瓦斯泵站自动化监测监控系统应用

刘劲松 唐志章

【摘 要】 针对现有瓦斯泵站监测监控系统存在的监测参数不全面、泵站控制简单粗放、难以实现泵站减员增效等问题，设计了一种基于多种现场总线技术的涵盖抽采计量监测、电力监测、安全保护、设备监控和人机交互界面等功能模块的瓦斯泵站监测监控系统，并详细阐述了系统的结构和功能。结合专家系统和模糊PIC控制，使系统能够进行故障自诊断、抽采单元安全评价、自动调节和控制等，以实现瓦斯泵站的无人值守。

【关键词】 瓦斯泵站 自动化 监测监控

引 言

为了进一步提高矿井的综合管理水平和企业的核心竞争力，真正实现以自动化带动工业化，保障矿井的安全生产，瓦斯泵站进行自动化监测监控系统改造，将机器人巡检系统和瓦斯泵站控制系统结合，实现远程实时监测的自动化瓦斯泵站控制系统。实现瓦斯泵站的信息化、网络化、集成化，具体包括以下目标：

1.在已建立的瓦斯泵站监控系统的基础上，实现基于振动与视频为主的远程自动化监测监控系统，通过在瓦斯泵站现场设计巡检机器人，实现“机器代人”的国内一流的瓦斯泵站自动化监控系统。

2.系统采用当今国际、国内先进的监控监测技术及视频技术，具有有效的运行状态监控及重大危害要素监控能力，达到“预测、预报、预警”的目的;有效集成已建子系统，实现综合监控数据的真正融合，从而实现瓦斯泵站的无人值守监控系统。

3.在项目建設的子系统提供运行工况监测与远程无人值守监测，提供系统运行状态/参数的统计查询，定期生成报表等功能的基础上，提供系统内部状态的自诊断与故障预警机制，实现设备远程可靠性控制保护。保证系统的先进性、安全性、可靠性。

1.系统范围

根据瓦斯泵站目前的现状，确定的建设内容包括：

1）瓦斯泵站控制子系统;

2）远程调度中心;

3）千兆网络子系统;

4）无人值守监控子系统;

5）机器人巡检子系统;

6）远程监控中心

2.实现原则

瓦斯泵站机电装备的实际应用状况和未来发展趋势，各系统的实际需求及具体的使用特性，同时兼顾技术新旧更替不断加快的特点，整体方案设计遵循以下设计原则：

可靠性：坚持“可靠是先进的重要标志”这一原则进行系统的设计和实施。瓦斯泵站无人值守监控系统必须保证高度可靠、稳定。确保7×24小时不间断工业现场工作。充分考虑和利用各系统的自诊断能力、高容错和容灾能力。

开放性：瓦斯泵站各系统应采用外挂式、模块化结构，把整个各系统划分为多个功能模块，各应用子系统要模块化，减少子系统直接的耦合，降低整个系统的复杂性，在已有子系统基础上采用外挂式设计方案，兼容原有子系统的监测内容，便于在不停机的前提下实现瓦斯泵站的系统升级与功能扩展。

实用性：在信息化、网络化、集成化的同时，突出瓦斯泵站各子系统的实用性，切合煤矿实际使用情况，易于实施、管理和维护。对各类使用者来说，操作简便、易用。系统的用户界面友好，通俗易懂、便于操作。

安全性：在网络的各个环节提供安全保密措施、保证网络的性能。防止非法和越权访问，具有高度的安全性，不易受到病毒、黑客攻击。

兼容性：系统建设各阶段过程中应充分利用以前的系统建设成果，并平滑过渡，保护既有投资的同时，注重系统的开放性与良好的可移植性，使以后硬件系统升级时简便易行。

扩展性：系统必须有足够的扩展性，应采用开放的系统结构，使系统具有分布式、跨平台的能力，一方面使系统以后容易升级和扩展，另一方面也方便与其它系统的集成。

3.自动化监测监控系统总体设计

目前瓦斯泵站与远程调度中心的应用情况，设计如图1所示的自动化监控系统总体设计规划，远程调度中心通过矿用24口三层千兆网络交换机连接泵站进行网络通信;在其控制机房内设置相应的监控设备，如视频监控设备、工况参数监测设备以及巡检机器人配套设备等等。

在瓦斯泵站内的所有设备必须进行隔爆处理，主要设备包括隔爆交换机、PLC控制器、防爆摄像机、隔爆巡检机器人以及隔爆无线基站等设备。

4.瓦斯泵站自动化监测监控系统架构

图1为系统架构图。

图1瓦斯抽放泵站自动化监控系统架构

如图1所示，瓦斯泵站自动化控制系统包括六大部分，分别为：瓦斯泵站控制系统集成、远程调度中心集成、千兆网络改造、瓦斯泵站自动化系统、机器人巡检系统以及远程监控中心。其中瓦斯泵站控制系统集成、远程调度中心集成是目前已经建成的子系统。

4.1瓦斯泵站控制系统

瓦斯泵站控制系统实现了对瓦斯泵站的本地自动化控制，主要完成了对瓦斯泵站的部分传感监测与自动控制。操作人员通过操作台进行相关瓦斯泵站的控制，控制系统控制瓦斯泵站的电气执行部件实现瓦斯泵站的实际操作;同时，瓦斯泵站控制系统实时采集传感器参数，并通过现场面板显示。瓦斯泵站控制系统包括以下三个部分。

4.1.1监测模块

瓦斯泵站检测模块主要包括监控分站和传感器组成，实现在线监测管网中抽采气体的浓度、流量、温度、出口压力等信息。

4.1.2控制模块

控制模块主要由PLC控制柜、高低压配电柜、变频器、阀门控制箱、管网控制器等组成，主要对泵站内抽放泵、循环水泵、电动阀、电磁阀、冷却塔、排风扇等全部设备进行控制。

4.1.3电气模块

主要包括PLC控制柜、电机综合保护器和变频器等组成，在线监测配电柜的电压、电流、功率因数、分合闸位置、工作位置、试验位置、储能状态、变频器频率、输入输出电压电流等信息，实现对配电设备的监控和管理。

4.2远程调度中心

远程调度中心通过百兆网络进行数据传输，通过485网关与瓦斯泵站控制系统连接。在调试中心处，设有一远程主控PLC，主控PLC将瓦斯泵站控制系统的相关传感信息实时传输至远程调度中心，并在调度室演示画面中显示。

人机界面由操作员站和工程师站组成。操作员站主要设置在调度值班中心，用于安装监控软件、SQL数据库和组态软件等，在线显示抽放系统所监测的各传感器数据，报警查询，报表生成、查询及打印，数据存储，数据Web发布以及各设备的操作控制。操作员具有浏览、查询、设置等操作权限限制，不同操作员具有不同的控制权限。工程师站可采用便携式计算机作为临时站点，安装组态开发软件、调試工具和 PLC 编程软件等，用于软件开发、维护、调试。

4.3千兆网络升级

瓦斯泵站控制系统与远程调度中心之间通过百兆以太网连接，新系统集成远程视频监控和机器人远程控制，需要进行升级改造视频监控信号、远程机器人巡检系统以及重大危害要素监控等子系统数据通过千兆以太网连接到调度中心。

4.4自动化监测监控系统

自动化监测监控系统需要在瓦斯泵站监控系统的基础上增加对瓦斯泵站的振动、润滑脂、烟雾与轴温进行监测，需要根据瓦斯泵站的具体工况，决定采用何种方式实现润滑油脂的自动控制。

同时无人值守监控系统内置主控PLC，通过Modbus与（原）主控PLC进行数据共享与通信，并实现重大灾害要素的远程监测。

4.5机器人巡检系统

机器人巡检测系统是实现瓦斯泵站全景监测核心部分，机器人巡检系统包括安置在瓦斯泵站机房固定位置的网络本安型摄像机与巡检机器人两大部分。

网络本安型摄像机，固定在瓦斯泵站特定位置，实现对瓦斯泵站关键设备的视频监控，同时通过第三方视角实现机器人巡检的全景监控。网络本安型摄像机与千兆网络通过交换机/电力交换机进行视频信号传输。

巡检机器人是在瓦斯泵站内安置特制的轨道机器人，机器人设有全景云台，云台上分别布有红外视觉与工业听觉传感器。红外视觉传感器，受光照影响较小，全天候视频采集;工业听觉传感器，利用声谱分析泵站内部或者轴摩擦与振动状况。巡检机器人通过Wifi基站实现与千兆网络的视觉与听觉信号传输。

4.6远程监控中心

在现有远程监测功能基础上，增加视频监控，主轴振动监测，环境瓦斯监测、烟雾监测和机器人巡检监测。其中机器人巡检监测包括：机器人启停、机器人行走和云台控制，机器人视频监控，机器人红外成像监控三个功能。

远程监控中心通过安置在远程调度中心的交换机，与本地监控系统进行数据通信。在远程监控中心可以实现多路巡检视频监控大屏、机器人监控视频显示、机器人听觉监控与机器人云台操控。监控中心设4路远程监控视频，2路径机器人红外视频。

远程监控中心安置一台远程主控PLC，实现与本地主控PLC的实时数据通信。通过远程主控PLC，可实现瓦斯泵站的远程操控。

4.7重大灾害要素监测子系统

重大灾害要素监测子系统主要实现视频、振动、烟雾、瓦斯、红外热源等危险要素的远程监测。

瓦斯泵站的重大危害要素监测部分采用专家系统。通过专家系统中录入好的相关知识，与现场长安器采集的振动、温度、压力、烟雾与热源等数据形成对策表，采用粗糙集理论进行决策，由推理机通过正向循环推理求解，将最终的危害要素监测结果通过操作员站呈现给用户。本系统通过振动监测，通过振动信号的频谱分析，提取基于振幅和频率的重大危害要求监测。

4.8控制方式

系统设有自动、手动、检修三种工作方式以及本地、远程两种控制方式。瓦斯泵站目前已具备自动工作，操作台可进行按钮控制，需要完善的是计算机远程控制。

自动方式：自动方式分为全自动和计算机远程控制。全自动方式采用模糊PID控制，对监测到的数据采用模糊规则进行模糊推理，进行控制参数的自整定，从而实现对瓦斯泵站的智能控制。

手动方式：根据启动程序在操作台面板上通过按钮进行瓦斯泵站启动、停止及相关辅助机器的启动、停止控制。

检修方式：当系统产生故障，不能进行自动和手动控制时的应急启动方式。可以在就地操控瓦斯泵站的各个设备。

5效益分析

瓦斯泵站自动化实现后，每班定期（1小时/次）由巡检机器人进行巡视，压风机房真正意义上实现无人值守，由原来的一个圆班需要岗位工8人和维修人员2人，到现在无人值守，只需要安排1名远程操作人员和2名维修人员定期维护、保养、维修即可，每年可减少职工工资支出：7人*4200（元*人/月）*12月=35.28万元。

6结论

本系统的完成可以实现以下目标：

1）采集、显示瓦斯泵站各设备运行的电气参数、电气设备运行的状况。

2）瓦斯泵站的启动、停止，严格按启动程序控制各设备的起、停。

3）与矿井调度室联网（千兆网络）：将压泵站各台设备运行的状况通过光纤实时地传送至矿井调度中心。

4）实现无人值守监控系统与瓦斯泵站控制系统的连接，增加轴温、振动、烟雾与润滑油脂的传感检测与分析。

5）实现基于巡检机器人的瓦斯泵站房内固定视角与第一视角的全景监控。

6）实现远程调度中心与本地监控系统的网络连接，包括视频监控、听觉监控与瓦斯泵站操控。

4）打印运行报表和报警、故障实时报表。

6）当瓦斯泵站各个模块发生故障时，利用运行记录的曲线对故障进行分析和判断，并及时报警。

【参考文献】

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[3] 王虎，地面瓦斯泵站瓦斯泵变频器应用技术[J].中国科技信息，2011（08）.

[4] 余嘉熙，河南确定井下安全避险系统建设时间表[N].工人日报，2011.

作者简介：刘劲松（1966—），男，汉，河南省禹州市人，大专，山西石泉煤业有限责任公司机电管理部，046299，煤矿机电自动化技术