胡家河矿综合自动化系统研究.pdf

胡家河矿综合自动化系统研究闵孟岗，李森，王晓军（陕西彬长胡家河矿业有限公司，陕西咸阳7 1 3 6 0 0）摘要：为提高胡家河矿综合自动化水平，解决各监控子系统相互独立、信息不互通的问题，综合通信、监控等技术，构建胡家河矿综合自动化系统。综合自动化系统包括地面调度中心、以太环网通信网络及设备控制层等，可实现井下生产、运输、通风及排水等环节的远程监控，系统充分利用PLC、井下各设备控制及监控设备、通信网络等，将设备状态参数传输至监控中心,并依据控制指令调整设备的运行。关键词：煤炭生产；监控系统；自动化;PLC;工业以太网中图分类号：F406.3;TD67文献标识码：B文章编号：1 0 0 8-0 1 55(2 0 2 3）1 2-0 0 3 4-0 3综合自动化、智能化是实现煤炭工业高质量发展的核心技术支撑，也是煤炭企业实现安全高效生产的必经之路1-2 。胡家河矿已完成了部分矿井自动化控制设施安装，但各自动化监测监控系统可能处于相互独立的状态，各系统自成体系，信息不能互通。文中结合信息化技术、PLC控制系统及通信技术等，搭建胡家河矿综合自动化系统，以期提高综合自动化管控水平、提升安全生产保障能力。1 工程概况胡家河矿建设规模5.0 Mt/a，设计服务年限为69a。矿井采用立井单水平开拓，井田共布置三组大巷，共划分为9 个盘区，其中3 号煤层设计3 个盘区，4号煤层设计6 个盘区，移交投产工作面4 0 1 盘区。4 0 1盘区4 号煤层厚度为0.8 2 7.0 8 m，平均1 5.8 m，煤层厚度变化大，采用分层综采放顶煤采煤法，煤层厚度在412m区域采用综放一次开采，煤层厚度小于4 m的区域采用普通综采。矿井按高瓦斯矿井设计，选用FBCDZ-10-NO37/2*900kW防爆对旋轴流通风机2 台（1 台工作1 台备用），通风机选配1 台YBF800M1-10型电动机,功率9 0 0 kW，电压1 0 kV，同步转速。2综合自动化系统网络平台系统网络包括信息层网络、控制层网络和设备层网络 3-4 2.1信息层网络采用星型以太网结构，使用两台千兆以太网交换机构建核心交换系统，通过划分VLAN区分各职能部门间的网络隔离，建立安全的网络访问环境。2.2 控制层网络控制层为双环型工业以太网结构，配备2 台工业级汇聚交换机，由井下地面1 0 0 0 M环形以太网组成，地面34及井下环形以太网通过控制汇聚交换机实现信息共享。井下环形网设6 个节点，分别是主立井提升机房、副立井提升机房、井下主变电所及水泵房、盘区变电所、大巷胶带机机头变电所、4 0 1 1 0 6 综采工作面顺槽胶带机机头变电所。其他站点以点到点的方式就近接人环网交换机。地面环网设1 2 个节点，分别是1 1 0/1 0 kV变电所、通风机房、选煤厂控制室、选煤厂装车系统控制室、空压机站及制氮站联合建筑、锅炉房、综合水处理站、生活污水处理间、生活饮用水处理间、高位日用消防泵房、瓦斯抽放泵站。其他站点以点到点的方式就近接人环网交换机。2.3设备层网络设备层主要采用美国AB公司的controlnet网络，将PLC主站和PLC远程VO分站互联，与第三方系统采用RS485MODBUS以及其他协议互联。3生产自动化系统胡家河矿生产自动化系统由采煤工作面监控系统、主运输系统监控系统、井下排水监控系统、通风监控系统、空压机站及制氮站监控系统、副立井提升监控系统及矿并供电监控系统等组成，各系统通过综合自动化系统网络平台实现自动化远程监控。3.1采煤工作面综合自动化系统3.1.1工作面监控系统在4 0 1 1 0 6 工作面构建监控系统，可将控制站接入矿井综合自动化系统的井下光纤工业以太环网，实现下述功能：组合开关内电量参数监测；采煤机控制系统、液压支架控制系统、“五泵三机”控制系统监测；顺槽胶带与综采工作面设备闭锁。采面监控对象。4 0 1 1 0 6 工作面内的主要设备包括采煤机、刮板输送机、转载机、破碎机、乳化泵站、喷雾泵站等。系统设计方案。组合开关控制系统提供RS485通信接口（Modbus-RTU通信协议），采煤机、液压支架、“五泵三机”均随机配套控制系统，上述控制系统提供RS485通信接口（Modbus-RTU通信协议）。在工作面设置PLC控制站，主控装置采用美国AB公司controllogix系列PLC,通过Modbus通信模块与组合开关控制系统、采煤机控制系统、液压支架控制系统等通信。PLC是采面监控系统与矿井自动化网络的连接桥梁，通过工业以太环网与地面生产调度指挥中心通信，以便及时掌握综采工作面监控系统的设备参数和运行状态。该控制站与顺槽胶带监控系统通信，实现顺槽胶带与综采工作面设备的闭锁 5-6 接人方式。配置工业以太网交换机，通过光纤连接至顺槽胶带机监控系统的工业以太网交换机，再通过顺槽胶带机监控系统的工业以太网交换机，接到矿井综合自动化系统的井下光纤工业以太环网上。采面监控系统网络接人连接情况如图1 所示。顺槽胶带监控系统工业以太网交换机图1 采面监控系统网络接入示意图3.1.2采面顺槽胶带监控系统在采面顺槽胶带机头设置PLC控制站。主控装置采用美国AB公司controllogix系列PLC。控制站配置通过Modbus通信模块与组合开关控制系统、KTC101系列胶带机控制及保护系统等进行信息交换。PLC通过井下光纤工业以太环网上传信息并接收下发控制指令，以实现顺槽胶带监控系统的远程监控。在矿井生产调度指挥中心可观察到顺槽胶带监控系统的各种参数和运行状态。控制站外壳采用隔爆控制箱，控制电源供电选用隔爆电源。PLC控制站与采面控制系统通信，实现顺槽胶带与综采工作面设备的闭锁。3.2主运输系统监控系统方案3.2.1大巷胶带机监控系统井下大巷胶带机采用CST驱动方式，监控系统选用天津华宁KTC101系列胶带机控制及保护系统一套，实现大巷胶带机运行控制、保护功能。在大巷胶带机头设置PLC控制站，通过Modbus通信模块与KTC101系列胶带机控制及保护系统、高压微机综合保护系统进行信息交换。控制站配置工业以太网模块，实现大巷胶带机监控系统信息上传功能，通过井下光纤工业以太环网上传信息和下发控制指令实现大巷胶带机监控系统远程监控。在矿井生产调度指挥中心可观察到大巷胶带机监控系统中的各种参数和运行状态，如图2 所示。井下光纤工业以太环网现场控制设备硬接线按钮、仪表等Modbus高压开关柜微机综合保护系统图2 大巷胶带机监控系统网络接入示意图3.2.2原煤仓上监控系统原煤仓上胶带机变频控制系统实现原煤仓上胶带机的软起软停控制功能，变频器控制系统接收控制指令，根据其自身编制程序控制胶带机主电机的软起软井下隔爆停。变频器控制系统预留Profibus-DP通信接口。工业以太网交换机TCP/IP隔爆控制箱Modbus采煤机控制系统工业以太网交换机TCP/IPPLC控制柜KTC101胶带机保护监控系统在原煤仓上配电室设置PLC控制站，通过Modbus通信模块实现与高压微机综合保护系统的信息交换，通过profibus-DP通信模块实现与变频器控制系统的信息交换。控制站还配置一定数量的I/O控制模块，液压支架“五泵三机”控制系统控制系统井下光纤工业以太环网DH+CST控制系统实现开关量、模拟量信息的采集。控制站配置工业以太网模块，实现原煤仓上监控系统信息上传。通过PLC控制站、井下工业以太网环网等进行监测、通信，使矿井生产调度指挥中心观察到原煤仓上监控系统的各种参数和运行状态。该系统配置工业以太网交换机，通过光纤连接至主立井提升监控系统的工业以太网交换机，再通过主立井提升监控系统的工业以太网交换机接人矿井工业以太环网。3.3井下排水监控系统井下中央主排水泵房有5台主排水泵（2 台工作、2台备用、1 台检修）、3 趟排水管路（2 趟工作、1 趟备用）。在井下主排水泵房设置PLC控制站，并与原有的KJF81井下测控分站采取过Modbus方式进行通信。PLC将设备运行参数、监控系统等通过井下光纤工业以太环网上传信息，接收控制指令以实现井下排水监控系统远程监控。监控系统可实现水泵起停控制；各水泵真空度检测、出水压力、管道流量、电机电流、轴承温度、阀门开关状态、水仓液位传感器等的信号监测。3.4矿井通风监控系统通风监控系统监控对象为回风立井通风机房内两35台通风机，一台工作，一台备用，主要用于在线监测风机运行参数；矿井通风系统环境工矿状态主要为风量、风道负压监测和电机和前后轴温度监测。在回风立井通风机房设一套KJZ-3型矿井主通风机性能在线监测监控与故障诊断系统。该系统配置相应的数字量输人输出模块和模拟量输入输出模块，实现信息的采集和实时控制。系统预留MODBUS通信接口与高压微机综合保护系统实时通信，完成高压微机综合保护系统信息上传，通信协议采用MODBUS协议。通过地面光纤工业以太环网上传信息和下发控制指令，实现回风立井通风机房监控系统的远程监控。在矿井生产调度指挥中心可观察到回风立井通风机房监控系统的各种参数和运行状态。3.5井下供电监控系统监控对象为井下主变电所、井下4 0 1 盘区变电所。选用一套KJ137煤矿电网（安全）测控系统。在地面生产调度指挥中心设井下供电监控系统控制主机，安装一套KJ137煤矿电网（安全）测控软件。井下主变电所、井下4 0 1 盘区变电所各设一台KJF81井下测控分站，每台矿用高压配电装置内装ZBT-11高开综合保护器，以实现变电所矿用高压配电装置的电度计量、过流、过载、短路、漏电等保护功能。KJF81井下测控分站提供工业以太网接口，通信协议采用TCP/IP协议，直接接人矿井综合自动化系统的井下光纤工业以太环网上，实现变电所的远程监控功能。ZBT-11高开综合保护器由配电装置厂家配套。4视频监控系统表1 矿井摄像点及摄像机配置表序号摄像机安装位置1401106综采工作面2401106综采工作面顺槽胶带机头3井下主变电所4井下中央主排水泵房井5下6789101234地5面6789矿井共设置2 3 台摄像机，其中地面办公区及工业场地的重要场所设置1 3 台，井下设置1 0 台低照度矿36用隔爆光纤摄像仪。摄像点配置见表1。井下摄像机全部采用一体化矿用光纤摄像仪，交流1 2 7 V供电，视频光信号输出，通过光纤直接将信号传输到信息中心。地面摄像机考虑传输距离和电气干扰等因素，传输距离在3 0 0 m范围内的采用同轴电缆，超过3 0 0 m的采用光纤传输。具体视频监控系统架构如图3 所示。图例一视频线-控制线一光缆硬盘录像机工业以太网交换机生产调度选煤厂指挥中心工业电视系统图3 视频监控系统架构5结语考虑到胡家河矿综合自动化系统的实际应用需求，充分利用井下已有的通信及监控设备,搭建传输平台、数据平台和监控平台，节省传输通道（光纤、通信设备等）等重复投资费用和维护费用。通过构建的综合自动化系统，可在地面实现井下设备运行情况、状态等的集中监测监控，实现井下生产系统数据的共享与报警联动，可在一定程度上减少井下工作人员数量，实现无人值守和定期巡检，改善工作环境，提高安全系数，保障人身安全。参考文献：数量（台）摄像机型号1KBA1121KBA1121KBA1121KBA112井下4 0 1 盘区变电所1大巷胶带机机头1井下胶轮车库1主立井装载间1副立井井底1人车等候室1原煤仓上1主立井提升机房1副立井提升机房1110/10kV变电所1通风机房1门卫1空压机站1工业广场4地磅房2矩阵切换器视频分配器光端机1温瑞恒，梁新民，李少辉，等.矿山一体化智能管控系统建设方案研究 J.中国矿山工程,2 0 2 2,51(0 6)：1 2-1 6.2曹浩浩，杨东，王杜垚.巴彦高勒煤矿皮带输送机智KBA112能调速系统研究 J.中国矿山工程,2 0 2 2,51（0 2）：8 8-9 4.KBA1123张晋瑜.煤矿综合自动化系统应用研究 J.中国石KBA112KBA112KBA112KBA112CC-210CC-210CC-210N6005CR/22CC-210N6005CR/22CC-210N6005CR/22N6005CR/22油和化工标准与质量,2 0 2 1,4 1(1 1）：7 5-7 6.4邓志超.煤矿井下供电综合自动化系统的设计应用J.机械研究与应用,2 0 2 0,3 3（0 4）：1 3 2-1 3 4.5樊亚辉.矿井综合自动化系统在煤矿中的建设与应用 J.河南科技,2 0 2 0(0 2)：7 1-7 3.6郑武平.OPC技术在煤矿综合自动化系统中的研究与应用 D.西安科技大学,2 0 1 8.作者简介：闵孟岗（1 9 8 5-），男，陕西渭南人，本科，机电工程师，研究方向：煤矿机电。