矿井综合自动化教学模拟系统的设计

摘要:随着矿井现代化生产的不断发展,企业对自动化人才的需求不断增长,对自动化专业人才的素质要求也不断提高,这就给高等院校提出了培养电气自动化专业人才的任务,尤其是能够适应煤矿现代化生产要求的专业人才。本文针对矿井生产自动化的工作过程,搭建综合自动化网络平台,设计电力监控系统、工业电视系统、皮带运输系统、安全监控系统,构建矿井综合自动化教学模拟系统,使学生通过实际操作学习,能够体验矿井自动化生产全过程的各个环节,掌握矿井综合自动化相关基本的理论,进行模拟化的矿井生产运行过程的监控与管理。

关键词:矿井综合自动化;综合自动化网络平台;皮带运输系统;教学模拟系统

中图分类号:TP311文献标识码:A文章编号:1009-3044(2010)11-2675-03

Mine Integrated Automation Teaching Simulation System Design

SHANG Shu-yu1,2, LV Heng-zhi1,2

(1.Zhengzhou University of Light Industry, Zhenzhou 450002, China; 2.Pingdingshan Industrial College of Technology, Pingdingshan 467001, China)

Abstract: With the continuous development of the coal mine modern production, the enterprise grows unceasingly to the needs of automation Professionals, also unceasingly improve to the automation professionals' quality requirements,This gives colleges and universities propose the task of bring up electrical automation professionals, in particular, is able to adapt to the coal mine modern production requirements professionals.This article in view of coal mine production automation work process, build a Integrated Automation network platform,design Power monitoring system, industrial television system, belt transportation system, safety monitoring system, construction Mine Integrated Automation Teaching Simulation System, make the student through the actual operation study,can experience each link in the whole process of the coal mine automated production, knows the mine Integrated automation related basic theory,carries on the simulation mine production operation process monitoring and management.

Key words: mine integrated automation; integrated automation network platform; belt transportation system; teaching simulation system

随着煤矿综合自动化程度的提高,对相关岗位工作人员的专业知识和技术能力提出了更高的要求,因此就需要高校培养出一大批具有良好的职业道德,具备电气自动化技术理论知识和工矿企业生产一线职业岗位技能,能够胜任电气设备与系统的安装调试、运行维护和设备管理能力的高素质技能型专门人才。

为适应高职院校矿井自动化教学的需要,开发高职院校矿井综合自动化模拟实训系统,依托Internet网络平台,用贴近实际煤矿生产的信息内容来运行,从而能够直观地用作教学和学生实训。该系统模拟煤矿井下部分自动化监测监控系统装置。以网络(工业以太网)平台为基础,构建井下环网,仿真演示皮带运输系统和安全监控系统。学生通过实际操作学习,能够体验矿井自动化生产全过程的各个环节,掌握矿井综合自动化相关基本的理论,能够基本满足学生进行模拟化的矿井生产运行过程的监控与管理。

1 系统的总体设计

围绕实现矿井综合自动化教学模拟系统的目标,结合矿井生产自动化的工作过程,构建矿井综合自动化教学模拟系统模型。系统网络拓扑图如图1所示。

根据矿井综合自动化系统运行工作过程的分析,为适合矿井综合自动化教学内容,系统主要设计了四个子系统,即电力监控系统、工业电视系统、皮带运输系统、安全监控系统。

2 综合自动化系统软件平台

综合自动化系统平台将各子系统监控数据运用统一的通信协议格式,多种接口方式,采集、处理、汇总,构成统一的数据存取模式,对监控数据采用组态方法,为矿井生产调度用户创建形象、直观的生产动态监视画面,实时显示矿井生产工况,同时支持数据 WEB 方式浏览,通过网络方便矿生产职能部门随时掌握矿井生产动态和安全状况。

系统能实现的功能:信息的综合功能、WEB 浏览功能、权限管理、实时报警故障记录、完整的事件记录、扩展功能、系统安全性、故障报警分析统计、综合查询、历史曲线、故障报警分析。

系统的操作是在I/O服务器、WEB服务器、操作站主机上实现操作的。系统示意图如图2所示。

3 综合自动化网络系统

综合自动化网络是整个矿井安全和生产自动化实现的保障,要求有很高的可靠性和冗余特性,因此综合自动化网络都采用冗余结构,综合自动化网络的一般有现场总线方式和工业以太网方式两种。

工业现场总线是一种专门用于工业监测与控制的网络,其实时性强,安全可靠,传输速率和开放性比普通的串行通讯要高。不足之处是不能实现三网合一(数字、音频、视频的三网),数据传输量有限,不适用于大规模的复杂网络。

工业以太网传输平台的特点是能很好的满足上述对传输网络平台的要求,1000M工业以太环网同时能实现数字、音频、视频的三网合一,真正实现综合业务传输。同时采用高可靠性工业以太网协议,可满足控制网实时性的要求。

综合自动化的目标是建设成生产过程高度智能化的自动化控制系统,因此,对数据传输的要求非常高,故采用1000M工业以太网络作为构建综合自动化的高速网络平台。

综合自动化网络平台包括井下网络和井上网络两部分,通过工业以太网交换设备和光缆构成一个井上井下的光纤信息高速通道。地面交换机通过地面机房调度室的核心交换机,连接至集控中心以太网。如图3所示。

4 矿井综合自动化系统开发的原则和要求

在进行系统开发时候,为了培养学生应付未来环境的变化,在继承现有矿井自动化教学模拟系统的优点的基础上,应尽量采取大而全的原则,并从下面两点开发与设计:1) 体现矿井综合自动化的特性。2) 体现矿井综合自动化系统的功能。

矿井综合自动化系统的主要性能要求:先进性、成熟性、可靠性、安全性、实时性、易操作性、开放性、可扩展性、实用性。

矿井监控系统除了应满足性能要求外,还应满足下列系统通用要求:1) 系统应具有模拟量、开关量和累计量监测功能。2) 系统应具有声光报警、模拟量和开关量手动与自动控制功能。3) 系统应具有备用电源。当电网停电后,系统应能对主要监控量继续监控、继续监控时间应不小于2小时。4) 系统应具有自检功能。当系统中传感器、分站、主站、传输电缆等设备发生故障时,报警并记录故障时间,故障设备,以供查询及打印。5) 系统主机应双机备份,并具有手动切换功能(自动切换功能可选)。当工作主机发生故障时,备份主机投入工作,保证系统的正常工作。6) 系统应具有实时存盘功能。

5 电力监控系统设计

电力监控系统包括井下电力监控系统和地面电力监控系统两部分。

井下电力监控系统通过隔爆开关和磁力启动器配置的综合保护器,把所有的电力参数和状态信息通过串口服务器转换成RJ45信号,经由西门子交换机传输到集控中心,实现远程电力监控。

地面电力监控系统主要通过一个电量采集模块将开关柜的参数信息同用串口服务器转换成RJ45信号,经由西门子交换机传输到集控中心,实现远程电力监测。

6 工业电视系统设计

工业电视系统要求将井下各个监测点,如井下各部胶带机头、机尾、转载点、行人车场、无人职守变电所、地面工业区的要害部位、生产场地等进行图像监视,再通过传输线,进入视频服务器进行图像处理与录像,在调度台显示各个被监测点的实时情况,同时通过图形控制器,在调度台的拼接大屏幕上显示各个重要的监测点或计算机图像,从而进行有针对性的显示与控制,为生产调度指挥提供方便。

系统通过两台网络摄像机对1#皮带机和2#皮带机进行监控,然后分别在2个监视器和监控室液晶大屏幕上显示。

7 皮带运输系统

皮带运输系统系统主要模拟矿井煤矿运输现场:通过上位机来控制两天皮带机(1#皮带,2#皮带),2个给煤机(1#给煤机,2#给煤机)的演示运行。系统装置示意图如图4所示。

皮带运输系统的功能主要有:皮带运行情况和数据的实时显示,皮带开停的控制,各种保护的控制,各种异常情况的报警 (图形显示、语音),数据的历史和实时显示,皮带、给煤机每日开停时刻的查询、显示等。

皮带保护和检测主要有1) 堆煤保护,2) 低速打滑保护,3) 跑偏保护,4) 烟雾保护,5) 超温洒水保护,6) 煤位连续测量,7) 电流、电压和功率检测。

皮带运输控制装置的核心采用德国SIEMENS公司生产的S7―300可编程控制器,适用于各行各业各种场所的监测及自动化控制。控制装置具有输入/输出点数扩展,根据现场不同的控制对象及控制要求,选用不同的模块进行组合,从而完成对被控设备的逻辑控制,自动调节控制,加/减计数,脉冲输出,脉宽调制输出等功能,实现不同的控制要求。在独立运行时,完成单机自动化控制,或组网运行,构成系统实现主/从站的监控,完成复杂的控制功能。因它有很强的可靠性、强大的通讯能力和适时特性,所以具有极高的性能/价格比。通过该装置可以实现输送机的就地控制和远程控制两种控制方式。采用就地控制方式时,通过就地开停控制器的指令输入,自动启动或停止各台电机。采用远程自动控制方式时通过传输线路接收控制中心的控制指令,自动启动或停止各台电机。

皮带运输机组态控制界面设计采用MCGS全中文工业自动化控制组态软件(以下简称MCGS工控组态软件或MCGS)。

MCGS工控组态软件是一套32位工控组态软件,可稳定运行于Windows95/98/NT/2000/Me操作系统,集动画显示、流程控制、数据采集、设备控制与输出、网络数据传输、双机热备、工程报表、历史数据与曲线等诸多强大功能于一身,并支持国内外众多数据采集与输出设备,广泛应用于石油、电力、化工、钢铁、矿山、冶金、机械、纺织、航天、建筑、材料、制冷、交通、通讯、食品、制造与加工业、水处理、环保、智能楼宇、实验室等多种工程领域。

MCGS组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成,每一部分分别进行组态操作,完成不同的工作,具有不同的特性。

皮带控制系统工况图画面如图5所示,工况图画面主要由1#皮带机,2#皮带机,1#给煤机,2#给煤机,1#煤仓,2#煤仓,3#煤仓,摄像头1,摄像头2,各个传感器组成。

8 安全监控系统

安全监控系统的主要用途是为能满足大、中、小型煤矿在安全、生产监测监控、生产指挥调度和综合信息管理等各方面的要求,提供先进、可靠的技术和设备。该系统主要由井上地面中心站及配套产品和井下工作站及配套产品两大部分组成,井上地面设备安装在地面安全场所;井下设备为爆炸性气体环境用电气设备,安装在煤矿井下具有煤尘、瓦斯的爆炸性气体环境中,如图6所示。

安全监控系统主要用来监测甲烷浓度、一氧化碳浓度、二氧化碳浓度、氧气浓度、风速、负压、湿度、温度等,并实现甲烷超限声光报警、断电和甲烷风电闭锁控制等。

9 结束语

通过对矿井综合自动化系统构成的分析,提出矿井综合自动化教学模拟系统的开发原则和要求,在系统分析基础上,构建矿井综合自动化教学模拟系统的总体结构以及子系统功能模块,实现矿井综合自动化在教学中用于模拟实训的要求,以生产过程为实训项目,突出实训主题,为学生提供一个交互、实用的矿井综合自动化模拟实践环境,增强参与实践角色之间的互动性,使矿井综合自动化教学模拟系统更接近矿井综合自动化的实际工作过程,使使用者模拟矿井生产流程,通过实训设备自主完成生产监控操作,全面体验井下生产和井上监控的过程,并且可以解决学生到煤矿井下实习,安全不能有效保障的问题,可以完成电气自动化专业学生矿井综合自动化各个组成系统的训练,并且能够进行综合实训,顶岗实习和毕业设计,实现实训与工作岗位零距离对接,为学生就业打下良好的基础。

参考文献:

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