瓦斯泵站自動化監測監控系統應用

劉勁松 唐志章

【摘 要】 針對現有瓦斯泵站監測監控系統存在的監測參數不全面、泵站控制簡單粗放、難以實現泵站減員增效等問題，設計了一種基于多種現場總線技術的涵蓋抽采計量監測、電力監測、安全保護、設備監控和人機交互界面等功能模塊的瓦斯泵站監測監控系統，并詳細闡述了系統的結構和功能。結合專家系統和模糊PIC控制，使系統能夠進行故障自診斷、抽采單元安全評價、自動調節和控制等，以實現瓦斯泵站的無人值守。

【關鍵詞】 瓦斯泵站 自動化 監測監控

引 言

為了進一步提高礦井的綜合管理水平和企業的核心競爭力，真正實現以自動化帶動工業化，保障礦井的安全生產，瓦斯泵站進行自動化監測監控系統改造，將機器人巡檢系統和瓦斯泵站控制系統結合，實現遠程實時監測的自動化瓦斯泵站控制系統。實現瓦斯泵站的信息化、網絡化、集成化，具體包括以下目標：

1.在已建立的瓦斯泵站監控系統的基礎上，實現基于振動與視頻為主的遠程自動化監測監控系統，通過在瓦斯泵站現場設計巡檢機器人，實現“機器代人”的國內一流的瓦斯泵站自動化監控系統。

2.系統采用當今國際、國內先進的監控監測技術及視頻技術，具有有效的運行狀態監控及重大危害要素監控能力，達到“預測、預報、預警”的目的;有效集成已建子系統，實現綜合監控數據的真正融合，從而實現瓦斯泵站的無人值守監控系統。

3.在項目建設的子系統提供運行工況監測與遠程無人值守監測，提供系統運行狀態/參數的統計查詢，定期生成報表等功能的基礎上，提供系統內部狀態的自診斷與故障預警機制，實現設備遠程可靠性控制保護。保證系統的先進性、安全性、可靠性。

1.系統范圍

根據瓦斯泵站目前的現狀，確定的建設內容包括：

1）瓦斯泵站控制子系統;

2）遠程調度中心;

3）千兆網絡子系統;

4）無人值守監控子系統;

5）機器人巡檢子系統;

6）遠程監控中心

2.實現原則

瓦斯泵站機電裝備的實際應用狀況和未來發展趨勢，各系統的實際需求及具體的使用特性，同時兼顧技術新舊更替不斷加快的特點，整體方案設計遵循以下設計原則：

可靠性：堅持“可靠是先進的重要標志”這一原則進行系統的設計和實施。瓦斯泵站無人值守監控系統必須保證高度可靠、穩定。確保7×24小時不間斷工業現場工作。充分考慮和利用各系統的自診斷能力、高容錯和容災能力。

開放性：瓦斯泵站各系統應采用外掛式、模塊化結構，把整個各系統劃分為多個功能模塊，各應用子系統要模塊化，減少子系統直接的耦合，降低整個系統的復雜性，在已有子系統基礎上采用外掛式設計方案，兼容原有子系統的監測內容，便于在不停機的前提下實現瓦斯泵站的系統升級與功能擴展。

實用性：在信息化、網絡化、集成化的同時，突出瓦斯泵站各子系統的實用性，切合煤礦實際使用情況，易于實施、管理和維護。對各類使用者來說，操作簡便、易用。系統的用戶界面友好，通俗易懂、便于操作。

安全性：在網絡的各個環節提供安全保密措施、保證網絡的性能。防止非法和越權訪問，具有高度的安全性，不易受到病毒、黑客攻擊。

兼容性：系統建設各階段過程中應充分利用以前的系統建設成果，并平滑過渡，保護既有投資的同時，注重系統的開放性與良好的可移植性，使以后硬件系統升級時簡便易行。

擴展性：系統必須有足夠的擴展性，應采用開放的系統結構，使系統具有分布式、跨平臺的能力，一方面使系統以后容易升級和擴展，另一方面也方便與其它系統的集成。

3.自動化監測監控系統總體設計

目前瓦斯泵站與遠程調度中心的應用情況，設計如圖1所示的自動化監控系統總體設計規劃，遠程調度中心通過礦用24口三層千兆網絡交換機連接泵站進行網絡通信;在其控制機房內設置相應的監控設備，如視頻監控設備、工況參數監測設備以及巡檢機器人配套設備等等。

在瓦斯泵站內的所有設備必須進行隔爆處理，主要設備包括隔爆交換機、PLC控制器、防爆攝像機、隔爆巡檢機器人以及隔爆無線基站等設備。

4.瓦斯泵站自動化監測監控系統架構

圖1為系統架構圖。

圖1瓦斯抽放泵站自動化監控系統架構

如圖1所示，瓦斯泵站自動化控制系統包括六大部分，分別為：瓦斯泵站控制系統集成、遠程調度中心集成、千兆網絡改造、瓦斯泵站自動化系統、機器人巡檢系統以及遠程監控中心。其中瓦斯泵站控制系統集成、遠程調度中心集成是目前已經建成的子系統。

4.1瓦斯泵站控制系統

瓦斯泵站控制系統實現了對瓦斯泵站的本地自動化控制，主要完成了對瓦斯泵站的部分傳感監測與自動控制。操作人員通過操作臺進行相關瓦斯泵站的控制，控制系統控制瓦斯泵站的電氣執行部件實現瓦斯泵站的實際操作;同時，瓦斯泵站控制系統實時采集傳感器參數，并通過現場面板顯示。瓦斯泵站控制系統包括以下三個部分。

4.1.1監測模塊

瓦斯泵站檢測模塊主要包括監控分站和傳感器組成，實現在線監測管網中抽采氣體的濃度、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、閥門控制箱、管網控制器等組成，主要對泵站內抽放泵、循環水泵、電動閥、電磁閥、冷卻塔、排風扇等全部設備進行控制。

4.1.3電氣模塊

主要包括PLC控制柜、電機綜合保護器和變頻器等組成，在線監測配電柜的電壓、電流、功率因數、分合閘位置、工作位置、試驗位置、儲能狀態、變頻器頻率、輸入輸出電壓電流等信息，實現對配電設備的監控和管理。

4.2遠程調度中心

遠程調度中心通過百兆網絡進行數據傳輸，通過485網關與瓦斯泵站控制系統連接。在調試中心處，設有一遠程主控PLC，主控PLC將瓦斯泵站控制系統的相關傳感信息實時傳輸至遠程調度中心，并在調度室演示畫面中顯示。

人機界面由操作員站和工程師站組成。操作員站主要設置在調度值班中心，用于安裝監控軟件、SQL數據庫和組態軟件等，在線顯示抽放系統所監測的各傳感器數據，報警查詢，報表生成、查詢及打印，數據存儲，數據Web發布以及各設備的操作控制。操作員具有瀏覽、查詢、設置等操作權限限制，不同操作員具有不同的控制權限。工程師站可采用便攜式計算機作為臨時站點，安裝組態開發軟件、調試工具和 PLC 編程軟件等，用于軟件開發、維護、調試。

4.3千兆網絡升級

瓦斯泵站控制系統與遠程調度中心之間通過百兆以太網連接，新系統集成遠程視頻監控和機器人遠程控制，需要進行升級改造視頻監控信號、遠程機器人巡檢系統以及重大危害要素監控等子系統數據通過千兆以太網連接到調度中心。

4.4自動化監測監控系統

自動化監測監控系統需要在瓦斯泵站監控系統的基礎上增加對瓦斯泵站的振動、潤滑脂、煙霧與軸溫進行監測，需要根據瓦斯泵站的具體工況，決定采用何種方式實現潤滑油脂的自動控制。

同時無人值守監控系統內置主控PLC，通過Modbus與（原）主控PLC進行數據共享與通信，并實現重大災害要素的遠程監測。

4.5機器人巡檢系統

機器人巡檢測系統是實現瓦斯泵站全景監測核心部分，機器人巡檢系統包括安置在瓦斯泵站機房固定位置的網絡本安型攝像機與巡檢機器人兩大部分。

網絡本安型攝像機，固定在瓦斯泵站特定位置，實現對瓦斯泵站關鍵設備的視頻監控，同時通過第三方視角實現機器人巡檢的全景監控。網絡本安型攝像機與千兆網絡通過交換機/電力交換機進行視頻信號傳輸。

巡檢機器人是在瓦斯泵站內安置特制的軌道機器人，機器人設有全景云臺，云臺上分別布有紅外視覺與工業聽覺傳感器。紅外視覺傳感器，受光照影響較小，全天候視頻采集;工業聽覺傳感器，利用聲譜分析泵站內部或者軸摩擦與振動狀況。巡檢機器人通過Wifi基站實現與千兆網絡的視覺與聽覺信號傳輸。

4.6遠程監控中心

在現有遠程監測功能基礎上，增加視頻監控，主軸振動監測，環境瓦斯監測、煙霧監測和機器人巡檢監測。其中機器人巡檢監測包括：機器人啟停、機器人行走和云臺控制，機器人視頻監控，機器人紅外成像監控三個功能。

遠程監控中心通過安置在遠程調度中心的交換機，與本地監控系統進行數據通信。在遠程監控中心可以實現多路巡檢視頻監控大屏、機器人監控視頻顯示、機器人聽覺監控與機器人云臺操控。監控中心設4路遠程監控視頻，2路徑機器人紅外視頻。

遠程監控中心安置一臺遠程主控PLC，實現與本地主控PLC的實時數據通信。通過遠程主控PLC，可實現瓦斯泵站的遠程操控。

4.7重大災害要素監測子系統

重大災害要素監測子系統主要實現視頻、振動、煙霧、瓦斯、紅外熱源等危險要素的遠程監測。

瓦斯泵站的重大危害要素監測部分采用專家系統。通過專家系統中錄入好的相關知識，與現場長安器采集的振動、溫度、壓力、煙霧與熱源等數據形成對策表，采用粗糙集理論進行決策，由推理機通過正向循環推理求解，將最終的危害要素監測結果通過操作員站呈現給用戶。本系統通過振動監測，通過振動信號的頻譜分析，提取基于振幅和頻率的重大危害要求監測。

4.8控制方式

系統設有自動、手動、檢修三種工作方式以及本地、遠程兩種控制方式。瓦斯泵站目前已具備自動工作，操作臺可進行按鈕控制，需要完善的是計算機遠程控制。

自動方式：自動方式分為全自動和計算機遠程控制。全自動方式采用模糊PID控制，對監測到的數據采用模糊規則進行模糊推理，進行控制參數的自整定，從而實現對瓦斯泵站的智能控制。

手動方式：根據啟動程序在操作臺面板上通過按鈕進行瓦斯泵站啟動、停止及相關輔助機器的啟動、停止控制。

檢修方式：當系統產生故障，不能進行自動和手動控制時的應急啟動方式。可以在就地操控瓦斯泵站的各個設備。

5效益分析

瓦斯泵站自動化實現后，每班定期（1小時/次）由巡檢機器人進行巡視，壓風機房真正意義上實現無人值守，由原來的一個圓班需要崗位工8人和維修人員2人，到現在無人值守，只需要安排1名遠程操作人員和2名維修人員定期維護、保養、維修即可，每年可減少職工工資支出：7人*4200（元*人/月）*12月=35.28萬元。

6結論

本系統的完成可以實現以下目標：

1）采集、顯示瓦斯泵站各設備運行的電氣參數、電氣設備運行的狀況。

2）瓦斯泵站的啟動、停止，嚴格按啟動程序控制各設備的起、停。

3）與礦井調度室聯網（千兆網絡）：將壓泵站各臺設備運行的狀況通過光纖實時地傳送至礦井調度中心。

4）實現無人值守監控系統與瓦斯泵站控制系統的連接，增加軸溫、振動、煙霧與潤滑油脂的傳感檢測與分析。

5）實現基于巡檢機器人的瓦斯泵站房內固定視角與第一視角的全景監控。

6）實現遠程調度中心與本地監控系統的網絡連接，包括視頻監控、聽覺監控與瓦斯泵站操控。

4）打印運行報表和報警、故障實時報表。

6）當瓦斯泵站各個模塊發生故障時，利用運行記錄的曲線對故障進行分析和判斷，并及時報警。

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作者簡介：劉勁松（1966—），男，漢，河南省禹州市人，大專，山西石泉煤業有限責任公司機電管理部，046299，煤礦機電自動化技術