白龙山矿井自动化.docx
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白龙山矿井自动化
第2章综合自动化
2.1概述
煤矿综合自动化是生产管理自动化与生产过程自动化的统称，也就是用一套自动化系统实现生产管理与生产过程的全方位自动化。
就白龙山矿而言，生产管理自动化包括办公、计划、财务、地质、运销、设备、调度等生产管理部门的自动化；生产过程自动化包括矿井、地面生产系统、洗选厂及商品煤装车全部生产过程的自动化。
2.2综合自动化的设计原则
1：
遵循高起点、高技术、高质量、高效率、高效益的“五高”方针。
2：
技术先进、可靠性高、简单实用、注重实效；
3：
自动化系统寿命长、开放性好、便于操作、便于维护、便于升级；
4：
采用被实践所证明的先进的、可靠的、成熟的软件技术与硬件设备。
2.3综合自动化的组成
2.3.1矿井生产自动化系统
1：
皮带运输监控系统，监控范围：
两个综采面的顺槽皮带、上山皮带、主斜井皮带、以及三个连采掘进组的多条皮带群。
2：
矿井电力三遥系统：
监控范围：
井口场地10KV变电所、风井10KV变电所、五乐工业场地10KV变电所、C2煤井下中央变电所及C7＋8煤井下中央井下变电所。
（注：
转载点10KV变电所及选煤厂变电所的自动化，纳入选煤厂集控系统内）
3：
110KV变电所四遥系统。
4：
矿井扇风机监控系统。
5：
井下主排水泵监控系统。
6：
为综采、连采工作面供水的井下加压泵监控系统（暂无）。
7：
综采工作面监测系统。
8：
矿井工业电视系统。
9：
矿井安全监测系统。
10：
矿井自动化调度网。
2.3.2选煤厂集中控制系统
1：
主厂房集控系统：
该系统控制范围：
原煤入洗至产品仓（电厂煤仓与装车站煤仓）的生产过程；
2：
地面生产系统集控系统：
监控范围：
井口原煤缓冲仓下至主厂房原煤入料点的生产过程；
3：
商品煤装车集控系统。
2.3.3管理信息系统
管理信息系统是由：
办公、计划、财务、地质、调度、设备、通风安全、运销等子系统组成。
2.4生产自动化系统设计
自动化系统直接担负着矿井各生产系统的联络、三遥以及信息上传和共享的重任，是实现煤矿综合自动化和信息化的关键和纽带。
设计遵照安全、实用、可靠、先进、开放和全面的指导思想，选用先进的技术和设备来保证整个系统安全可靠正常地运行，提高运行管理和维护的水平，降低运行管理费用，减轻工作人员的劳动强度，提高各种信息的传输及分析能力。
2.4.1自动化网络设计
PLC在工业控制系统中得到了非常广泛的运用，一般在工业现场中，人们往往采用一种网络通信方式进行信息共享，这样的控制方式对于较小的系统而言不会发生任何问题；然而在某些复杂的系统中，由于系统的各个组成部分所实现的功能不同，尤其是各部分对时间、延迟、通讯量的需求不同，当仅使用一种网络时，常常会出现系统各部分无法完好协调的情况，即一种网络可能不能满足系统整体的控制需求。
因而，在一个系统中采用两种或多种的网络构造将可以解决一些工业现场的不同需求问题。
从上节中我们不难看出，白龙山矿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。
根据自动化调度监控系统各组成部分的不同需求，系统设计为多级异构网络结构：
层次
名称
网络类型
带宽
协议模式
1
信息层
EtherNet
100M
CSMA/CD
2
控制层
ControlNet
5M
Producer/consumer
3
设备层
DeviceNet
500K
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。
●自动化和控制层采用控制网、DH+网和第三方SFK网等通讯技术，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。
网络结构图见附图《白龙上矿综合自动化系统网络结构图》。
三级网络之间的互联互通将由带背板通讯功能的ControlLogix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。
2.4.2自动化系统构成
在三级网络中，信息层的网络构成和其实现的功能将在下小节中加以详细论述，本节只对所涉及的监控部分系统构成进行描述。
2.4.2.1自动化网络
根据监控分站的位置分散、距离远的特点，控制网络设计采用分系统且按生产关系和物理位置划分的逻辑多链路网络结构，将白龙山矿所有监控点从多链路接入矿调度室，形成白龙山矿矿井生产系统和地面生产系统。
设计ControlNet主干采用光纤传导模式，分为两段网络，一段通过62.5μm光缆连接包括调度室、井口变电所、C2煤中央变电所、C7+8煤中央变电所及水泵房和扇风机房监控系统，构成整个矿井控制层网络，其余如ZBK-X皮带监控系统用软件编程实现第三方通讯就近接入网络，皮带CST系统经DH+就近接入相应的变电所控制系统，实现网络扩展；另一段是地面生产控制网络，包括301、302和303皮带配电室监控系统、洗煤厂集中控制系统、两座装车站控制系统和五乐10KV变电所三遥系统；另外110KV变电所使用微机保护单元构成四遥系统，独立工作，通过以态网上连调度室。
具体连接参见附图《白龙山矿综合自动化系统网络结构图》。
调度室是全矿安全生产的监控指挥中心，所有的控制信息在这里汇总并由此发布。
设计根据控制网结构，设置4台监控主机，其中2台对应矿井生产系统，2台对应地面生产系统，分别经两段控制网连接ControlNet与EtherNet网关中的ControlNet接口模块，而EtherNet接口模块接入矿局域网交换机，两种接口模块间经由ControlLogix网关背板直接通讯，完成ControlNet和EtherNet的互联互通。
在EtherNet上设置一台报警机、一台系统服务器和多台通讯计算机，负责报警、打印、数据存储、信息服务及通讯服务。
监控软件平台采用RSView32，通过SCADAServer实时采集各系统的数据，即可在调度室实现操作控制；数据上传矿信息网后，可实现在办公终端监视生产过程，供决策部门和管理部门掌握生产最新动态。
所有独立单位均设有监控系统，设计考虑控制规模、网络连接和安装实施的实际情
况，选用ControlLogix系列处理器，各分站系统主控制器与各设备的智能采控模件如PM3000及FLEXI/O等以DeviceNet网络方式进行通讯，采集参数和状态并加以控制，实现分布式控制。
2.4.2.2皮带主运输监控系统：
皮带运输监控系统由每条皮带自动控制系统组成，本矿的皮带监控系统是由顺槽、上山及主斜井皮带的皮带机自动控制系统组成。
每条皮带自动控制系统又分为以下几个环节：
1：
智能型的高、低压配电启动设备控制
在高、低压柜内装有
⏹FLEXI/O（分布式远程I/O模块），完成设备的逻辑操作（如分、合闸等）状态参数监测（如分合闸状态，各保护设备动作情况等）；
⏹PM－3000电力监控模块完成各回路电参数（如电压、电流、有功、无功、CosΦ等）的检测。
FLEXI/O与PM－3000通过DeviceNet设备网与主控制机链接，构成皮带监控系统的第一个环节。
2：
皮带保护系统
它主要完成
⏹皮带机的跑偏、拉绳（急停）、堆煤、打滑、烟雾、温度、纵撕、喷雾等八种保护功能；
⏹皮带起车前的预警功能；
⏹沿皮带机的扩音电话；
⏹皮带自动张紧控制。
目前，国内用的比较好的皮带保护系统，主要有天津本布罗公司生产的PROMOS系统与常州联力公司生产的ZBK－II型系统，两者功能基本相同，均能满足皮带的保护要求，ZBK－II较PROMOS造价低，本设计采用ZBK—II系统。
皮带保护系统经RS－485与主控机链接，构成皮带监控系统的第二个环节。
3：
皮带机软启动系统：
对于大、中型皮带机，为了减少皮带的动张力，一般都采用皮带软启动装置。
目前，国内用的软启动装置有三种，即：
⏹限矩型液力偶合器：
多用于单电机、中、小型皮带。
⏹可调型液力偶合器：
多用于多电机、大型皮带机。
⏹CST软启动装置：
多用于多电机，大型皮带机。
实践证明，CST系统的功能、特性、可靠程度、远优于可调型液力偶合器装置，为确保皮带机高性能、可靠运行，本设计均按CST方式考虑。
CST主机通过DH＋网与主控制机链接，构成监控系统的第三个环节。
4：
监控主机
皮带机控制系统的主控机多选用PLC机。
PLC主机选用美国RockWell自动化公司出品的ControlLogix，它由电源模块、CPU模块、I/O模块以及下列功能模块组成：
⏹ControlNet通讯模块：
用于与工控主干网联网
⏹DeviceNet通讯模块：
用于与DeviceNet设备网联网
⏹PROSOFT.C可编程模块：
用于RS－485与皮带保护系统链接
⏹RTD热电阻模块：
用于电动机与主滚筒轴承温度检测
⏹模拟量模块：
用于模拟量数据采集
主机通过ControlNet模块与主干工控网联网，从而构成矿井自动化系统（网络）的一个节点，实现在矿调度室对各皮带机的监控。
皮带机监控系统框图如下图所示：
2.4.2.3电力三遥系统：
矿井电力三遥系统是由主井口10KV变电所，五乐工业场地10KV变电所、C2煤井下中央变电所、C7＋8煤井下中央变电所共四座变电所三遥系统组成。
而风机10KV变电所与矿井扇风机监控系统合并为一套扇风机监控系统。
变电所三遥系统是由主控制机（即PLC）及智能型高、低压配电柜组成，主控制机选用ControlLogix，三遥系统框图为下图所示：
需要说明的是：
1）地面变电所在主机柜上，装智能型操作人员终端P.V，以便于巡检人员操作。
井下变电所不装操作员终端。
2）井上下高低压配电柜均需装PM－3000与FLEXI/O。
将一般型高、低压柜改造为智能柜。
3）井下用智能型高、低配电柜，只有无锡军工电器厂（高压）与常州联力电器厂（低压）生产。
4）井下中央变电所增加两块1756－DNB通讯模块以便链接掘进皮带控制系统
2.4.2.4井下水泵三遥
水泵三遥系统，由高、低配电设备、主控机、电动闸阀、电磁阀、灌水装置以及真空、压力、流量、水位等传感器组成。
1）高、低配电设备与电力三遥相同
2）主控机选用ControlLogixPLC机
3）电动闸阀，根据神东公司各矿自动化经验，国产电动闸阀故障率高，寿命短，维护量大不好用。
本设计选用配有奥玛电动执行机构的法国产电动阀板闸。
4）电磁阀及各种传感器选用D＋H公司生产的产品。
5）灌水装置：
灌水装置主要两种形式：
A：
射流灌水方式多用于清水泵房。
B：
真空泵灌水，可用于污水场合，鉴于矿井主排水泵，均为污水，故本设计采用真空泵灌水方式。
井下水泵三遥系统方框图，及水泵自动元件配置，如下图所示：
2.4.2.5扇风机三遥
扇风机三遥系统由高、低配电系统、主控机、风门绞车控制装置、电机与电机轴温检测装置及负压、风量检测等环节组成：
1）高、低配电与其他系统一样。
2）风门绞车控制主要是风门位置控制监测，选用欧姆隆生产的接近开关完成检测功能。
3）电机与轴温检测，选用铂电阻与RTD模块实现。
4）风量检测，选用矿大研制的风机参数巡检仪，负压检测选用D＋H公司生产的负压传感器
5）主控机选用ControlLogixPLC。
2.4.2.6安全监测及工业电视系统
1、安全监测系统：
安全生产监测系统，国产生产厂家很多，其功能及可靠性也相差不多，本设计选用KJ95系统，KJ95系统完成井下生产环境监测与连采工作面、连采设备运转状态。
按煤矿安全规程要求，结合本矿实际情况，配置主站一台，分站9台，CO、CH4、风速、温度等各种传感器以及风门瓦斯闭锁装置等。
2、矿井工业电视系统
国内生产矿用工业电视的厂家很多，本设计不确定厂家，只说系统配置原则：
⏹在调度室配8台43寸背投显示器。
⏹井下配本安一体化固定式黑白摄像头，地面配带云台彩色摄像机。
⏹传输缆线：
井下全部选用光缆，地面距调度室500M以内同轴电缆，超过500M者，选用光纤。
摄像配置原则：
a：
除掘进皮带外，其他皮带机头均配一台。
b：
综采面下端及配电点各配一台。
c：
扇风与主排水泵房各配一台。
d：
地面工业场地与储煤厂各配一台。
安全监测与工业电视主机与综合自动化系统的以太网联接构成综合自动化的一部分。
2.4.2.7综采工作面监测系统
本矿井有两个综采面，其设备均为引进产品。
综采工作面控制系统为配套引进，环境恶劣，控制信息和数据格式较为复杂，且通讯协议不开放，故设计采用信息直接上传调度室，在信息层将数据汇入调度系统的方案，即由综采设备成套方将信息通过独立信道上传信息层（即以太网）的计算机，并提供相应的可共享数据，在信息层通过TCP/IP协议，将数据归入调度系统之中。
实现综采工作面控制系统的联网。
该系统上位机与综合自动化系统的以太网联网构成综合自动化的一个环节。
2.4.2.8洗煤厂集中控制系统
目前国内洗煤厂一般均采用工程总承包方式进行，洗煤厂集中控制系统和工艺及设备布置有密不可分的联系，应在总承包范围之内，由总承包商完成，这里不再赘述。
2.4.2.9快速装车系统
白龙山矿初期年产800万吨，后期扩大到1600万吨。
产量高、外运量大，采用一般的装车方式完不成装车外运任务。
因此建议选用快速装车站，以确保矿井的正常生产。
1、概述
一座快速装车站由钢结构塔架、缓冲仓、定量仓、装车溜槽、液压系统、称重系统、配电系统及自动控制系统等八部分组成。
2000年以前，国内全套引进多个快速装车站，应用比较成功。
但是造价高、施工周期长。
2001年西安华光公司与神东煤炭公司共同研制国产快速装车站成功。
到目前为止已建成四座国产快速装车站，运行情况良好，各项技术指标及可靠性均达到了世界先进水平。
国产装车站造价比引进的减少1/2，建设周期也缩小一半。
鉴于上述情况，本矿快速装车站选用塔架式国产快速装车站。
2、快速装车站的组成
1）钢塔架：
全部为钢结构，内装缓冲仓、定量仓、控制室。
缓冲仓与定量仓闸门等装置全部为钢结构。
2）变配电系统：
一台6/0.4KV、250KVA变压器，3－4台抽屉式低压配电柜，承担装车站所有动力、控制及照明用电。
3）液压系统：
装车站的缓冲仓闸门、定量仓闸门及装车溜槽等均采用液压动力源，因此液压系统是动力源的核心。
为确保系统的正常运行，液压系统的关键部件如油泵、电磁阀、电液阀均选用国外产品。
4）自动控制系统：
自动控制系统的核心设备是PLC控制器。
国产快速装车站PLC控制器选用先进可靠的美国AB公司生产的PLC－5/40E型PLC。
另外配有上位工控机、报警机、打印机等设备。
5）称重设备：
称重系统由缓冲仓称重设备与定量仓称重装置两部分构成。
为确保装车精度,选用RamSey公司生产的称重传感器与控制器。
3、快速装车站的综合技术指标
⏹可装火车车皮型号：
C64、C63、C62、C61车皮。
⏹装车速度：
单节装车45秒/节、整列车45分钟/60节。
⏹装车精度：
≤0.2％。
⏹液压系统正常工作压力：
12－15MPa，最大压力32MPa。
4、自动控制系统
⏹主控机选择：
主控机选择AB公司的PLC－5/40E，配有电源、CPU、开关量输入、开关量输出、模拟量及远程等模块。
⏹上位机选择：
上位机选用工业控制计算机。
报警机选用商用PC机及激光打印机等。
自控系统主要功能：
⏹完成装车过程的程序控制。
⏹具有程序控制、集中单机控制及就地检修控制三种控制方式。
⏹检测缓冲仓与定量仓阀门、装车溜槽、油泵、冷却风机、循环泵以及配电设备的运行状态。
⏹检测液压、配电、称重系统的运行参数。
⏹故障报警。
⏹自动打印：
故障打印、报表打印等
PLC配置图如下图所示。
2.4.3生产自动化系统功能与特点
生产自动化系统设计为实时监控网络结构，具备有完善的生产监控管理功能，对全矿各主要生产环节及相关的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、皮带运输系统、井下变电所、排水系统和扇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像监视，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。
2.4.3.1系统功能
实时运行参数监测
各监控系统实时采集生产工况参数，可以采用图形、报表的形式显示系统的实时工况及目前产量、仓储等。
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。
历史数据查询
以上生产实时监测数据均可存贮于生产实时数据历史数据库中，可实现历史回显、历史趋势分析，及直方图、饼图等进行综合分析。
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。
生产实时画面监测
工业电视信号可接入监测终端，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，并可通过网络上传神东公司及集团公司。
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。
系统功能可归纳为：
Ø数据采集和过程控制
Ø顺序控制
Ø报警事件处理和操作记录
Ø实时过程数据，图形或数据方式显示
Ø过程变量趋势显示
Ø历史数据查询
Ø生产过程模型图及动态数据更新
Ø维护管理
Ø数据库管理
Ø报表处理
Ø结合信息系统综合历史数据库，优化生产计划
2.4.3.2系统特点
自动化系统是企业信息化与工业化的桥梁和纽带，而矿井自动化又是一项比较复杂的工程，系统构成必须是多级复合网络结构才能满足自动化本身的要求，进而发挥桥梁和纽带的作用。
因而，系统核心之处就在于通过网络结构和应用软件实现在工业化上的扩展和各级网络之间信息的互联互通。
集成化多级网络结构：
在信息层采用Ethernet，通过TCP/IP协议，将可编程控制器、网关、人机接口和控制软件，连接至企业的信息系统；在自动化系统和控制层，采用ControlNet、DH+、RI/O等，实现实时I/O控制、闭锁和报文传送，保证了控制信息的实时性和确定性；在设备层，采用具有DeviceNet接口的设备，降低成本、减少布线、方便安装，并可实现快速故障诊断。
先进的网络技术：
采用先进的生产者/客户模型技术，以获得最佳的性能和最大的灵活性；生产者/客户模型技术，支持输入数据的多信道广播和对等通信数据的多信道广播，使控制数据同时到达操作的每一单元，更有效地利用网络的频带宽度；支持状态切换的报文发送，显著减少网络通信量，以作出更快的响应；周期性的报文发送，提供更好的确定性。
先进的控制网络：
采用ControNet技术，支持生产者/客户模型，数据发送具有确定性和可重复性，具有5Mbps的传输速率，结构灵活，支持冗余结构。
低成本的设备网络：
采用DeviceNet技术，支持生产者/客户模型，将低层设备直接和控制器相连，降低成本、减少布线、方便安装，同时“智能”设备可提供诊断，预测故障，减少系统停机时间。
无缝网络贯通：
采用ControlLogix作为网关，利用生产者/客户模型技术，实现高性能的确定性数据传送；同时通过ControlLogix的无源数据总线背板，在RS232、DeviceNet、ControlNet、DH+、Ethernet之间组态网关来桥接和传送控制数据和信息数据，消除了通讯瓶颈；同时可按需实现不同通讯模块的任意组合，便于系统扩充。
优异的扩展能力：
采用基于控制系统的通讯组件，完成控制层的第三方系统接入，扩大了系统的容纳能力，扩展了系统控制范围。
完善的异型数据库连接：
采用RSSql，在关系数据库系统（RDBMS）和控制系统之间建立处理联系，实现企业信息系统与工业控制现场的无缝连接。
广阔的信息发布：
采用RSPortal和RSSnapshot，通过TCP/IP网络，在“企业范围”内的Intranet或“全球范围”内的Internet，将现场信息（包括控制的动态实时数据和PLC中的控制逻辑）有效、快速、安全地传输到客户计算机，客户通过Web浏览器就可察看这些信息，实现了远程监视、故障排除和信息分布。
2.5管理信息系统
2.5.1网络结构
网络主干采用千兆以太网加多层交换技术，根据系统规模、信息流量及地理位置，在矿信息中心设置一核心交换机，支持多层交换、IP路由、先进的服务质量（QoS）和安全性，为不同地点之间的大量的数据传输提供可靠、快捷、优化的途径，并且实现安全、通信加载和路由选择的策略。
在信息中心另设置一台千兆交换机，连接服务器等，带宽为千兆；设置一台路由器，通过专线接入国际互联网。
在办公楼、洗煤厂和变电站等地设置接入交换机，为最终用户提供访问网络资源的途径。
2.5.2网络安全系统
在企业内网和互联网之间设置一个防火墙，来控制对关键网络应用、数据和业务的接入，防止外部网络（例如公共互联网）上的非授权用户访问企业内部网络，从而保证只有合法用户和信息才能通过网络。
建立入侵检测系统，以提供实时的入侵检测及采取相应的防护手段，如记录证据用于跟踪和恢复、断开网络连接等。
入侵检测系统包括基于主机的入侵检测系统和基于网络的入侵检测系统，基于主机的入侵检测系统用于保护关键应用的服务器，实时监视可疑的连接、系统日志检查，非法访问的闯入等，并且提供对典型应用的监视；基于网络的入侵检测系统将检测器安装在网络的重要位置，用于网络监视，实时分析网络流量，通过基于广泛和内置特征库检查异常和误用行为。
建立先进企业级病毒防护和监控系统，采用集中管理和强制策略，为企业范围内的工作站和网络服务器提供全面的病毒防护，并可实现病毒定义和产品更新的自动升级和集中分发。
2.5.3企业服务器
系统设置DHCP/DNS服务器、系统安全服务器、财务服务器、办公自动化服务器、EAM服务器、动态监测服务器、MIS系统服务器。
在系统中，采用DHCP技术管理客户端的IP地址，以减轻网络管理的压力。
系统安全服务器上安装入侵检测系统软件和防病毒软件。
财务服务器、办公自动化服务器、EAM服务器安装相应的系统软件和应用软件。
动态监测服务器，负责将全厂的生产动态信息发送给经过授权的合法用户，包括领导和相关业务科室，便于指挥生产。
同时，存储生产中的历史数据。
数据采取集中方式进行管理。
所有的数据，除财务以外，包括设备、材料、文档、生产信息等，都集中存放在存储服务器上。
2.5.4应用软件
2.5.4.1办公自动化系统
办公自动化系统包括公文处理、收发文处理、表单处理、业务流程处理、档案管理、分布式数据／信息发布、信息交流、日常办公与远程办公等模块，并与其他应用软件紧密结合，从其他系统中采集数据进行统计和汇总，为决策支持提供有效的数据基础。
2.5.4.2MIS系统
管理信息系统包含安全监测、生产调度、人事劳资、
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