劉勁松 唐志章

【摘 要】 針對(duì)現(xiàn)有瓦斯泵站監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)存在的監(jiān)測(cè)參數(shù)不全面、泵站控制簡(jiǎn)單粗放、難以實(shí)現(xiàn)泵站減員增效等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于多種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的涵蓋抽采計(jì)量監(jiān)測(cè)、電力監(jiān)測(cè)、安全保護(hù)、設(shè)備監(jiān)控和人機(jī)交互界面等功能模塊的瓦斯泵站監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，并詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。結(jié)合專家系統(tǒng)和模糊PIC控制，使系統(tǒng)能夠進(jìn)行故障自診斷、抽采單元安全評(píng)價(jià)、自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制等，以實(shí)現(xiàn)瓦斯泵站的無(wú)人值守。

【關(guān)鍵詞】 瓦斯泵站 自動(dòng)化 監(jiān)測(cè)監(jiān)控

引 言

為了進(jìn)一步提高礦井的綜合管理水平和企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，真正實(shí)現(xiàn)以自動(dòng)化帶動(dòng)工業(yè)化，保障礦井的安全生產(chǎn)，瓦斯泵站進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)改造，將機(jī)器人巡檢系統(tǒng)和瓦斯泵站控制系統(tǒng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化瓦斯泵站控制系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)瓦斯泵站的信息化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化，具體包括以下目標(biāo)：

1.在已建立的瓦斯泵站監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)基于振動(dòng)與視頻為主的遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)在瓦斯泵站現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)巡檢機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)“機(jī)器代人”的國(guó)內(nèi)一流的瓦斯泵站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)。

2.系統(tǒng)采用當(dāng)今國(guó)際、國(guó)內(nèi)先進(jìn)的監(jiān)控監(jiān)測(cè)技術(shù)及視頻技術(shù)，具有有效的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控及重大危害要素監(jiān)控能力，達(dá)到“預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)、預(yù)警”的目的;有效集成已建子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)綜合監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的真正融合，從而實(shí)現(xiàn)瓦斯泵站的無(wú)人值守監(jiān)控系統(tǒng)。

3.在項(xiàng)目建設(shè)的子系統(tǒng)提供運(yùn)行工況監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程無(wú)人值守監(jiān)測(cè)，提供系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)/參數(shù)的統(tǒng)計(jì)查詢，定期生成報(bào)表等功能的基礎(chǔ)上，提供系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)的自診斷與故障預(yù)警機(jī)制，實(shí)現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)程可靠性控制保護(hù)。保證系統(tǒng)的先進(jìn)性、安全性、可靠性。

1.系統(tǒng)范圍

根據(jù)瓦斯泵站目前的現(xiàn)狀，確定的建設(shè)內(nèi)容包括：

1）瓦斯泵站控制子系統(tǒng);

2）遠(yuǎn)程調(diào)度中心;

3）千兆網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng);

4）無(wú)人值守監(jiān)控子系統(tǒng);

5）機(jī)器人巡檢子系統(tǒng);

6）遠(yuǎn)程監(jiān)控中心

2.實(shí)現(xiàn)原則

瓦斯泵站機(jī)電裝備的實(shí)際應(yīng)用狀況和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，各系統(tǒng)的實(shí)際需求及具體的使用特性，同時(shí)兼顧技術(shù)新舊更替不斷加快的特點(diǎn)，整體方案設(shè)計(jì)遵循以下設(shè)計(jì)原則：

可靠性：堅(jiān)持“可靠是先進(jìn)的重要標(biāo)志”這一原則進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施。瓦斯泵站無(wú)人值守監(jiān)控系統(tǒng)必須保證高度可靠、穩(wěn)定。確保7×24小時(shí)不間斷工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)工作。充分考慮和利用各系統(tǒng)的自診斷能力、高容錯(cuò)和容災(zāi)能力。

開(kāi)放性：瓦斯泵站各系統(tǒng)應(yīng)采用外掛式、模塊化結(jié)構(gòu)，把整個(gè)各系統(tǒng)劃分為多個(gè)功能模塊，各應(yīng)用子系統(tǒng)要模塊化，減少子系統(tǒng)直接的耦合，降低整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜性，在已有子系統(tǒng)基礎(chǔ)上采用外掛式設(shè)計(jì)方案，兼容原有子系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)內(nèi)容，便于在不停機(jī)的前提下實(shí)現(xiàn)瓦斯泵站的系統(tǒng)升級(jí)與功能擴(kuò)展。

實(shí)用性：在信息化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化的同時(shí)，突出瓦斯泵站各子系統(tǒng)的實(shí)用性，切合煤礦實(shí)際使用情況，易于實(shí)施、管理和維護(hù)。對(duì)各類使用者來(lái)說(shuō)，操作簡(jiǎn)便、易用。系統(tǒng)的用戶界面友好，通俗易懂、便于操作。

安全性：在網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)環(huán)節(jié)提供安全保密措施、保證網(wǎng)絡(luò)的性能。防止非法和越權(quán)訪問(wèn)，具有高度的安全性，不易受到病毒、黑客攻擊。

兼容性：系統(tǒng)建設(shè)各階段過(guò)程中應(yīng)充分利用以前的系統(tǒng)建設(shè)成果，并平滑過(guò)渡，保護(hù)既有投資的同時(shí)，注重系統(tǒng)的開(kāi)放性與良好的可移植性，使以后硬件系統(tǒng)升級(jí)時(shí)簡(jiǎn)便易行。

擴(kuò)展性：系統(tǒng)必須有足夠的擴(kuò)展性，應(yīng)采用開(kāi)放的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)具有分布式、跨平臺(tái)的能力，一方面使系統(tǒng)以后容易升級(jí)和擴(kuò)展，另一方面也方便與其它系統(tǒng)的集成。

3.自動(dòng)化監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

目前瓦斯泵站與遠(yuǎn)程調(diào)度中心的應(yīng)用情況，設(shè)計(jì)如圖1所示的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)規(guī)劃，遠(yuǎn)程調(diào)度中心通過(guò)礦用24口三層千兆網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)連接泵站進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信;在其控制機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)置相應(yīng)的監(jiān)控設(shè)備，如視頻監(jiān)控設(shè)備、工況參數(shù)監(jiān)測(cè)設(shè)備以及巡檢機(jī)器人配套設(shè)備等等。

在瓦斯泵站內(nèi)的所有設(shè)備必須進(jìn)行隔爆處理，主要設(shè)備包括隔爆交換機(jī)、PLC控制器、防爆攝像機(jī)、隔爆巡檢機(jī)器人以及隔爆無(wú)線基站等設(shè)備。

4.瓦斯泵站自動(dòng)化監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

圖1為系統(tǒng)架構(gòu)圖。

圖1瓦斯抽放泵站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

如圖1所示，瓦斯泵站自動(dòng)化控制系統(tǒng)包括六大部分，分別為：瓦斯泵站控制系統(tǒng)集成、遠(yuǎn)程調(diào)度中心集成、千兆網(wǎng)絡(luò)改造、瓦斯泵站自動(dòng)化系統(tǒng)、機(jī)器人巡檢系統(tǒng)以及遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。其中瓦斯泵站控制系統(tǒng)集成、遠(yuǎn)程調(diào)度中心集成是目前已經(jīng)建成的子系統(tǒng)。

4.1瓦斯泵站控制系統(tǒng)

瓦斯泵站控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)瓦斯泵站的本地自動(dòng)化控制，主要完成了對(duì)瓦斯泵站的部分傳感監(jiān)測(cè)與自動(dòng)控制。操作人員通過(guò)操作臺(tái)進(jìn)行相關(guān)瓦斯泵站的控制，控制系統(tǒng)控制瓦斯泵站的電氣執(zhí)行部件實(shí)現(xiàn)瓦斯泵站的實(shí)際操作;同時(shí)，瓦斯泵站控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集傳感器參數(shù)，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)面板顯示。瓦斯泵站控制系統(tǒng)包括以下三個(gè)部分。

4.1.1監(jiān)測(cè)模塊

瓦斯泵站檢測(cè)模塊主要包括監(jiān)控分站和傳感器組成，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)管網(wǎng)中抽采氣體的濃度、流量、溫度、出口壓力等信息。

4.1.2控制模塊

控制模塊主要由PLC控制柜、高低壓配電柜、變頻器、閥門(mén)控制箱、管網(wǎng)控制器等組成，主要對(duì)泵站內(nèi)抽放泵、循環(huán)水泵、電動(dòng)閥、電磁閥、冷卻塔、排風(fēng)扇等全部設(shè)備進(jìn)行控制。

4.1.3電氣模塊

主要包括PLC控制柜、電機(jī)綜合保護(hù)器和變頻器等組成，在線監(jiān)測(cè)配電柜的電壓、電流、功率因數(shù)、分合閘位置、工作位置、試驗(yàn)位置、儲(chǔ)能狀態(tài)、變頻器頻率、輸入輸出電壓電流等信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)配電設(shè)備的監(jiān)控和管理。

4.2遠(yuǎn)程調(diào)度中心

遠(yuǎn)程調(diào)度中心通過(guò)百兆網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)485網(wǎng)關(guān)與瓦斯泵站控制系統(tǒng)連接。在調(diào)試中心處，設(shè)有一遠(yuǎn)程主控PLC，主控PLC將瓦斯泵站控制系統(tǒng)的相關(guān)傳感信息實(shí)時(shí)傳輸至遠(yuǎn)程調(diào)度中心，并在調(diào)度室演示畫(huà)面中顯示。

人機(jī)界面由操作員站和工程師站組成。操作員站主要設(shè)置在調(diào)度值班中心，用于安裝監(jiān)控軟件、SQL數(shù)據(jù)庫(kù)和組態(tài)軟件等，在線顯示抽放系統(tǒng)所監(jiān)測(cè)的各傳感器數(shù)據(jù)，報(bào)警查詢，報(bào)表生成、查詢及打印，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)Web發(fā)布以及各設(shè)備的操作控制。操作員具有瀏覽、查詢、設(shè)置等操作權(quán)限限制，不同操作員具有不同的控制權(quán)限。工程師站可采用便攜式計(jì)算機(jī)作為臨時(shí)站點(diǎn)，安裝組態(tài)開(kāi)發(fā)軟件、調(diào)試工具和 PLC 編程軟件等，用于軟件開(kāi)發(fā)、維護(hù)、調(diào)試。

4.3千兆網(wǎng)絡(luò)升級(jí)

瓦斯泵站控制系統(tǒng)與遠(yuǎn)程調(diào)度中心之間通過(guò)百兆以太網(wǎng)連接，新系統(tǒng)集成遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控和機(jī)器人遠(yuǎn)程控制，需要進(jìn)行升級(jí)改造視頻監(jiān)控信號(hào)、遠(yuǎn)程機(jī)器人巡檢系統(tǒng)以及重大危害要素監(jiān)控等子系統(tǒng)數(shù)據(jù)通過(guò)千兆以太網(wǎng)連接到調(diào)度中心。

4.4自動(dòng)化監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)需要在瓦斯泵站監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加對(duì)瓦斯泵站的振動(dòng)、潤(rùn)滑脂、煙霧與軸溫進(jìn)行監(jiān)測(cè)，需要根據(jù)瓦斯泵站的具體工況，決定采用何種方式實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑油脂的自動(dòng)控制。

同時(shí)無(wú)人值守監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)置主控PLC，通過(guò)Modbus與（原）主控PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)共享與通信，并實(shí)現(xiàn)重大災(zāi)害要素的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

4.5機(jī)器人巡檢系統(tǒng)

機(jī)器人巡檢測(cè)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)瓦斯泵站全景監(jiān)測(cè)核心部分，機(jī)器人巡檢系統(tǒng)包括安置在瓦斯泵站機(jī)房固定位置的網(wǎng)絡(luò)本安型攝像機(jī)與巡檢機(jī)器人兩大部分。

網(wǎng)絡(luò)本安型攝像機(jī)，固定在瓦斯泵站特定位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)瓦斯泵站關(guān)鍵設(shè)備的視頻監(jiān)控，同時(shí)通過(guò)第三方視角實(shí)現(xiàn)機(jī)器人巡檢的全景監(jiān)控。網(wǎng)絡(luò)本安型攝像機(jī)與千兆網(wǎng)絡(luò)通過(guò)交換機(jī)/電力交換機(jī)進(jìn)行視頻信號(hào)傳輸。

巡檢機(jī)器人是在瓦斯泵站內(nèi)安置特制的軌道機(jī)器人，機(jī)器人設(shè)有全景云臺(tái)，云臺(tái)上分別布有紅外視覺(jué)與工業(yè)聽(tīng)覺(jué)傳感器。紅外視覺(jué)傳感器，受光照影響較小，全天候視頻采集;工業(yè)聽(tīng)覺(jué)傳感器，利用聲譜分析泵站內(nèi)部或者軸摩擦與振動(dòng)狀況。巡檢機(jī)器人通過(guò)Wifi基站實(shí)現(xiàn)與千兆網(wǎng)絡(luò)的視覺(jué)與聽(tīng)覺(jué)信號(hào)傳輸。

4.6遠(yuǎn)程監(jiān)控中心

在現(xiàn)有遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)功能基礎(chǔ)上，增加視頻監(jiān)控，主軸振動(dòng)監(jiān)測(cè)，環(huán)境瓦斯監(jiān)測(cè)、煙霧監(jiān)測(cè)和機(jī)器人巡檢監(jiān)測(cè)。其中機(jī)器人巡檢監(jiān)測(cè)包括：機(jī)器人啟停、機(jī)器人行走和云臺(tái)控制，機(jī)器人視頻監(jiān)控，機(jī)器人紅外成像監(jiān)控三個(gè)功能。

遠(yuǎn)程監(jiān)控中心通過(guò)安置在遠(yuǎn)程調(diào)度中心的交換機(jī)，與本地監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。在遠(yuǎn)程監(jiān)控中心可以實(shí)現(xiàn)多路巡檢視頻監(jiān)控大屏、機(jī)器人監(jiān)控視頻顯示、機(jī)器人聽(tīng)覺(jué)監(jiān)控與機(jī)器人云臺(tái)操控。監(jiān)控中心設(shè)4路遠(yuǎn)程監(jiān)控視頻，2路徑機(jī)器人紅外視頻。

遠(yuǎn)程監(jiān)控中心安置一臺(tái)遠(yuǎn)程主控PLC，實(shí)現(xiàn)與本地主控PLC的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信。通過(guò)遠(yuǎn)程主控PLC，可實(shí)現(xiàn)瓦斯泵站的遠(yuǎn)程操控。

4.7重大災(zāi)害要素監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

重大災(zāi)害要素監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)視頻、振動(dòng)、煙霧、瓦斯、紅外熱源等危險(xiǎn)要素的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

瓦斯泵站的重大危害要素監(jiān)測(cè)部分采用專家系統(tǒng)。通過(guò)專家系統(tǒng)中錄入好的相關(guān)知識(shí)，與現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)安器采集的振動(dòng)、溫度、壓力、煙霧與熱源等數(shù)據(jù)形成對(duì)策表，采用粗糙集理論進(jìn)行決策，由推理機(jī)通過(guò)正向循環(huán)推理求解，將最終的危害要素監(jiān)測(cè)結(jié)果通過(guò)操作員站呈現(xiàn)給用戶。本系統(tǒng)通過(guò)振動(dòng)監(jiān)測(cè)，通過(guò)振動(dòng)信號(hào)的頻譜分析，提取基于振幅和頻率的重大危害要求監(jiān)測(cè)。

4.8控制方式

系統(tǒng)設(shè)有自動(dòng)、手動(dòng)、檢修三種工作方式以及本地、遠(yuǎn)程兩種控制方式。瓦斯泵站目前已具備自動(dòng)工作，操作臺(tái)可進(jìn)行按鈕控制，需要完善的是計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制。

自動(dòng)方式：自動(dòng)方式分為全自動(dòng)和計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制。全自動(dòng)方式采用模糊PID控制，對(duì)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)采用模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，進(jìn)行控制參數(shù)的自整定，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)瓦斯泵站的智能控制。

手動(dòng)方式：根據(jù)啟動(dòng)程序在操作臺(tái)面板上通過(guò)按鈕進(jìn)行瓦斯泵站啟動(dòng)、停止及相關(guān)輔助機(jī)器的啟動(dòng)、停止控制。

檢修方式：當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生故障，不能進(jìn)行自動(dòng)和手動(dòng)控制時(shí)的應(yīng)急啟動(dòng)方式?？梢栽诰偷夭倏赝咚贡谜镜母鱾€(gè)設(shè)備。

5效益分析

瓦斯泵站自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)后，每班定期（1小時(shí)/次）由巡檢機(jī)器人進(jìn)行巡視，壓風(fēng)機(jī)房真正意義上實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，由原來(lái)的一個(gè)圓班需要崗位工8人和維修人員2人，到現(xiàn)在無(wú)人值守，只需要安排1名遠(yuǎn)程操作人員和2名維修人員定期維護(hù)、保養(yǎng)、維修即可，每年可減少職工工資支出：7人*4200（元*人/月）*12月=35.28萬(wàn)元。

6結(jié)論

本系統(tǒng)的完成可以實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：

1）采集、顯示瓦斯泵站各設(shè)備運(yùn)行的電氣參數(shù)、電氣設(shè)備運(yùn)行的狀況。

2）瓦斯泵站的啟動(dòng)、停止，嚴(yán)格按啟動(dòng)程序控制各設(shè)備的起、停。

3）與礦井調(diào)度室聯(lián)網(wǎng)（千兆網(wǎng)絡(luò)）：將壓泵站各臺(tái)設(shè)備運(yùn)行的狀況通過(guò)光纖實(shí)時(shí)地傳送至礦井調(diào)度中心。

4）實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守監(jiān)控系統(tǒng)與瓦斯泵站控制系統(tǒng)的連接，增加軸溫、振動(dòng)、煙霧與潤(rùn)滑油脂的傳感檢測(cè)與分析。

5）實(shí)現(xiàn)基于巡檢機(jī)器人的瓦斯泵站房?jī)?nèi)固定視角與第一視角的全景監(jiān)控。

6）實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)度中心與本地監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)連接，包括視頻監(jiān)控、聽(tīng)覺(jué)監(jiān)控與瓦斯泵站操控。

4）打印運(yùn)行報(bào)表和報(bào)警、故障實(shí)時(shí)報(bào)表。

6）當(dāng)瓦斯泵站各個(gè)模塊發(fā)生故障時(shí)，利用運(yùn)行記錄的曲線對(duì)故障進(jìn)行分析和判斷，并及時(shí)報(bào)警。

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作者簡(jiǎn)介：劉勁松（1966—），男，漢，河南省禹州市人，大專，山西石泉煤業(yè)有限責(zé)任公司機(jī)電管理部，046299，煤礦機(jī)電自動(dòng)化技術(shù)