煤矿大型设备集中监控系统

煤矿大型设备集中控制系统

简介

一、 系统简介

煤矿通风、压风、排水、提升运输设备俗称煤矿“四大件”，是煤炭企业生产的重要大型设备，供电系统中各地面变电站和井下中央配电所是矿井供电的关键设备，这些设备的安全、可靠运行是煤炭企业安全生产的保障。

这些大型设备一般都隶属于企业机电部门管理，除了排水设备和井下中央配电所外一般都分布在企业中比较近的区域内，如压风机房、扇风机房、提升机房、变电所等重要机房峒室和水源井、加压泵房等辅助机房峒室，承担着矿井的通风、压风、提升、供电、供水等任务。除了近几年建成的矿井外，多数矿井中上述各机房峒室的大型设备目前均手动独立运行，自成系统，各有一班人员负责运行管理，单独操作，占用人员较多，造成人力浪费。特别是变电所设备，随着煤炭行情逐年变好，近几年出煤产量大幅度的提高，井下装机容量也大幅度增加，给供电线路的继电保护整定造成了一定困难，时有越级跳闸的现象，扩大了故障影响范围，当发生短路时，变电所的母线电压非常低，导致扇风机、压风机等大型设备不能正常运行而停机。由于没有必要的自动检测和事故追忆，无法迅速排除真正的故障源，极易延误恢复时间，对安全生产极为不利。

因此，随着国家和企业对矿井的安全生产越来越重视，为保障大型设备安全可靠、高效经济的运行，进一步减少运行人员及岗位工种的离散，提高大型设备运行控制的自动化管理水平，实现矿井大型设备生产过程的集中控制，建设一套完备的煤矿大型设备集中监控系统十分必要。为此我们组织了一批有经验的教师和科研人员对此做了充分的调研，研究开发了系列产品并部分应用在兖矿集团兴隆庄煤矿东风井大型设备监控中。

二、系统主要功能

所有大型设备运行的具有计算机远程控制与就地集中控制系统及工业电视监视系

统。

1、 采用分布式计算机监控系统，集中管理、控制扇风机房、压风机房、变电所、泵房

等4个场所的机电设备运行，并实时检测运行参数。

2、 用工业控制计算机作为主控系统，压风机、水泵房等子系统以PLC 做核心，扇风机

采用一台工控机作检测核心。

3、 主系统与各子控系统间通过Profibus 总线进行数据通讯，传送监测数据及控制信息。 4、 各子系统即可独立运行又可与主系统联机运行。

5、 主系统具有工业以太网接口，将检测数据送到各职能部门、矿调度中心。 6、 配有A3幅面激光打印机，可打印各设备运行数据、曲线报表。

7、 各子系统显示采用工业级触摸屏。可显示各子系统模拟图及数据、曲线。

（一）集中监控室主系统

集中监控室主系统主要设备有S7-400/S7-300PLC、后台管理计算机、打印机、后备电源UPS 及工业电视等。 1、功能

● 集中监控各大型设备的运行参数、工作状态； ● 远程控制具有远程控制权限的设备运行；

● 工控机与各个子系统通过Profibus 总线进行各种数据传输。

● 通过局域网与矿生产管理系统进行数据通讯。

● 可以生成各种管理报表或生产报表，并可查询各种历史记录数据。 2、系统软件

工控主机系统软件为具有版权的正版Windows2003，监控软件为国内应用最为广泛的“组态王”或西门子WINCC 。它具有以下特点： ● 为工程技术人员提供标准的工业图形界面。 ● 图形与控制变量之间可以直接动画连接。 ● 易于设计编辑各种动画图形。 ● 开发周期短。

● 可以直接支持驱动PLC 、智能仪表等设备。

● 提供历史趋势和实时趋势曲线报表。图表有丰富的对象颜色和属性选择。 ● 先进的报表和信息管理。组态王分布式报警管理提供多种报警管理功能。还可以记录应用程序事件和操作员操作信息。

● 强有力的安全管理。组态王采用分级和分区的双重保护策略。

（二）扇风机子系统

扇风机房近一般安装2台扇风机，由于扇风机房设备较少，工作场合重要，只对其运行参数进行监测。

本子系统的技术关键点在于准确地检测风速大小。需采用高速A/D转换，并进行大量数据的高速处理，因此其控制处理采用工控机。 1. 结构框图如图2。

2. 扇风机子系统组成。

该子系统主要组成为：工控机、风速变送器、风压变送器、温度变送器、电量变

送器等。

3. 扇风机子系统监控参数

风压、风量、转速、前轴系温度、后轴系温度、工作电流及电压。

4. 技术关键及技术创新点

风速传感器的选型及安装位置、计算。

风速检测采用中科院声学所生产的超声波传感器，其型号为FSD1020K ，主要特点

有：

● 本质安全型；

● 精度3%（风速1~20m/s）；

● 工作距离在强噪声背景下（80dB ）可达到4米； ● 工作温度-20℃~ +55℃；

● 换能器为收发共用，有防尘作用；

● 换能器结构为直径110*50毫米，带法兰盘，尾部通过四芯插座引出； ● 换能器至主机连接电缆可达200米。 ● 换能器供电15V ，电流20mA 。

风量与以下因素有关：

——与风在风道横截面的能量分布有关；

——与风在风道中为滚动前进，与其运行曲线有关。

通常超声换能器安装在风道中心点偏下20cm 处，上述两种因素很难精确，而测量的v 为最大风速，因此可以用平均风速进行风量的计算。而平均风速可以根据最大风速

风

与平均风速的折算关系求出。所以风量可以通过下式计算：风量= v 平 *风道截面积

5. 技术指标

超声采集速率：

测量分辨率： 风压测量范围：

轴承温度：

500 KHZ 1/4096 9600 b/s 0~8000m3/分 0~200℃

RS485通讯速率： 风量测量范围：

0~-5000 Pa

（三）、压风机监控子系统

1. 压风机监控子系统结构框图

2. 压风机监控子系统主要组成：

可编程控制器PLC 、工业触摸屏、通讯模块、压力变送器、温度变送器、电量变送器、主令开关等。

3. 压风机监控子系统功能特点： 实现远程控制/就地集中自动控制。

实现自动（动态）恒压供风。当风压达到设定高限值时，自动开启卸荷阀；风压降到低限值时，自动关闭卸荷阀。

一/二级排气温度超限、润滑油温度超限时报警，并自动停机保护。 自动加注润滑油功能。

4. 主要监控参数

工作电流、、一级排气温度、二级排气温度、润滑油温度

5．主要工作参数及设定：

水温度、一级排气压力、二级排气压力、润滑油压力、冷却水压力、风包压力。 根据现场情况及《煤矿安全规程》的要求, 对部分参数设定内容为表1。

表1 主要工作参数及设定

、风包温度、冷却

6. 技术关键及创新点

a. 向井下实现（动态）恒压供风。 b. 压风机定时自动切换。 c. 温度变送器的防震处理。 c.

系统可靠性研究、抗干扰性处理。 d. 系统强电、弱电的配线布局。 7. 主要性能指标

a. 参数巡检周期： c. 模拟量分辨率：

0.10秒 3ms 1/4096 MAX ±0.050%

b. 单通道模拟量转换时间： d. 模拟量转换线性误差：

8. 控制流程框图（见图5，与自动/手动控制流程）

（四）水泵房监控子系统

水泵房监控子系统安装在加压泵房，监控加压泵房中3台加压泵、1#泵及2#水源井的运转状况，对相关参数检测，实现远程集中控制/就地自动控制；实时检测水仓水位。

1. 水泵房子系统结构框图（见图6）

2. 水泵房子系统组成

西门子S7-300可编程控制器（PLC ）、触摸屏、通讯模块、液位变送器、电磁流量计、电量变送器等。

3. 水泵房子系统功能

自动控制水仓水位，自动注水。水仓水位为连续检测，当到设定高水位时，

停止水源井工作，水位降到设定低水位时启动水源井工作。

自动控制水塔水位，上下限检测。水塔水位控制采用进口浮球开关。 具有远程集中控制/就地自动控制功能。 水源井出水流量计量。

系统根据水仓、水塔水位信号实现相应设备的自动开、停。

断水保护报警。当水仓水位降低到保护液位（低于设定启动水源井水位）时，停止相应加压泵工作。

（五）变电所子系统

东风井变电所为一级负荷用户变电站。其规模为：

6kV 进线两路，两段母线分列运行，联络开关一般处于断开状态。 6kV 馈出线路11台，6kV 电容器三台，母线PT 柜二台，避雷器柜二台。 1. 保护测控系统

6kV 出线共11条，保护测控一体化就地安装，可选用南瑞继保保护测控单元。两路进线开关和联络开关不设保护，只设测控功能，也选用相应保护测控单元。

保护测控配置要求：

电流速断、限时电流速断、过电流保护、小电流接地选线、线路开关的遥控分合、线路开关、隔离刀闸变位遥信、线路P 、Q 、IA 、IC 、COS θ模拟量遥测，有功、无功电度计算与累计、脉冲电度表输入接口、有远控、就地、检修三种控制方式。

保护功能为：

⑴ 二相三段式定时限过流保护：电流速断、电流限时速断、过电流保护 ⑵ 接地保护（可选择选线或零序直接跳闸）：

本装置适用于不接地或小电流接地系统. 在小电流接地系统中, 单相接地时, 可通过网络互联, 信息共享, 比较同一母线上各路零序电流基波和五次谐波幅值和方向的方法获得接地线路。还可和遥控结合进行常规的小电流接地探测。在某些电缆出线较多的不接地系统中，电容电流较大，可采用零序电流继电器直接跳闸。

⑶ 断路器操作回路：

跳闸保持回路，合闸保持回路，防跳回路，手动跳、合闸回路，遥控跳、合闸回路。 ⑷ 具有故障录波功能。

⑸ 装置汉化液晶显示。运行时显示遥测量，无背光。故障时，背光启动，显示故障信息（故障类型、故障电流大小、保护动作信息、故障时间），起到光字牌作用。信号循环显示，保持到就地复归或远方复归。

⑹ 硬件故障自诊断并告警闭锁出口。

测控设置：

⑴ 断路器遥控分、合闸，接地选线遥控跳闸。

⑵ 本线路IA 、IC 、P 、Q 、COS θ的遥测和有功、无功电度。 ⑶ 9路遥信开入，遥信分辨率小于2ms 。 ⑷ 4路遥脉输入，配合脉冲电度表。 ⑸ 软件对时和硬件脉冲对时。

⑹ 设置RS232、双RS485口。双RS485口用于RCS 双总线。 通信规约为IEC60870-5-103（DL/T667-1999）和LFP 双规约。 2．微机总控单元

作为变电站综合自动化的一个重要组成部分，它通过多种类型的标准通讯规约来沟通多种类型的继电保护装置、数据采集装置、智能测控装置、智能型直流电源装置等进行通讯，搜集变电站运行中的各类实时信息送往后台监控系统和电网调度自动化系统，供它们对变电站进行运行监视，另一方面接收和转发来自后台监控系统和电网调度系统的各类操作命令，对变电站的断路器、刀闸进行遥控、遥调。

装置提供标准通讯接口类型有：RCS-232、RS-422、RS-485、光纤。装置提供3个独立的RS-232口与两个或两个以上不同的调度端进行通讯，通讯速率、通讯规约和上送信息表均可任意设置。装置通过一个串口与后台监控系统进行通讯。

3．RCS-9000监控后台系统

该系统以现有35KV 变电所微机保护系统监控后台为支持，东风井变电所作为35KV 变电所微机保护的子系统（或分站），随时将本变电所数据传送给35KV 变电所，接受

35KV 变电所的控制指令。同时将该应用软件装设在东风井集控室工控机上，在东风井集控室便可调用并实现以下功能：

1) 显示一次设备状态，以及实时数据，包括主接线图、地理图、设备平面布置图、主结点负荷电流潮流图、数据一览表等，所有35kV 线路、电厂进线（共六路）的潮流波形图在一个总图或表中显示出来，并可以人工打印图形。

2) 显示事件信息，事件信息包括：遥测越限报警、越限数据分类统计图表、遥测越限恢复正常、遥信变位、事故变位、SOE 、遥调、遥控结果等。

3) 进行遥控、遥调操作。 4) 进行人工置数操作。 5) 进行报警确认操作。

6) 显示保护事件信息列表，并提供查询手段。

7) 显示保护信息，包括保护动作信息，保护自检信息，保护定值，故障波形。可以进行保护信号复归、保护定值整定。

8) 显示实时曲线和历史曲线。具有事故追忆功能，可设定事故追忆前后时间。

9) 实时列表和历史报表，进行人工打印、屏幕拷贝。 10) 自动打印运转日志和历史报表，可自行设定时间。

11) 编制操作票，可模拟生成操作票和打印操作票。执行操作票时具有防误操作功能。

12) 用户能够现场修改系统参数、各种图表结构，修改操作按限定密码级别进行。 14）具有事故声光报警和语音提示。 13) 具有完善的监控系统自检功能。

三、项目最终目的

通过该项目的研究与实施，实现对煤矿大型机电设备的主要运行参数集中监测，能实时反映设备的实际运转状况，保证设备的稳定可靠性运行。压风机子系统要达到自动注油开机、恒压供风、定时工作切换功能；扇风机子系统准确测量风量；水泵房子系统实现自动开停机，无人值守、水量监测；控制系统安全可靠、抗干扰性能好，有利于设备的集中监控管理与就地维修，并真正能起到技术管理上水平，减员增效的作用。