煤礦綜合信息化與自動化

　　1、煤礦信息化與自動化是煤礦安全生產(chǎn)的需要

　　煤炭是我國的主要能源，約占一次能源70%左右。國民經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展離不開煤炭工業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展。到2020年要使國內(nèi)生產(chǎn)總值在2000年基礎(chǔ)上再翻兩翻，按目前能源消耗水平，將消耗標準煤40億噸?？紤]節(jié)能技術(shù)的推廣和應(yīng)用，也將消耗標準煤30～32億噸，其中原煤22～23億噸。

　　煤礦安全生產(chǎn)除需要嚴格規(guī)章制度，先進的開采和管理方法，可靠的采、掘、運、抽、通、排設(shè)備外，更離不開煤礦信息化和自動化技術(shù)及裝備。這包括環(huán)境與生產(chǎn)監(jiān)控與遙控、災(zāi)害預(yù)測預(yù)報、人員定位、生產(chǎn)調(diào)度通信、救災(zāi)通信、安全生產(chǎn)監(jiān)管等。

　　煤礦井下的惡劣環(huán)境也給煤礦信息化和自動化帶來了困難。煤礦井下的惡劣環(huán)境主要體現(xiàn)在有瓦斯等易燃、易爆性氣體，有硫化氫等腐蝕性氣體，有淋水，環(huán)境潮濕，空間狹小，礦塵大，電磁干擾嚴重，電網(wǎng)電壓波動大，工作場所分散且距離遠，無線傳輸衰減大等。

　　這就要求煤礦信息化和自動化設(shè)備滿足電氣防爆、傳輸距離遠、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)宜采用樹形結(jié)構(gòu)，電網(wǎng)電壓波動適應(yīng)能力強，抗干擾能力強，抗故障能力強，不宜采用中繼器，傳感器宜采用遠程供電，設(shè)備外殼防護性能要求高，有線傳輸與無線傳輸相結(jié)合，工業(yè)以太網(wǎng)與工業(yè)現(xiàn)場總線相結(jié)合等要求。

　　因此，針對煤礦井下的特殊環(huán)境和煤礦安全生產(chǎn)的需求，探討煤礦信息化和自動化的發(fā)展方向，研究如何通過煤礦信息化和自動化建設(shè)減少傷亡事故發(fā)生，降低百萬噸死亡率，保障煤礦安全生產(chǎn)具有十分重要的意義。

　　2、煤礦信息化和自動化的現(xiàn)狀

　　安全生產(chǎn)監(jiān)測、監(jiān)控系統(tǒng)

　　采、掘、運、提等設(shè)備的單機自動化

　　綜采工作面的設(shè)備自動化

　　煤礦運輸設(shè)備的機電一體化

　　礦井提升設(shè)備的機電一體化

　　信息管理系統(tǒng)

　　計算機數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)平臺

　　安全生產(chǎn)監(jiān)控與災(zāi)害預(yù)報包括通風安全監(jiān)控、軌道運輸監(jiān)控、膠帶運輸監(jiān)控、提升運輸監(jiān)控、供電監(jiān)控、排水監(jiān)控、礦山壓力監(jiān)控與預(yù)報、火災(zāi)監(jiān)控與預(yù)報、水災(zāi)監(jiān)控與預(yù)報、煤與瓦斯突出監(jiān)控與預(yù)報、大型機電設(shè)備健康狀況監(jiān)控與預(yù)報等。

　　(1)通風安全監(jiān)控系統(tǒng)主要用來監(jiān)測甲烷濃度、一氧化碳濃度、二氧化碳濃度、氧氣濃度、硫化氫濃度、風速、負壓、濕度、溫度、風門狀態(tài)、風窗狀態(tài)、風筒狀態(tài)、局部通風機開停、主通風機開停、工作電壓、工作電流等;并實現(xiàn)甲烷超限聲光報警、斷電和甲烷風電閉鎖控制、風窗、主通風機、局部通風機控制及地面遙控;通風系統(tǒng)故障、瓦斯爆炸預(yù)報等

　　(2)軌道運輸監(jiān)控系統(tǒng)主要用來監(jiān)測信號機狀態(tài)、電動轉(zhuǎn)撤機狀態(tài)、機車位置、機車編號、運行方向、運行速度、車皮數(shù)、空(實)車皮數(shù)等;并實現(xiàn)信號機、電動轉(zhuǎn)轍機閉鎖控制、地面遙控及調(diào)度等。

　　(3)膠帶運輸監(jiān)控主要用來監(jiān)測皮帶速度、軸溫、煙霧、堆煤、橫向撕裂、縱向撕裂、跑偏、打滑、電機運行狀態(tài)、煤倉煤位等，并實現(xiàn)順煤流啟動，逆煤流停止閉鎖控制和安全保護、地面遙控及調(diào)度;皮帶火災(zāi)預(yù)報等。

　　(4)提升運輸監(jiān)控系統(tǒng)主要用來監(jiān)測罐籠位置、速度、安全門狀態(tài)、搖臺狀態(tài)、阻車器狀態(tài)等，并實現(xiàn)推車、補車、提升閉鎖控制等。

　　(5)供電監(jiān)控系統(tǒng)主要用來監(jiān)測電網(wǎng)電壓、電流、功率、功率因數(shù)、饋電開關(guān)狀態(tài)、電網(wǎng)絕緣狀態(tài)等，并實現(xiàn)漏電保護、饋電開關(guān)閉鎖控制、地面遙控及調(diào)度。

　　(6)排水監(jiān)控系統(tǒng)主要用來監(jiān)測水倉水位、水泵開停、水泵工作電壓、電流、功率、閥門狀態(tài)、流量、壓力等，并實現(xiàn)閥門開關(guān)、水泵開?？刂啤⒌孛孢b控及調(diào)度。

　　(7)火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)主要用來監(jiān)測一氧化碳濃度、二氧化碳濃度、氧氣濃度、溫度、壓差等，并通過風門、風窗控制，實現(xiàn)均壓滅火控制;注氮滅火控制;自然發(fā)火預(yù)報等。

　　(8)礦山壓力監(jiān)控系統(tǒng)主要用來監(jiān)測地音、紅外發(fā)射、電磁發(fā)射、頂板位移、位移速度、位移加速度等，并實現(xiàn)礦山壓力預(yù)報。

　　(9)煤與瓦斯突出監(jiān)控系統(tǒng)主要用來監(jiān)測煤巖體聲發(fā)射、紅外發(fā)射、電磁發(fā)射、瓦斯涌出量、工作面煤壁溫度等，并實現(xiàn)煤與瓦斯突出預(yù)報。

　　(10)大型機電設(shè)備健康狀況監(jiān)控系統(tǒng)主要用來監(jiān)測機械振動、油質(zhì)量污染等，并實現(xiàn)故障診斷。

　　(11)人員定位系統(tǒng)主要用來監(jiān)測下井從業(yè)人員的位置，實現(xiàn)考勤管理、人員調(diào)度和救災(zāi)。

　　(12)工業(yè)電視監(jiān)視系統(tǒng)主要用來監(jiān)視主要設(shè)備和工作場所，通過圖像處理對異常狀況報警，并為地面遙控和井下無人值守提供遙視圖像。

　　管理信息系統(tǒng)(MIS)：

　　辦公自動化系統(tǒng)

　　調(diào)度報表系統(tǒng)

　　人事工資管理系統(tǒng)

　　物資庫存管理系統(tǒng)

　　財務(wù)系統(tǒng)

　　設(shè)備管理系統(tǒng)

　　地測圖管理系統(tǒng)

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　　存在的主要問題

　　缺乏統(tǒng)一的通信及信息交換標準

　　網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不規(guī)范

　　應(yīng)用軟件設(shè)計理念陳舊，開放性差

　　以縱向集成代替橫向集成

　　系統(tǒng)智能化程度不高

　　所采集的信息量少，利用率低

　　系統(tǒng)不具有開放性和互操作性

　　3、煤礦信息化和自動化的發(fā)展方向

　　系統(tǒng)的高度集成化

　　控制、決策、故障診斷功能的集成化

　　網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的分布分散化

　　系統(tǒng)的開放化和網(wǎng)絡(luò)化

　　系統(tǒng)的管控一體化

　　系統(tǒng)的智能化

　　4、煤礦綜合信息化、自動化系統(tǒng)模型

　　現(xiàn)場總線

　　FF

　　Profibus

　　CAN

　　DeviceNet

　　ControlNet

　　FF H1 現(xiàn)場總線

　　國際標準IEC 61158的第9類現(xiàn)場總線，F(xiàn)F(現(xiàn)場總線基金會)的低速現(xiàn)場總線。目前主要用于過程控制。

　　協(xié)議分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層(現(xiàn)場總線訪問子層FAS和現(xiàn)場總線報文子層FMS)、用戶層4層。

　　物理層標準為IEC61158-2，31.25Kbps,最大距離1900m，支持總線本安供電，但功率較小，不能滿足多個甲烷傳感器的要求。

　　用戶層提供了設(shè)備描述(DD)和功能塊(FB)。

　　設(shè)備描述是實現(xiàn)互操作性的基礎(chǔ)。

　　功能塊把現(xiàn)場設(shè)備的各種功能標準化(模擬量輸入、模擬量輸出、開關(guān)量輸入、開關(guān)量輸出、PID控制、邏輯和數(shù)學(xué)運算等)。變速器或執(zhí)行器裝入功能塊，可組態(tài)成完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

　　Profibus

　　國際標準IEC 61158的第3類現(xiàn)場總線，德國西門子公司開發(fā)，Profibus用戶組織(PNO)支持。

　　3個部分

　　Profibus-DP：主要用于離散控制(PLC等)現(xiàn)場級。物理層有RS-485和光纖兩種接口。

　　Profibus-PA：主要用于過程控制現(xiàn)場級，物理層采用IEC61158-2(同F(xiàn)F)，在DP基礎(chǔ)上擴展了功能塊等。

　　Profibus-FMS：主要用于監(jiān)控級，物理層有RS-485和光纖兩種接口。

　　CAN

　　CAN(Controller Area Network)總線最初是德國Bosch公司為汽車電氣控制系統(tǒng)開發(fā)的。是一種不完全的現(xiàn)場總線協(xié)議

　　CAN 的特點

　　MAC子層采用CDMA/CA(載波偵聽多路訪問/沖突避免)協(xié)議--非破壞性逐位仲裁。提高了重負荷時的吞吐率

　　比特流分為顯式(dominant)比特和隱式(recessive)比特兩類。分別表示邏輯“0”和“1”。使得非破壞性仲裁得以實現(xiàn)。

　　便于上層協(xié)議使用生產(chǎn)者/消費者模式。

　　低成本、易開發(fā)、實時性好、抗噪聲性能好。

　　DeviceNet

　　是國際標準IEC 61158的第2類總線ControlNet的最低層總線。

　　是IEC 62026(低壓開關(guān)設(shè)備及控制設(shè)備與控制器之間的接口標準)所推薦的4種總線中的第2種，我國的國家標準GB/T 18858.3-2002 《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 控制器-設(shè)備接口》等同采用該標準

　　管理機構(gòu)是ODVA(Open DeviceNet Vendor Association)， ODVA中國分部設(shè)在上海電器科學(xué)研究所。

　　使用生產(chǎn)者/消費者模式通信，取代傳統(tǒng)的源/目的的傳輸方法。

　　可選擇主/從、多主、點對點或混合的通信模式。協(xié)議支持輪循、周期、狀態(tài)改變、選通、應(yīng)用觸發(fā)等多種數(shù)據(jù)傳輸方式。輪循適用于主/從方式。周期方式適用于模擬量。狀態(tài)改變方式用于開關(guān)量。使用周期和狀態(tài)改變連接可以大幅度減少交換的數(shù)據(jù)。

　　設(shè)備規(guī)范文件保證了協(xié)議的開放性、設(shè)備的互操作性和互換性 。

　　設(shè)備規(guī)范文件描述了：設(shè)備類型的對象模型，設(shè)備類型的I/O 數(shù)據(jù)格式，配置數(shù)據(jù)和訪問該數(shù)據(jù)的公共接口

　　設(shè)備規(guī)范文件可根據(jù)(例如煤礦用傳感器)需要進行增補。

　　距離/速率：500Kbps/100m，250Kbps/250m，125Kbps/500m。

　　可以擴展標準到62.5Kbps/1000m以滿足煤礦需要。