井下供水供风管网状态监测及压力再平衡技术任务书

#井下供水供风管网状态监测及压力再平衡技术（任务书）随着矿井生产接续的不断延伸，井下供水供风系统管网的铺设也会发生相应的变化，在现场的实际使用中，供水供风系统普遍存在着两个难题，一个是供水供风管路的泄漏问题，一个是各个用水用风点压力不平衡问题。由于这两个问题的存在，不仅造成了大量的水资源及能源的浪费，还会由于水压、风压分配的不平衡导致局部管路的失压或超压，致使部分水力及风动设备无法正常工作甚至损坏。因此，国内外同行业多有对此问题进行公关的企业，但至今仍没有可以适应各种井下复杂条件的通用完美方案，因此煤矿在科技大学的技术支持下，依据本矿井下的实际地质及供水供风管网条件，探索一种能基本适用于的我国竖井采煤矿井的供水供风管网状态监测及压力再平衡的解决方案。本方案的基本设计思路是，通过在供水供风管路的每一个分支点及支路末端安装压力传感器，系统自动采集各个分支点的压力并进行分析，可以实现两个目的：一是通过分析每一对相邻分支点（或支路末端）的压力差的大小判断该段管路是否有泄漏情况；二是根据各个压力监测点所取得的数据动态调整供水供风管路分支点的电磁阀流量，从而实现供水供风管路的压力在平衡。供水供风系统压力的失调，可分为静态失调和动态失调。静态失调是由于某些环路存在剩余压头，即某些环路的阻力过小时，这些环路的实际流量就将超过设计流量，由于总的流量一定，则其他部分就达不到设定流量，就会出现流量不均，压力失调；在动态系统中，当某些环路的流量发生变化时，会引起系统的压力分布发生变化，从而干扰到其他环路，从而使其他环路本不应有的变化产生。本项目针对供水供风管路的泄漏问题将对以下内容进行研究：1．管道利用情况技术研究。运用流体力学原理，分析管道系统中流体的流动过程，建立管道模型，再结合实测信息，在线分析管道沿程的压力、流量分布随时间变化的过程，研究供水管道中关键部位的水流量、压力，及供风管道中关键部位的气体压力。2.供水检测水力模型的研究。采用负压-流量法管道泄漏监测技术通过监测负压波和流量对管道泄漏进行判断。3．供风泄漏检测模型的建立。利用差压法对压力管道的气体泄漏进行检测建立模型。4．优化矿井管网系统和循环系统。采用多传感器数据融合技术提高信息的全面性；融合多种智能诊断方法提高诊断的准确性；建立基于因特网的远程协作诊断系统，最大限度地保证管道检测的正确性与可靠性。5．动态泄漏监测软件的开发。监测系统的软件主要包括以下几个功能模块：数据采集与变换模块，可以采集负压信号，并将信号转换成二进制格式保存；数据传输模块；数据处理及诊断模块，在监控中心进行小波变换、滤波等处理，确保能准确找到压力拐点对应的时刻；泄漏范围定位程序；数据保存模块；历史数据分析程序等。6、监控系统设计开发。由监控终端、监控中心和远程访问三部分组成。实施时在副井口、南翼（副井底南门、南一石门、十采车场、南大巷、六采轨道巷等）及北翼（副井口北门、七采石门、1301岩集轨、1305矿泉水车场等）分别安装供水管路流量传感器、压力传感器，用于采集各主干线的水管压力和流量；在供风管路压力传感器，采集各主干线的风管压力。具体运行形程：现场数据经A/D转换以及滤波等预处理，通过串行通信，将数据直接送往主控计算机；采用数据库系统将实时采集的数据存入相应的数据库。上位机软件主要对单片机通过串口转过来的数据进行二次处理，在工控机界面上可以看到井下各管路实时运行情况和历史数据曲线。本项目针对供水供风管路压力不平衡问题采用压差控制技术调节，是通过动态压力平衡设备将双管并联的系统的关键点压差恒定在设计压差。基于压差控制的动态压力平衡调节主要有以下几种形式:1、自力式压差调节器:当某一支路流量发生变化时，压差调节器调节集水（风）器、分水（风）器之间的压差，使其保持恒定，从而其余各个支路流量保持不变。2、电动调节装置:包括二通装置、三通装置、分流装置等形式，通过调节旁通水（风）流量，从而使集水（风）、分水（风）器压差或支路两端压差保持恒定。3、水泵（空压机）变频:调节水泵（空压机）电压频率来调整水泵（空压机）流量，稳定集水（风）、分水（风）器压差。4、动态平衡调节:当其他管路特性发生变化时，动态平衡调节自动调整两端压差，使其保持恒定，这种方式的优点是调节装置的流量特性曲线与理想特性曲线一致，不会发生变形，调节性能好。流量控制调节，是近几年新出现的一种方法，主要的形式是智能流量装置。智能流量装置:当调节装置两端压差发生变化时，装置自动调节开度，使得所在支路流量恒定在设定值。随着科学技术的发展，人们环保意识的提高，对能源节约的要求越来越高。国家也提出了节能减排、发展低碳经济、建设低碳社会的要求。各种流体管网系统，如建筑空调系统、供排水系统、化工行业里的输送设备、电厂的热工装置等都是能源消耗的大户，有极大的节能潜力。因此，人们对流体管网系统的水力平衡提出了更高的要求，在达到平衡的情况下，还应该实现节能。针对供水供风管网状态监测部分，关键技术如下：1．提出符合煤矿井下管线监测的方法和技术；2．设计先进的计算机远程采集系统，对供水供风管道进行实时监测，统计分析各干线的各项数据，以及计量和控制各干线使用量；3．便于系统的扩展，为以后更为强大的信息化管理系统提供接口。所采用的研究、实验方法和技术路线：通过现场调研f提出总体设计方案f完成泄漏监测设备的生产f完成监测及保护系统元件的开发f完成成套装置的组装及系统调试f用户应用。整个监测系统由放置在中央控制室的一台工控机和若干个子站点的压力采集系统组成。管道泄漏监测定位系统的软件主要分为两大部分，即为上位机部分和下位机部分。下位机部分为单片机部分，接收现场一次数据。具体又可分为信号采样系统（包括流量变送器、压力变送器、温度变送器等）、信号处理系统、报警装置。安装在管道的上、下游站的高精度压力变送器、温度变送器和流量信号发生器等仪表，对现场信号进行采集，信号通过传感器传送到高速采集设备，转换成数字信号，中心的工控机接收到信号后，对信号进行调理处理，对接受到的数据进行实时分析处理后，实时监测管道的运行状况，给出报警或提示。针对供水供风管路压力不平衡问题，情况较为复杂。因煤矿井下供水供风系统覆盖区域大，管网也非常复杂。目前由于井下条件的复杂性及设备、成本等因素，井下供水（风）远没有达到恒压供水（风）的程度。井下供水管网压力平衡系统是为了提高井下供水（风）管网供水（风）压力稳定性，通过数据采集，分析，控制分支管路流水流量等来达到供水（风）点的出水（风）压力要求。该系统通过对项目目标、设备工作环境以及执行机构等因素和设备技术参数进行分析，提出利用现有管网测压设备对管网重要调节装置进行遥测、遥控的技术方案，及时应对适应工况变化和管网事故，提高供水管理和服务水平。本项目是通过动态水（风）力平衡设备将双管并联的系统的关键点压差恒定在设计压差。针对以下内容进行研究实施：（一）研究内容1、系统设计参数的理论研究。针对井下用水（风）情况的变化，根据对井下供水（风）管网各供水（风）点出水（风）压力的要求，制定井下供水（风）管网压力平衡系统的各项技术参数。通过井下供水（风）管网特点的研究及管道供水（风）流体力学的分析，选取主要调控节点，通过远程控制水（风）量，设定合适的压力控制点及上下限。调节时间和控制方式，实现供水（风）管网的压力调节，从而保证各用水（风）点的用水（风）需要。2、通讯结构的研究。以总线结构作为供水（风）系统的通讯结构，利用工业以太网做为现场总线进行现场控制的系统设计，井下以太环网将A/D采集模块采集到的信号传送到监控室。现场控制层以PLC、电控执行机构以及压力传感器构成一个闭环负反馈控制系统。同时基于Web的远程监控系统结构，利用井下工业环网实现供水（风）平衡的远程监控、系统警报和维护等工作。3、系统开发与设计。根据系统通信要求进行系统网络拓扑结构设计，确定井下供水（风）管网总体结构和供水（风）子系统结构以及通讯系统拓扑结构。通过对系统网络建设，实现供水（风）管网的压力平衡。4、监控终端的设计与研究。针对现有煤矿井下环境，设计一套在线监测监控系统。以西门子PLC为控制核心，结合现场实际采用工业以太网通信。系统能够实时监测井下供水管网各设备的运行状态和参数，进一步提高井下供水（风）管网管理现代化、控制自动化的水平。5.动态泄漏监测软件的开发。PLC系统通过压力等参数采取PID控制策略，实现对电动调节装置的远控。监控系统设计基于西门子PLC编程软件，采用的组态软件对现场画面进行监控，用户可以方便地构造应自己需要的“数据采集系统”，在任何需要的时候把生产现场的信息实时地传送到监控室，保证信息在全矿范围内的畅通。6、监控系统设计开发。由监控终端、控制中心和远程监控三部分组成。监控终端是以PLC、电控执行机构以及压力传感器构成一个闭环负反馈控制系统；控制中心是以西门子PLC为控制核心，结合现场实际采用工业以太网通讯；远程监控是通过组态软件的组态，使计算机与PLC通讯，以友好简洁的画面方式显示整个工艺流程，以及生产过程中的数据监测和动作执行、控制等。具体运行形式：现场数据经A/D转换以及滤波等预处理，通过串行通信，将数据直接送往主控计算机；采用数据库系统将实时采集的数据存入相应的数据库。系统通过PID控制策略、电器转换、执行器等电气装置实现了将平衡调节装置集成于井下自动化控制系统。7．系统设计安装地点。系统监测点设在矿井采区入口处，分别安装供水管路调控装置、压力传感器，用于采集各主干线的水管压力，分段实现水力平衡调控。五采区：北大巷1305岩集运门口六采区：下组煤轨道暗斜井门口；六采轨道巷1号联上车场七采区：七采轨道巷上车场；七采南泄中部车场巷采区：南翼轨道大巷1号联十采区：十采轨道巷上车场（1001变电所门口）；2309皮带联门口（二）技术目标.最终形成基于煤矿井下供水供风管网的PLC系统监控系统各一套，以西门子PLC为控制核心，结合现场实际采用工业以太网通讯，系统能根据实施监测井下供水（风）管网的运行状态和各种参数，并根据需要进行自动和远控调节，提高了井下供水（风）管路管理的现代化、控制自动化的水平；.同时具有自动、手动控制方式，两种方式互为备用，具有数据采集与分析功能，对管路的利用情况进行分析平衡，确保经济运行；.实现自动可调能力。可以根据流体管网内各支路的需求，实时平衡各管路用水（风）。合理的使用多台调节装置，使其循环切换工作，在保证供水（风）压力的前提下，进行系统调节；.具备完善的系统保护功能，实现对故障特征的判断；.实现与煤矿安全生产检测系统联网，数据经网络传可同时送到区队监控站和矿调度监控室，并具有权限分级，实现多级远程检测监控,辅助供水（风）决策、优化生产调度；.具有较强的兼容性和扩展性（系统硬件和软件均采用模块化、结构化、标准化）。（三）关键技术本系统基于西门子PLC作为编程软件，建立流体管网系统模型，对其进行优化计算，结合智能调节装置，实现系统的全面水（风）力平衡。设计采用的组态软件对现场画面进行监控，用户可方便地应用自己需要的“数据采集系统”，在任何需要的时间把生产现场的信息实时地传送到监控室，保证信息在全矿范围内畅通。系统的网络功能使企业的基层和其他部门建立起联系，现场操作人员和厂矿管理人员都可以看到各种数据。管理人员不需要深入生产现场，就可以获得实时和历史数据，优化控制现场作业，提高生产率和产品质量。（四）技术参数指标1.井下电气设备符合防爆要求，现场控制分站工作电压127V；2、传感器工作电压为24v,适宜工作压力为1〜10MPa,工作流量为1-1000m3/h3、准确地确定各监测点的工作状态；4、系统动作准确、及时，响应时间小于；5、具有较强的抗干扰能力、容错恢复能力和较高的可靠性；6、系统的使用和维护简单方便，正常工作时无需人为干预。项目完成后通过集团公司验收获上级技术鉴定。（一）技术水平与国内外同类技术比较，本课题研究成果的理论性、实用性、可操作性均有较大的提高，达到国际先进水平。（二）经济社会效益本项目完成后首先有助于煤矿完善矿井供水系统，进一步搞好节能工程，保障生产；运用供水压力平衡原理及方法分析煤矿生产企业井下供水体系所存在的问题，找到正确合理的解决途径，不但有助于企业供水节能的技改工作，同时也为煤矿降低运行成本，具有十分显著的经济效益，环保效益更大。（三）推广应用前景在国家大力调整能源结构、促进煤炭行业由量的增长向质的转变，提高安全生产水平，全面促进煤炭工业可持续发展的背景下，为确保井下安全生产的可靠性和经济性，提升煤炭生产安全与可靠性领域的工程研究技术水平和工程化转化能力，实施“井下供水供风管网状态监测及压力再平衡技术”的研究是必要的和急需的，项目完成后可在其他矿井和水利专业推广应用，前景广阔。通过调研f整理系统参数f提出总体设计方案f供水管网均衡调节设备的研制f监测系统软件设计开发f成套装置的组装及系统联调f型式试验f现场工业性试验f优化完善总结改进f完善技术资料一项目验收（鉴定）整个监测系统由中央控制室的一台工控机和若干个子站点的平衡调节装置组成。该项目的实施改变了过去矿井监控只能靠人工单一调控的局面，实现矿井排水自动化控制和地面远程监控，保证系统安全运行。工控机选用台湾研华工控机，保证系统的安全可靠运行。配上位机组态软件，动态监控管道调节装置及其附属设备的运行状况，实时显示流量、压力、温度、电流、电压等参数，超限报警，故障点自动闪烁。具有故障记录，历史数据查询等功能，并可实现遥测、遥控功能。现场PLC隔爆兼本安控制箱选用西门子PLC，可靠性高、指令集丰富、易于掌握、操作便捷、丰富的内置集成功能、实时特性、通信能力强、扩展模块多等。它是在线监测监控系统的控制核心。它的主要任务是收集和处理现场传感信号和控制器的输出信号，继而控制现场各种执行机构。井下以太环网将A/D采集模块采集到的信号传送到监控室。现场控制层以PLC、电动阀以及压力传感器构成一个闭环负反馈控制系统。现场控制层软件设计主要包括以PLC为核心的水压自动调节程序以及PLC分别与触摸屏和与分站通信程序两个主要部分。该系统软件的开发环境为SIEMENSSIMATIC编程软件，用模块式结构程序方式编程，这样既可增强程序的可读性，方便调试和维护工作，又能使数据库结构统一，方便WINCC组态时变量标签的统一编制和设备状态的统一。程序主要分为:通讯子程序、水站控制子程序、数据处理子程序、保护功能处理子程序等。系统通过PID控制策略将可编程控制器（PLC）利用其闭环控制模块来实现PID控制，而可编程控制器（PLC）可以直接实现PID控制功能控制器，利用网络来实现其远程控制功能。现场软件通过调整模拟量输入的稳定状况，采用惯性滤波的方法对A/D采样的结果进行处理，以便模拟量信号会更加稳定，便于控制。煤矿目前致力于信息化矿井的建设，从井下各采区到地面办公室建立了

10M/100M的以太网络，实现了采矿、通风、机电等数字化管理，具备了网络基础。该项目的实施为矿井下供水平衡的远程监测提供了基础。科技大学是省重点高校，具有较强的综合科研实力，矿集团与科技大学双方长期以来建立了较好的合作基础，具有丰富的系统开发经验，多年从事机电采矿等研究，拥有一支实力比较雄厚的研发队伍，研发人员在该类产品技术于煤矿行业的应用已经有丰富的经验基础，多年来一直从事数据传感和控制领域研究，其技术成果成功的应用到多个不同领域。由于参与本项目研究的单位都是在本项目研究方面具有丰富经验及相关产品的单位，并且一直从事该技术领域的理论研究，具有深厚的技术储备，为本次研究打下了坚实的基础。双方在前期工作中对该技术深入跟踪调研，对现场条件，工作要求和关键元器件的选择做了大量工作，具备完成项目的能力。实验地点：州煤业股份有限公司煤矿。实施进度计划为：1．2011年5月 资料收集和方案设计，项目论证；2．2011年6-9月装置选型、软件系统开发；2011年10-12月 样机试制、安装调试，网络系统检测、系统地面试运行；2012年1月系统运行，优化完善系统；2012年2-5月工业性试验、优化完善、撰写项目报告；6．2012年6月提交报告、申请验收，项目鉴定（验收）。州煤业股份