:
驱动采用CST软启动装置或调速型液力偶合器,通过PLC联入控制网,在设备闭锁状态下,所有的运输设备开、停及配仓、倒仓等操作均在指挥中心进行,不再设现场固定岗位。
3、辅助提升监测系统:
驱动采用直流传动装置,通过工控机联入控制网,所有副井提升的监测信息均在生产指挥中心反映,相关人员不必到现场,就能了解提升机运转情况及有关参数。
4、主通风机监测监控系统:
采用MCC马达控制中心,主通风机可实现授权遥控、现场集中、就地手动三种控制方式,能自动切换风机,自动反风,实现少人值守。
5、井下排水自动化系统:
采用液位计、压力计、流量计、电控阀等,实现井下排水自动化,实现无人值守。
6、变供电三遥系统:
地面变电所采用微机综合自动化系统。
井下变电所采的高低压配电柜,保护、执行元件采用微机保护及FLEXI/O,通过PLC接入井下控制网,保证了系统的可靠性。
在生产指挥中心可对全矿变电所进行检测及授权遥控分合闸,实现无人值守。
7、煤流自动计量系统:
矿井煤炭运输主要带式输送机均安装电子称,自动计量当班各队原煤产量,自动生成矿井生产调度报表,为矿井生产管理提供有力的手段。
8、工业电视系统:
通过摄像系统将现场图像转化为可传输信息,接入传输系统发往生产指挥中心;
同时接收数据传输系统从生产中心发出的控制信号,从而指挥和控制摄像系统按操作人员要求进行工作。
9、综采工作面生产监测系统:
通过接口设备将采煤机及液压支架等的数据通过井下工业以太网上传,可在生产指挥中心实时监测工作面采煤机、液压支架等设备的现场运行情况。
10.矿井安全监测监控系统:
实时监测井下瓦斯、一氧化碳、通风状况等各项矿井环境参数和井上下主要生产环节的各种生产参数和主要设备的运行状态参数。
11、电话调度系统:
系统既满足煤矿调度的需要,又充分考虑了今后技术发展和调度通信信息综合化的要求,使井下与地面的通讯更加便捷。
12、入井人员管理系统:
实现煤矿入井人员的出勤考核、管理和安全监督,以适应工矿企业日益增长的现代化管理要求。
13、矿井采暖系统:
实现锅炉房的自动化监测监控。
14、矿井地面压风制氮系统:
通过PLC将所获得的数据信息上传工业以态网,同时指挥中心发出调度指令给PLC,控制设备运行,实现整个地面压风制氮系统的自动化监控。
15、地面生产系统:
利用ProfibusDP总线连接主控PLC、远程I/O和DP接口设备。
主控PLC与操作监控计算机和调度控制网之间的连接通过工业以太网,在它们的协同工作下,完成整个地面生产系统的集中控制。
16、装车站:
模块化快速装车站。
17、企业管理信息系统(MIS):
采用浏览器/服务器体系(B/S)结构,包括调度、安检、计划、通风、区队、档案、质量、党团等管理模块,实现办公的网络化、自动化。
实现企业网站、档案图书管理、办公自动化、事务管理、经营管理、技术管理和能源管理等。
综合自动化系统网络配置总图见附图C1397G—226--1。
第二节矿井安全管理信息系统
枣泉煤矿属低瓦斯矿井,煤层属易自燃发火煤层,煤尘具有爆炸危险性。
矿井装备煤矿安全监控设备是保障矿井安全生产的主要措施之一,本设计根据《煤矿安全规程》、《煤炭工业矿井设计规范》、《矿井防灭火规范》、《矿井通风安全监测装置使用管理规定》和煤矿条件,确定该煤矿的安全监测监控、监视设备和防灭火信息监测,同时完成安全设施管理以及生产安全信息管理。
一、安全监测监控系统设置要求
为了安全生产、高产高效、提高煤矿自动化水平,充分发挥安全监测监控系统的作用。
根据现行《煤矿安全规程》、《矿井通风安全监测装置使用管理规定》,结合该矿井的建设规模,安全监测及生产监控合并。
1、环境监测:
主要监测井下各种有害气体及工作的作业条件,如:
高、低浓度甲烷(瓦斯)气体、一氧化碳、风速、温度、压力、负压、粉尘、烟雾等。
2、生产监控:
监控井上下主要生产环节的各种生产参数和主要设备的运行状态参数。
如地面主变电所、井下中央变电所的电量、提升机、主扇通风机、局扇、皮带、转载机、配电开关和磁力启动器等的运行状态和参数。
3、矿井安全监测监控中心设置在矿调度中心内。
矿井安全方面的测点按《煤矿安全规程》、《矿井通风安全监测装置使用管理规定》的相关要求进行配备;
生产方面的测点按矿井生产管理惯例和监测监控系统的产品技术说明书及相关设备资料进行配备。
二、安全监测监控系统选择
经过多年来的技术发展,煤矿安全监测监控系统技术已经较为成熟,一些基础设施已达到国际先进水平。
目前,生产煤矿采用的安全监测监控系统的两种结构形式:
a、干线式:
这种结构由地面中心站向井下引出一条公共干线。
传感器都直接接入该公共干线。
该系统结构简单,传输速度高,系统扩展灵活,节约传感器电缆,但需采用价格较高的智能传感器,造价偏高。
KJ31(森透里昂)等系统就属于该类型。
b、塔式:
这种结构由地面中心站、若干井上下分站组成,传感器都经过分站通过信号转换后送至地面中心站。
该系统传输速率相对较低,传感器电缆多,但采用价格较低的模拟量传感器,其系统投资较低,且传感器维护简单,典型的系统产品有有KJ4、KJ25、KJ95等。
本着系统安全可靠、灵活实用、便于维护、节约投资的原则,根据该矿井的规模和井下开拓方式,确定采用后者(塔式)的系统结构型式。
在设备选择上,选择技术先进,并经实践证明使用效果较好的监测监控系统,系统设备必须符合煤矿井下环境的使用条件,井下设备必须符合《煤矿安全规程》的有关规定,具有防爆、防潮能力;
以保证设备本身的使用安全和可靠工作。
经过比选,本设计选用KJ4-2000型监测监控系统,该系统采用标准数据库存储数据,以文字、图形、报表、语音等多种形式显示数据方式。
数据存储分为实时数据和趋势数据,实时数据能精确反映瓦斯、风速、负压、一氧化碳等模拟量的实时测量值,趋势数据反映模拟量统计值,如报警及解除报警时间及状态,断电/复电时间和状态,断电/复电逻辑关系不符报警时间及状态,设备/开停时间及状态。
系统具备三种控制功能,监控分站可实现本地控制、异地程序断电/复电控制及中心站紧急手动断电/复电控制。
中心站与分站、分站与传感器之间具有良好的隔离性能,系统具有较强的抗干扰能力。
地面中心站设在办公楼内,在副斜井提升机房、通风机房、井下中央变电所、采煤工作面、掘进工作面等处设有分站。
在采煤工作面、掘进工作面设有瓦斯断电仪。
掘进工作面配备了瓦斯风电闭锁装置。
依照矿井的灾害种类及灾害程度,本系统对瓦斯、一氧化碳、温度、风速、粉尘、烟雾、风筒、风门、主要设备的开停等参数进行监测监控。
同时,在井下两个采煤工作面,设置GC-85火灾预报束管监测系统,用于煤矿气体成分监测,预报煤层自然发火,一旦发现有关指标超过或达到临界值等异常变化时立即发出预报。
火灾预报束管监测系统作为安全监测监控的一个子系统,纳入全矿井安全监测监控系统。
为了保证监控系统高效可靠运行,还配备了相应的维修仪表。
三、工业电视监视系统
矿井安全监视系统,选用KJ32型矿用光纤工业电视系统,系统具备低照度摄像和光纤传输两项技术,视频带宽10MHz(S/N≥60dB),不受电磁干扰,传输两端完全绝缘,高清晰度、长距离视频传输。
解决了煤矿工业电视系统环境照度低、传输距离远,须防爆等问题。
在井下副井井底、工作面采煤机、转载皮带、运输皮带等部分采用矿用本安型光纤摄像仪,该摄像仪以光信号直接输出,经光缆把视频图象无中继传输到调度室。
在地面主井驱动机房、副井井口房部分采用一体化带夜摄功能的彩色摄像机,装车处采用矿用本安型光纤摄像仪。
调度室部分设计了16台21英寸纯平彩色监视器及2×
3台67英寸DLP显示屏组合而成的监视墙。
从井下传送来的光信号经视频光接收机将光信号变成电信号,和地面上各监测点送来的信号一起传至视频矩阵切换器。
彩色监视器用于工业电视信号的24小时显示;
DLP显示屏主要用于计算机信号显示,兼顾工业电视信号的分割、放大等,从而实现对整个矿井生产调度全方位掌握。
四、防灭火信息监测
根据矿井的灾害程度,本矿井设有煤自燃发火色谱监测系统。
系统选用GC-85型矿井火灾多参数色谱监测系统。
系统由自动取样器、专用色谱分析仪、色谱数据处理工作站以及束管采样单元组成。
其中,自动取样器具有24路束管接口,数据处理工作站可控制自动取样器,循环采集各路束管的气样进行分析。
同时,还留有手动进样口,可以分析人工采集的任何地点的气样。
GC-85型矿井火灾多参数色谱监测系统特点:
1.专用色谱仪、双柱箱分别控温,三个色谱柱并联,具有预切柱和甲烷化装置。
2.全部采样、分析过程自动化,由微机控制,12-24路采样点自动切换。
3.配四通道色谱工作站,对三组分析结果进行自动处理,全部分析数据及谱图自动存贮。
4.分析组份:
微量CO、CH4、CO2、C2H4、C2H6、C2H2、C3H8、C4H10。
在井下两个采煤工作面,均设置火灾预报束管监测,用于本煤矿气体成分监测,预报煤层自然发火,一旦发现有关指标超过或达到临界值等异常变化时立即发出预报。
火灾预报束管监测系统,作为安全监测监控的一个子系统,纳入全矿井安全监测监控系统。
此外,应加强地面仓储煤以及落地煤防灭火管理和矿井其他重点防火部位的防灭火管理,其信息应及时输入矿井综合信息化网络。
五、安全设施管理以及生产安全信息管理
为保证矿井安全生产,安全设施管理以及生产安全信息管理,应及时输入矿井综合信息化网络。
安全设施管理包括自动防跑车装置、安全门、挡车器、风门、风电、瓦斯电闭锁装置、电气安全防护设施等。
生产安全信息管理要完成以下方面的管理:
(1)入井人员安全信息管理
静态:
人员健康档案管理和入井出勤计划等管理。
动态:
入井人员实检统计考勤管理、入井人员井下分布管理和井下人员健康状态等管理。
(2)生产安全隐患管理
采、掘、机、运、通等安全隐患汇报统计、计划安排、整改处理管理。
(3)设备运行性能安全管理
第三节矿井自动化监测控制系统
枣泉煤矿综合自动化控制系统,实现全矿井采、掘、运及辅助生产等的自动控制和矿井自动化调度。
具有矿井井下工作面、井下排水、主运输、井上下煤流、地面生产系统、装车站、主扇通风机、辅助提升、压风、制氮、供水、采暖和井上下变配电系统等的实时在线监测控制和集中管理。
一、矿井自动化调度系统
综合自动化调度网设计为实时监控网络结构,具备完善的生产监控管理功能,对全矿各主要生产环节及相关辅助环节的生产过程进行
实时数据采集、传输、处理、显示、记录、打印,对地面生产系统、带式输送机运输系统、变电所、排水系统和通风机等设备进行集中监控,同时配合工业电视系统进行安全图象监视,以确保人员及设备的安全,全面提高矿井的经济效益和社会效益。
1、系统功能
各生产过程全面实现自动化,并在矿调度室分别对各生产环节进行监控,达到减员增效的目的。
1)实时运行参数监测
各监控系统采用图形、报表的形式,实时显示、采集生产工况参数。
2)实时过程控制
分析采集的参数,各系统自动完成过程控制,或由调度员操作控制。
3)历史数据查询
生产实时监测数据均可以存储于生产实时数据历史数据库中,可以实现历史回显.历史趋势分析,及直方图.饼图等进行综合分析。
4)设备故障及模拟量超限报警
当设备故障或模拟量超限时,生产监测及管理网络同步显示故障设备名称,并可实现语音报警.实时打印故障功能。
服务器将该故障信息存入故障信息数据库,供以后统计分析。
5)生产实时画面监测
工业电视信号可直接接入监测终端,当出现异常(故障.违章.检修)时,可将此画面截取,转换为数字形式存储,并可以通过网络上传集团公司,
6)优化生产计划
在网络服务器中建立了综合历史数据库,定时将生产.经营等数据存入数据库中,制作计划.生产完成情况的趋势分析图表,为今后的生产计划提供参考;
根据外运下达的计划和设备实际状态.仓储煤量,合理安排生产计划.设备维修计划,以最大限度的减少对生产外运的影响。
2、集成化的信息处理平台
采用集成化的信息处理的软件平台,能够集成不同厂家的硬件设备和软件产品,实现各系统间互操作,并将各系统数据集成,实现企业信息系统与工业控制现场的无缝连接。
它以微软的OLE/COM、DCOM技术为基础,采用了OPC标准接口,从而具备了自动控制功能,并能实现设备和设备之间的互操作性与互换性。
加强自动化系统信息层与企业管理系统的通用性。
集成化的信息处理,具有以下主要功能:
1)将生产现场数据集成并在大屏幕上显示;
2)为企业管理系统提供生产实时数据;
3)向上级集团公司提供特定的数据内容;
4)将现场信息(包括控制的动态实时数据、信息管理系统数据)有效、快速、安全地传输到客户计算机,实现现代化大型企业的跨地域分布实时管理。
5)提供标准化接口,满足企业管理系统二次开发的需要。
6)上位监控系统软件、网络管理软件等均基于WEB浏览器模式开发,支持远程监测、远程维护。
3、集成化的三层网络结构
枣泉煤矿综合自动化控制网络,采用了以太网、控制网和设备网所组成的开放型网络。
1)信息层
信息层是整个自动化网络的最高层,它采用工业以太网(Ethernet/IP)技术,以TCP/IP(传输控制协议/国际协议)+CIP(通用工业协议)作为其传输协议,将可编程序控制器、网关、人机接口和控制软件连接至企业的管理信息系统,实现对现场采集数据和信息进行管理功能。
信息层使用Ethernet/IP网络,连接生产指挥中心监控主站及现场操作监控站的计算机、PLC的以态网通讯模块等,根据需要,节点上的任意1台监控计算机均能完成全部的监控功能。
考虑到现场总线通信的局限性和工业网络的发展趋势以及系统的可升级性,整个系统采用工业以太网作为主要的通信平台。
工业自动化网络信息层设备,需要能在极端条件下,如电磁干扰、高温和机械负载等,正常工作。
井下设备必须取得煤矿防爆合格证和煤矿矿用产品安全标志准用证,能够适应井下恶劣的工作环境和防爆要求。
采用高可靠性的Hirschmann工业以态网交换机,
生产指挥中心核心交换机,采用模块化千兆工业以太网交换机MACH3005,
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