（安全技术及工程专业论文）煤矿地面瓦斯抽采站安全监控系统的开发.pdf

安徽理t 大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o a lm i n em e t h a n ep u m p i n gp l a n tr e a l - t i m e l ym o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e mi s e f f e c t i v em e t h o dt h a te n s u r es a f e t ys a f e t yp r o d u c t i o ni nu n d e r g r o u n do f c o a lm i n ea n d r e a s o n a b l y , e f f e c t i v e l yu t i l i z em e t h a n eg a s s o ，i ti ss i g n i f i c a n c et h a to p e r a t o rs a f e t ya n d o p e r a t es y s t e ma n dp r o d u c t i o ne q u i p m e n ta n dp r e v e n te a r l yf a i l u r eo fs y s t e m t h et h e s i sd e t a i l e d l yd e s c r i b e da n da n a l y s e dt h a td e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h e d c s s y s t e mo fc o a lm i n em e t h a n ep u m p i n gp l a n tb a s eo nh o l l i a sm a c s t h r o u g h d e v e l o p m e n to ft h ed c ss y s t e mo fc o a l m i n e m e t h a n ep u m p i n gp l a n tb a s eo n h o l l i a sm a c s ，t h ec o a lm i n em e t h a n ep u m p i n gp l a n tm o n i t o r i n gs y s t e ma c c u r a t e l y m o n i t o ra n dc o n t r o lo p e r a t i o ns t a t u so fe q u i p m e n ta n de n v i r o n m e n t a lp a r a m e t e r s ，i t p r o v i ds a f e t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h ec o a lm i n em e t h a n ep u m p i n gp r o c e s ss y s t e mr u n n i n g ， e s p e c i a l l yi tm o s t l yh a sad i s c u s s i o no nt h ep a r t s t h a ta r em o r ei m p o r t a n tt h a no t h e r si n r e l i a b i l i t ya n dt h a ta r ei m p l e m e n t e db ym e s n so fr e d u n d a n c yt e c h n i q u e a c c o r d i n gt o t h ea p p l i c a t i o na n dr e s e a r c ho nr e d u n d a n c yt e c h n i q u ea n d a n t i i n t e r f e r e n c et e c h n o l o g y i nd c s ，w eb r i n gu pt h em e t h o da n dm e a s u r e ，w h i c hc a ni n c r e a s et h er e l i a b i l i t yo f d c s i ns o f t w a r e ，i td e v e l o p st h ed c sm o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls o f t w a r eo fp u b i l c p a r a m e t e r sa n dt h es u p e rc o m p u t e rm o n i t o r i n gs o f t w a r eo ft h ec o a lm i n em e t h a n e p u m p i n gp l a n tm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nh o l l i a s m a c s r e a l i z e st h ec o a lm i n e m e t h a n ep u m p i n gp r o c e s st h ee n t i r ep r o c e s sm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l ，s p e c i f i c a l l y c o m p l e t e sc r a f tp a r a m e t e rm e t h a n ep u m p i n gp l a n ts y s t e mt e m p e r a t u r e ，c u r r e n tc a p a c i t y , p r e s s u r e ，m a t e r i a l ，a sw e l la st h ep r o c e s su n i tl o g i c a lc o n t r o l ，c o m p l e t e s a l lp r o c e s s u n i t a n dt h ec r a f tp a r a m e t e rm o n i t o r i n g ，r e p o r t st ot h ep o l i c e ，t h ed a t as t o r a g e ， t h e p r o d u c t i o nr e p o r t ，d a t as t a t i s t i c a la n a l y s i sa n ds oo nf u n c t i o n a f t e rt e s t i n gt h em o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e m ，t h es o f t w a r ec a nf i tt o g e t h e rw i t h t h eh a r d w a r ee f f e c t i v e l y , a n dh a sc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sh i g hr e l i a b l i l t y , r a i s e sp r o d u c t i v i t y e v i d e n t l y , a n dh a sg o o de c o n o m i ca n ds o c i a lp r o f i t f i g u r e1 3 2 t a b l e 2 1 r e f e r e n c e1 5 5 1 k e y w o r d s ：m e t h a n ep u m p i n gp l a n t ；m o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e m ；d i s t r i b u t e d c o n t r o ls y s t e m ；r e l i a b i l i t y ；c o n f i g u r a t i o n c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t d 7 6 i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 塞邀堡王太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示谢意。 学位论文作者签名： 日期：) 丑年j 月鱼日 f 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞邀理王太堂有保留、使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 塞徵堡王太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽理工大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位 论文在解密后适用本授权书) f l 学位论文作者签名：叫幼7 午签字日期：泗7 年舌月莎日 i ， 导师签名：钾稚傩签字日期：妒7 年6 月i o 日 1 绪论 1绪论 1 1问题的提出及研究的意义 中国煤炭储量占世界的1 1 6 ，可采储量为2 0 4 0 亿吨，位居世界第二。煤炭在 我国是及其重要的战略资源。在煤炭开采的过程中产生了大量的瓦斯气体，矿井 瓦斯是成煤过程中的一种伴生产物，其主要成分是甲烷。它是一种无色、无味、无 臭的气体。比空气轻，相对密度为0 5 5 4 。矿井瓦斯的存在状态有两种：( 1 ) 游离状 态( 也称自由状态) ；这种瓦斯以完全自由的气体状态存在于煤体或围岩的较大裂 缝、孔隙或空洞之中，通常游离瓦斯只占现有瓦斯含量的1 0 一2 0 。( 2 ) 吸附状态( 也 称结合状态) ；按其结合形式的不同，又分为吸着和吸收二种状态。吸着状态是瓦 斯气体分子在其与煤粒固体分子间的引力作用下而被吸着在煤体孔隙的内表面上 所呈现的状态，形成一层很薄的吸附层。吸收状态是瓦斯分子进入煤体胶粒结构 内部与煤部分子结合而呈现的一种状态，其类似气体溶解于液体的现象。吸附状态 存在的瓦斯量的多少：取决于煤的结构特点，炭化程度等。现有瓦斯中的绝大部分 ( 8 0 - 9 0 ) 都是吸附瓦斯。煤炭开采过程中如不及时抽出瓦斯极易造成井下工人 窒息甚至瓦斯爆炸事故，因此煤矿瓦斯一直是影响我国煤矿安全的一个重要隐患。 为了减少和解除矿井瓦斯对煤矿安全生产的威胁，利用机械设备和专用管道造成 的负压，将煤层中存在或释放出的瓦斯抽出来，输送到地面或其他安全地点的做法， 叫做瓦斯抽采。抽采瓦斯可以减少开采时的瓦斯涌出量，从而可减少瓦斯隐患和各 种瓦斯事故，是保证安全生产的一项预防性措施，同时可以减少通风负担，降低通 风费用，还能够解决通风难以解决的难题。此外，瓦斯除了含有少量的二氧化硫等 有害气体外，还对温室效应产生很大影响，因为它的主要成分是甲烷，是一种强 烈的温室气体，温室效应达n - - 氧化碳的2 1 倍，而同时瓦斯又是宝贵的清洁能源， 随着全社会对环境保护的关注度提高以及中央政府减排工作力度的加大，目前各 大矿区都在积极上马瓦斯利用项目，把抽到地面的瓦斯其他收集起来作为原料和 燃料加以利用，“变害为利 、“变废为宝”，可以起到节约煤炭资源，保护环境的 作用并带来可观的经济效益。实际上，瓦斯抽采是治理瓦斯灾害的治本措施，“先 抽后采、以风定产、监测监控被认为是我国煤矿瓦斯防治的“十二字方针 ，可 见，瓦斯抽采具有非常重要的意义。煤矿地面瓦斯抽采站是整个瓦斯抽采系统的 控制性节点，由于抽采站内机组设备运行连续性强且瓦斯气体的易燃易爆性，因 此，通过基于分散控制系统( d c s ) 的煤矿瓦斯监控系统的开发，使得本监控系 安徽理工大学硕士学位论文 统准确地监控设备的运行状况及环境参数，及时地调整工艺参数，有力的保证了 整个抽采系统运行的安全性和可靠性，大大减轻了操作人员的工作危险性和劳动 强度。本监控系统无论是对新建瓦斯抽采系统，还是对原有的瓦斯抽采站的技术 改造与升级都具有应用价值。本监控系统将在煤矿瓦斯抽采系统的模块化、标准 化、网络化等方面上一个新台阶，对于进一步推动煤矿瓦斯治理技术和煤矿安全 技术的发展具有重要意义。 1 2 课题研究的现状 由于欧美等国拥有在煤矿监控方面的技术优势，煤矿地面瓦斯抽采站监控系 统逐渐向智能化、小型化发展。其主要有美国m s a 公司，德国b e b r o 公司研制。 其主要是应用在地面钻孔瓦斯抽采系统中，并且将下游的瓦斯发电、供热等节能 减排设施一起纳入到抽采系统监控系统，实现了瓦斯抽采、利用全链条的监控。 我国的地面瓦斯抽采站监控装置发展的较晚，目前有大连矿山安全科学技术研究 院开发的k j f 2 0 0 0 、煤炭科学研究总院重庆分院开发的m d m 9 5 k 、j 9 0 等。其下 层主控单元主要是各家自己开发的硬件装置，上层组态软件多为m c g s 、 组态 王或为用v b 、c 编写的上位程序。这些监控系统具备以下功能：实时的完成信 息采集和处理；具有适当的存储容量，存储一定数量的实时数据和历史数据；可 以显示被测量的数值、生产系统的运行情况和变化曲线、以及工艺过程的模拟图； 当测量值超限或者系统发生故障时报警；对被控设备发出控制命令。这些功能都 在工业现场的监控方面发挥了重要作用。近年来国内这领域中出现的基于现场 总线的新型控制系统具有完备的防爆保护措施，以保证在爆炸危险环境中生产过 程的绝对安全，并且有很高的可靠性，以保证数据在任何状况下的可靠传输，即 可以做到“线路冗余”，可以实现现场设备的在线插拔，而不影响在线系统的正常 工作，从而大大的提高了系统的稳定性和可靠性。 存在问题：目前国内开发的地面瓦斯抽采站监控系统中的主控制器都是单机 系统，由于系统是长时间连续工作，随着工作时间的延长将加大故障的发生，降 低了系统的可靠性。此外，现在正在使用的地面瓦斯抽采站监控系统多使用类似 p l c 的控制器，没有真正考虑到抽采系统是一个连续生产的过程工艺过程，这样 易造成对于连续工艺生产过程实时监控的准确性和可靠性方面的问题。 l 绪论 1 3 集散控制系统的发展概况 1 3 1d c s 的发展历程 1 集散控制系统的发展阶段 集散控制系统是1 9 7 5 年首先由美国霍尼威尔( h o n e y w e l l ) 公司推出的 t d c2 0 0 0 ( t o t a l d i s t r i b u t e dc o n t r 0 1 ) ，这一系统的发表立即引起工业控制界的高度 评价。随即，世界各大仪表制造公司、计算机制造公司推出一个又一个集散控制 系统，它们的硬件和软件功能不断完善和强化。 集散控制系统大体可分三个发展阶段。 第一阶段：1 9 7 5 1 9 8 0 年。在这个时期罩集散控制系统的技术重点表现为： 1 ) 采用以微处理器为基础的过程控制单元( p r o c e s sc o n t r o l u n i t ) ，实现了分散 控制，有各种控制功能要求的算法，通过组态( c o n f i g u r a t i o n ) 独立完成回路控制； 具有自诊断功能，在硬件制造和软件设计中应用可靠性技术；在信号处理时、采 取抗干扰措施，它的成功使分散控制系统在过程控制中确立了重要地位。 2 ) 采用带c r t 屏幕显示器的操作站与过程控制单元的分离，实现集中监视、 集中操作、系统信息综合管理与现场控制相分离，就是人们俗称的“集中分散综 合控制系统”集散控制系统的由来，这是集散控制系统的重要标志。 3 ) 采用较先进的冗余通信系统，用同轴电缆作传输媒质，将过程控制单元的 信息送到操作站和上位计算机，从而实现了分散控制和集中管理。 第二阶段：1 9 8 0 一1 9 8 5 年。在这个时期里集散控制系统的技术重点表现为： 1 ) 随着世界市场需求量变化，畅销产品的换代周期愈来愈短，单纯以连续过 程控制为主己不适应，而要求过程控制单元增加批量控制功能和顺序控制功 能，从而推出多功能过程控制单元。 2 ) 随着产品竞争愈来愈激烈，迫使生产厂家提高产品质量，增加品种，降低 成本，增强效益，故要求实行优化管理和质量管理。在操作站及过程控制单元采 用1 6 位微处理器，使得系统性能增强，工厂级数据向过程级分散，这就要求具有 高分辨率的c r t 及更强的图面显示、报表生成和管理能力等，从而推出增强功能 操作站。 3 ) 随着生产过程要求控制系统的规模多样化，老企业的装置控制系统改造项 目愈来愈多，要求强化系统的功能，通过软件扩展和组织规模不同的系统，使系 统功能强化。 4 ) 随着计算机局域网络技术的发展，市场需要d c s 系统强化全系统信息管 3 - 安徽理工大学硕士学位论文 理，加强通信系统，实现系统无主站的n ：n 通信网络上各设备处于“平等”的 地位，由于通信系统的完善与进步，更有利于控制站、操作站、可编程逻辑控制 器和计算机互联，便于多机资源共享和分散控制。显而易见，如果说第一阶段集 散控制系统以实现分散控制为主的话，第二阶段则是以实现全系统信息的管理为 主。 第三阶段：1 9 8 5 年以后。这个时期集散控制系统进入了第三代，其技术重点 表现为： 1 ) 尽管第二代d c s 产品的技术水平已经相当高，但各厂商推出的产品为了保 护自身的利益，采用的是专用网络，亦可称为封闭系统。对于大型工厂，企业采 用多个厂家设备，多种系统，要实现全企业管理，必需使通信网络开放互联，采 用局域网络标准化，第三代d c s 的主要改变是采用开放系统网络。 2 ) 为了满足不同用户要求，适应中、小规模的连续、间歇、批量操作的生产 装置及电气传动控制的需要，各制造厂又开发了中、小规模的集散系统，受到用 户欢迎。 3 ) 操作站采用了3 2 位微处理器，信息处理量迅速扩大处理加工信息的 质量提高；采用触模式屏幕，转球式光标跟踪器及鼠标器；运用窗口技术及智能 显示技术：操作完全图形化，内容丰富、直观、画面显示的响应速度加快，便于 操作和指导，完全实现c r t 化操作。 4 ) 操作系统软件通常采用实时多用户多任务的操作系统，符合国际通用 标准，操作系统可以支持b a s i c 、f o r t r a n 、c 语言、梯形逻辑语言和一些专 用控制语言。组态软件提供了输人输出、选择、计算、逻辑、转换、报警、限幅、 顺序控制等软件模块，利用这些模块可连成各种不同回路，组态采用方便的菜单 或填空方式。控制算法软件近百种，既能实现连续控制、顺序控制和梯形逻辑控 制，又能实现p i d 参数自整定和自适应控制等。操作站配有作图、数据库管理、 表报生成、质量管理曲线生成、文件传递、文件变换、数字变换等软件。系统软 件更加丰富和完善。 从集散控制系统的发展历史来看，集散控制系统将向着两个方向发展：一个 方向是向着大型化的c i m s 计算机集成制造系统c i p s 计算机集成生产系统发展； 另一个方向则是向着小型及微型化，现场变送器智能化，现场总线标准化方向发 展。系统的主机将采用开放结构的工作站，系统的通信网络将是开放系统的网络， 系统的软件在引入应用专家系统与人工智能等方面会进一步完善，集散控制系统 更加适应各种工业控制与管理的需要，将会取得更好的技术经济效益。 1 绪论 1 3 2d c s 的特点 d c s 具有以下特点： 1 高可靠性由于d c s 将系统控制功能分散在各台计算机上实现，系 统结构采用容错设计，因此某一台计算机出现的故障不会导致系统其它功能 的丧失。此外，由于系统中各台计算机所承担的任务比较单一，可以针对需 要实现的功能采用具有特定结构和软件的专用计算机，从而使系统中每台计 算机的可靠性也得到提高。 2 开放性d c s 采用开放式、标准化、模块化和系列化设计，系统中各 台计算机采用局域网方式通信，实现信息传输，当需要改变或扩充系统功能 时，可将新增计算机方便地连入系统通信网络或从网络中卸下，几乎不影响 系统其他计算机的工作。 3 灵活性通过组态软件根据不同的流程应用对象进行软硬件组态，即 确定测量与控制信号及相互间连接关系、从控制算法库选择适用的控制规律 以及从图形库调用基本图形组成所需的各种监控和报警画面，从而方便地构 成所需的控制系统。 4 易于维护功能单一的小型或微型专用计算机，具有维护简单、方便 的特点，当某一局部或某个计算机出现故障时，可以在不影响整个系统运行 的情况下在线更换，迅速排除故障。 5 协调性各工作站之间通过通信网络传送各种数据，整个系统信息共 享，协调工作，以完成控制系统的总体功能和优化处理。 6 控制功能齐全、控制算法丰富，集连续控制、顺序控制和批处理控 制于一体，可实现串级、前馈、解耦、自适应和预测控制等先进控制，并可 方便地加入所需的特殊控制算法。d c s 的构成方式十分灵活，可由专用的 管理计算机站、操作员站、工程师站、记录站、现场控制站和数据采集站等 组成，也可由通用的服务器、工业控制计算机和可编程控制器构成。处于 底层的过程控制级一般由分散的现场控制站、数据采集站等就地实现数据采 集和控制，并通过数据通信网络传送到生产监控级计算机。生产监控级对来 自过程控制级的数据进行集中操作管理，如各种优化计算、统计报表、故障 诊断、显示报警等。随着计算机技术的发展，d c s 可以按照需要与更高性能 的计算机设备通过网络连接来实现更高级的集中管理功能，如计划调度、仓 储管理、能源管理等。 5 安徽理工大学硕士学位论文 1 3 3d c s 的结构及其主要功能 d c s 是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统，它是 在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的。在系统功能方面，d c s 和集 中式控制系统的区别不大，但在系统功能的实现方法上却完全不同。 首先，d c s 的骨架系统网络，它是d c s 的基础和核心。由于网络对于 d c s 整个系统的实时性、可靠性和扩充性，起着决定性的作用，因此各厂家 都在这方面进行了精心的设计。对于d c s 的系统网络来说，它必须满足实 时性的要求，即在确定的时间限度内完成信息的传送。这里所说的“确定” 的时间限度，是指在无论何种情况下，信息传送都能在这个时间限度内完成， 而这个时间限度则是根据被控制过程的实时性要求确定的。因此，衡量系统 网络性能的指标并不是网络的速率，即通常所说的每秒比特数( b p s ) ，而是 系统网络的实时性，即能在多长的时间内确保所需信息的传输完成。系统网 络还必须非常可靠，无论在任何情况下，网络通信都不能中断，因此多数厂 家的d c s 均采用双总线、环形或双重星形的网络拓扑结构。为了满足系统 扩充性的要求，系统网络上可接入的最大节点数量应比实际使用的节点数量 大若干倍。这样，一方面可以随时增加新的节点，另一方面也可以使系统网 络运行于较轻的通信负荷状态，以确保系统的实时性和可靠性。在系统实际 运行过程中，各个节点的上网和下网是随时可能发生的，特别是操作员站， 这样，网络重构会经常进行，而这种操作绝对不能影响系统的正常运行，因 此，系统网络应该具有很强在线网络重构功能。 其次，这是一种完全对现场i o 处理并实现直接数字控制功能的网络节 点。一般一套d c s 中要设置现场i o 控制站，用以分担整个系统的i o 和控 制功能。这样既可以避免由于一个站点失效造成整个系统的失效，提高系统 可靠性，也可以使各站点分担数据采集和控制功能，有利于提高整个系统的 性能。d c s 的操作员站是处理一切与运行操作有关的人机界面( h m i h u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e 或o p e r a t o ri n t e r f a c e ) 功能的网络节点。 系统网络是d c s 的工程师站，它是对d c s 进行离线的配置、组态工作 和在线的系统监督、控制、维护的网络节点，其主要功能是提供对d c s 进 行组态，配置工作的工具软件( 即组态软件) ，并在d c s 在线运行时实时地 监视d c s 网络上各个节点的运行情况，使系统工程师可以通过工程师站及时 调整系统配置及一些系统参数的设定，使d c s 随时处在最佳的工作状态之 6 1 绪论 下。与集中式控制系统不同，所有的d c s 都要求有系统组态功能，可以说， 没有系统组态功能的系统就不能称其为d c s 。 d c s 自1 9 7 5 年问世以来，已经经历了二十多年的发展历程。在这二十 多年中，d c s 虽然在系统的体系结构上没有发生重大改变，但是经过不断的 发展和完善，其功能和性能都得到了巨大的提高。总的来说，d c s 正在向着 更加开放，更加标准化，更加产品化的方向发展。 1 4 本文的主要内容 本课题研究开发了地面瓦斯抽采站机组过程监控系统，主要工作包括以下几 方面： 1 对基于h o l l i a sm a c s 的分散控制系统的煤矿地面瓦斯抽采站监控系统 的设计与实现进行了系统地分析和描述。 2 对瓦斯抽采站机组的工艺流程进行分析。给出了瓦斯抽采站机组分布式监 控系统的总体设计方案。确定监控系统的硬件配置以及网络组成。 3 分析影响监控系统可靠性的因素，分别从系统、硬件和软件三个方面研究 提高监控系统可靠性的措施，尤其对系统硬件中可靠性要求比较高并采用冗余技 术实现的部分进行了详细的理论论述。 4 编写地面瓦斯抽采站监控系统的d c s ( 分布式控制系统) 控制程序，及基 于m a c s 的上位机的地面瓦斯抽采站机组过程监控软件。 7 安徽理工大学硕十学位论文 2 过程工艺及系统设计 2 1系统的设计指标和要求 综合考虑系统的安全、高效、长周期运行特性，设计出的该套瓦斯抽采智能 监控系统需满足如下要求： 1 选择防爆、耐高温、高抗震、寿命长的温度、压力、流量、浓度传感器。 2 对地面泵站进口管道内的介质的流量、压力、温度以及其瓦斯浓度进行监 测。例如：对本站内的四台水环真空泵的轴瓦温度、泵出口瓦斯浓度及泵出口压 力进行监测；对于液压泵站油压、热水池温度、压力进行监测。 3 当各检测点处的实时温度值、实时瓦斯浓度值超过预设的报警值时，声光 报警，超过预设的停机值时，自动停止运行水环真空泵，并防止自启动( 即下次启 动时必须重新按下启动按钮，防止故障期间的频繁启动) 。具体报警参数、停机参 数如表1 所示。 表1 系统主要参数列表 t a b l e1t h et a b l eo ft h em o n i t o r i n gd a t a 环境1 # 泵2 # 泵3 # 泵4 # 泵 瓦斯 报警值0 3 0 3 0 3 0 3 浓度 停机值 0 5 0 5 0 5 0 5 l # 泵轴瓦 2 # 泵轴瓦3 # 泵轴瓦4 # 泵轴瓦 轴瓦 报警值7 5 。c 7 5o c 7 5 。c7 5 。c 温度 停机值8 0o c8 0o c8 0o c8 0 。c 液压站油压液冷水池液位热水池液位 油压 报警值 0 3 5 m p a 报警 1m1m 开机值 0 5 m p a 位 开机 o 6mo 6m 4 系统应具有备用电源。当电网停电后，系统应能对甲烷、管道负压、一 氧化碳、阀门开关状态等主要监控量继续监控，继续监控时间应不小于1 小时。 5 系统的各检测点的报警值、动作值以及一些系统内部参数可以随时修改。 6 系统主机应双机备份，并具有手动切换功能。当工作主机发生故障时，备 8 2 过程工艺及系统设计 份主机投入工作，保证系统的正常工作。 7 系统应具有模拟动画显示功能，以便形象、直观、全面的反映抽采系统 的运行状况。显示内容包括工艺流程模拟图、相应设备开停状态、相应模拟数值 等。 8 系统应具有防雷措施，防止雷电击毁设备，引起瓦斯爆炸。 9 系统应具有抗干扰措施，防止大型机电设备启停等电磁干扰影响系统正常 工作。 1 0 系统应工作稳定，性能可靠。 2 2 系统总体结构方案 由于煤矿瓦斯抽采系统生产的全过程中监控的主要对象是具有一定浓度的瓦 斯气体，且整套系统需要长周期连续运行，所以煤矿瓦斯抽采监控系统必须具备 以下三个条件。 1 必须保证监控系统具有适用于工业现场且高可靠性的硬件结构。 2 必须保证监控系统具有高采样率和事故追忆功能，即要能采集和保存事 故现场的全部信息不丢失任何数据。 3 必须保证监控系统具有高度的灵活性和极好的扩展性。 基于以上考虑，我们采用分散式控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，d c s ) 来代替常用的可编程序控制器( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ，p l c ) 。d c s 是在 吸收了模拟仪表控制系统和直接计算机控制系统优点的基础上发展起来的实现了 人机对话的技术，系统扩展灵活，在实现控制功能分散的同时分散了危险性，并 将参数显示和操作部分进行集中，具有很高的可靠性。 2 2 1 研究开发瓦斯抽采站监控系统的目的 瓦斯是易燃易爆气体，煤矿地面瓦斯抽采站是重点的安全监控单位。对于瓦 斯地面抽采站监控系统的课题研究有很明确的目的性： 1 运用系统可靠性分析法对监控系统进行可靠性分析，对系统的软、硬件的 存在可靠性隐患的部分给予分析并给出解决措施。 2 对抽采站工作系统中的运行设备，如电机、阀门及其他伺服元件的工作状 态进行监视控制，对故障进行显示及报警，便于操作人员及时停止运行进行维修。 3 显示系统监控对象( 如温度、压力等) 的当前值，并支持通过数据库的历史 数据查询，为操作及上级管理人员提供抽采工艺实时参数。 9 安徽理工大学硕士学位论文 2 2 2 煤矿瓦斯抽采站监控系统的设计原则 1 可操作性原则： 在操作人员发出操作命令后，监控系统可以自动按照预先设定的流程完成全 部操作，也可以在操作人员的干预下进行单步操作。 2 安全可靠性原则： 操作过程中的每一步操作都设置启动条件，以防止误动作或误操作。在配置 上采用冗余配置( 双主控单元热备用冗余运行和网络冗余配置) 。对重要的控制操 作应采用冗余操作命令以确保操作的安全可靠性。 3 主控单元独立性原则： 为防止主控制单元与上位机的通道或上位机故障时影响设备的正常运行，主 控单元必须能脱离上位机单独运行，并且有运行监测记录等功能。 4 可扩展性原则： 监控流程应可以根据工艺流程的改变而修改，以便扩展和完善监控系统的监 控功能。 2 2 3 煤矿瓦斯抽采站监控系统的网络组成 h o l l i a s m a c s 系统是通过以太网和基于现场总线技术的控制网络连接的 由工程师站、操作员站、现场控制站、通讯站、系统服务器组成的综合信息系统。 h o l l i a s m a c s 系统硬件由工程师站、操作员站、现场控制站( 包括控制 器、电源模块、和i 0 模块) 、通讯站、系统服务器、监控网络、系统网络、控制 网络等组成，如图1 所示。其中监控网络实现工程师站、操作员站、通讯站与系 统服务器的互连，系统网络实现现场控制站与系统服务器的互连，控制网络实现 现场控制站与过程i 0 单元的通讯。 1 监控网络 监控网络( m n e t ) 由1 0 0 m b p s 冗余快速以太网络构成，用于系统服务器与 工程师站、操作员站、通讯站的连接，完成工程师站的数据下装，系统服务器与 操作员站、通讯站的实时数据通讯。拓扑结构为星型。在操作员站、工程师站、 系统服务器、通讯站内配置有两块用于完成监控网络通讯功能的1 0 0 m b p s 以太网 卡，网卡p 地址分别设成不同的网段，用以太网线将两个网卡与各自网段的网络 交换机相连，即完成了监控系统网络的连接。 2 系统网络 1 0 2 过程工艺及系统设计 系统网络( s n e t ) 由1 0 0 m b p s 冗余工业以太网构成，用于系统服务器与现 场控制站等节点的连接，完成现场控制站的数据下装，系统服务器与现场控制站 之间的实时数据通讯。拓扑结构为星型。系统服务器另配两块用于完成系统网络 通讯功能的1 0 0 m b p s 以太网卡，用于与主控单元的通讯。d c s 系统主控单元提供 双冗余以太网接口。 3 控制网络 控制网络( c n e t ) 是现场控制站的内部网络，实现控制机柜内的各个i o 模块和主控单元之间的互连和信息传递，采用p r o f i b u s d p 现场总线与各个i o 模块及智能设备连接，实时、快速、高效的完成过程或现场通讯任务。 s t 日峪 0 p s h l j b m c u f m ： 图1 基于网络与d c s 的监控系统组成框图 f i gld i a g r a mo fo n l i n em o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nn e t w o r k a n dd c s 安徽理工大学硕士学位论文 4 现场总线 现场总线( f i e l db u s ) 是应用在现场，在智能化测量控制设备之间实现双向 串行多接点数字通信的系统，是开放式的底层控制网络。 现场总线的特点是现场控制设备具有通信功能，便于构成工厂底层控制 网络。通信标准的公开、一致，使系统具备开放性，设备间具有互可操作性。 功能块与结构的规范化使相同功能的设备间具有互换性。控制功能下放到现 场，使控制系统结构具备高度的分散性。 现场总线的优点是现场总线使自控设备与系统步入了信息网络的行列， 为其应用开拓了更为广阔的领域；一对双绞线上可挂接多个控制设备，便于 节省安装费用；节省维护开销；提高了系统的可靠性；为用户提供了更为灵 活的系统集成主动权。 p r o f i b u s 是比较有影响的现场总线技术之一。p r o f i b u s 可使分散式数字化控 制器从现场底层到车间级网络化，把系统分为主站和从站。主站决定总线数据的 通讯，当主站得到总线控制权，没有外界请求也可以主动发送信息。从站没有总 线控制权，仅对接收到的信息给予确认或当主站发出请求时向它发送信息。 p r o f i b u s 根据应用特点分为p r o f i b u s d p 、p r o f i b u s f m s 、p r o f i b u s p a 、三种协议。 p r o f i b u s d p 是经过优化的高速通信连接，专为自动控制系统和设备级分散i o 之 间通讯而设计，使用p r o f i b u s d p 模块可以取代价格昂贵的2 4 d c v 和4 - 2 0 m a 并 行信号线，用于分布式控制系统的高速数据传输。 2 2 4 分布式总体方案的特点及优点 由于计算机分散控制系统采用了先进的计算机控制技术和网络通信技术相结 合，这种集中式管理体现出了以下几个优点： 1 系统的结构网络化 d c s 在结构上采用了网络化的结构，它是一套多机处理系统，以数据共享为 基础，各个微处理机都可以有自己的局部操作系统和运算处理功能，所以系统配 置十分灵活，可以实现积木化的硬件配置。当系统规模需要扩大或缩小时，只需 根据需要在系统小增加一些新的功能单元或拆去某些单元即可，对系统的完整性 没有太大影响。这种方式有利于系统的进一步完善和扩展。 2 控制功能分散化 在d c s 中，整个生产过程的控制功能是由若干基本控制单元来完成的。每个 一1 2 2 过程工艺及系统设计 基本控制单元根据系统的分散程度不同，负责控制和管理的子系统数量也不同。 这样一旦某一个控制站发生故障，只会影响到少数于系统，不像“集中式”计算 机控制那样影响到整个系统，这就是分散控制系统的“分散 控制功能。这一特 点大大提高了系统的安全可靠性。 3 监控管理集中化 在d c s 中，操作员接口站采用c r t 显示和键盘操作技术，可以实现对多种 过程画面、参数、变量和现场设备的监控及管理。运行管理人员在c r t 上既能综 观全局，又能监视和操作某一设备或系统，与繁多的常规仪表监控系统相比，方 便了对生产过程的管理和调度。 本章小结：本章重点叙述了煤矿地面瓦斯抽采站安全监控系统的设计指标和要 求，并给出了监控系统总体结构方案，其中包括监控系统的设计目的、原则及监 控系统的网络组成。总结了分布式结构监控系统方案的优点。 1 3 安徽理工大学硕+ 学位论文 3煤矿瓦斯抽采站监控系统的组成 3 1 监控系统传感器的选型 煤矿地面瓦斯抽采站监控系统需要采集温度信号、负压信号、流量信号、瓦 斯浓度信号、水位信号等，其信号采集传感器的选型列表如2 所示： 表2 传感器列表 t a b l e2t h el i s to ft h es e n s o r 传感器类型厂家型号 温度传感器铂电阻上海仪表 p t l 0 0 负压传感器 硅压力元件 常州自动化 k g y 3 a 流量传感器涡街重庆煤科院 c l u l 2 8 g 高浓度瓦斯传感器 红外式重庆煤科院 g j g l 0 0 h ( b ) 低浓度瓦斯传感器光干涉重庆煤科院g j g l 0 a 液位传感器超声波式北京欧迪蒙 u x o c s 接近开关电感式上海俊升l w l 8 1 温度传感器热电阻温度传感器是利用物质在温度变化时本身电阻也随 着发生变化的特性来测量温度的。当被测介体中有温度梯度存在时，所测的温度 是感温元件所在范围介质中的平均温度。与工业用电热偶相比较，热电阻主要用 于2 0 0 以下的工业环境中。p t l 0 0 工业用热电阻作为温度测量传感器，常与温度 变送器，调节器以及显示仪表等配套使用，成过程控制系统，以直接测量或控制 各种生产过程中- 2 0 0 - 5 0 0 。c 范围内的液体、汽和气体介质以及固体表面的温度。 2 负压传感器k g y 3 a 型负压传感器用于连续测量矿井或瓦斯抽采管道 该传感器采用高灵敏度微型硅压力传感元件，具有精度高、稳定可靠、使用方便 等特点。 3 流量传感器 c l u l2 8 g 型智能涡街气体流量仪适用于煤矿钻孔瓦斯流 量、瓦斯抽采管道流量的测量。其具有以下优点：一、阻力损失小；二、测量精 度高；三、智能化程度高，可排除人为因素对测定结果的影响；四、使用方便， 只需将传感器与流量仪相连即可使用；五、稳定可靠；六、具有数据断电保护功 1 4 3 煤矿瓦斯抽采站监控系统的组成 能。 4 高浓度瓦斯传感器g j g l 0 0 h ( b ) 型红外甲烷传感器是一种专门用以监 测煤矿井下高低浓度甲烷气体的本质安全型检测仪表。能连续监测甲烷，具有 就地显示甲烷浓度值，超限声光报警等功能，还能输出断电控制信号，控制信号 的断电点可任意设定，实现了一机多用。能自动地将检测到的甲烷浓度转换成标 准的电信号输送给监控系统。井下监控系统根据本传感器输出的断电信号实现 必要的近、远程设备断电。本机在设计上采用新型单片微机和高集成数字化电 路，结构简单、性能可靠、调试、维护方便。传感头为新型红外探测元件，整 机性能稳定，寿命长调校周期长。传感器的零点、灵敏度及报警点皆采用红外 遥控器调节。传感器电源部分采用了新型的开关电源，整机功耗低，增加了传 感器的传输距离。本机还具有故障自检功能，使用、维护方便，其外壳采用了 高强度结构设计，抗冲击能力强。 5 低浓度瓦斯传感器g j g l 0 a 光干涉甲烷传感器主要用于监测煤矿井 下环境气体中的甲烷浓度，可以连续自动地将井下甲烷浓度转换成标准电信号输 送给关联设备，并具有就地显示甲烷浓度值，超限声光报警等功能。 应用光干涉原理来测量甲烷浓度，克服了载体催化元件式甲烷传感器使用寿 命短、易中毒、稳定性差等缺点，采用嵌入式控制系统对信号进行多重技术处理 和分析，使用寿命超过三年。具有性能稳定、寿命长、测量精确、响应速度快， 结构坚固、易使用易维护等特点。 6 液位传感器u x o c s 系列超声波液位计是一种先进的非接触式物位测 量仪器，用来取代各类原始液位计，直接安装在被测介质的上方。采用小功率、 小盲区收发一体式进口超声波传感器，通过测量时间差的原理，经微处理器进行 信号处理精密计算，测得液料距离。主要技术特点：非接触式测量，环保、安全、 方便；内置温度补偿，测量精度高，运行稳定；一体化设计外型美观大方、安装 使用方便；现场数字化显示液位高低，并输出4 - 2 0 m a 或2 0 0 1 0 0 0 h z 工业标准 模拟信号，上、下限报警；可实现信号远距离传输，配接m c i 1 型电脑液位控制 仪可实现液位( 物位) 的自动控制；有掉电保护功能，突然掉电信息不会丢失； 有防止假信号干扰功能。 7 接近开关l w l 8 采用新型专用i c 制造，性能稳定非接触式位置检测， 无磨损，长寿命具有极性保护和短路保护功能备有连接器型，方便于安装及维 护全密封式结构，更具防水性能。电感式接近开关由三大部分组成：振荡器、 开关电路及放大输出电路。振荡器产生一个交变磁场。当金属目标接近这一磁场， 并达到感应距离时，在金属目标内产生涡流，从而导致振荡衰减，以至停振。振 1 5 安徽理工大学硕士学位论文 荡器振荡及停振的变化被后级放大电路处理并转换成开关信号，触发驱动控制器 件，从而达到非接触式的检测目的。 3 2 监控系统的配置方案 本系统主要由监测和控制两部分组成，主要配置为：上位p c 机、主控单元、 电源模块、f m 系列u o 模块等。 1 8 j 1 主控单元f m 8 0 1 型主控单元是f m 系列硬件系统现场控制站的核心设 备，实现对本站下f o 模块数据的采集及运算和接受服务器的组态命令及数据交 换。通过冗余以太网接口把现场控制站的所有模块上传到f m 系列硬件系统服务 器、操作员站，工程师站指令也通过以太网下传到f m 8 0 1 ，本监控系统中选用 两块主控单元，互为热备用。其结构原理图见图2 所示。 f m 8 0