1、煤矿综合自动化的实现及发展趋势山东科技大学刘瑞国2007年12月The First Part of the SeriesTeaching Materials about Coal Mine Computer Integrated System 煤矿综合自动化概念 煤矿综合自动化是指利用先进的网络技术、自动控制技术、通信技术、计算机技术、视频技术，将煤炭生产全过程建成一个以工业以太环网+现场总线为网络平台的矿井综合自动化系统，实现信息、数据的连通与共享，将功能集成为不同的应用系统联系起来协调有序运行，从而避免信息孤岛的出现，使得信息资源和设备资源得以充分发挥，提高矿井安全生产管理水平，实现矿井高
2、效运行。具体为：把采掘生产设备监控系统、皮带运输监控系统、供电监控系统、提升监控系统、压风监控系统、通风监控系统及其他辅助生产设备监控系统等子系统数据进行集中监控，实现生产及辅助生产各运行参数的统计并上传至矿区办公局域网，使得煤矿生产和管理更加科学高效。同时将一些主要生产数据和安全情况向上一级管理部门进行汇报，上一级管理部门可以通过这些数据对煤矿进行远程实时监视。出现紧急情况发出告警信号。煤矿综合自动化系统结构图实现煤矿综合自动化意义 消除信息“孤岛”，实现信息共享 提高矿井安全管理水平 提升矿井综合形象煤矿综合自动化内容煤矿综合自动化系统包括风机在线监测监控（通风安全环境监测）子系统、瓦斯抽
3、放监测（管道瓦斯抽放监测与控制）子系统、火灾预报束管监测（煤层自然发火实时分析）子系统、工业电视监视系统子系统、电力监测子系统、胶带机监测子系统、主副（斜）井提升监测子系统、矿压监测（矿井冲击地压实时分析及专家诊断预测与控制）子系统、矿用自动防尘撒水控制（皮带机头自动喷水降尘）子系统、机车调度子系统、考勤子系统、电话通讯子系统、电视会议子系统、计算机网络子系统等等。综合自动化系统具有将上述各控制子系统无缝集成的能力，系统提供统一的数据接口,每个子系统用一个软件适配器与综合监控平台数据交互。数据接口采用标准的UDP通信接口，系统支持瓦斯监测、视频监控、配电监测、机电设备监控管理等各种子系统的软件
4、适配。系统架构是全开放的，扩展能力很强。每接入一种子系统模块，只需要一个适配程序。系统初建时可根据需求和条件先建最急需的最基本的核心平台，然后分期分批增加各种子系统及不断升级，最后建成最完善的系统。井下中央泵房排水监控子系统井下中央泵房排水监控子系统 现状：国内现有煤矿井下水泵房控制系统多采用简单的继电器操作系统，控制系统与控制电缆冗余繁杂，自动化水平低，技术落后，系统故障频繁，各个阀门的开关，水泵的开、停及水泵的切换均由专门的人员井下人工操作完成，调度室对于水泵房的信息完全依赖于现场的司机，人员工效低下，资源浪费，无法实现节能运行，并且不利于矿井的高效安全生产。井下中央泵房排水监控子系统井下
5、中央泵房排水监控子系统 改造思路：实现煤矿井下水泵房的集中分布控制 1、采用集中控制器（PLC）与分布式远程I/O，对水泵房设备运行实行在线监控，自动（保留手动功能）控制水泵的启停及电动闸阀的开、关，并具有自诊断功能，实现水泵房的无人值守；2、监控系统通过10100Mbps 高速工业控制网并入目前世界最先进的100M工业冗余容错高速主干网实现水泵监控子系统与全矿井的监控系统信息共享；3、水泵房现场以计算机图形界面结合现场操作，最大程度简化操作。同时综合考虑矿井各种安全信息，实现水泵子系统的最优控制策略；水泵子系统的报警、数据、报表统计处理全部融入整个矿井监控系统；4、根据水位，自动实现水泵的轮
6、换工作，延长了水泵寿命。同时结合电网负荷信息，以“移峰填谷”原则确定开、停水泵时间，从而提高了矿井的电网质量及节约电费。井下中央泵房排水监控子系统井下中央泵房排水监控子系统 目前主要改造点：变频 软启动 远程监视及自动控制 自动控制流程：水仓水位高于上限控制装置自动选定排水管鲁打开管路闸阀控制装置自动选定待开水泵、确定射流管路开启射流检测真空度确定泵提议充水启动电机打开水泵出水口阀门并判断水泵运行正常关闭射流。瓦斯监测监控系统瓦斯监测监控系统 1）系统能实时监测瓦斯、负压、CO及风门等环境参数及风机等设备的开停状况；监测采煤掘进面的机电设备、皮带、水泵等生产工况参数和电压、电流等电力参数。2）
7、在DLP大屏幕上显示更多的工艺流程模拟图、监测曲线、表格和文字，以及主机CRT所能显示的全部的内容。3）系统具有列表显示功能 4）系统具有模拟量实时曲线和历史曲线显示功能 5）系统具有柱状图显示功能 6）系统具有模拟动画显示功能提升机电控系统提升机电控系统 提升机是煤炭矿井安全生产的关键设备之一，其可靠性、安全性和自动化程度如何，直接关系到煤矿的安全生产。提升监控系统与矿井自动化系统衔接有2种方式，第一提升监控系统通过其上位机器以太网口或RS485 接口，采用OPC 方式与调度中心的网络交换机连接，从而汇接到全矿综合自动化网络上。第二提升机电控系统采用标准的协议Modbus 协议实现与全矿井自
8、动化系统的衔接；提升机电控系统系统以Modbus 协议将信息汇集到Terminal Server 后，Terminal Server 通过光缆以TCP/IP 协议实现与中控室系统连接。在调度中心进行遥控并监视提升机的运行情况。并配以工业电视进行图像监视。提升机电控系统提升机电控系统 系统基本要求：系统基本要求：能够自动采集、显示提升机的各种运行参数，提升机运行；能够根据监测到的信号判断提升机的工作情况，故障时能及时发出报警信号。通过网络可在矿井地面调度监控中心可完成对提升机控制的各种操作。系统应能与矿井综合调度系统无缝连接，实现数据的共享。提升机电控系统提升机电控系统系统方案：系统方案：矿井提
9、升机分为2种，一种是全数字化直流提升机，另一种是全数字化交流提升机。在提升机电控行业，国外著名的厂家有ABB 和SIEMENS，其中ABB 可以提供全套绞车，包括滚筒、液压站、信号系统等，其在国内进口提升机市场上占有率基本上90%。国内中小型矿井提升机电气系统比较落后，大多限于交流电动机转子切电阻控制为主为主，一般为8 级切换，其调速性能很低。提升机电控系统提升机电控系统改造点：1、电控系统PLC改造2、低压变频改造3、高压变频改造 直接变频 高低高变频 转子变频4、制动方式及切换器件的改造 提升机电控系统提升机电控系统 低压变频改造 带制动单元的二象限变频器方案：多在负力提升状态比较少的提升
10、机上使用，比如主井绞车、矸石山绞车，正常生产情况都是重物提升，很少有重物下放状态出现。所谓二象限变频器，指的只是变频器制动能量消耗方式，配备了斩波制动单元和制动电阻，电机发电制动能量消耗在制动电阻中，同样达到四象限运行效果。这个方案的投资成本相对最小，设备通用性好。提升机电控系统提升机电控系统 低压变频改造 IGBT动态前端四象限变频器：目前最先进的四象限变频技术，它是把另一个IGBT逆变单元（相对于电机端IGBT逆变单元），反接到电源侧，相当于把电源看作一台交流电机处理，和变频器逆变输出侧背靠背连接，中间由直流母线连接。在电机正力运转时，电源侧动态前端整流输出直流电源，供逆变侧逆变，输出交流
11、变频电源，驱动电机；电机负力运转时，能量流向正好相反，电机发电状态，电机侧逆变单元整流，动态前端逆变，把能量反馈回电网。动态前端和逆变单元基本结构相同，通过直流母线，背靠背连接，因此这种结构的变频器也叫BTB(背靠背)AFE（动态前端）变频器。这种结构的变频器，解决了以上两种变频器存在的一些问题，技术虽然复杂，但是使用中可靠性更高、适应性更强，是四象限变频器的最新技术，也代表着目前变频技术的最高水平。提升机电控系统提升机电控系统 低压变频改造 整流回馈前端的四象限变频器：变频器由2部分组成：前端是整流、回馈单元，为后端逆变器提供直流电源，逆变器输出交流变频电源，连接主电机。整流、回馈单元由整流
12、和回馈两个独立的可控全桥组成，其中一组工作的时候，封锁另一组可控桥。整流回馈单元判断电机工作状态，自动转换整流或者回馈工作状态，在电机发电制动时，能量通过回馈单元反馈电网。这种结构的变频器，它的前端电源，使用的是可控硅整流、逆变技术，经过大量直流电机调速系统配套考验，技术成熟，使用可靠，成本稍高，调速性能、节能效果都满足四象限运转的要求。提升机电控系统提升机电控系统提升机电控系统提升机电控系统提升机电控系统提升机电控系统2003-3-1津友联电控数字PID调节器电路框图数数字字PID控控制制系系统统电电源源功功率率输输出出隔隔离离元元件件手手动动控控制制环环节节执执行行元元件件数数字字PID闭
13、闭环环输输出出通风机监控系统通风机监控系统以田庄煤矿通风机监控系统为例。胶带机电控系统胶带机电控系统 胶带机电控系统胶带机电控系统 采集参数：打滑、堆料、超温、烟雾、纵撕、灭尘、速度、跑偏、煤位，速度，开停，拉绳等 采集方式：PLC控制或分站式数据采集 接入方法：直接接入或转换规约胶带机电控系统胶带机电控系统空压机监控系统空压机监控系统 空压机电控空压机电控 采集参数：一级气缸排气温度、二级气缸排气温度、后冷却器排气温度 冷却水进水总管水温、空气压缩机组冷却水排水温度 空气压缩机传动机构润滑油温度、空气干燥器装置进气温度 空气干燥器装置排气温度、加热再生吸附式空气干燥装置加热器温度 加热再生吸
14、附式空气干燥装置再生气进气温度 加热再生吸附式空气干燥装置再生气排气温度 冷冻式空气干燥装置蒸发温度、压缩机空气站供气母管压力 一级气缸排气压力、二级气缸排气压力、储气罐气压 空气压缩机组冷却水进水（阀后）压力、空气压缩机组传动机构润滑油压力 空气干燥装置压差、空气过滤器压差、压缩空气站供气母管流量 电压，电流，开停，故障等 采集方式：PLC控制或分站式数据采集 接入方法：直接接入或转换规约空压机监控系统空压机监控系统 发展过程 仪表监视及超限保护单片机数据采集、记录、报警综合监控（含远程自动控制）改造点：变频改造中小型矿井低压供电为主，节能 PLC自动远程监控提高运行可靠性，减少人员变电站监
15、控系统变电站监控系统 变电站监控系统变电站监控系统 采集参数：相电压，线电压，电流，故障，开停,高压开关,馈电开关，主变温度,功率因数，电度，有功功 率，无功功率，视在功率，零序电流，频率，有功电能，无功电能等。采集方式：变电站控制系统，遵循国家标准电力101规约 接入方法：直接接入或转换规约选煤厂集控系统选煤厂集控系统 选煤厂集控系统选煤厂集控系统 采集参数：煤仓煤位，重量，各种皮带保护，开停状态，故障状态，装车车号，装车时间，车皮数量，装车日期，计量秤瞬时流量，累计流量，日产量，班产量，皮带给煤机开停，故障等 采集方式：PLC控制或分站式数据采集 接入方法：直接接入或转换规约 接入方法：直
16、接接入安装在所内的工业交换机采煤机、掘进机电控系统采煤机、掘进机电控系统 采煤机、掘进机电控系统采煤机、掘进机电控系统 采集参数：开停状态、电量参数（包含机组、工作溜、顺槽皮带的开停、电流、电压，掘进机、顺槽皮带的开停、电流、电压）采集方式：采煤机、掘进机配套电控系统 接入方法：直接接入或转换规约“数字化矿井”、煤矿信息化、煤矿综合自动化三者关系“数字化矿井”概念 “数字化矿井”是以矿山系统为原型，以地理坐标为参考系，以矿山科学技术、信息科学、人工智能和计算科学为理论基础，以高新矿山观测和网络技术为支撑，建立起的一系列不同层次的原型、系统场、物质模型、力学模型、数学模型、信息模型和计算机模型并
17、集成，可用多媒体和模拟仿真虚拟技术进行多维的表达，同时具有高分辨率、海量数据和多种数据的融合以及空间化、数字化、网络化、智能化和可视化的技术系统。它是信息化、数字化的虚拟矿山，是用信息化与数字化的方法来研究和构建的矿山，是矿山地表面之下的人类工程活动的信息全部数字化之后由计算机网络来管理的技术系统。通过它可以了解整个矿山系统所涉及的信息过程，特别是矿山系统多体之间信息的联系和相互作用的规律。“数字化矿井”、煤矿信息化、煤矿综合自动化三者关系数字化矿井实质：数字化矿井实质：一个层次是将一个层次是将“数字化矿井数字化矿井”中的固有信息（即与空中的固有信息（即与空间位置直接有关的相固定的信息，如地面
18、地形间位置直接有关的相固定的信息，如地面地形,井下地质、井下地质、开采方案、已完成的井下工程等）数字化，按三维坐标组织开采方案、已完成的井下工程等）数字化，按三维坐标组织起来一个起来一个“数字化矿井数字化矿井”，全面、详尽地刻画矿山及矿体；，全面、详尽地刻画矿山及矿体；另一个层次是在此基础上再嵌入所有相关信息（即空间位置另一个层次是在此基础上再嵌入所有相关信息（即空间位置间接有关的相对变动的信息，如储量、安全、机电、人事、间接有关的相对变动的信息，如储量、安全、机电、人事、生产、技术、营销等）组成一个意义更加广泛的、多维的生产、技术、营销等）组成一个意义更加广泛的、多维的“数字化矿井数字化矿井
19、”。后一个层次才是真正的。后一个层次才是真正的“数字化矿井数字化矿井”，而而“数字化矿井数字化矿井”是需要多个学科、高校、科研院所和煤炭是需要多个学科、高校、科研院所和煤炭企业的科技人员协同作战、长期奋斗才能实现的。企业的科技人员协同作战、长期奋斗才能实现的。“数字化矿井”、煤矿信息化、煤矿综合自动化三者关系”数字化矿井数字化矿井”结构层次结构层次(1)基础数据层。即数据获取与存储层。数据获取包括利用各种技术手段获取各种形式的数据及其预处理；数据存储包括各类数据库、数据文件、图形文件库等。该层为后续各层提供部分或全部输入数据。(2)模型层。即表述层。如空间和矿物属性的三维和二维块状模型、矿区地
20、质模型、采场模型、地理信息系统模型、虚拟现实动化模型等。该层不仅将数据加工为直观、形象的表述形式，而且为优化、模拟与设计提供输入。(3)模拟与优化层。如工艺流程模拟、参数优化、设计与计划方案优化等。“数字化矿井”、煤矿信息化、煤矿综合自动化三者关系1、从三者概念表述、内容描述及层次结构上看，存在联系：都是煤矿发展方向2、本质上没有区别，本质上没有区别，而是从不同角度提出煤炭企业今后发展的方向。三者之间信息化是实质，数字化是表达形式，自动化是基础和目的。信息化是实质，数字化是表达形式，自动化是基础和目的。所有的高产高效的现代化矿井其核心是信息，即各种信息的采集、传输、应用和反馈的闭环过程，随着计
21、算机技术、网络技术的发展，所有的信息都将以数字（化）的方式表现出来，其应用的最终价值将体现在矿井安全生产自动化（管控一体化）上，体现在企业的减人增效、保障安全上。1）信息化是现代化矿井的实质。现代化矿井实质上是依赖对矿井地理、生产、安全、设备、管理和市场等方面的信息进行采集、传输、处理、应用和提升，达到信息增值的目的。其主要内容包括信息的采集（传感器与检测）、信息的传输（通信）、信息的处理（计算机）、信息的应用与集成（自动化）等等。信息是未来煤矿企业的重要战略资源，拥有全面、完整、准确的信息是企业提高生产能力，保证安全，提高管理水平、市场应变能力和竞争能力的重要保障。美国和澳大利亚的煤炭企业美
22、国和澳大利亚的煤炭企业 走在前列走在前列“数字化矿井”、煤矿信息化、煤矿综合自动化三者关系 2）数字化是信息的表达形式，而且是信息最高、最先进的表达形式。由于计算机技术、微电子技术，尤其是网络技术的飞速发展，许多煤矿的地理信息、生产信息、安全信息、设备工况信息从采集（传感器）开始，就实现了数字化、网络化。传感器在采集信息的同时，它可以对信息进行处理、自校正等，不仅使被采集的信息更准确，而且可以在一根总线上挂许多个传感器，使信息传输系统更简便。而被采集的信息不会因传输距离和环境使精度受到影响。由于信息是以数字的形式进行采集、处理、传输和应用，因此，生产、安全、管理、市场等信息可以在一个统一的平台
23、上进行传输和交流，使所有的信息能得到更充分的应用，使所采集到的信息得到更大的增值。“数字化矿井”、煤矿信息化、煤矿综合自动化三者关系 3）自动化（管控一体化）则是现代化矿井的重要基础和目的。自动化是指机械设备或生产过程（煤矿包括环境安全）、管理过程（DA、BA）在没有人的直接参与，经过自动检测、信息传输、信息处理、分析判断、操纵控制，实现所要达到的目标。信息化（数字化）的信息绝大部分来自于各种生产、工况、安全的自动检测装置（传感器），这些是信息化（数字化）的基础。反之，由于实现了信息化（数字化），可以在地面对矿井的生产设备的工况进行监测和自动控制，可以实时、连续监测各种地理、安全信息，大大减少
24、井下作业的人数，这不仅可以提高效率，而且可以大大提高煤矿的安全水平。实现了管控一体化之后，把生产、安全和管理有机地融合在一起，在管理层可以实时采集到许多生产、安全的信息，也可以得到许多信息的变化趋势，为信息化或“数字化矿井”奠定基础。在此基础上，利用一些先进的控制理论（如人工智能、专家分析等）建立煤矿安全生产所需的决策支持系统，实现矿井安全、生产和效益的多目标优化和全矿井自动化，最终建成无人化矿井。我国煤矿今后的发展方向：煤矿综合调度指挥系统 和管控一体化指导意义 随着综合自动化技术进步和产品成熟，煤矿综合自动化是高危矿井和大型矿井的发展必然；在今后的矿井设备改造和新建过程中，为实现煤矿综合自动化做好准备，避免重复投入；煤矿综合自动化处于发展初期，需要各位专家共同出谋划策，促进煤矿综合自动化技术的近快完善。谢谢各位专家的光临，不当之处敬请批评指正！欢迎各位专家常来科大做客！
