矿井综合自动化监控网络系统.doc
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寺家庄煤业有限责任公司
信息化技术方案
—————矿井自动化部分
寺家庄煤业有限责任公司
2006年6月
目录
第1章矿井综合自动化监控网络系统 1
一矿井综合自动化监控系统需要接入的子系统 1
二综合自动化监控网络结构 1
三调度监控中心监控网络 2
1硬件平台 2
2软件平台 5
四地面网络 7
五井下网络 7
六网络管理 7
七系统安全 7
第2章矿井综合自动化子系统 8
一井上下供配电监控系统 8
1地面供配电监控系统 8
2井下供配电监控系统 11
二综采工作面监测监控系统及顶板压力监测系统 12
1综采工作面监测监控系统 12
2顶板压力监测系统 13
三井下胶带运输机监控系统 13
四井下主排水泵自动化系统 16
五井下电机车运输监控系统 17
六主斜井胶带运输机监控系统及矿井主煤流计量系统 18
1主斜井胶带运输机监控系统 18
2矿井主煤流计量系统 18
七副立井提升监控系统 19
八通风机房监控系统 20
九锅炉房监控系统 21
矿井综合自动化监控网络系统
建设目标
1）系统建成后能够实现对生产过程及设备进行远程监测、监控、监视、远程诊断以及优化调度。
实施地点：
就地、调度监控中心、远程。
2）实施主要生产环节的自动化控制，达到无人值守的管理要求。
3）建立统一的底层控制网络，网上传输数据、语音、频视信号，实现三网合一。
4）系统建成后实现资源共享、信息互通，提高自动化水平和安全生产水平，发挥综合监控和协调作用。
如：
灾害报警信号、设备监控系统连动、模式控制、事故处理预案、救灾路线图等智能决策功能。
5）实现管控一体化，从而达到减人提效增强企业市场竞争力的目标。
6）通过设备的实时管理软件，实现对设备的超前管理和预测预报，最大限度的减少设备的损坏机率和维护成本。
7）对井下人员安全加大监测和在线管理，特别是对流动人员的管理，为安全生产起到保障作用。
8）优化网络结构，提高网络性能，提高了企业综合信息基础设施水平，可逐步实现三网融合。
一、矿井综合自动化监控系统需要接入的子系统包括：
Ø井上下的供配电监控系统
Ø综采工作面监控系统
Ø顶板压力监测系统
Ø井下胶带机监控系统
Ø主排水泵房自动化系统
Ø井下电机车监控系统
Ø主斜井胶带输送机监控系统
Ø矿井主煤流计量系统
Ø副立井提升监控系统
Ø通风机房监控系统
Ø锅炉房监控系统
各子系统都有不同的数据格式、通信协议、反映不同的内容，并且由于生产工艺及管理的连续性和综合性，独立的单项自动化系统已不能满足高效生产的需要，因此，必须进行功能扩展，加以综合处理，建立一个统一的生产自动化监控集成网络。
二、综合自动化监控网络结构
选用千兆环形工业以太网搭建综合自动化监控系统网络硬件平台，分三部分：
Ø调度监控中心网络
Ø地面网络（包括矿井、选煤厂）
Ø井下网络。
在矿办公楼调度监控中心设置两台工业以太网核心交换机，在地面（矿井、选煤厂）和井下各建立一个环网，三个环网通过双通道与矿调度室工业以太网核心交换机连接，最终形成一个冗余环形千兆主干网、百兆接入的网络结构。
网络结构特点：
1）具有相当高的数据传输速率（目前已达到1000Mb/s）；
2）Ethernet和TCP/IP很容易集成到IT世界；
3）在整个网络中，运用了交互式和开放的数据存取技术；
4）已为众多的技术人员所熟悉，市场上能提供广泛的设置、维护和诊断工具，成为事实上的统一标准；
5）如果环网某点发生故障，环形结构将自动切换为具有全部传输能力的总线结构，这一切换时间小于500ms。
工业网络拓扑图如下：
三、调度监控中心监控网络
1、硬件平台
硬件平台见配置表，功能：
2台千兆核心以太网交换机通过XRN（可扩展的弹性网络、将多台核心设备分布式互连在一起成为一整体）技术相互连接，构成工业网络的冗余数据汇聚中心，与地面（矿井、选煤厂）、井下的三个环网分别双通道千兆连接，构成综合自动化监控网的千兆冗余骨干网。
接入交换机用于连接机车信号系统、工业电视系统、安全监测系统网络、大屏幕主机以及调度主备机。
6台服务器分别作为数据采集主备服务器、数据库主备服务器、WEB服务器以及视频服务器。
监控系统数据采集主备服务器安装WINCC服务器软件，为调度台上的6台监测、监控主机提供服务。
2台磁盘阵列用于监测监控系统和工业电视系统的历史数据存储。
2台工程师站中的一台作为负责编制和调试人机界面，另一台作为网络安全管理主机安装网络管理和网络杀毒软件。
12台工作站中的6台分别做为变电所监控、胶带机监控、四大件监控（主排水泵、副立井提升机、通风机、压风机）、选煤厂监测、综采及顶板压力监测、人员定位监测、监控主机，另外6台作为安全生产监测、电机车信号、工业电视、大屏幕主机、调度主备机。
工业网络通过防火墙和路由器与管理网络连接。
调度室硬件配置表
调度台主机与各子系统对照表
主要设备参数见下列各表：
表1：
交换机3ComSwitch4060主要参数
表2：
服务器IBMxSeries3668863-2RC主要参数
2、软件平台
软件平台包括：
1.服务器操作系统6套
2.工作站操作系统12套
3.SQL数据库2套
4.Faceview实时数据库1套
5.LifeKeeper备份软件2套
6.WINCC完全版软件1套
7.WINCC运行版无限点软件2套
8.WINCC运行版128点软件6套
9.WINCC服务器（2个授权）1套
10.WINCC服务器冗余授权1套
11.WINCCWEB服务器软件和应用软件1套等。
详见下表：
自动化监控软件平台
自动化监控软件平台是自动化系统的核心，体现着自动化系统和软件开发的最先进技术，它是整个集成系统的软件平台，主要有两大类，一类采用著名集成厂商通用组态软件构建的软件平台，另一类是针对不同行业已开发好的一体化自动化监控平台产品。
通用组态软件如：
西门子公司的WINCC
GE公司的CIMPLICITY
IFIX
组态王等
由于矿井各单项控制系统主要采用西门子控制器，便于集成，所以选择西门子公司的WINCC系列软件作为组态系统的核心软件。
在本项目中，将采用客户机/服务器（C/S）、浏览器/服务器（B/S）以及监测监控服务器冗余相结合的解决方案来实现综合自动化监控。
SCADA软件的功能：
SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系统，即监视控制与数据采集系统。
系统是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统。
它可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。
四、地面网络
地面网络包括矿井地面环网和选煤厂环网两部分。
矿井地面环网设置四台工业环网交换机。
设置地点：
主井井口房、副井提升机房、生活及办公区变电站、风井场地变电所.
地面主井井口房、副井提升机房环网交换机分别通过光缆线路与调度室工业以太网主干交换机连接，构成双通道冗余线路。
各子系统就近接入地面工业环网交换机。
选煤厂环网设置五台工业环网交换机。
地点：
选煤厂综合集控室、主厂房、准备车间、压滤车间、普通装车站。
选煤厂综合集控室、主厂房环网交换机分别通过光缆线路与调度室工业以太网主干交换机连接，构成双通道冗余线路。
选煤厂各子系统就近接入选煤厂工业环网交换机。
五、井下网络
矿井井下环网设置四台工业环网交换机。
设置地点：
井下主井变电所、副井井底主排水泵房变电所、盘区胶带机变电所、南北翼大巷胶带机变电所。
井下主井变电所、副井井底变电所环网交换机分别通过光缆线路与调度室工业以太网主干交换机连接，构成双通道冗余线路。
井下各子系统就近接入井下工业环网交换机。
六、网络管理
在调度室工程师站上安装一套HP OpenView网络管理软件，HPOpenView作为强大的网络和系统管理工具，可以实现对工业以太网网络设备的配置以及工业以太网网络拓扑结构的自动生成，及时发现网络中出现问题的节点和原因，及时的消除网络安全隐患，保障工业以太网络的正常运行。
同时可以将网络设备的状态信息以OPC方式传递到HMI/SCADA软件中，从而将网络监控与其他智能设备的监控集成一体。
七、系统安全
为保证矿井综合自动化监控网络的安全运行，在工业以太网与信息化管理网络之间设置路由器和防火墙，达到网络隔离、提高网络安全的作用。
在工业网络上安装一套网络版杀毒软件。
路由器选用思科公司的Cisco2800路由器。
防火墙选用思科公司的PIX525防火墙
网络版杀毒软件选择冠群金辰公司的KILL安全胄甲（企业版）
设备参数见下表：
表1：
路由器CiscoCisco2821主要参数
表2：
防火墙PIX-525-UR-GE-BUN主要参数
矿井综合自动化子系统
一、井上下供配电监控系统
1、地面供配电监控系统
在矿井地面共设有9座变电站（所）。
选煤厂共设有3座变电所。
在每个变电所应配备电力自动化监控系统，对变电站（所）高压配电柜及低压进线柜进行实时监控。
电力监控系统与地面1000M环网连接。
根据管理权限，矿井综合自动化平台只对35kV变电站进行开关运行状态的远程监视，对地面其它8座变电所进行远程实时监控。
具体情况详见下表。
系统功能
监测功能：
实时采集供电系统的电压、电流、功率、电量、功率因数、频率、开关的分合状态及故障信息。
保护功能：
对过载、短路等故障设置保护。
控制功能：
根据实际需要进行分合闸，以保证安全无故障生产。
显示功能：
显示变电所设备运行的工况，以及电压、电流、功率、电量、功率因数、频率等参数的变化，实时显示变电所各种保护传感器的状态，显示跳闸、过载、短路等故障类型，以及查看各分站之间通信是否正常。
对变电所各种历史数据进行查看显示，用以分析故障原因。
报表功能：
对不同时间内的电压、电流、功率、功率因数、频率等参数进行数据分析统计，生成报表，根据需要打印出来进行故障分析。
系统组成
本矿井地面供配电监控系统主要由三部分组成：
1）电力监控中心
矿井综合自动化监控平台及选煤厂综合自动化监控平台分别在矿井调度监控中心和选煤厂集控室各设置一套电力监控工作站。
2）变电所监控分站
变电所监控分站又由三部分组成：
a）变电所监控工作站
在矿井地面每个变电所内设两台工控机及其监控软件，作为变电所监控工作站。
支持OPC服务器功能，支持WEB发布。
实现本变电所的当地监控功能。
b）通信管理单元
在每个变电所内设一个通信管理单元。
它向下提供总线接口，与各高压柜内的综合保护装置组成总线网络，实现信息共享。
向上提供TCP/IP以太网接口。
c）微机综合保护装置
在各变电所采用智能型高压开关柜，柜内加装微机综合保护装置。
地面供配电监控系统图表
1）地面供配电监控子系统接入表如下
2）地面供配电监控系统拓扑图如下：
2、井下供配电监控系统
井下设四个变电所，分别是：
1）副立井井底主排水泵房变电所：
主要向井下主排水泵供电。
2）井下主变电所：
向中央盘区胶带机变电所、南一盘区胶带机变电所、中央盘区采掘工作面隔爆移动变电站、南一盘区采掘工作面隔爆移动变电站供电。
3）南北翼胶带机变电所：
向南翼大巷胶带输送机及其附属设备供电。
4）盘区胶带机变电所：
给中央盘区胶带输送机、南一盘区胶带输送机及其附属设备供电。
详见配置表。
功能
地面监控系统：
实时动态显示电网接线图、自动化和保护设备系统图、电度量管理、测量参数和开关状态及报警、报警列表和报警记录。
通过井下综保控制开关的合闸、分闸和复位，实现历史曲线、实时曲线、事件显示、事件记录、操作记录，打印各种报表等功能。
井下监控分站：
完成保护器与地面监控系统间的数据交换、就地集中监控、局部选漏功能、远程维护、失电数据保持
高压综合保护器：
电流保护、漏电保护、低电压保护、过压保护、遥信、遥测、遥调、电缆绝缘监视、PT断线报警、电度计量
系统组成
该系统共有三个部分组成分别是：
1）井下地面主站
放置在地面监控中心，对各变电所进行远程实时监控、实时数据存储与打印。
2）井下监控分站
放置在井下各个变电所，对上通过TCP/IP以太网接口与变电所的千兆环网交换机相连，对下采用RS485接口与高压综合保护器进行通信，完成保护装置和地面监控系统的数据交换，并具备数据存储功能。
3）高压综合保护器
放置在各个井下变电所内的KGS1型矿用一般型高压开关柜及PBG60-630/10型矿用隔爆型高压开关柜内，采用全数字化结构，实现保护、测量、监视、控制、通信等功能。
具体配置见下表
井下供配电监控系统拓扑图如下：
二、综采工作面监测监控系统及顶板压力监测系统
1、综采工作面监测监控系统
矿井主采15号煤，全部采用放顶煤综采工艺，放顶煤综采工作面长度为200m。
在两个综采工作面各安装一套工作面集中监控系统（包括PLC、就地控制箱），监控范围包括：
采煤机、顺槽胶带机、刮板机、破碎机、转载机、乳化液泵、喷雾泵等。
PLC采用西门子S7-300系列（CPU为315-2DP、以太网模块CP343-1）。
两种工作方式：
就地和自动工作方式。
就地方式为故障检修和手动试车时使用，通过就地控制箱来实现对设备的操作；自动方式时，与胶带机之间相互闭锁，完成各监控设备的启停闭锁，具有起动预告、故障报警、紧停等功能。
系统将工作面设备各类运行参数传输到控制器中，再用光纤通过井下工业以太环网把生产参数传至地面供生产管理人员使用。
2、顶板压力监测系统
综采工作面监控系统及顶板压力监测系统拓扑图如下：
三、井下胶带运输机监控系统
井下共有三条胶带运输机和两条顺槽胶带运输机。
井下胶带运输机的工艺为：
两个综采工作面来煤通过各自顺槽胶带机送至中央、南一盘区胶带机，中央、南一盘区胶带机来煤均进入同一个溜煤眼，通过溜煤眼下口所设的GLS-1200/55型大运量链式刮板给煤机，将煤给入南翼大巷胶带机，然后将煤运入井底煤仓。
井下胶带输送机监控系统组成
1）地面监控
地面监控设置在矿调度室，通过主运输胶带机监控工作站和工业电视系统对胶带输送机及其相关设备进行集中控制和监视。
2）网络结构
井下胶带输送机监控系统采用分布式结构。
南翼大巷胶带机、中央盘区胶带机、南一盘区胶带机、顺槽皮带、综采工作面电控等各控制子系统使用以太网接口，通过井下工业环网与地面调度监控中心进行数据信息交换。
各控制子系统利用现场总线实现胶带机相关设备的实时控制及数据信号采集。
3）井下胶带输送机控制
包括PLC柜、就地控制箱和外围传感器等。
PLC柜的设置本着就近的原则：
南翼大巷胶带机控制分站设在南北翼大巷胶带机变电所；中央盘区胶带机和南一盘区胶带机控制分站设在盘区胶带机变电所；两条顺槽伸缩胶带机控制分站设在各自的顺槽配电点内。
主要技术特征见下表。
系统具有三种工作方式：
就地方式、半自动方式和全自动方式。
就地方式为故障检修和手动试车时使用，通过就地控制箱实现；
半自动方式时，PLC分站自动完成胶带机的启停和监控工作，各种皮带保护都起作用，但胶带机之间无闭锁关系；
全自动方式时，胶带机之间相互闭锁，按逆煤流方向顺序启车，顺煤流方向依次延时停车的方式控制胶带机的启停和监控工作，不需人工参与。
系统可根据实际需要，在“就地方式”、“半自动方式”和“全自动方式”之间进行切换，而这种切换不影响已经运行的胶带机。
实现功能有：
1）根据调度室的命令起停井下胶带机系统，进行工作方式的转换。
2）显示屏上可动态显示胶带机的各种工作状态。
并可进行曲线显示及报表。
3）胶带机保护：
当胶带机出现跑偏、纵撕、打滑、堵转、重载或CST故障等情况时，根据情况的不同立刻停机或给出报警信号。
4）报警功能，通过报警器电铃报警，或通过工业以太环网在井下指定值班室报警，同时在监控中心上位机动态画面报警。
胶带机主要技术参数
胶带机控制器采用西门子S7-300系列PLC
配置表如下
胶带输送机监控系统拓扑图
四、井下主排水泵自动化系统
井下主排水泵房位于副立井井底附近，选用MD500-57×8型多级离心泵3台，配套电动机Y5004-4,1000kW,10kV。
正常涌水时，一台工作，一台备用，一台检修。
在井下主排水泵房设一套自动化控制分站，包括PLC、就地控制箱和外围传感器及上位机等；.动作元件有电动闸阀、电磁阀及电动机。
PLC采用西门子S7-300系列（CPU为315-2DP、以太网模块CP343-1、Profibus-DP总线控制器CP342-5）。
传感器包括超声水位计、流量传感器、闸门位置行程开关、闸门过转矩行程开关、电机电流、真空度表、电接点压力表、液位开关等组成。
主排水泵房自动化系统拓扑图
系统工作方式
井下主排水泵房自动化系统有三种工作方式：
就地方式
半自动方式
全自动方式
系统功能
1）根据水位的高低自动准确发出开、停主排水泵命令。
水位传感器的可靠性和准确性直接影响整个控制系统的工作可靠性；
2）监控水仓水位、流量、压力及电动机、电磁阀和电动阀的各种工作状态。
所有的监测参数及工作状态均可由井下PLC传送给井上监控中心，在显示器上模拟显示，并做出曲线、报表；
3）流量保护：
当主排水泵启动后或正常运行时，如流量达不到正常值，通过流量保护装置，使本台主排水泵自动停车，自动转换启动另一台备用主排水泵工作；
4）电动机故障保护：
利用PLC监视主排水泵电机过电流、漏电、低电压、故障，并参与控制；
5）电动闸阀保护：
利用电动机综保监视电机的过载、短路、漏电、断相故障，并与主排水泵联锁控制。
系统还具有报警功能，在井下主排水泵房，通过报警器电铃报警，或通过工业以太环网在井下指定值班室报警，同时在井上监控中心上位机动态画面报警。
五、井下电机车运输监控系统
井下电机车运输监控系统选择KJ15A矿井机车运输监控系统。
该系统共设置二显示信号机10架，三显示信号机2架，轨道计轴器16套，井下电源箱10套，井下监控分站10套等。
整个系统设有一个主站。
主站设在地面调度监控中心，由调度监控中心统一集中控制，整个运输系统的运行参数可接入到矿井计算机网络中。
井下运输调度室内设有电源柜、PLC控制柜、输入/输出接口柜、调度员控制台。
系统功能：
1）在地面主控室对井下大巷的矿车运输实现监控和自动调度；
2）实时显示井下大巷列车位置、车号及信号灯、道岔状态和区段占锁情况，指挥列车安全运行；
3）系统能随时反映每一设备和传感器的工作状态，故障自动诊断、报警，自动记录运行过程数据。
4）整个系统无动触点，采用电隔离，可靠性高，人机界面友好，操作方便。
井下电机车运输监控系统拓扑图
六、主斜井胶带运输机监控系统及矿井主煤流计量系统
1、主斜井胶带运输机监控系统
主斜井胶带输送机监控系统监控设备包括：
1）斜井胶带输送机：
L=1549m；B=1.4m；α=16°8′；V=4.8m/s，
主电机型号为Y5005-4；功率为1120kW；电压等级为10kV，
CST驱动器型号为CST1200K-30.000；功率为30+5.5kW；电压等级为380V，
低速轴盘式制动器型号为SHI251；功率为15kW；电压等级为380V。
2）链式刮板给煤机：
型号为GLS-1200/55；功率为55/28kW；电压等级为660V。
主斜井胶带输送机监控系统包括：
1）上位监控主机，设在主斜井胶带输送机控制室，包括两台工控机及其西门子WinCC监控软件，支持OPC服务器功能，支持WEB发布。
监控范围：
主斜井井底煤仓给煤机、主斜井胶带机。
完成生产数据的实时采集、动态显示各机械设备运行工况、胶带机保护信号，实时显示井底煤仓煤位信号、仓储量等监测仪表的信号。
可实现对系统设备的启停控制。
2）PLC电控装置采用西门子S7-300系列PLC，设在主斜井井口房变电所。
要求PLC向上提供TCP/IP以太网接口，与上位监控主机通信，向下提供ProfiBus-DP接口，与选煤厂预筛分车间S7-300系列PLC通信。
实现整个原煤储运系统设备联锁控制及保护功能，实时采集生产数据。
3）传感元器件：
包括拉绳、跑偏、温度、烟雾、纵撕、堆煤、速度等。
4）给煤机就地控制箱。
主斜井胶带输送机监控系统能够实现对相关设备（胶带机、给煤机）的联锁控制，并具有完备的各种保护（拉绳、跑偏、温度、烟雾、纵撕、堆煤、速度等）和报警、联锁功能。
2、矿井主煤流计量系统
在主斜井胶带输送机上设置有胶带秤，对矿井主煤流进行计量。
胶带秤的瞬时量和累计量信号输入主斜井胶带机监控系统的PLC主机。
主煤流计量胶带秤带有上位监控计算机，装设在矿井调度监控中心，实现对矿井主煤流瞬时量和累计量等参数的实时监视和数据采集。
主煤流计量上位监控计算机通过矿井调度监控中心工业交换机接入工业以太网。
主斜井胶带输送机监控系统及矿井主煤流计量系统网络拓扑图
七、副立井提升监控系统
副立井设置二套提升系统。
主提升系统为全数字直流调速系统，主提升容器为一对1.5t矿车双层四车多绳罐笼（加长型），其中窄罐笼净宽为1200mm，宽罐笼净宽为1670mm。
窄罐笼承担矿井矸石、材料、一般设备和人员的升降任务；宽罐笼除了承担上述任务外，还承担大型机电设备的升降任务。
辅助提升系统采用全数字变频调速系统，辅助提升容器为一台四长绳长材交通罐笼配平衡捶，交通罐可乘36人，用于矿井人员的升降和材料的下放。
主副提升系统上位监控主机均通过副井提升机房配电室工业环网交换机向上接入地面1000M工业以太环网。
要求上位监控主机向上提供TCP/IP以太网接口。
经过地面1000M工业以太环网以OPC方式与矿调度监控中心进行通信。
在矿井综合自动化监控平台对各运行数据进行统一管理，实现集中监视。
系统功能
1）全行程速度监控，实际速度超过给定速度的8%预报警，等速段超过给定速度的15%、减速段超过给定速度的10%进行安全制动，过卷0.5米实现安全制动；
2）设置定点速度监控的后备保护；
3）闸瓦磨损及弹簧疲劳保护；
4）信号系统的软、硬件保护；
5）PLC软件综合故障保护；
6）远程诊断功能；
7）光电编码器与测速机相互监视、互为备用；
8）井口2m/s限速保护；
9）错向保护等。
副立井提升机监控系统网络拓扑图
八、通风机房监控系统
中央回风井通风机房设两台AGF606－3.8—1.8—2型矿用轴流式通风机，通风机配套T3200－8/1730型、10kV、3200kW、750r/min同步电动机，实现正反转运行，两台通风机一台工作，一台备用。
通风机附属设备包括：
1）刹车装置电动机380V0.33
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