矿井通风机在线监测预警及远程自动控制系统计划任务书.docx
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矿井通风机在线监测预警及远程自动控制系统计划任务书
矿井通风机在线监测预警及远程自动控制系统
一、项目的意义和必要性
（项目研究的重要性和紧迫性、国内外同类研究进展情况、本项目对促进集团公司发展工作的作用和意义）
1、立项依据
近年来，随着国家经济的发展，能源危机越来越成为了制约国家经济发展的一个突出问题。
煤矿的生产和安全也愈显的重要，煤矿一方面向国家提供能源，另一方面煤矿生产的同时也存在着设备运行效率低下，电力等能源浪费严重的现象。
矿井设备的节能减排显得尤其重要，其中主通风机是矿井四大固定设备之一，它被称为“矿井肺脏”，负责向矿井井下输送新鲜空气、冲淡有害气体的浓度和带走飞扬的煤尘；主通风机一般功率较大，处于连续运转状态，因而耗能大，耗电量一般占全矿井总耗电量的17％以上，因此其性能如何关系到工作人员的人身安全和运行是否经济。
然而，我国煤矿通风机监控系统虽然有了较长时间的发展，但是总体看来，整体发展还比较落后，很多矿井通风机带病运转，严重威胁着矿工生命安全。
随着煤矿生产规模的扩大、生产效率的提高，矿井通风系统对通风设备的监测监控也必须提出了更高的要求。
利用设备在线监测监控等相关技术，实时调节风机运行状态，及早发现故障隐患十分必要。
因此有必要研制矿井通风机在线监测预警及远程自动控制系统，以对通风机的运行状态进行监控，及时发现问题，防患于未然，保证生产的顺利进行。
2、国内外研究现状
矿井通风机监控预警系统的发展体现在硬件和软件两个方面，系统由过去的仪表控制和人工监测发展为计算机监测系统；并出现了通用性的、功能强大的组态软件，通过设定监测参数的报警值来实现预警功能。
2.1矿井通风机监控预警系统技术分类
当前主流的计算机监测系统有以下三种，下面分别介绍各种监测系统的体系结构、现场设备和系统特点。
2.1.1PLC构成的监控系统
体系结构。
PLC是一种可独立运行的控制器，其主体由主控模块、I／O模块、电源模块和网络通信模块构成，这些模块通过一个总线背板连接在一起，并用金属架实现机械固定。
PLC本身没有人机界面，只有指示灯和小尺寸液晶屏，以进行状态显示或简单的运行参数显示。
在PLC的现场安装和实际运行之前，必须对PLC进行编程，也就是DCS中常说的组态。
与DCS不同的是，PLC的组态工具与运行系统是分离的。
因此，可以用同一套组态工具对多个PLC控制系统进行组态，在完成组态、编译并下装，形成可以独立运行的目标系统，PLC就可以脱离组态工具，完全自主地运行。
PLC监测系统也可以增加人机界面功能，很多独立的软件供应商可以提供用于PLC监测系统的人机界面软件，如InTouch、iFix等，形成一个完整的监测系统。
现场设备。
PLC监测系统的现场设备就是其本身。
小型的PLC一般可以安装在现场电气柜中，可以与低压电气设备安装在一起，对于中大型PLC可采用独立的系统机柜进行安装。
PLC一般做成一体化结构，其I／O模块和现场信号端子是一体的，并不单独配置端子板或端子排，安装方式采用标准导轨。
系统特点。
PLC系统的特点是其构成部分的完全产品化，这其中包括PLC产品、组态工具软件产品、人机界面和监测软件产品、网络产品等。
这类系统一般由用户自行购买各类产品并自行组成系统。
目前各厂家PLC基本都支持以太网，与PLC配套的组态工具软件、人机界面软件也基本采用PC机的硬件环境和Windows的操作系统环境，即所谓的WinTel结构，因此其开放性很好。
但由于各个厂家的网络通信规约不同，无法实现设备的互换。
2.1.2PC．Based监测系统
体系结构.PC—Based监测系统是一种小型的、灵活的、低成本的系统，由于PC本身具有运算处理、人机界面等功能，因此，可以利用PC构成一个完整的系统。
这种系统在PC的基础上，利用PC本身的总线槽位，插入FO板卡，同时在PC机中装入相应的软件，实现监测功能。
系统人机界面可直接利用PC的CRT屏幕、键盘和鼠标。
这类系统的功能主要取决于在PC机上运行的软件，因此功能非常灵活。
例如在PC中装入直接控制软件就可以形成直接控制系统：
装入SCADA软件就可以形成监测系统；装入PLC软件，就可以成为一台PLC，也就是所谓的软PLC（SoftPLC）。
为此，可以通过软件的配置，使系统同时具有多种功能。
现场设备。
PC．Based监测系统没有现场设备，这类系统将现场信号直接接入，插在PC总线槽内的I／O卡中就可。
系统特点。
PC—Based监测系统的突出优点是其灵活性和低成本，但其弱点则是其可靠性低。
由于PC本身的设计是针对个人的桌面应用，其可靠性自然不如工业级的产品。
而将所有功能集于一身的系统更凸显了这个弱点，因此，虽然这类系统有很好的灵活性和价格优势，也不宜用在关键性的环节中。
另外，系统的规模不可能很大。
近年来有不少工业级的PC出现，主要在电源、机械结构和散热等方面做了改进，但由于基础体系结构没有改变，因此主要应用于小型系统中。
价格是PCBased系统的最大优势，因此在小型应用中，这类系统发展的非常快。
2.1.3SCADA系统
体系结构。
SCADA系统的主要功能是监测，它由人机界面设备和数据采集设备组成。
对于一些规模小的SCADA系统，现场数据经过数据采集设备集中后直接送到人机界面计算机中，由该计算机进行数据的存储、处理和显示等操作。
在一些规模大的SCADA系统中，还应该有专门的数据服务器进行实时的数据存储、处理和访问查询。
人机界面设备主要是操作员工作站，由CRT显示、键盘、鼠标等组成。
数据采集设备是安装在现场的远程终端单元（即RTU），这是一种没有控制功能的，只有现场I／O、数字化及打包传送功能的现场设备。
RTU只将现场的原始数据送到人机界面计算机或服务器上，其本身没有本地数据库，因此也无法进行任何本地的处理。
现场设备。
SCADA系统的现场设备就是RTU和用于远程通讯的设备，这些设备设计力求简单，但要有极高的可靠性，因为这些设备一般分散安装在各个不同的地点，绝大多数没有专用的电子设备间和现场维护人员，而且数量很大，一旦出现故障很难维修。
因此RTU对现场干扰、特别是对现场各种恶劣环境的抵御能力（如高电压、大电流冲击、雷击及人为破坏等）都有很高的要求。
系统特点。
SCADA系统的特点在于其广泛的监视范围和庞大的数据量，这类系统一般不追求毫秒级的响应，但系统所包含的监测点非常的多，因此需要一个强有力的中心数据库作为支持。
另外，SCADA系统的人机界面是非常讲究的，由于信息量大，因此要精心设计人机界面，既要全面反映现场发生的所有情况，又要排出很多干扰，突出重点。
2.2矿井通风机的监控预警技术现状
早在20世纪60年代末，美国国家宇航局就成立了美国机械故障预防小组MEPG（MachineryFaultPreventionGroup）。
在旋转机械的监测预警方面，首推美国西屋公司，到1990年已发展成为网络化的汽轮发电机组智能化监测预警专家系统，还有以BentleyNavada公司的DDM系统和ADRE系统为代表的多机组在线监测预警系统，美国本特公司的Ts系统，日本三菱公司的MHM系统，SD公司的M600系统等。
在信息融合技术方面国外研究也起步比较早。
这些系统的特点是技术先进但是价格昂贵。
我国自1985年以来，由中国设备管理协会设备诊断技术委员会，中国振动工程学会机械故障诊断分会和中国机械工程学会设备维修分会分别组织全国性故障诊断学术会议已经召开十余次，各个行业都很重视在关键设备的监测预警系统。
目前我国在旋转机械的诊断研究方面已经很有特色，形成了一批自己的监测预警产品。
如西安交通大学的“大型旋转机械计算机状态监测和故障诊断系统”，哈尔滨工业大学的“机组振动微机监测和故障诊断系统”，东北大学的“风机状态监测诊断系统”和哈尔滨工业大学的“3MD—l汽轮发电机组模糊诊断系统”。
这些系统主要应用于冶金电力等领域。
这对我国诊断技术的发展必将取得巨大的推动作用。
对于矿用主通风机监测预警系统国内也有研究，1994年，江西煤炭工业研究所开发的“KFC-A型通风机监测仪”，该仪器的特点是可以实现对通风机状态参数的集中监测。
1998年，煤炭总院重庆分院由李祥和等人开发的“FJZ型矿井主要通风机在线监测与故障诊断仪”，以8051单片机为核心，可以实现监测与机械故障预警功能.。
1999年，中国矿业大学胡亚非教授等人开发的“KJZ．1型矿井主通风机在线监测与通讯系统”，可以实现计算机采集、处理和显示监测参数。
矿井通风机的监控预警技术的发展经历以下三个阶段：
2.2.1离线监测与人工诊断方式
早期矿用主通风机的监测，往往采用眼看、耳听、手摸等，凭人的感觉和经验即可进行判别。
这是运用简单手段进行简单的状态监测和故障诊断，无法实现预警功能。
在这种监测方式下，判断结果受到工作人员经验等状况的影响，因此准确性难以保证。
随着通风机的监测的复杂化，这种简单的方法越来越显得无能为力。
2.2.2以集中式控制为特征的单机监控预警
这是第一代监控预警系统。
这时对矿用主通风机的监控预警的功能主要是由一台计算机和一块或多块功能模板构成，信息的交换与处理仅限于监测与诊断系统内部，因而是一种封闭式的系统。
该方式下，监测和预警功能由上位机软件实现，一般采用监测参数的幅值超限预警。
2.2.3以局域网络、集散化控制为特征的分布式监控预警
它主要是针对矿用主通风机地域分布广的特点，通过工业局域网，把分布在各个局部现场的多台通风机互联起来，以实现资源共享、协同工作、分散监测和集中操作、管理和预警功能的计算机网络系统。
这是基于工业局域网的相对开放的系统。
监控预警信息的处理在局域网内部进行。
该方式下，监测和预警功能由中心软件实现，一般采用监测参数的幅值超限预警，同时在该阶段出现了基于模式识别技术的智能预警。
如上所述可以看到，矿用主通风机监控预警技术的发展主要体现在硬件平台的变革，而对于故障预警技术只局限在基于幅值超限的传统预警与基于模式识别技术的智能预警。
上述监控预警方法存在的问题是监测方法局限于本地化，预警方法局限于单一信号的独立分析，具体体现在信号类型单一、测点位置单一。
在这种方式下无法实现对通风机全面、准确的监测和预警。
因此远程的、基于多信号融合分析的矿井通风机在线监测预警及远程自动控制系统将是今后的发展趋势。
这也是本课题研究的内容。
3、促进集团公司发展工作的作用和意义
义煤集团第一次党代会提出了“全面建设新型能源化工集团”的奋斗目标，其中一个重要特征就是本质安全。
通过人、机、系统、制度的安全和谐统一，优化整体安全质量，实现本质安全是建设新型能源化工集团的可靠保障。
要研究制定安全发展规划和配套措施，促进安全生产与企业发展相协调。
加强安全生产基础工作，从根本上改善安全生产基本条件。
坚持预防为主，认真排查整改安全隐患，坚决杜绝重大事故发生。
全方位建设本质安全型企业已成为义煤集团的必然选择和紧迫任务，更为重要的是，义煤集团的安全生产管理引起了集团高层的高度关注。
在此背景下针对义煤集团的现实安全生产需要提出矿用通风机远程在线监控预警系统的研究课题有着重要意义：
（1）本课题可对通风机实际运行状态进行实时监测，利于实现操作控制方式的优化；
（2）本课题可通过对监测参数的处理，识别出通风机的运行工况，及早发现预测出设备的故障和隐患，提高企业的安全保障能力，有助于持续改善企业的安全状况；（3）研究成果的有效推广有助于义煤集团安全管理水平的提升；（4）本课题对实现义煤集团第一次党代会提出的奋斗目标有着重要意义。
二、主要研究内容、试验内容和技术关键
（研究内容和需解决的关键技术问题，包括技术途径，并经技术经济论证，提出技术先进性、可行性评价。
）
1、研究主要内容
通风机是煤矿安全生产的重要设备之一，矿井通风机在线监测预警及远程自动控制系统由上位机监视部分和PLC过程自动化控制系统两部分组成。
上位机由工程师（兼操作站）构成，自动化控制系统由西门子SIMATICS7系列S7-300CPU控制站构成，PLC站和上位机通过工业以太网连接。
系统充分应用最新信号处理技术、通信技术，采用可靠的软件平台和软件设计技术，实时检测主扇电动机电源电压、电流；电机轴承前、后温度、风筒轴承温度、电机定子温度、空气温度；风机入口风压等各种模拟量，计算得出风速、排风量，空气密度、轴功率，风机效率等参数。
完成参数控制、曲线、报表以及设备运行状态的监视预警及远程风机切换等。
2、系统方案
矿井通风机在线监测预警及远程自动控制系统由上位机监视部分和PLC过程自动化控制系统两部分组成。
上位机由工程师（兼操作站）构成，自动化控制系统由西门子SIMATICS7系列S7-300CPU控制站构成，PLC站和上位机通过工业以太网连接。
系统硬件平台包括数据采集系统、网络系统和上位机三部分。
数据采集系统由PLC及各种类型的传感器组成，实现对通风机各种监测参数的采集：
网络系统由交换机和路由器构建工业以太网络，实现对通风机监测参数的远程传输和操作：
上位机，布置于现场和远程监控中心，实现人机界面功能。
系统软件平台采用组态软件开发，运行于现场和远程监测中心的工控机，实现对通风机的运行仿真、分析曲线、实时报警等监控功能。
故障预警软件采用Vc++6．0开发，运行于软件平台之上，实时获取软件平台上的数据，利用信息融合技术，对多路信号进行融合故障分析，为操作员提供结论性诊断，实现预警功能。
2.1数据的实时采集
数据的实时采集由数据采集系统完成，该部分是系统的数据源，能否实时、准确的采集信号关系到整个系统的可靠性。
在通常情况，系统该部分功能由DCS的模拟量I／O模块完成，通过对模拟量进行A／D变换，转换为数字信号，再进行数据处理和远程传输。
一般DCS的模拟量∞模块的采集频率为秒级，仅能满足对通风机参数实时监测的要求。
通过对通风机故障机理的深入研究，得出通风机的故障与振动信号的频率具有确定的映射关系，因此采用振动信号的频谱进行故障诊断分析，即需要对采集到的时域信号进行FFT运算，得到信号的频域信号。
根据信号分析原理，采集信号时需要满足采样定理的要求，否则将丢失高频成分，造成信号失真。
通过对通风机故障机理的深入研究，确定通风机故障的最高频率一般为达到10倍左右的风机基频。
根据采样定理，采集频率则至少应满足2倍以上被采集信号的最高频率，因此为了得到故障特征频率，采集频率至少达到50倍的风机基频。
例如当现场风机的转速为1200rpm，即基频为20HZ，所需的采集频率至少为lkHZ。
2.2数据的远程传输
数据的远程传输由网络系统完成，网络的性能直接影响着数据远程传输的实时性和可靠性。
工业控制网络的发展经历了集中数字控制系统，现场总线控制系统和工业以太网控制系统。
集中数字控制系统采用串行通讯方式，传输速度和距离都有限。
现场总线控制系统采用数字信号取代4．20mA的标准信号，设备和网络都是专用的，开放性差，不利于与其他网络的互联。
工业以太网技术凭借其传输速率高、远程WEB技术、成本低和全开放性数字网络广泛应用于工业控制网络。
因此该系统采用工业以太网交换机来构建网络系统。
由于通风机机房与监测中心距离较远，利用普通的电口交换机信号衰减严重，无法实现远程传输。
所以在该系统中，采用的是100M的光口以太网交换机，选用多芯光缆作为传输介质，传输距离可达数十公里，有效的保证了数据的远程传输，实现了监测中心对通风机的远程操作和管理。
2.3信息融合技术在故障诊断中的应用研究
故障诊断的过程是一个从故障征兆集到故障集的映射过程，该映射关系是多对多的映射，即被诊断设备的某一故障类型往往会引起多个故障征兆；某个故障征兆又可能由多种故障类型所引发。
因此，故障诊断从本质上讲，就是利用信息融合技术，对多征兆信息进行融合识别的过程。
应用于故障诊断的信息融合方法目前已经研究发展了很多，其中人工神经网络与证据理论两种方法应用的较为广泛。
人工神经网络是80年代中后期世界范围内迅速发展起来的人工智能领域的一个重要分支。
人工神经网络非常适合模拟非线性映射，而且不需要建立数学模型，它能够通过自学习功能来获得非线性映射能力，并把这种能力分布地存储在网络连接权值中。
因此神经网络是一种符合故障诊断要求的信息融合手段。
神经网络信息融合过程是从征兆空间提取各种征兆作为神经网络的输入，利用神经网络的非线性映射功能，对网络输入的征兆信息进行融合识别，最后输出层输出识别结果。
神经网络的信息融合过程实现了从故障征兆集到故障集的映射，属于特征融合中的特征输入一决策输出过程。
证据理论是研究认识不确定性问题的另一种理论。
常规的决策分析理论以概率论和数理统计为基础，认为概率是由事件发生的频率完全决定，是纯客观的。
而主观概率论片面强调人的判决作用，是纯主观的。
证据理论认为，对于概率的理解，不仅要强调证据的客观化而且要重视证据估计的主观性。
证据理论是概率论的推广，具有更严谨的推理过程，能够更加客观的反映事物的不确定性。
证据理论的信息融合过程是利用预先确定的合并规则和决策规则对已有的证据体进行决策融合。
证据理论的信息融合过程实现了证据的客观性与合并规则、决策规则主观性的结合，属于决策融合中的决策输入一决策输出过程。
综上所述，提出了神经网络与证据理论相结合的方法。
该方法利用神经网络进行局部信息融合，初步融合的结果作为证据理论的证据体，利用证据理论进行最后的全局信息融合，实现对设备的故障预警。
5、技术先进性
（1）采用了基于OPC标准的实时数据库技术，保证了数据的实时采集（可达ms级），方便了数据的读取。
（2）系统具备远程风机切换功能。
当一个风机发生故障时，可自动或人工（就地或远程）进行风机切换。
（3）采用信息融合技术进行故障诊断中，能及时确定故障部位和原因，为通风机的可靠运行、日常维护和故障维修提供有力的保障。
6、技术可行性
项目组曾经给山西潞安集团王庄煤矿完成了“矿井主提升在线监测系统”、“矿井主皮带在线监测系统”，这些系统2007年至今一直在王庄煤矿正常使用，这些系统为保障王庄煤矿的安全生产中发挥了重要作用，其使用效果得到一致好评。
这些成功技术和经验，对保障义煤集团石壕矿的“矿井通风机在线监测预警及远程自动控制系统”顺利实施有极好的借鉴作用，能保证该项目的顺利实施。
三、研究课题的关键技术方案与预期目标
（1、本项目相关的前期研究情况、技术基础和工作基础、具备的设施条件等；2、本项目完成后的技术水平、应用前景和经济、社会效益分析。
）
1、现有技术基础及条件
（1）该课题组从上世纪90年代就开始了煤矿大型设备在线监控方面的研究工作，取得了大量的研究成果。
先后在《煤炭学报》、《煤矿机电》和《煤矿安全》发表多篇有价值学术论文。
（2）河南理工大学实验室拥有先进的试验设备，如：
数字存储示波器DL750、高分辨率信号分析仪、四门子PLC等，为本课题的研究、系统构建、调试等奠定了良好的物质基础。
已经完成的相关课题如下：
[1]主持的“基于Web的矿井主皮带机在线监测及故障诊断系统”2007年12月通过河南省科技厅鉴定，2008年获河南省科技进步三等奖
[2]主持的“矿井主提升在线监测系统”在山西潞安集团王庄煤矿2007年投入使用至今
[3]主持的“矿井主皮带机在线监测系统”在山西潞安集团王庄煤矿2007年投入使用至今
发表的相关文章如下：
[1]基于Web的矿井主运输带式输送机在线监测及故障诊断系统,,矿山机械,2009，37（407）
[2]矿井自动化平台的设计与研究,,煤炭工程，2009，8
[3]井下高压隔爆开关欠电压保护改造方案研究,矿山机械,2007，9,
[4]AdesignofpersonnelOrientationsysteminminebasedonRFID,ZhangChangsen
（1）,Progressinminingscienceandsafetytechnology,ISTP:
BGM26
[5]Researchonpropagationcharacteristicsofelectromagneticwaveintunnelswitharbitrarycrosssections,Proceedingsofthe20102ndInternationalConferenceonFutureComputerandCommunication,ICFCC2010,May21,2010-May24,2010,EI:
20104413349928
[6]AdesignofHDB3CODECbasedonFPGA,Proceedings-2ndIEEEInternationalConferenceonAdvancedComputerControl,ICACC2010,March27,2010-March29,2010,EI:
20104213306496
课题组的人员配置结构既保障了项目研究的理论水平，同时，也为研究成果的实施提供了有力保障。
2、本项目完成后的技术水平
矿井通风机在线监测预警及远程自动控制系统实时检测主扇电动机电源电压、电流；电机轴承前、后温度、风筒轴承温度、电机定子温度、空气温度；风机入口风压等各种模拟量。
计算得出风速、排风量，空气密度、轴功率，风机效率等参数。
（1）上位机监控软件运行在WimdowsXPSP2通用操作系统下，界面友好，简洁明了，操作便捷，全鼠标操作。
在屏幕上以各种图形和数字方式显示实时监测参数，并定时（秒级）记录各种监测数据，以便发生故障时能够通过历史曲线、报表查询，便于各种参数的观察和分析。
（2）监控系统实行分级管理，在未进行授权登陆时，只显示系统各监测参数情况，不能对系统操作。
风机各种检测运行数据可以动态的实时曲线图形方式显示，并具有计算风机入口压力变化率，判断风机喘振报警功能，便于观察不同时间段各参数的变化趋势。
（3）风机各种监测数据的存储及查询；风压，风量，定子温度和轴承温度、电机功率、等监测参数定时存储在硬盘中，以便用户进行数据报表的按班或按月输出打印，系统可保存一至三年甚至更长时间的记录数据。
（4）监控系统实时显示系统的各种报警信息，并提供报警历史信息的查询；以多种形式对在线测量与处理的风机运行参数超限值报警；
（5）监控系统设有连锁停机与解锁转换开关，当打到连锁停机控制档时，监控系统参与主扇风机系统的控制，当满足停机条件时，监控系统通过中间继电器触点停止主扇风机运行；当打到解锁控制档时，在主扇风机运行情况下，监控系统对各主扇风机的任何保护只提供报警信号，不能对风机系统实施停机。
（6）根据风机性能测试结果显示风机性能曲线。
（7）监测数据的远程访问；监控系统网络采用的是工业以太网，可以通过光缆将风机运行数据上传至调度室并可通过调度室设置的风机监测系统服务器发布到局域网上，供全矿进行信息共享。
（8）远程风机切换功能。
当一个风机发生故障时，可自动或人工（就地或远程）进行风机切换。
研制的矿井通风机在线监测预警及远程自动控制系统达国内领先水平。
3、应用前景和经济、社会效益分析
本项目主要是对矿井通风机进行实时在线监测，并对故障点给出报警，对于提高矿井通风机的可靠性和安全性具有重要意义。
该项目的研究成果具有显著的经济、社会效益和宽阔的推广应用前景。
四、地点、试验规模和进度安排
（1）2011年1月-2011年2月，方案制定。
课题组成员进行现场资料收集，针对义煤集团石壕矿的通风机的具体情况进行调研，制定矿井通风机在线监测预警及远程自动控制系统设计方案。
（2）2011年3月-2011年5月，子系统研制。
完成数据采集系统、上位机监控系统设计和调试；
（3）2011年6月-2011年9月，系统集成。
对各子系统进行联调，确保整个系统的可靠运
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