XX煤矿主通风机在线监测系统设计方案.docx

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XX煤矿主通风机在线监测系统设计方案

XX煤矿

主通风机在线监测系统

设计方案

2018年03月12日

第一章项目概况

1.1系统描述

风机在线监控系统由PLC监控柜、集中控制操作台、上位机监控站、视频监控系统、现场传感器及网络通讯系统等组成，基于工业可编程控制和智能数据采集、网络通讯等先进技术，实现煤矿主扇风机在线监测、逻辑控制、远程监控等功能一体化，并作为煤矿安全生产监控系统的一个子系统，既可自成独立的子系统运行，也可以监测分站的形式接入安全生产监控系统作为一个子功能集中统一管理运行。

1.2系统要求

通过采用先进的PLC监控技术，实现主通风机的性能检测，提供通风安全。

具体要求如下：

（1）风机的监测与控制采用西门子S7-1200PLC可编程控制器，冗余配置。

实现通风机的“一键式启动”、“故障风机自动化切换”、“一键式自动反风”、“机房无人值守”等功能。

PLC与计算机通讯，计算机上采用组态软件画面，可以完成风机（包括附属设施）的起停，也就是风机的控制既可从操作台手动控制，又可从计算机中自动完成，还可实现就地手动三种控制方式。

（2）监测参数包括两台风机的风量、负压、全压、风机效率、轴温、振动、电机温度、电流、功率、甲烷、一氧化碳浓度、风机开停信号、高压开关柜的投切信号及正反风信号等。

所有风机及其附助设施的运行监测信号的报警值和断电值及各保护的投切可从微机上进行设置。

（3）系统具备对所监测到的实时数据采用动态图形及数字显示；完成各种数据的存贮与查询；在风机的性能曲线上显示通风机当前运行工况点；可随时自动完成风机性能曲线的测定；具备完善的事故报警、事故跳闸及记忆功能。

（4）在线监测通风机的喘振状态，能动态显示通风机的运行工况点、喘振裕度，并具有喘振预报功能，当风机在接近喘振区时能够及时报警。

（5）系统具有在线振动故障分析和判断功能，能自动分析判断振动类型、振动部件、发展趋势、处理建议等内容。

1.3项目实施范围

工作内容如下：

（1）对设备的制造、供货、工厂测试、包装和运输；

（2）提供系统设计、软件编程、系统调试、试运行、检查、验收、移交、保修等有关的服务。

（3）按合同规定的时间地点运抵现场、指导安装。

（4）提供技术文件和图纸资料

（5）负责对操作使用人员的培训，包括运行前培训和工作现场培训。

（6）合同规定的其他内容。

1.4系统设计依据的标准与规范

——《煤矿安全规程》；

——《煤炭工业矿井设计规范》；

——《煤矿安全装备基本要求》；

——《煤矿监控系统总体设计规范》；

——《煤矿监控系统中心站软件开发规范》；

——《煤矿通信、检测、控制用电工产品通用技术条件》（MT209）；

——《矿井通风安全监测系统装备标准和使用管理规定》；

——《电控设备、第一部分：

低压电器电控设备》（GB4720）；

——《电控设备、第二部分：

装有电子器件电控设备》（GB3797）；

——《爆炸性环境用防爆电气设备本质安全型电路和电气设备要求》；

——《爆炸性环境用防爆电气设备通用要求》；

——《监测监控质量标准化实施标准》；

——《设备可靠性试验》（GB5080.1～7）；

计量单位以国际单位制（SI）表示。

第二章主通风机总体方案设计

2.1设计原则

✓安全可靠第一。

在安全可靠的基础上，保证通风需求量，实现最大经济运行。

✓高低压配电、风机控制、在线监测、变频拖动一体化。

2.2一体化方案构成

控制部分：

采用PLC与上位机相结合的监测控制方式。

PLC采用西门子的S7-1200PLC，每台风机设置独立的PLC控制系统，上位机选用研华工控机。

选用国内一流的的监控软件，此选用方式可以更可靠地实现控制、监测的无缝连接。

在线监测：

通过采集模块采集现场数据，包括供电系统数据、设备运行监测数据、通风工艺数据，将所有数据送控制部分PLC和上位机，统一实现监测与控制。

视频监控：

在主控台上安装一套视频监视系统，采用高清低照度摄像头，可对风机关键部位、部件（风门、主机、高压室等）进行视频监视。

预留与高低压配电系统、变频系统的通讯接口，方便以后改造接入。

2.3可靠的冗余控制方案

1.两套S7-1200PLCCPU相互冗余。

2.监控系统冗余，系统设置双套工控机实现风机监控，工控机相互冗余。

3.PLC与上位工控机和触摸屏采用以太网通讯，极大的提高了系统监控的可靠性。

4.控制系统与变频采用双通道控制方式，采用外部硬接线和通迅两种通道实现可靠控制。

（变频器需提供标准的以太网或MODBUS或DP总线接口）

5.多种操作控制方式（包括操作台按钮集中手动控制、计算机集中自动控制、就地操作箱控制）保证了系统不致于因某台控制设备故障而停机不能运行。

2.4一体化方案可实现的功能

1.实现高低压配电柜的数据监测、状态监测、远程控制。

2.根据现场监测到的风量值，与设定风量值进行比较；由所得结果确定变频器的工作频率，来调整风机的转速，达到调节风量的目的。

3.实现风机起动、停机及风机切换过程中，风门及其它辅助设备的自动连锁控制。

4.通过I/O接口采集与显示现场各种监测数据。

主要有风量、负压、风速、瓦斯、一氧化碳、风机振动、电机电压、电流、功率因数、功率、转速、轴承温度、定子绕组温度、正反转、效率等；电源配电柜母线电压、电流；根据运行情况可实时输出各种特性曲线。

5.系统具有列表、储存、显示、报警、网络上传、远程检测、打印报表等功能。

6.一年一度反风试验的自动控制。

7.可实现三种控制功能：

手动控制、自动控制和就地（检修）控制。

8.具有网络功能，可直接与全矿综合自动化网络相连。

第3章控制系统方案

3.1控制系统网络组成

系统主要由工控机、触摸屏、UPS、PLC控制系统、操作控制台、通讯网络、在线监测现场传感器等组成。

其网络结构如图所示。

3.2一体化监测控制方案说明

如图所示，整个系统采用了多种硬件冗余设计方案，PLC采用S7-1200双CPU冗余，上位机采用两套工控机互为冗余，操作台安装触摸屏。

PLC与监控系统（工控机和触摸屏）采用以太网实现冗余。

保证了系统的高可靠性。

两台主控计算机与PLC通过TCP/IP以太网进行通讯，互为热备，可保证控制和数据采集的高可靠性。

它主要完成风机集中操作、监视和控制功能。

通过计算机操作可进行系统功能组态、监视报警、控制参数在线修改和调整，同PLC进行数据传输、通讯，同时预留与高压柜微机综保通讯接口，进行电力参数采集。

收集各终端微机送来的风机监测信息、运行状态和工艺参数。

并进行汇总、运算、处理、报警、故障分析，最终完成对风机的优化控制。

同时每台计算机均可独立完成两台风机的自动控制和生产管理。

按功能要求设置的激光打印机，能直接打印各类报表的输出等。

触摸屏与PLC通过以太网进行通讯，可保证计算机网络故障时，通过触摸屏仍能对风机实现完整的自动控制。

正常情况下，触摸屏对两台风机均可进行操作与监控。

本方案利用计算机及PLC等控制技术完成对主通风机的起停控制，并对通风机工作状态、性能参数、故障诊断进行在线监测。

PLC控制系统设置两套冗余的S71200CPU,分别对应两套风机的控制以及与四台变频器的通讯。

3.3控制方式

3.3.1上位机操作方式

上位机操作方式下有单动和联动两种操作方法：

1）单动方式下，操作员在操作站的工控组态软件运行窗口，选择哪台设备，启动哪台设备，设备之间无闭锁关系。

2）联动方式下，操作员可以通过操作台自动“起动/停止”按钮，起停处于远控待命状态的本台风机。

整个起停过程由自动运行程序控制，此时手动操作按钮无效。

上位机操作方式下，系统根据给定风量值自动调整电机转速，以达到自动调节风量的目的。

同时，自动监测风机的运行状态，如有异常先报警，若在规定的时间内不能排除故障，系统将自动进入风机切换程序。

此工作方式完全在计算机监控下进行（包括参数检测和设备连锁控制）。

3.3.2操作台操作方式

操作台操作方式下也有单控和联动两种操作方法：

就地控制方式下，风机的启动由人工手动在风机操作台上完成，此时PLC仅负责数据的采集、显示、故障报警。

在单控方式下，风机转速需通过手动设定与调节。

通过现场采集传感器采集风洞负压、风量及风速，根据设定值及实际值，调节电机达到适当的转速；以满足用风量的要求。

当监测回路测得风洞负压值、风速值、风量值等参数值不正常时，首先报警，然后人工配合风机监测参数判断故障所在，如果故障不能排除，则人为切换风机，开始检修故障风机。

在就地方式下，操作人员（或检修人员）根据风机操作规程分步进行操作，在非闭锁的情况下，单独对风机或风机的相关设备进行启动、停止操作。

检修完成后，必须使系统内所有设备恢复到待运行状态，操作计算机系统对其进行自诊断，系统检测通过，该系统进入备用状态。

3.4工艺过程控制

工艺控制过程分为三种：

正常启动过程、风机切换过程和反风过程。

3.4.1正常启动

1）确定启动那一台风机（以一号风机为例）。

2）控制系统发出指令打开风门，但风门状态信号要反馈到控制系统，从而调节起动时间。

3）首先，上位机、PLC发出指令，合上变频器输入侧高压开关，其他开关打开，如果变频器、电机均正常，则起动条件成立。

启动润滑油泵，打开制动器，随后启动变频器，变频器带动电机开始工作，其输出频率从0Hz逐步升到50Hz。

4）其间，根据工艺的要求，在0～50Hz范围内的任何频率点，可以进行长时间运行。

但要求任何频率点的运行工况的电流以及功率不得超过额定值的过载条件。

5）变频器输出的Hz数，是根据上位机采集的现场数据及输入的数据进行比较处理后，来控制变频器对其输出进行调整，使风机的输出风量达到规定的值。

3.4.2风机切换过程

分为正常切换和故障切换，正常切换时人为选择风机，正常起停控制实现风机切换；故障时为系统自动切换。

切换过程如下：

1）降低正在使用1＃风机的变频器输出频率，使之按照设定曲线降速，同时启动2＃风机变频器，使2＃系统处于检测状态准备启动。

2）待风机转速降到一定程度，开始关闭1＃系统的风道风门，启动2＃风机系统低速运转。

3）开始开启2号风道风门，1号风门关闭，2号变频开始加速，按照事先规定的曲线启动风机。

4）反复观察监测参数，确认风机运行是否正常，风机启动过程完成。

5）以上过程必须在十分钟内完成。

6）如果是全自动控制，以上过程完全由上位机或PLC来完成。

3.4.3反风过程

1）降低正在使用风机的输出频率，使之按照设定曲线尽快降速至停止。

2）调整该台风机变频器至反转状态，启动风机（调整启动曲线，使之尽快完成启动过程）。

3）反复观察监测参数，确认风机运行是否正常，反风过程完成。

4）如果是全自动控制，以上过程完全由上位机或PLC来完成。

3.5风机在线监测与保护

在线监测参数包括2台风机的电机功率、电流、电压、电机轴承温度、电机各绕组温度、风机轴承温度、风机振动、高压开关柜的投切信号、正反风信号、风机开停信号以及所有风机及其附助设备的运行监测信号的报警值和断电值及各保护的投切。

同时监测风筒风压、风量、瓦斯浓度等通风工艺参数。

可在计算机上直观的显示。

采集参数如下：

1）风机轴承温度，电机轴承温度，电机三相绕组温度，润滑油温。

当温度超过报警极限值时，系统发出报警并停机，切换到下一台风机。

2）各高压开关柜分合闸状态，电压、电流、有功、无功、功率因数、电量等。

3）各台风机的开停状态及其附属设备的运行状态。

4）风机振动、喘振。

5）风机运行效率。

6）风压、风速、风量、瓦斯浓度。

7）风门开启状态和到位状态信号。

保护功能：

1）喘振保护：

喘振会产生压力或流量损失，并且引起邻近的导管和机械部件频繁震动，持续失速将会折断风机叶片，在叶片两侧监测其压力，如果叶片两侧的压力差大于500Pa，同时检测风筒压力、流量及电机电流值，如果出现不停波动，则很可能风机进入喘振区，此时系统报警，如果喘振继续存在并超过120s，系统跳闸断电来保护风机。

2）风机温度保护：

当风机主轴承温度大于85℃时系统报警，温度大于100℃时系统跳闸断电保护动作。

3）电机温度保护：

电机轴承温度大于85℃时系统报警，温度大于90℃时系统跳闸断电。

电机定子每相绕组温度大于130℃时系统报警，温度大于140℃时系统跳闸断电保护动作。

4）振动信号保护：

监测风机的水平和垂直振动信号，当超出限值时首先进行报警提示，并可选择延时跳闸断电保护动作。

5）风机润滑泵站及其它附属设施必备的各类保护。

3.6控制系统软件功能

3.6.1监控应用软件功能

第一方面是管理功能：

生成整个风机运行工艺流程，提供清晰、人性化的人机界面，全中文显示，适应操作人员习惯；图形直观生动形象地反映工艺流程的实时状态。

完成报警、历史数据、历史曲线的存储、显示和查询。

打印各类生产管理运行报表。

第二方面是设备的监控功能：

以图形和菜单的形式，操作人员在操作室监视各个设备的运行状态，并对设备进行控制。

第三方面是通讯的功能：

上位机通过采用规定的通讯协议，完成与PLC的通讯和与高压微机综保的通讯。

并通过局域网实现生产数据的共享，可与矿综合自动化网联网。

3.6.2系统画面设计

通风机控制、监测主工艺图

数据报表

风机运行时时曲线

高压数据图

风机在线帮助文档

3.7控制系统的抗干扰措施

控制系统的主要设备为高速精密的弱电设备，各种控制电缆和信号电缆数量非常多，系统易受到各种干扰。

若不采取措施，消除其干扰，会严重影响系统的正常运行。

因此，本控制系统采用了如下几方面的抗干扰措施：

系统现场控制站的所有数字量输入/输出模块、均采用光电隔离，将现场各种信号与系统背板总线隔离。

系统现场控制站的所有模拟量输入/输出信号电缆均采用屏蔽电缆，其屏蔽层在控制柜侧一点接地，消除了空间干扰。

系统现场控制站的控制电缆、信号电缆与系统动力电缆应分开布线，保持一定的间距。

特别是，大功率变频器的动力电缆能产生较强的空间高频干扰，应使用金属管穿线，并将金属管良好接地。

系统的供电电源采用UPS电源，并在进线端加过电压和避雷保护器，可防止来自电网上的超高压、欠压、浪涌、尖峰脉冲干扰、停电干扰甚至雷电袭击。

第四章视频监控系统

工业视频监控采用红外高清数字摄像头，数量：

5台，其中3台筒型红外网络摄像机，分别装在控制室门口1台，变频器控制室门口1台，厂区环境监测1台；矿用防爆摄像机2台，实时监视风门开度，（控制室配置16路网络硬盘录像机1台，22“液晶显示器1台，矿上已具备）。

4.1网络硬盘录像机

DS-7600N-E2为海康威视自主研发的新一代NVR（NetVideoRecoder）产品，支持网络视频接入。

它融合了多项专利技术，采用了多项IT高新技术，如视音频编解码技术、嵌入式系统技术、存储技术、网络技术等。

功能特性

可接驳符合ONVIF、PSIA、RTSP标准及众多主流厂商（ACTI、ARECONT、AXIS、Bosch、Brickcom、Canon、Panasonic、PELCO、SAMSUNG、SANYO、SONY、Vivotek、ZAVIO）的网络摄像机；

内置8个IPC直连POE网口；

最大支持500万像素高清网络视频的预览、存储与回放；

支持HDMI与VGA同源输出，HDMI与VGA输出分辨率最高均可达1920x1080p；

全新的UI操作界面，支持一键添加IPC以及一键开启录像功能；

支持即时回放功能，在预览画面下对指定通道的当前录像进行回放，并且不影响其他通道预览；

支持最大16路4CIF实时同步回放和多路同步倒放；

支持硬盘配额存储模式，可对不同通道分配不同的录像保存容量；

支持假日录像；

支持2个SATA接口；

支持海康威视DDNS域名解析系统；

支持网络检测（网络流量监控、网络抓包、网络资源统计）功能。

物理接口

技术参数

视音频输入

网络视频输入

16路

网络视频接入带宽

50Mbps

视音频输出

HDMI输出

1路，分辨率：

1024x768/60Hz，1280x720/60Hz，

1280x1024/60Hz，1600×1200/60Hz，1920x1080p/60Hz

VGA输出

1路，分辨率：

1024x768/60Hz，1280x720/60Hz，

1280x1024/60Hz，1600×1200/60Hz，1920x1080p/60Hz

音频输出

1个，RCA接口（线性电平，阻抗：

1kΩ），对应VGA口。

视音频编解码参数

录像分辨率

5MP/3MP/1080p/UXGA/720p/VGA/

4CIF/DCIF/2CIF/CIF/QCIF

同步回放

16路

录像管理

录像/抓图模式

手动录像、定时录像、移动侦测录像、报警录像、

动测或报警录像、动测和报警录像

回放模式

即时回放、常规回放、事件回放、标签回放、日志回放

备份模式

常规备份、事件备份

硬盘驱动器

类型

2个SATA接口

最大容量

每个接口支持容量最大4TB的硬盘

外部接口

语音对讲输入

1个，RCA接口（电平：

2.0Vp-p，阻抗：

1kΩ）

网络接口

1个，RJ45 10M/100M/1000M自适应以太网口

USB接口

1个USB3.0

PoE

接口

8个,RJ45 10M/100M自适应以太网口

标准

IEEE802.3af/at

输出功率

≤120W

网络管理

网络协议

IPv6、UPnP（即插即用）、NTP（网络校时）、SADP（自动搜索IP地址）、PPPoE（拨号上网）、DHCP（自动获取IP地址）等

其他

电源

AC 220V

功耗（不含硬盘）

≤10W

工作温度

-10℃--＋55℃

工作湿度

10％--90％

尺寸

380mm（宽）×290mm（深）×48mm（高）

重量（不含硬盘）

≤1Kg

4.2红外防水筒型网络摄像机

主要特性

最高分辨率可达1280×960@30fps,在该分辨率下可输出实时图像

采用ROI、SVC等视频压缩技术,压缩比高,且处理非常灵活,超低码率

逐行扫描CMOS,捕捉运动图像无锯齿

采用高效红外灯,使用寿命长,照射距离可达20-30米

ICR红外滤片式自动切换,实现真正的日夜监控

可支持PoE供电功能

支持3D数字降噪

支持数字宽动态

支持MicroSD/SDHC/SDXC卡（64G）本地存储

支持双码流,支持手机监控

支持走廊模式,背光补偿,自动电子快门功能,适应不同监控环境

功能齐全:

一键恢复,心跳,镜像等

符合IP66级防尘防水设计,可靠性高

具有三轴调节功能,方便工程安装

支持GB28181协议

技术参数

型号

参数

DS-2CD2620FD-I（S）

130万1/3"CMOS红外防水ICR日夜型筒型网络摄像机

摄像机

传感器类型

1/3”ProgressiveScanCMOS

最小照度

0.01Lux@（F1.2,AGCON）,0LuxwithIR

0.014Lux@（F1.4,AGCON）, 0LuxwithIR

快门

1/25秒至1/100,000秒

镜头

2.8-12mm@F1.4 水平视场角:

80°-28.7°

（4mm、6mm、8mm、12mm定焦可选）

镜头接口类型

Φ14

日夜转换模式

ICR红外滤片式

数字降噪

3D数字降噪

数字宽动态

数字宽动态

压缩标准

视频压缩标准

H.264/MJPEG

H.264编码类型

BaseLineProfile/MainProfile

视频压缩码率

32Kbps~16Mbps

音频压缩标准

G.711/G.726/MP2L2

音频压缩码率

64Kbps（G.711）/16Kbps（G.726）/32-128Kbps（MP2L2）

图像

最大图像尺寸

1280 × 960

帧率

50Hz:

25fps（1280 × 960）,25fps（1280×720）

60Hz:

30fps（1280 × 960）,30fps（1280×720）

图像设置

走廊模式,亮度,对比度,饱和度,锐度等通过客户端或者浏览器可调

背光补偿

支持,可选择区域

感兴趣区域

ROI支持双码流分别设置4个固定区域

网络功能

存储功能

支持MicroSD/SDHC/SDXC卡（64G）断网本地存储,NAS（NFS,SMB/CIFS均支持）

智能报警

移动侦测,动态分析,遮挡报警,网线断,IP地址冲突,存储器满,存储器错

支持协议

TCP/IP,ICMP,HTTP,HTTPS,FTP,DHCP,DNS,DDNS,RTP,RTSP,RTCP,

PPPoE,NTP,UPnP,SMTP,SNMP,IGMP,802.1X,QoS,IPv6,Bonjour

接口协议

ONVIF,PSIA,CGI,ISAPI,GB28181

通用功能

一键恢复,防闪烁,双码流,心跳,镜像,密码保护,水印,视频遮盖

接口

通讯接口

1个RJ4510M/100M自适应以太网口口

一般规范

工作温度和湿度

-30℃~60℃,湿度小于95%（无凝结）

电源供应

DC12V±10%/PoE（802.3af）

防护等级

IP66

功耗

5.5WMAX（当ICR切换时7.5W）

红外照射距离

20-30米

4.3KBA127矿用隔爆摄像仪

KBA127矿用隔爆型摄像仪适用于有瓦斯和煤尘爆炸危险的矿井环境，外壳采用不锈钢设计，防水、防尘、抗震、耐腐蚀，它将普通工业电视技术与光电传输技术合二为一，具有抗干扰、长距离传输等特点，可以将井下现场的各种情况通过视频真实的反应出来。

技术指标：

工作电压：

AC127V;

工作电流：

≤1.8A

最低照度：

≥0.2Lux

水平清晰度：

≥350线

第五章质量保证承诺、技术服务及用户培训

5.1质量保证计划

根据GB/T19001-2000idtISO9001:

2000质量管理体系的要求建立和保持文件化质量体系，通过质量体系持续有效地运行，以保证工程质量符合设计和施工验收规范要求，按照上述质量管理体系要求做出适合本工程质量保证所需要的规定，作为保证工程供货、施工、安装、调试和服务整个过程符合标准规范。

本项目所采用的所有设备都是由国内外知名厂商提供，有着卓越的品牌、良好的信誉、优秀的运行业绩和国内、国际较高的市场占有率的产品，因此质量上有着绝对可靠的保证。

设备质量承诺书

✓我方建有完整的质量保证体系，并通过ISO9001质量体系认证。

我公司的质量方针是“顾客至上，科技创新，优质高效，持续改进”。

✓我方建有严格的质量责任制，明确规定了每个人的质量职责。

✓严格执行研制程序，保证产品质量。

✓我方出厂的产品在设计阶段实行严格的评审制度。

一方面公司组织有关专家对设计方案审查，另一方面邀请用户来公司对设计方案提出宝贵意见，同时设备在加工过程中均实行严格的“三检”制度，出厂前所有系统必须完成模拟现场调试，接受公司质量检验部门人员的质量检查，验收合格后方允许设备出厂。

✓我方对元器件的选型严格把关，在使用中也不