泉店煤矿全矿井综合自动化系统.docx
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泉店煤矿全矿井综合自动化系统
泉店煤矿全矿井综合自动化系统
初步方案
设计：
任中琦
日期：
2007-11
目录
1概述2
1.1系统概述2
1.2系统要求2
1.3总体设计思路3
2综合自动化平台设计4
2.1系统功能4
2.2系统性能4
2.3系统内容5
2.4工业以太网络设计。
5
2.5传输光缆6
2.6网络交换机7
2.7控制环与终端环的连接8
2.8网络安全8
2.8.1工业以太环网与矿管理信息网连接8
2.8.2计算机病毒防杀系统9
3软件集成平台之人机界面9
3.1集成平台9
3.2平台硬件部分构成10
3.3软件部分12
3.3.1操作系统12
3.3.2组态软件13
3.3.3软件功能13
4典型子系统介绍15
4.1变电站自动化系统15
4.2水泵自动化系统17
4.3主扇风机自动化18
4.4大屏及工业电视19
4.5主、副井提升系统20
5对系统设计的若干建议20
1概述
1.1系统概述
随着煤矿安全生产新技术的不断推广应用和管理水平的不断提高，矿井安全生产综合监控已经不只是考虑加快生产过程中某一环节的速度和效率，而是将整个生产过程作为一个整体来考虑，形成全生产过程的综合监控。
泉店煤矿采用工业以太网＋现场总线体系结构整个系统的综合信息化数字化传输平台，依此为基础在该平台上将已经投入运行的矿灯信息管理系统、降压站监控系统、主副井提升机监控系统和以后将要建设的井下安全监测系统、矿井通信系统，调度中心DLP显示系统、人员实时动态跟踪定位监测系统、井上下重要岗位视频监控系统、矿井办公自动考勤系统、网络视频会议系统、井下防爆移动通信（小灵通）、大巷运输信集闭系统、选煤厂计算机控制系统、主通风机监控系统、压风机监控系统、中央泵房监控系统、地面地磅监控系统等与泉店矿的局域网管理信息系统进行无缝链接及集成，作为一个整体进行监控与管理，使矿井在“采、掘、运、风、水、电、安全”等生产环节全面实现信息化，实时掌握全矿井安全、生产、人员、经营等所有方面的信息，形成统一、完整的有机整体，以实现企业的优化运行、优化控制与优化管理，建立起全矿井综合自动化集中监测监控管理系统。
1.2系统要求
建设统一的监测监控综合集成平台，将矿井的各监控子系统集成、汇聚到综合自动化控制网络平台，充分考虑子系统的接入与整合，节省投资、资源共享，提高系统功能，并与矿信息管理网实现无缝联接，从而为信息化矿井建设奠定坚实的技术基础。
系统建成后，使各自动化子系统数据在异构条件下可进行有效集成和有机整合，实现关联业务数据的综合分析及生产状态的实时评估。
系统建成后，集控中心人员或相关专业部门人员通过相应的权限对安全和生产的主要环节设备实时监测和控制，实现全矿井的数据采集、生产调度、决策指挥的信息化，为矿井预防和处理各类突发事故和自然灾害提供有效手段。
总之：
系统运行后，设备稳定，传输可靠，系统安全，达到监、管、控一体化及减员增效的目的，建成本质安全型的数字化矿井。
1.3总体设计思路
Ø以千兆光纤以太环网为整个综合自动化系统的信息传输平台，利用进口千兆交换机为核心部件。
可根据子系统的接入量和分布情况，可设立井上和井下各一个环网，两个环网之间利用核心交换机相连。
Ø建立高度信息化自动化的调度指挥中心，设置大型服务器和数据库，负责采集各子系统的信息，并远程控制相关子系统。
Ø在调度指挥中心设置工业视频监控中心，利用网络摄像机直接接入工业以太环网，并利用智能仿真软件实现全矿井重要场合的人员、设备、环境等的联合安防。
并设计各种报警、预警、灾害的处理预案。
Ø在调度室设置大屏幕显示终端，可采用DLP技术或其他更先进的大屏显示技术。
Ø整个综合自动化系统将实现各相关子系统的智能联动、信息闭锁、联合控制等。
并能与全矿或全集团的信息网络安全连接，系统内的客户将可利用手机、PDA、客户机电脑访问综合自动化的信息也可主动接受重要信息。
Ø所有子系统接入综合自动化的方式为：
直接接入、OPCServer接入、协议转换接入。
2综合自动化平台设计
2.1系统功能
全矿井综合自动化系统平台由网络传输和软件集成平台两部分组成，具体系统要求及基本功能如下：
Ø在物理上和逻辑上充分考虑硬件和软件冗余，确保网络的安全。
Ø当某子系统的通讯或元器件出现故障时，不影响整个网络传输性能。
Ø硬件设备选型须符合国家和行业标准。
下井设备应取得"MA"认证。
Ø井下设备须考虑防爆、防尘、抗高温潮湿和电磁干扰等要求。
地面设备考虑防雷和抗电磁等干扰。
Ø集控中心能实时、准确的采集到子系统的工况及环境参数，并以图表的形式表现出来，实现监测与控制。
Ø通过VLAN划分及网络优化等技术，保证工况及环境参数的实时传输。
Ø系统可靠、稳定性强，界面友好，操作简单，维护方便。
Ø考虑先进性、安全性、可靠性、实用性和兼容性，做到系统可靠运行、易扩展、升级，易与异构子网互连。
Ø实时显示监测点的状态与数据。
Ø设备故障或监测量超限时，专业子系统与集控平台同步显示故障设备名称、报警点及数值，并将故障报警信息存入数据库，供统计分析。
Ø系统实现信息高度集成（自动化、管理信息、视频集成）。
Ø建立综合历史数据库，实时写入数据，为统计分析提供依据。
Ø实现各子系统间的关联分析、联控功能。
Ø考虑系统的网络安全、应用安全、数据安全及供电安全。
2.2系统性能
●千兆高速工业以太网环网：
1000Mbps
●网络响应时间<20ms
●冗余环网技术，故障恢复时间<300ms
●采集周期每秒5000个I/O点
●1秒钟数据归档能力>=10000个点
●组态显示具有1000个I/O域的画面<=1秒
●可采集64K=65536个I/O点，通过扩展最多支持12*64K=786432个I/O点
●历史数据归档能力可升级，最高可从512个点升级到80000个点
2.3系统内容
2.4工业以太网络设计。
采用单环型结构组建泉店煤矿工业控制以太网，包括地面工业以太网和井下工业以太网两个环网，地面工业部分和井下部分共用两台核心交换机。
全网共配5台1000M工业以太网交换机，其中：
核心1000M交换机若干台，地面骨干1000M兆交换机若干台，井下矿用防爆1000M交换机。
在控制室内，通过2台冗余的采集服务器和2台普通交换机组建终端环网，各操作员工作站、工程师站与终端环网相联。
控制网通过WEB服务器、防火墙与办公网相联。
控制网配网管系统。
2.5传输光缆
光缆要求：
Ø光缆均采用单模，均符合标准，使用寿命≥25年
Ø地面主干采用16芯铠装光纤GYTS
Ø井下主干采用24芯阻燃铠装光纤MGTJS（MA认证）
2.6网络交换机
网络交换机分为：
核心交换机、骨干交换机和分支交换机：
采用西门子SCALANCEX－400模块化千兆工业以太网交换机，该交换机已有隔爆兼本安的型号。
●核心交换机主要特点：
Ø能够形成双环，地面一个环，井下一个环。
●骨干交换机主要特点：
Ø模块化：
提供模块化的设计，可灵活选择交换机的端口数量，最多可提供26个端口
Ø1000Mbit/s通讯速率：
随着三网合一（控制网、视频网、音频网）技术的不断普及，控制层的骨干网络已经进入千兆以太网时代
ØVLAN技术：
使用虚拟局域网技术，划分独立子网，可降低网络负荷，确保网络安全及提高通讯速率
Ø快速冗余环：
网络重构时间小于300ms
Ø网管及故障诊断：
支持SNMP协议，可实现远程实时在线故障诊断
Ø流量限制：
支持流量限制功能，防止广播风暴
Ø其他特性：
冗余24V供电、多播过滤功能（IGMP）、C-Plug备份参数，模块可热插拔等；24V电源模块输入电压127V（井下）或220V（地面）
Ø通过优先级划分，支持PROFINET实时通讯（RT）
Ø备用电源4小时
Ø电源实时监测
Ø事件统计、报警
Ø端口配置控制
ØIP地址分配
Ø支持多信号接入：
CAN、RS485、2M
Ø本安型1000M交换机，结构轻便
Ø本安型1000M交换机，结构轻便（一体机）
●光模块（单模）：
Ø百兆光纤模块最远距离可达到26KM
Ø千兆光纤模块最远距离可达到10KM
2.7控制环与终端环的连接
在终端环的服务器与控制环的核心交换机之间设置2个安全模块，该安全模块采用CISCO的ASA5505具有以下安全特性：
Ø在终端环和控制环之间实现安全的冗余连接
Ø防护从子系统终端向控制网发出的攻击行为
Ø防护从控制端向子系统终端网发出的攻击行为，实现双向保护
2.8网络安全
2.8.1工业以太环网与矿管理信息网连接
由于工业以太网和矿管理信息网需要联网，为保证工业以太网的安全，防止非法用户的登录、计算机病毒的侵入及传播，采用千兆防火墙与局域网相连，工业以太网的信息只能单向由WEB服务器向管理网发送，管理人员通过矿信息管理网上的PC终端，用IE浏览器访问工业以太网的Web服务器（满足50客户端并发访问）。
该防火墙拟采用CISCO的ASA5500系列防火墙。
防火墙特点：
1.软硬件一体的架构,千兆硬件ASICIPSECVPN防火墙,不限用户数。
2.端口要求：
标配具备>=4个物理以太网口，在每个物理网口上可配置地址别名子接口，在每个物理网口上可配置VLAN逻辑子接口支持配置至少32个VLAN逻辑子接口，端口配置灵活，可自行调配接口顺序。
3.可基于安全域设置访问控制策略，可根据网络安全等级自定制安全域多个物理接口和逻辑子接口。
防火墙支持所有接口可以同时工作在透明模式下并且处于同一个桥内，可以任意划分成多个（多路）独立的桥，每个独立的桥内含有两个或多个接口。
入侵防范（IPS）和网络防毒
有,通过AIP-SSM实现
IPSec和WebVPN服务
有
VPN集群/负载平衡
有
路由方式
专用带外（OOB）管理端口
2.8.2计算机病毒防杀系统
在工业以太网布置采用网络版计算机防杀系统，拟采用诺顿专业防火墙。
防止计算机病毒的侵入及扩散，要用户数100个（PC、服务器）并能安全在线升级。
（如果不能做到安全升级，可不考虑该系统）
3软件集成平台之人机界面
3.1集成平台
调度集成平台建设是矿井综合自动化系统集成的核心内容，该平台采用Wonderware的InTouch软件，搭建统一的软件监控平台。
在此平台上通过人机界面（HMI）可实时监测子系统设备工况，并可对各子系统的I/O进行控制。
同时，通过存储的历史数据，可对各子系统的设备状况进行分析、查询、统计。
3.2平台硬件部分构成
由采集冗余服务器、归档冗余服务器、Web浏览服务器、网络安全服务器、工程师站、安全设备等组成。
工程师站、操作员站随着各应用系统的实施逐步配备。
所有服务器拟采用HP公司的产品。
1.采集服务器（冗余配置）
Ø2套机架式服务器，2个XeonMP3.66G（1MCache）,2GB内存,2*73GB硬盘,2*1000M,RAID卡,冗余电源；
Ø每台服务器安装1块支持实时通讯的工业以太网卡，分别连接监控中心的1#和2#交换机，通过驱动软件实现这两块网卡的绑定，当其中一块网卡故障，另一块网卡可自动接替工作，该卡支持ProfiNet协议；
ØWindows2003Sever标准版操作系统；
ØServer软件用于建立客户机/服务器系统；
Ø至少支持64K个I/O点的软件；
Ø两台服务器之间采用Redundancy软件冗余；
Ø服务器的数据采集周期为每秒大于5000个点。
2.中央归档服务器（冗余配置）
Ø2套机架式服务器，2个XeonMP3.66G（1MCache）,2GB内存,5*73GB硬盘,2*1000M,RAID卡,冗余电源；
ØWindows2003Sever标准版操作系统；
Ø用于获得运行时授权的软件；
ØServer软件用于建立客户机/服务器系统；
Ø两台服务器之间采用Redundancy软件冗余；
Ø历史数据服务器归档变量升级包；
Ø1秒种能归档10000个点以上。
3.Web浏览服务器
Ø1套机架式服务器，2个XeonMP3.１6G（1MCache）,４GB内存,2*73G,2*1000M,冗余电源
ØWindows2003Sever标准版操作系统
Ø用于获得运行时授权的软件
ØWeb服务器软件,用于Web的的操作和监视，10个client授权，通过开发可以支持50个客户（可读可写）
Ø用于过程可视化和数据分析的报表软件，3个client授权，通过开发可以支持50个客户
Ø卡巴斯基防病毒软件服务器版
4.工程师站
Ø1套工控机,双核3.4G/945G主板/1G/160G/RAMBO/128M独立显卡/PCIE插槽/1000M/XP-P
Ø采用21"液晶显示器
Ø采用延长线把主机安装在设备间，仅把显示器、鼠标、键盘安装在监控中心的调度台上
Øwindows2000professional中文版操作系统
Ø用于获得完整的授权的软件
Ø网络管理软件，采用中文界面
5.服务器机柜
Ø标准19英寸，600mm宽，42U高，1070mm深度，全开孔前后门,圆孔,良好的通风性能64%开孔，双开后门,方便设备安装及维护，前后门均可快速拆卸均带门锁，可多台并柜使用,每组两个侧板，侧板可快速拆卸含4个重载脚轮含4个调平支腿，双侧侧板均带锁,与门锁采用同一钥匙，专用布线通道，提供高效、方便的布线功能，专用配电通道,可直接挂接无工具安装PDU，12个进线口,方便进线\布线，静态承重909公斤,黑色。
Ø２个机架式PDU：
基本型机架式PDU,1U,16A,208&230V,含12个C13输出插座,输入为IEC320C20插座,含C19-C20输入线缆。
ØKVM：
8口多平台KVM切换器
ØLCD：
17英寸液晶显示器、键盘、鼠标套件
3.3软件部分
综合自动化系统集成平台软件是一套综合监控软件系统，在综合监控管理上真正实现了系统的高度集成。
系统基于高性能的Windows2000/2003操作系统设计。
系统的所有组件完全集成为一体，采用了先进的组态技术。
系统软件采用前沿开放性技术，如Windows2000/2003，ODBC，DDE，VB和过程控制的OPC等，为用户提供经济的，使用方便，功能完善的系统。
将混合控制器的控制功能与广泛的监控功能有效地优化组合在一起，系统能够在完全集成的系统环境中提供最简便的操作和工程组态。
系统结构保证用户能完全透明地访问混合控制器数据库。
可集成Rockwell、Honeywell、AB、西门子、GE、三菱等其它产品和大量第三方设备，以保护用户已经在控制方面的投资并完成过程信息的集成。
操作员，过程工程师和企业级计算机用户都可使用这些集成的过程信息。
系统的人机界面（HMI）采用最流行的界面组态技术，将所有的人机界面，应用数据和商务数据完整地集成在基于WEB的体系结构中，使用HTML作为用户显示画面格式，无需通过麻烦的程序插件，用户可通过安全的操作员站环境或Microsoft的IE浏览器来显示和操控过程显示画面。
用户完全可以根据自身的知识特长，灵活运用系统的各种显示画面。
使用开放的，工业标准文件格式大大减少了工程所需的时间。
所有这些给用户带来的好处是确保系统的安全访问，坚固的系统结构，和更高的性能。
操作员站的人机界面通过先进的，基于面向对象的图形，为用户提供功能强大的操作界面。
由于采用工业标准的系统组件，如微软的Windows2000操作系统、太网络、HTML和互连网浏览器技术IE等用户熟悉的操作环境，用户只需经过简单的培训就可上机操作
3.3.1操作系统
操作系统采用Windows操作系统。
WindowsNT/2000：
是一32位的网络操作系统，主要用于工作站和工程师站。
WindowsServer2003提供了部署WEB和应用服务器的平台，主要应用于采集服务器、中央归档服务器、WEB服务器等。
3.3.2组态软件
Wonderware蜚声世界、曾获得多次奖项的InTouchHMI软件，可用于可视化和工业过程控制，它提供了无比的易用性和易于配置的图形。
通过使用其强大的向导，新的Wonderware智能符号使用户可以快速创建并部署自定义的应用程序，连接并传递实时信息。
其灵活的架构可以确保InTouch应用程序满足客户目前的需求，并可根据将来的需求进行扩展，同时还能保留原来的工程投资和成果。
这些通用的InTouch应用程序可以从移动设备、瘦客户端、计算机节点、甚至通过Internet进行访问。
此外，InTouchHMI具备相当的开放性和可扩展形，提供了无与伦比的连接功能，可以同行业内的各种自动化设备相连接，适用范围最为广泛。
3.3.3软件功能
Ø为不同级别的管理员分配权限，设有多级口令保护，只有授权人员才能登录操作，支持至少3级管理员划分。
软件运行可靠性高。
误操作时有声音、对话框提示。
Ø监控主机、网络终端、图形工作站全面预装WINDOWS98/NT/2000/XP操作系统和最新版的监控软件、图形监控软件、报表处理软件及终端软件。
Ø操作采用全汉字菜单及窗口提示。
配有（智能）全拼、双拼、五笔及区位码等多种汉字输入方法，全面遵循WINDOWS窗口风格。
鼠标操作，通用性好，可操作性强。
Ø监测图页静态和动态编辑作图对用户开放，支持多种图形格式，鼠标和键盘均可操作。
全面支持实时多任务。
在系统进行实时数据采集的同时，系统可进行记录、显示、分析运算、超限报警控制、查询、编辑、动态定义、网络通信、绘制图形和曲线并打印实时报表、超限报表和班、日、月报表等工作。
Ø屏幕显示为页面式，图形文本兼容，每页显示的信息由用户自行定义编制，直至屏幕显示满为止，显示页可随意调出。
在监测显示画面中，可对数值、转动、位移、断电状态、馈电状态、设备开停状态、风门开关状态、报警信息、往返、仓位、流量、电量等根据监测量实现功能强大的模拟动画显示。
Ø综合自动化系统中心站及网络终端以局域网方式联网运行，使网上所有终端在使用权限范围内都能共享监测信息和系统综合分析信息、查询各类数据报表，网络通信协议支持TCP/IP、NETBUI等。
Ø监控软件提供有控制软件包，控制逻辑可由用户设置编排。
具有井下任一分站的测点超限而由另一台分站控制断电的异地交叉断电功能。
具有传感器就地、分站程控、中心站手控三级断电能力，并具有风、电、瓦斯闭锁功能。
在紧急情况下，系统操作人员可在地面中心站向井下分站直接发送控制命令，从而控制井下电器设备的断电或声光报警。
Ø对采集到的数据进行实时分析处理，以数值、曲线、柱图等多种形式进行屏幕查询显示和打印，并形成相应的历史统计数据（每个模拟量测点的最大值、最小值、平均值；每个模拟量测点24小时内的最大值、最小值、平均值及确切时间；每个模拟量测点超限或故障的时间及次数累计值；每个开关量测点24小时内的开停及故障累计次数和累计时间），系统采用变值变态存储技术，可存储十年以上的历史数据，供有关人员随时查阅和打印。
Ø系统具有很强的自检诊断功能，能及时发现系统自身配置设备事故，并在屏幕上以文本或图形方式直观显示，同时发出报警，并指出故障位置和原因。
还能在屏幕实时弹出信息窗，供维护人员查询打印，并将其记入运行报告文件。
可查询非正常状态的开始时间及持续时间。
具有人机对话功能：
通过主控软件修改井下分站号、设定断电参数、设定报警参数等。
Ø提供有采样间隔最少1秒的数据实时密采功能，并且实时密采数据可每天连续存储，至少存储1年的实时数据。
Ø对各分站监测点的瓦斯浓度或其它模拟量参数每天形成班、日报表，并形成瓦斯浓度及其它模拟量参数的分析趋势图，可随时查询打印；开关量每天形成班、日报表。
Ø联机定义或修改系统中的各种传感器、分站及控制器的类型、安装位置及控制通道。
对模拟量传感器的上下限报警、断电值可多级别定义。
系统配置灵活，允许用户随时接入或删除分站、传感器、断电器。
Ø表格丰富，格式可由用户任意编排，或由矿方提供具体报表格式，以满足各监测管理数据报表的形成输出。
Ø组态方式灵活，监控主机对分站采用主从队列两种扫描方式，操作员按照需要对各分站安排不同的采样周期，实现对重点分站加以监控。
Ø监控软件具有很强的作图能力，并提供有相应的图形库，操作员可在不间断监测的同时，容易地实现联机并完成图形编辑、绘制和修改。
Ø在实时监视画面，可对屏幕任意显示测点单击鼠标右键，弹出快捷菜单，快速的查询该点的数据、曲线、定义、运行状况等信息。
Ø查询可同时显示六个测点的曲线并可通过游标获取相应的数值及时间，显示曲线可进行横向或纵向放大。
查询时间段可任意设定（最小一个小时，最大一个月）。
同时提供有对曲线的分析、注释文字编辑框。
Ø断电控制具有回控指令比较，可确保可靠断电，当监测到馈电状态与系统发出的断电指令不符时能够实现报警和记录。
4典型子系统介绍
4.1变电站自动化系统
矿井供电集中控制系统是针对煤矿企业地面和井下供电系统的特点,精心设计的远程分布式监测监控系统。
通过规范协议、指令校核、闭锁、故障诊断等措施确保控制操作的安全可靠。
在调度中心可实现对地面和井下所有变电所进行统一集中监控，实现无人值守。
控制目标—本质安全防止误操作。
系统结构系统采用高性能PLC作为现场中心控制器，实现对各变电所的监控功能。
各现场中心控制器通过工业以太环网接入矿调度中心控制室，接受监控中心主机的统一管理。
根据煤矿企业特点，可在井下中央变电所设立井下供电控制中心，该控制中心既可独立运行，实现对井下中央变电所和采区变电所的集中监控，同时也可与地面调度中心通信，接受调度中心的统一管理。
供电集中控制系统总体结构
井下供电控制中心结构示
功能特点
1）采用高性能PLC作为现场中心控制器，性能可靠，故障率低。
2）功能齐全，除了基本的“三遥”功能外，还可实现保护压板信息显示功能，保护动作及告警信息显示功能，保护压板远程投退功能，保护动作及告警信息远程复归功能，保护定值远程查看及远程修改功能，上传SOE功能等等。
3）地面调度中心监控中心主机可实现运行监视、远程控制以及事故报警、数据存档、曲线绘制、报表打印等功能。
4）系统实时性好，监测及控制信息反馈及时准确。
5）采用图形化的用户操作界面，简单易学。
6）具有较强的故障自诊断功能，运行可靠，配合相关设备及软件还可实现软件五防。
7）组态灵活，扩展能力强，兼容多种电力系统通信规约（如CDT、103等等）。
8）采用标准的通信接口，可作为一个子系统接入全矿的机电控制系统。
4.2水泵自动化系统
矿井主排水系统是煤矿大型设备的一个重要组成部分，它的正常运行与否直接关系到整个矿井的安全生产。
由于在水泵自动控制中，要求的控制对象多，控制策略复杂，因此，水泵自动控制系统还有许多问题需要解决。
矿井主排水系统一般由若干主排水泵、配套电机和排水管路组成，统一安置于井底中央泵房内。
该系统具有可靠性要求很高，耗电量大，启泵、停泵操作繁琐等一系列特点。
该系统由控制部分、检测部分、执行部分组成。
所构成的电气设备应满足矿用一般型要求。
整个水泵自动控制系统
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