煤矿综合自动化的实现和发展趋势

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。
煤矿综合自动化系统结构图
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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。
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
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。
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：直接接入安装在所内的工业交换机
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
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 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
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。
煤矿综合自动化的实现 及发展趋势
The First Part of the Series Teaching Materials about Coal Mine Computer Integrated System
山东科技大学 刘瑞国 2007年12月
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。
井下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10~100Mbps 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。
胶带机电控系统
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
提升机电控系统
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
“数字化矿井”、煤矿信息化、煤矿综 合自动化三者关系
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）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
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。
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。
提升机电控系统
提升机电控系统
提升机电控系统
数字PID调节器电路框图
手动控 制环节 数字PID 闭环输出
数字PID控制 系统电源
功率输出 隔离元件
执行元件
2003-3-1
津友联电控
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 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
系统方案： 矿井提升机分为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
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。