沙曲矿面域系统设计方案.docx
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沙曲矿面域系统设计方案
华晋焦煤公司沙曲煤矿通风瓦斯面域化
全方位实时监测监控与实时预警综合防御系统
技术方案
新元信息与测控技术
工程技术大学数字矿山测控研究院
2011年3月
1、项目目标…………………………………………………………………………………………1
1.1项目总体目标…………………………………………………………………………………1
1.2煤矿安全监测监控领域存在的重大技术问题………………………………………………1
2、系统总体架构……………………………………………………………………………………5
2.1建立煤矿通风可靠测控与生产状态监测系统…………………………………………………5
2.2建立煤矿数据中心………………………………………………………………………6
2.3网络与数据关系………………………………………………………………………………6
3、矿级平台应用软件系统组成及功能…………………………………………………………7
3.1总体架构………………………………………………………………………………………7
3.2煤矿安全生产监测监控系统集成方案………………………………………………………8
3.3煤矿异构监测监控系统集成方案……………………………………………………………9
3.4煤矿综合集成自动化测控管数据中心网络系统……………………………………………9
3.5煤矿综合集成自动化测控管数据中心硬件系统……………………………………………9
3.6煤矿综合集成自动化测控管数据中心系统软件平台…………………………………9
3.7煤矿综合集成自动化测控管数据中心应用软件平台…………………………………9
4、矿级系统新增KJGISⅡN煤矿通风可靠测控与生产状态监测系统…………………………22
4.1概述……………………………………………………………………………………………22
4.2KJGISⅡN工业以太网LonWorks现场总线煤矿安全生产综合自动化监测监控系统简介…23
4.3新增KJGISⅡN煤矿通风可靠测控与生产状态监测系统配置…………………………33
5、无线宽带手机异地实时监测监控监管系统………………………………………………36
6、煤矿综合集成自动化扩展应用…………………………………………………………………37
6.1煤矿异构监测监控系统集成…………………………………………………………………37
6.2部门级业务办公应用软件平台………………………………………………………………37
7、工程安装调试与验收……………………………………………………………………………37
7.1安装前准备……………………………………………………………………………………37
7.2系统安装………………………………………………………………………………………38
7.3系统测试………………………………………………………………………………………38
7.4系统试运行与初步验收………………………………………………………………………38
7.5系统总验收……………………………………………………………………………………39
8、培训………………………………………………………………………………………………39
8.1培训目标………………………………………………………………………………………39
8.2培训容………………………………………………………………………………………39
8.3培训方式与计划安排…………………………………………………………………………39
9、工期安排…………………………………………………………………………………………40
10、质量保证………………………………………………………………………………………40
11、技术支持与服务………………………………………………………………………………40
华晋焦煤公司沙曲煤矿通风瓦斯面域化
全方位实时监测监控与实时预警综合防御系统
技术方案
1、项目目标
1.1项目总体目标
采用先进的监测监控技术,有效解决现阶段煤矿监测监控系统存在的关键技术问题。
为煤矿瓦斯防治“通风可靠、抽采达标、监控有效、管理到位”十六字工作体系提供技术支持。
为煤矿安全生产综合自动化集成测控提供先进的系统平台,无缝集成通风安全、生产、供电、人员、提升、运输、视频等异构系统。
采用综合自动化测控与信息化技术改造生产环节、实现生产过程自动化、设计数字化、采掘生产数据化、物流数字化、管理数字化。
实现从局部应用到全面应用的跨越、从独立应用到集成协同应用的跨越,从单纯技术应用到管理应用的跨越。
打造异构系统协同工作环境,全面提升企业核心竞争力。
1.2煤矿安全监测监控领域存在的重大技术问题
近年来,我国发生瓦斯事故的煤矿都装有监测监控系统,为什么还一再发生瓦斯事故?
除了管理上的原因外,主要原因是在安全监测监控领域仍然存在重大技术问题。
众所周知,风、电、瓦斯是发生煤矿瓦斯事故三大要素,现阶段的监测监控技术仅解决了瓦斯超限监测报警与部分断电功能,对三大要素的监测仍存在较大空区和不可靠性。
(1)缺少风量监测、风向监测与停风、微风、高可靠性断电状态监控功能
煤矿瓦斯爆炸事故几乎都与停风或微风作业有关,AQ6201标准中有微风报警断电的强制性要求。
现有煤矿监测系统缺少风量监测功能,所以就无法实现微风报警与断电。
缺少风流稳定性或风压监测与控制功能。
缺少停风状态的高可靠性监测功能,现有技术条件下的风机开停传感器可靠性低,易受外界干扰失效,常用的主备对旋多风机配备多开停传感器情况下难以可靠判断停风状态。
(2)缺少区域性断电与高可靠性断电状态监测功能
煤矿瓦斯爆炸引爆源80%以上是电气火花,所以超限后断电尤为重要。
但目前大多数监测系统仍为按分站串行巡检方式,即使是以太网CAN总线的新系统仍是如此,分站间的控制必须经过地面中转才能实现,时间长可靠性低,保证不了断电实时性与高可靠性。
随着集中化生产趋势的发展,一个工作面往往需要多台分站联合工作,分站间没有控制功能,就相当于整个工作面安全没有控制功能,安全状态难以保证。
此外常用的卡在电缆上的馈电传感器不能检测铠装电缆,易于受平行布局的电力线干扰和变频设备干扰,即使发出了断电指令是否断电难以可靠检测。
可见落后的集散方式、不可靠的馈电监测和目前单CPU的分站监测技术,是导致难以实现高可靠性区域断电监测的根本原因。
(3)缺少抽采达标监测技术
煤矿瓦斯抽放是减少瓦斯积聚的有效措施,但现有煤矿瓦斯抽放监测仅是显示基本抽放参数,实际意义不大。
缺少按面域监测汇总功能、缺少多点同步计量技术、缺少较高精度的井下抽放流量监测技术、缺少与安全监测系统整合集成监测功能、缺少抽采达标监测功能,所以抽放效果难以动态评价。
(4)现行监测监控技术标准是基于传感器测点的标准,而非面域化标准
A、全面性不足
缺少面域对象所有安全因素的全方位监测功能,如缺少对采掘工作面风量、主扇风量、风向、工作面抽放量、工作面瓦斯涌出量、工作面生产强度、缺少采空区火灾的监测。
B、集成性不够
缺少与火灾、抽放、供电、运输、生产、机电、人员等多种监测子系统的实时集成功能,监测数据不能共享互补,隐患发生时难以作出科学判断。
如采空区束管监测与安全监测系统中的火灾监测各自独立,难以进行实时分析决策。
C、可靠性不高
目前的监测技术对停微风状态、断电状态、分站间实时断电监测不可靠;无法实现对传感器位置、监测数据误报与人为造假的有效监测。
D、关联性不全
基于传感器测点的标准没有考虑到监测参数间的相互关系。
如没有瓦斯传感器位置之间的关系,造成瓦斯传感器配置越多超限次数越多的怪现象;难以分析瓦斯传感器监测数据间的关系;缺少风量、生产强度、抽放与瓦斯涌出的关系;缺少沿瓦斯流动路线的区域断电监测与控制关系;缺少超限、断电、撤人的关系;缺少瓦斯与突出关系;缺少实时调度处理、监测系统的自诊断功能、作业地点灾害是否正在发生的监测能力。
E、共享性不好
目前基于传感器测点的标准给监测系统数据共享与应用带来较多问题。
如按分站号和传感器号进行唯一标识,不能按标准安装位置进行标识,一旦更换或调换了分站或传感器序号,无法找到原来的监测数据,所以有的煤矿当瓦斯超限后调换传感器安装端口以逃避检查。
目前的模式是面向专职监测人员使用的,而不是面向各级安全管理人员使用的。
现有矿井规模较大,管理人员无法记得本矿所有的分站和传感器编号,他们关注的是某地点安全状态。
再如传感器安装地点描述的随意化也给多级监测监管带来困难。
(5)缺少安全状态实时预测预警与调度处理功能
现行的监测体系中超限表明已经达到较高的危险程度,按临界值报警或断电,但这是不够的。
还应该具有实时预测与预警功能,以便提前采取措施。
如能根据预测结果动态调整生产强度,减低瓦斯涌出避免超限,如此即可保证安全又可提高生产效率。
现用的煤矿监测监控系统,虽然采集了大量的数据信息,但利用率极低,缺少利用监测数据源实现动态安全评价功能。
缺少安全隐患处理实时调度功能,目前层层汇报处理模式往往贻误时机,多起事故教训足以说明必须解决实时调度问题。
综合上述,仅就瓦斯灾害三大要素的风、电、瓦斯监测监控而言,其中二大要素存在重大技术问题。
现有监测系统功能单一与技术标准的相对落后,难以满足煤矿全方位防治安全事故的要求。
先进合理的模式应是煤矿监测系统采用多主并行网络化互联互控现场总线技术,采用以工作面等面域作为监测对象的综合集成全方位测控技术,实现对整个面域所有安全因素及影响关系的综合集成测控。
如此可大幅度提升煤矿安全监测监控能力,有效避免或减少安全事故。
为了实现上述目标,有效解决煤矿安全监测监控技术领域存在的重大技术问题,焦煤集团、西山煤电集团与新元信息与测控技术合作,研究开发出《煤矿安全生产面域化全方位实时监测监控与实时预警综合防御系统》,该技术成果于2010年11月通过国家鉴定,鉴定认为研究成果达到国际领先水平,是煤矿安全监测监控技术的重大跨越,对于有效解决煤矿安全问题具有重大意义。
该项技术成果能够从根本上改变我国煤矿安装了监测系统但仍然发生重大瓦斯事故的技术现状,为通风可靠、抽采达标、监控有效、管理到位提供全面自动化测控技术支持,显著促进企业与企业集团科技进步。
2、系统总体架构
2.1建立煤矿通风可靠测控与生产状态监测系统
鉴于煤矿已经安装了煤矿井下抽放系统,则实施本项目仅需增加通风可靠测控与生产状态监测子系统即可。
现有KJ95N监测系统不具备风量、风向、风压监测类型及其量程,不具备建立风压间的链路关系,不具备安标关联关系,所以需要在现有光纤环网基础上增加KJGISⅡN通风可靠监测监控系统子集,包括地面监测主机、相应监测分站与传感器等测控单元。
同时KJGISⅡN工业以太网LonWorks网络化现场总线煤矿安全生产综合自动化监测监控又可弥补现有监测监控系统诸多不足,并可作为多级语音广播报警系统与无线窄带手机通讯系统及井下无线物联网的基础网络平台,具有十分广泛的扩展应用空间。
2.2建立煤矿《通风瓦斯面域化全方位实时监测监控与实时预警综合防御系统》数据中心
集成煤矿现有监测监控系统、新增加的通风可靠测控与生产状态监测系统、煤矿瓦斯抽放监测系统,建立《通风瓦斯面域化全方位实时监测监控与实时预警综合防御系统》数据中心。
还可根据需要集成煤矿人员监测系统、煤矿供电监测系统、煤矿运输监测系统等各类异构系统,建立煤矿全面综合自动化测控管平台。
此外,按矿方要求配备无线宽带手机异地实时监测监控监管系统一套。
为适应煤矿个性化应用与管理需要,因为某些管理方面的信息资源无须上传到集团公司存储,所以煤矿需要建立具有特色的煤矿安全生产综合自动化集成调度指挥系统。
这有利于提升整个系统可靠性,不受其它煤矿及网络影响,网络化分布式存储与应用更高效可靠。
解决了全集团信息集中存储量过大的问题,特别是面域化海量实时数据存储与提取效率问题。
2.3网络与数据关系
建立煤矿数据中心需要新增配置2台服务器与应用软件平台。
利用现有煤矿地面局域网与井下光纤环网。
煤矿现有监测监控系统数据除了向集团公司传输外,同步向本系统数据中心传输。
新增加的通风可靠监测监控子系统也要向集团公司和煤矿本系统数据中心传输。
其关系参见图2-1图2-2。
图2-1网络组成关系结构图
图2-2矿与集团公司两级数据中心与软件平台关系图
图2-2可见,煤矿各类型监测数据首先在本地数据中心存储除,供矿级平台应用软件使用。
重要的报警信息还实时向集团公司传输;集团公司级平台应用软件除了提取应用集团公司数据资源外,还可访问煤矿数据中心数据;煤矿安全生产监测监控调度中心与部门级用户可访问本地数据中心,也可根据权限访问集团公司;集团公司安全生产监测调度中心与部门级用户也可直接访问煤矿。
3、矿级平台应用软件系统组成及功能
3.1总体架构
在煤矿建立数字煤矿安全生产数据中心,建立《数字煤矿安全生产综合集成自动化测控管系统平台》,作为煤矿安全生产综合集成自动化监测、监控、监管、调度指挥、部门级业务办公等应用的信息化系统平台。
本项目《煤矿安全生产面域化全方位实时监测监控与实时预警综合防御系统》作为其核心组成部分,此外可增加《部门级专业化煤矿安全生产综合信息化系统》部分,共同构成《数字煤矿安全生产综合集成自动化测控管系统平台》。
系统总体架构分为三个层次,分别为应用层、网络层与煤矿安全生产异构系统实时监测监控系统层。
(1)应用层
以煤矿安全生产面域化集成实时监测监控、安全实时预测预警、数字矿山地理信息、数字矿山部门业务办公自动化为特点的应用软件系统平台。
(2)网络层
以先进的工业以太环网、LonWorks网络化互联互控现场总线、集成数据、语音、视频、等各种媒体传输,集成地面与井下有线网与无线网,包括最具发展前途的井下WIFI(无线宽带物连网),实现煤矿各种异构系统的高速、高可靠、高效率传输通讯。
(3)异构系统实时监测监控系统层
包含煤矿安全生产实时监测监控系统、煤矿通风监测系统、煤矿瓦斯抽放监测系统、煤矿火灾监测系统、煤矿机电运输监测系统、煤矿人员监测系统等各种异构监测监控系统。
系统总体架构如图3-1所示。
图3-1矿井综合自动化集成系统总体框架
3.2煤矿安全生产监测监控系统集成方案
实现本项目需要在煤矿安全生产监测监控系统上增加风筒风量监测传感器、巷道风量监测传感器、主扇风量监测传感器、风向传感器、绝对风压传感器、井上井下瓦斯抽放监测流量计、抽放管道瓦斯浓度传感器、抽放管道负压传感器、抽放管道温度传感器、采煤机电流传感器、运输机电流传感器、皮带电流传感器等硬件测控单元。
煤矿现有监测监控系统所有软硬件系统不变,增加《KJGISⅡN工业以太网LON现场总线煤矿安全生产监测监控系统》作为现有监测监控系统的子集,实现新增通风可靠监测、抽采达标监测等功能。
该方式与现有监测监控系统共享光纤环网、共用井下主干网络交换机。
对于没有光纤环网的煤矿,可将井下光纤直接接入KJGISⅡN网关即可。
同时在地面新上一套监测监控中心站软件。
3.3煤矿异构监测监控系统集成方案
可集成煤矿现有各种异构监测监控系统,可包括六大系统及其它生产系统,集成接口方式可由新元公司提供协议,相关厂家编写上传程序,或由新元公司直接读取数据库实现。
可集成以下异构系统:
煤矿安全生产监测监控系统;煤矿瓦斯抽放监测系统;煤矿束管火灾监测系统;煤矿人员监测系统;煤矿产量监测系统;煤矿救生仓监测系统;煤矿压风监测系统;煤矿通讯监测系统;煤矿供水与排水监测系统;煤矿运输监测系统;煤矿供电监测系统。
3.4煤矿综合集成自动化测控管数据中心网络系统
新建或利用现有煤矿企业局域网,包括利用现有网络布局、网络交换机、网络路由器等设备。
建议连接服务器的交换机应具有千兆网口。
3.5煤矿综合集成自动化测控管数据中心硬件系统
配置两台企业级服务器,如HP或IBM;新配或利用现有的UPS,应具有续航能力2小时以上;利用现有或新配网络防火墙;利用现有调度显示与监测终端设备或新增加大屏幕显示系统。
3.6煤矿综合集成自动化测控管数据中心系统软件平台
采用Windows2003网络操作系统;SQL数据库管理系统;配置或利用现有的网络杀毒系统;采用先进的《CWebGIS网络地理信息系统》平台。
3.7煤矿综合集成自动化测控管数据中心应用软件平台
采用《CWebGIS煤矿安全生产面域化全方位实时监测监控与实时预警综合防御系统》应用软件系统平台。
如果需要部门级业务办公自动化部分,如地质测量、生产管理、一通三防管理、机电管理、运输管理等部分,则需要增加《CWebGIS数字矿山综合信息化系统平台》应用软件系统,两个平台可实现无缝集成应用。
《CWebGIS煤矿安全生产面域化全方位实时监测监控与实时预警综合防御系统》组成包括包括以下子系统:
(1)异构监测监控系统综合集成接口
(2)煤矿安全全方位综合集成实时报警监测
(3)面域安全状态智能化全面分析与全面监测
(4)面域化安全状态集中实时列表监测
(5)面域化分组关联区域断电实时监测
(6)面域化数字矿图跟踪实时定位监测系统
(7)面域安全数字矿图动画跟踪实时定位显示监测状态
(8)面域化基于位置的测控单元关联监测与分析系统
(9)面域化通风可靠实时监测系统
(10)面域抽采达标态实时监测
(11)面域火灾状态实时集成监测
(12)面域生产状态与生产强度及断电状态检验实时监测系统
(13)人员联网集成监测;
(14)面域监测系统设置状态实时监测
(15)面域监测系统故障实时监测
(16)面域监测系统数据可靠性与误报警实时评价
(17)面域风量、涌出量、抽放量关系对比实时监测
(18)停风微风瓦斯超限断电撤人一体化联动监测系统
(19)基于监测数据源的面域安全状态实时评价
(20)基于监测数据源的面域安全状态实时预测预警
(21)详尽的面域对象安全监测报警信息综合查询
(22)详尽的面域安全监测信息综合查询
(23)基于面域对象的煤矿安全简报自动创建与自动查询显示系统
(24)面域安全报警多级网络自动送达与双向语音调度系统
(25)全面满足AQ6201标准的基于测点的综合实时监测
(26)煤矿瓦斯抽放管网地理信息系统
(27)煤矿瓦斯抽放辅助设计与优化设计数值模拟系统
(28)煤层瓦斯区域性综合预测系统
(29)隐患断电执行状态自学习监测与查询系统
各子系统功能概要如下:
(1)异构监测监控系统综合集成接口
由于历史与技术原因,一个煤矿往往装有不同类型的监测监控系统,但煤矿工作面等面域测控需要将所有这些测控系统集成,如多个厂家煤矿安全监测监控系统、抽放监测系统、火灾监测系统、人员监测系统等等,这是实现全方位实时测控的基础。
为此研究开发出异构系统通用集成接口。
本接口能够兼容煤矿各种类型的异构监测监控系统,就如同一个系统一样,为构建综合集成自动化全方位监测监控系统提供了必备基础。
(2)煤矿安全全方位综合集成实时报警监测
现有的煤矿安全监测监控系统包括集团公司联网监测系统,绝大部分仅仅解决了超限报警和分站局部断电问题,甚至局扇停风、主扇停风状态都难以判定。
为了全面保障煤矿安全,需要开发全方位集成报警监测技术。
本项目研究解决了这一关键技术问题,研究成果在原有瓦斯超限报警监测系统基础上,增加了十九项报警监测类型。
A、主扇停风状态高可靠性监测识别与报警断电,研究成果提供配套监测装置与专用软件系统,可有效解决主扇停风监测监管问题;
B、局扇停风状态高可靠性监测识别与报警断电,研究成果提供配套监测装置与专用软件系统,可有效解决局扇停风监测监管问题;
C、采掘工作面、采区、主扇等对象的风量实时监测与微风报警断电,研究成果提供配套监测装置与专用软件系统,可有效解决风量不足或微风停风监测监管问题;
D、风向状态改变监测识别与报警断电,提供配套监测装置与专用软件系统,可有效解决风门短路、角联巷道风向变化监测、工作面均压地区风向变化监测需求,提供通风系统可靠性监测技术手段;
E、停风、微风、瓦斯超限等隐患发生时未断电状态实时监测。
煤矿瓦斯事故绝大部分是未断电电器火花引发,所以隐患发生时的断电监测与断电控制最为重要,以往由于断电状态监测的复杂性。
采用特殊技术手段有效解决了停风状态高可靠识别与高可靠断电监测与控制问题。
除了能够有效判断本面域围是否断电外,能够判断关联下级区域断电状态,能够判断上级区域断电状态,从而全面解决了区域断电监测问题。
有效解决了瓦斯超限、主扇停风、局扇停风、微风、风门短路、抽放异常等隐患发生时沿超限风流流经区域的全面断电网络化监测问题;
F、抽放异常报警监测,煤矿瓦斯抽放是解决瓦斯超限的重要手段,但抽放过程中管理不当也会产生新的隐患,如爆炸限浓度的干式泵抽放、爆炸限浓度的静电管路、抽放泵停水、抽放泵故障、排瓦斯口浓度超限等等,所以实现抽放异常报警监测有重要意义。
本项目研究解决了这一技术需求;
G、工作面火灾监测,工作面火灾来自皮带摩擦等外因火灾与自燃发火等因火灾,其危害性等同煤矿瓦斯爆炸,本项目解决了煤矿监测系统与束管监测系统联合同步按面域对象监测火灾等重大关键技术,可利用面域多因素有效可靠判断工作面火灾及发展趋势,为煤矿火灾监测与防治提供了新的技术手段;
H、工作面人员状态监测,超限断电撤人是避免瓦斯事故损失的最重要措施,以往人员监测与安全监测分离,不能实现超限撤人监测,本项目研究首次解决了瓦斯与人员监测联动关键技术,能够在应该撤人而未撤人时发出报警,同时对人员超时工作和进入异常区域给出报警;
I、传感器故障与通讯中断监测报警,煤矿工作面多传感器同时故障或多个传感器同时通讯中断往往预示发生了严重的问题,甚至可能发生了事故,所以监测系统故障监测十分重要,本项目解决了以工作面为面域对象的监测系统故障实时监测技术,可在系统运行异常时进行报警;
J、监测联网通讯中断报警监测,监测联网已经是煤矿瓦斯防治管理的重要组成部分,所以监测通讯中断状态十分必要,本技术解决了网络中断与数据不传输的分类报警,对于有效管理具有重要意义;
K、语音报警与报警历史显示,对上述各种类型报警可实时监测,实时语音或声光报警、可同步显示报警历史信息、可同步查询报警状态、可同步查询显示曲线,可提供对报警信息的同步全面分析;
L、隐患报警实时多级网络自动送达与双向语音实时调度,一旦出现异常报警,系统可自动将报警信息同步送达到下级管理部门或煤矿监测计算机屏幕上显示,进入调度处理对话状态,该新技术大大提高了对异常事件响应速度,有效解决了及时调度处理、监督值班、事后追查等技术问题;
M、监测报警类型可以有多种设置,包括依据AQ1029标准自动判别、煤矿自定义,甚至提供自定义设置预报警限值,系统自动按上述三种类型自动识别报警状态;
N、具有瓦斯报警趋势同步分析显示功能,可在报警的同时显示发展趋势状态;
O、具有数字矿图报警位置同步定位显示功能,动画显示功能,按面域或传感器位置定位查询显示与实时图形化监测功能;
P、提供综合实时曲线监测、历史曲线分析、数据查询、断电跟踪监测、实时处理调度等全面完善的监测、分析与处理手段;
Q、具有对实时监测数据、报警状态的识别与响应技术,与煤矿监测系统报警几乎同步;
R、具有对报警次数、持续时间、最大值、断电状态、断电持续时间的全面监测功能,并且能够与煤矿监测系统监测数据保持一致,从而便于分析和考核监管;
S、具有对近期报警历史的集成查询显示功能,以防监管人员疏忽遗漏。
(3)面域安全状态智能化全面分析与监测
与传统的基于测点的监测方式不同,所提供的面域安全状态智能化全面分析监测技术,以工作面等作业点为目标对象,提供对面域对象整体相关安全因素的
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