兖州煤业股份有限公司

2013年科技项目

实施方案

项目名称： 水资源计量监测分析系统

合作单位：济宁华瑞自动化技术有限公司

编写时间：2013年8月 10 日

目 录

• 项目的必要性…………………………………………………1
• 研究开发内容…………………………………………………3
• 主要经济技术指标、项目最终目标…………………………6
• 关键技术及创新点……………………………………………6
• 研究或研制开发的技术路线、实施方式、方法、步骤……7
• 技术、经济可行性及可靠性分析、论证……………………15
• 对安全、环境、健康的影响性分析…………………………16
• 现有基础、技术条件，保证体系……………………………18
• 经济、社会效益分析…………………………………………18
• 项目实施进度计划……………………………………………19
• 经费计划…………………………………………………19

• 项目的必要性

1.兴隆庄煤矿水资源计量系统的现状

兴隆庄煤矿从投产至今，煤炭生产能力从300万吨/年提高到700万吨/年，全矿生产规模、厂房建筑面积、职工人数都有较大的变化；水资源消耗逐年增长，现日取水量达两万立方米比其他兄弟矿取水量偏高。根据全矿用水管网系统分为三部分，分别是：地下水取、用水单元；矿井水处理及使用单元；中水处理及中水回用单元（以上三部分均已包括生活用水系统、生产及其辅助用水系统、矿井水净化及中水回用系统等）。兴隆庄煤矿用水主要采自矿区12眼水井的地下水。其中程家庄水源井供程家庄小区；西风井1号、2号水源井供井下和西风井小区；西区1号、2号水源井供家属西区、家属中区；老干科水源井供家属南区、工广区（服务一队、职工公寓）、选煤厂、水电暖工区、文体中心、职工食堂、机电队、兴隆矿校；北区1号、2号水源井供北区家属区、外招、福利化工厂、注浆站、新型建材厂；兴盛园水源井供兴盛园小区；老木场水源井供家属东区、医院、公共办公楼、环保节能科、矿机厂；东风井1号、2号水源井供井下、东风井小区。矿井水净化处理站设计处理能力7200m3/d，实际处理能力约6000 m3/d，目前主要用于井下工业生产、洗煤补充水、煤泥热电厂循环冷却水及矿区消防用水。生活污水深度处理设施设计处理能力10000 m3/d ，实际处理能力约7500 m3/d，目前主要用于矿工广区、职工家属区东区、北区、中区、南区及西区。各用水单元所安装的仪表不能及时计量统计数据，出现跑冒滴漏时不能及时发现，造成严重的水资源浪费;同时无法精确考核能源节能指标。

水源井及主要用水单元管网图如下：

全矿每天水资源消耗不能及时统计，当存在跑冒滴漏现象时不能及时发现处理，存在严重的浪费现象。通过水资源计量分析系统将每台流量计的瞬时流量、累积量的曲线图对比或其他分析比较功能能及时发现各用水单元用水情况；经测算经济效益可观。

2.兴隆庄煤矿水资源计量系统存在的问题

1）存在跑冒滴漏现场时不能及时发现处理，存在严重的浪费现象。

2）效率低，不利于水资源管理的现代化与自动化。

3）抄表时间不定，无法同步抄表，不利于对用水情况进行科学的统计分析。

4）工作强度大，信息统计繁琐；不利于能源节能考核。

3.构建水资源计量 分析系统的必要性

随着科学技术的发展，新装备和智能仪表的出现，现代通讯技术在煤矿的拓展，对煤矿流量计进行无线计量和传输技术已经成熟。目前我矿仍采用传统的手工抄表方式费时、费力，准确性和及时性得不到保障，当存在跑冒滴漏现场时不能及时发现处理，存在严重的浪费现象。为此研究开发"水资源计量监测分析系统"意义重大。该系统可对兴隆庄矿区流量计以无线形式（GPRS模式）进行实时自动采集，具有统计、分析、监测报警等功能。当管道出现问题或泵站故障时能及时的发现、查找、处理问题。也能及时发现跑冒滴漏偷问题，最大限度的节约用水，降低产煤成本，提高水资源利用率，同时提高非生产区用水量的管理，并按照相应标准规定用水量，超量时报警提示。并针对每台流量计进行日、月、年的数据分析、保存。提高矿区精细化管理水平，推动矿区管理模式由粗放型向模型化、精细化、数量化转变。同时实现对数据的追溯，为全矿水资源平衡分析和审计提供科学依据和数据保障。

二、研究开发内容

1、水资源利用监测管网优化分析

兴隆庄煤矿经过三十多年的开发建设，地面和井下供水管网复杂，存在用水单元划分混乱，界限不清，控制点不科学，不能对用水单元实现有效考核。通过本项目的研发实施，优化用水单元的划分，实现对用水单元数据的及时采集和管理考核。

2、水资源计量监测分析系统硬件平台建设

在科学分析供水管网布局和用水单元水资源利用状况的基础上，进行数据采集和分析系统的硬件设计和集成安装。

水资源计量监测分析系统平台由监测中心、通信网络、现场监测设备、现场计量仪表四部分组成。监测中心：由中心计算机、GPRS数据采集模块、GPRS抄表软件组成；通信网络：中国移动公司的GPRS网络与Internet公网；现场监测设备：无线传输模块GPRS抄表箱；计量仪表：电磁流量计,选用带有RS485通讯协议的电磁流量计。

为了完全统计全矿水资源数据，采用两种采集方式：首先是在水源井和重要用水单元安装电磁流量计和ＧＰＲＳ采集模块，通过无线形式完成实时采集；其次是采用手动输入方式，对部分安装机械仪表的数据进行统计，同时设置输入考核指标量，完成水资源的考核和管理。系统构成图如下：

3、水资源计量监测分析系统软件开发

系统开发基于先进的无线网络传输技术、网络数据交换技术、数据库技术和WEB发布技术。根据用户需求分析，本水资源监测分析系统主要包括以下8项功能模块。

1）电子地图模块：电子地图显示所有流量计安装点，跟随鼠标显示安装点的瞬时流量、累积量。

2）实时数据模块：分类（地下水、矿井水、中水及污水）、分项（主要用水单元、洗煤取水量、采煤取水量等）、分级（一、二级）显示实时数据（瞬时流量、累计量）。

3）数据查询模块：既可以针对每台流量计也可根据一级、二级用水单元进行历史数据的查询。

4）报表管理模块：可按照一级、二级用水单元进行报表分析，也可细化到每台流量计。

①日报表：

②月报表：

③年报表：

5)曲线查询模块：

瞬时流量曲线图：可对每台流量计的瞬时流量进行曲线查询。

累计量柱状图：分类对一级总取水量、二级用水单元的总用水量、排污量进行数据的对比分析。

6)报警管理模块：

①报警显示：实时显示报警信息，操作员解除报警后，报警信息不再提示

②报警参数设置：根据每台流量计设置瞬时流量的超流量的上限、下限。针对一级、二级用水单元设置日累计的超水量上限和下限。

③报警查询：对报警历史数据进行查询。

7)手动录入模块：对一、二级用水单元的各流量计手动录入时间、瞬时流量、累计量。

8)系统设置模块：

• 用户管理：用户的增删改查。

② 角色管理：对角色进行功能设置，用户根据所属角色获取相应功能权限。

三、主要经济技术指标、项目最终目标

主要经济技术指标：

1．水资源计量检测系统实现对兴隆庄煤矿水资源利用状况的分类、分项、分级考核。

2．实现对水资源取用水量及污水排放量的自动采集或人工输入。

3．年运行费用（不含人工费）≤1.2万元。

4．GPRS模块选用高增益天线，增益7dBi；电源输入电压DC12V。

5．流量计采用分体式电磁流量计，精度等级：0.5级。

6．通讯方式： 将RS485串口通讯转成GPRS无线传输。

项目最终目标：

通过兴隆庄煤矿水资源利用状况的分析，开发建立一套对矿井取水、用水、排水总量及各用水单元实时统计与检测管理系统，实现分类、分项、分级考核；提高矿井水资源精细化管理水平，达到节约水资源的目的，为全矿水源平衡分析和能源审计提供科学依据和数据保障。

四、关键技术及创新点

关键技术：GPRS无线采集统计、分析能耗数据、运行状况监测、实时采集安装点流量计数据。

创新点：

1. 自动采集与手工输入数据相结合，达到精细化考核目的。

2. 针对所安装的流量计完成实时、 累计量统计、分析，进行分类、分级、分项考核。

3. 分时段流量、累积量数据曲线绘制。

4. 根据矿上实际情况，对各级单元设定相应的预警红线、黄线，时刻掌握各用水单元用水现状，及时分析水资源的平衡状况。

5. 电子地图显示所有流量计安装点，跟随鼠标显示安装点的瞬时流量、累积量。

五、研究或研制开发的技术路线，实施方式、方法、步骤

1.技术路线：市场调研、资料收集、整理分析→确定实验、研究方案→数据传输系统分析，检测、网络传输方案设计→系统软件编制软件→工程安装→系统调试→系统试运行→可靠性研究、系统优化→项目资料整理、报告编制、项目验收

2. 实施方案

2.1系统的总体技术方案

设计总方针是立足信息化大前提，保证系统的先进性、安全性、可靠性，安装、使用和维护方便简单，结合兖矿集团规划的要求，将兴隆庄煤矿水资源计量分析系统项目建设成为具有先进技术水平的系统，提高兴隆庄煤矿水资源计量分析系统的自动化和信息化水平。

1. 该系统安全可靠、先进实用、系统开放、易于升级，易于扩展；
2. 采用现行的国家标准，符合煤炭行业信息化建设总体规划纲要；
3. 本着保护用户投资，最大限度地利用用户已成功使用的系统结构，确保不影响这些系统的正常运行；
4. 系统建设基于兴隆庄煤矿计算机网络和通信网络，基于Web、B/S结构，能够非常方便实现局域信息联网。
5. 操作简单、易于使用。

2.2设计依据

• 《用水单位水计量器具配备和管理通则》GB 24789-2009
• 《企业水平衡与测试通则》GBT 12452-1990
• 《企业用水统计通则》GBT 26719-2011
• 《用能单位能源计量器具配备和管理通则》GB17167-2006
• 《煤矿安全规程》（2013）
• 《电磁流量计检定规程》JJG 1033-2007
• 《管道式电磁流量计在线校准要求》CJ/T 364-2011
• 《电磁流量计|流量计标准》JB/T 9248-1999
• 《矿用一般型电气设备》GB/T 12173-2008
• 《煤矿通信、检测、控制用电工电子产品通用技术要求》MT209-90
• 《通用用电设备配电设计规范》GB50055-2011
• 《计算机软件开发规范》DZ/T 0169-1997

3.1系统组成

本系统由 中心、通信网络、现场 设备、现场计量仪表四部分组成。

 中心：由中心计算机、GPRS数据采集模块、GPRS抄表软件组成。GPRS抄表软件显示、存储现场每台流量计输出的流量数据。

通信网络：中国移动公司的GPRS网络与Internet公网。

现场 设备：无线传输模块GPRS抄表箱

计量仪表：电磁流量计,选用带有RS485通讯协议的电磁流量计

3.2系统拓扑图

3.3中心配置

 中心设备主要由计算机及上位机软件组成。计算机上安装操作系统软件、数据库软件、抄表系统软件（提供机房的相应硬件设施环境）。

3.4通讯平台及系统运行分析

本系统支持多种无线传输组网方式，下面介绍网专线组网。

 1．通讯平台

公网专线系统通信网络采用中国移动公司GPRS网络和Internet公网。要求 中心具备宽带（类型：光纤、ADSL等），并具有一个Internet网络上的固定IP。 点无线终端中GPRS无线数据传输器内配置一张开通GPRS功能的SIM卡。

无线终端通过其内部的GPRS无线数据传输器与 中心服务器组成一个通信网络，实现系统的远程数据传输。

公网专线组网适用于 点数量多，数据传输频率高、实时性要求强的系统。

2． 系统运行分析

(2.1)无线终端GPRS流量统计

（2.2)系统运行费用

月运行费用 =  中心固定IP月租 + 单个测点数据卡月租×测点数量

3.5现场监测设备

3.5.1产品功能

1．HRDTU-1X型无线传输模块：

1）无须PC的拨号网络。一套简单的单片机设备通过RS232/RS485/TTL电平接口即可实现与Internet交换数据。

2）数据终端永远在线，即使在工作的中途由于某种原因突然掉电或重启HRDTU-1X会自动上线。

3）HRDTU-1X还可以根据外界设置定时检测是否处于通讯状态，如果长时间停止通讯，设备将重新复位连接。

4）HRDTU-1X拥有强大的数据传输功能，用户可将上位机与HRDTU-1X连接构成一套完整的数据通讯系统，而不需要其他的设备。

5）抗强电磁干扰，并且高温散热能力极强。

6）GSM高增益天线，增益7dBi。

7）电源输入电压DC12V。

2．LDTHB20277JFLF40215型电磁流量计：

1）测量不受流体密度、粘度、温度、压力和电导率变化的影响。

2）测量管内无阻流部件，无压损，直管段要求较低；对浆液测量有独特的适用性。

      3）精度等级： 0.5

      4）连接方式： 法兰连接

      5）额定压力： 1.6MPa

      6）衬里材料： 氯丁橡胶、信号电极材料： 不锈钢316L

      7）转换器连接方式： 一体型

      8）电源： 220VAC

      9）通讯方式： RS485串口通讯

     10）相对湿度： 5%～ 90%

3．软件平台介绍

软件登陆界面

实时流量状态

数据查询界面

日累积量统计报表

瞬时流量趋势分析图

用户权限设置

3.5.2 箱主要配置

HRDTU-1X型GPRS数据传输模块 1台

LDTHB20277JFLF40215型电磁流量计带有通讯协议的电磁流量计1台

金属防护箱（现场有仪表箱也可使用） 1套

3.6现场安装位置分布

六、技术、经济可行性及可靠性分析、论证

GPRS 通用无线分组业务 （General Packet Radio Service）是利用包交换的概念发展的一套无线传输方式。

GPRS网不但具有覆盖范围广、数据传输速度快、通信质量高、永远在线和按流量计费等优点，而且其本身就是一个分组型数据网，支持TCP/IP协议，无需经过PSTN（公用电话交换网）等网络的转接，可直接与Internet网互通。因此GPRS业务在无线上网、环境 、交通、移动办公等行业中具有无可比拟的性价比优势。

七、对安全、环境、健康的影响性分析

安全性保障:

第一级安全保障： GPRS 网络本身的安全性用户认证GPRS 将使用 GSM 定义的认证过程，其差异是： 该过程是从 SGSN 执行的。 GPRS 认证过程执行用户认证、选择加密算法和加密起始时刻的同步。认证三重系存于 SGSN 中。一旦附着 IMSI ， MSC/VLR 将不通过 SGSN 对移动台认证，也不能位置更新，但在 CS 连接建立期间可以认证移动台。用户识别码保密，临时逻辑链路识别码（ TLLI ）用来识别一个 GPRS 用户。 TLLI 和 IMSI 之间的管理只有在移动台和 SGSN 内才能知道。 TLLI 根据 SGSN 安排的 P-TMSI 得到，或者由移动台创建。当移动台处于就绪状态时， SGSN 任何时候都可以重新安排 P-TMSI 。重新安排过程根据 P-TMSI 重新安排过程来执行，或者也可以包含在附着或路由更新过程中。

第二级安全保障： GPRS 网络侧的 AAA 认证;AAA 是指认证（ Authentication ）、授权（ Authorization ）、计费（ Accounting ）三个过程，其中：认证是，用户在使用网络系统中的资源时对用户身份的确认。这一过程，通过与用户的交互获得身份信息（像用户名－口令、生物特征信息等），然后提交给认证服务器；认证服务器对身份信息与存储在数据库里的用户信息进行核对处理，然后根据处理结果确认用户身份是否正确。

第三级安全保障： GPRS 网络和用户网络之间的 VPN 链接

GPRS 网络和用户网络之间可以采用专线链接，也可以使用 Internet 链接。使用 Internet 链接必须考虑安全性，因此，可以使用 VPN 将二者利用 Internet 链接起来。

VPN 是在不安全的 Internet 上传输的，传输内容可能涉及到企业的机密数据，因此安全性非常重要。 VPN 中的安全技术通常由加密、认证及密钥交换与管理组成。主要有认证技术，加密技术，秘钥管理与交换技术。

第四级安全保障：用户网络侧的安全防火墙（ FW ）

防火墙技术是目前用来实现网络安全措施的一种主要手段，主要是用来拒绝非法用户的访问，阻止非法用户存取敏感数据，同时允许合法用户顺利访问网络资源。防火墙实际上是一种访问控制技术，在某个机构的内部网络和不安全网络之间设置障碍，阻止对信息资源的非法访问，也可以使用防火墙阻止保密信息从受保护网络上的非法输出。

第五级安全保障：用户网络侧的 AAA 鉴权认证

用户网络侧的 AAA 鉴权认证可以实现对 VPDN 成员的身份认证。与第二级的安全保障不同，本级的 AAA 服务器将鉴别 VPDN 成员的用户名和密码的正确性。

环境、健康影响性：

   GPRS传输可以说对环境没有任何要求，只要是有手机信号的地方都可以完成通讯；GPRS对人身健康几乎没有任何危害，其危害类似于手机信号对人体的危害。

八、现有基础、技术条件，保证体系

目前兖州煤业股份有限公司兴隆庄煤矿已经安装部分电磁流量计，使用效果较好，为方便统一的管理利用GPRS网络将需要抄表的电磁流量计统一管理。

自从首次实现文本信息传输以来，无线数据应用已经历了飞跃式的增长。在99年底或是2000年初开启的通用分组无线业务GPRS，作为迈向第三代个人多媒体业务的重要里程碑，将使移动通信与数据网络合二为一，使IP业务得以引入广阔的移动市场。尽管移动数据的使用相对较少，但在某些市场中，不同的用户群却正在快速发展，其推动力量主要是在移动领域中采用数据业务的商业市场。

GPRS在数传领域采用DTU+网络接入的方式组网，GPRS等网络已经形成了覆盖全国的数据网络，采用这种方式组成数据传输网络极其方便，只要附近有GPRS等网络基站，就可以架设数据采集终端，没有通信距离的限制，GPRS等网络终端的发射功率都很小，一般<2W。  

GPRS等网络采用分组交换，在数据带宽满足的情况下，中心可以同时向全部终端发出查询数据，组成上述电台组网案例中相同规模的GPRS数据传输网络，整个轮巡周期为3-5秒，而且这个周期不随终端数量的增长而增长，个别终端故障，不影响整个系统的轮询周期。如果针对GPRS的网络特点，改变传统的轮询模式，采用终端主动发送数据的方式，数据采集效率更高。

GPRS网络属于蜂窝网络结构，高大建筑对网络无线信号的影响只局限在小块区域，而且，移动运营商有专门的网络优化部门，根据网络上的流量、通信故障等情况，及时调整网络，用户不必关心网络的调整，更不需要为网络调整付出额外的支出。

九、经济、社会效益分析

经济效益：通过该平台对综合能耗进行实时 、统计，可有效的防止跑冒滴漏偷问题，同时有利于合理分配水资源，达到考核能源节能指标，同时提高非生产区用水量的管理，并按照相应标准规定用水量，超量时报警提示。按节约总水量的15%，1年节约用水量约100万余方，以1方水价值2.6元来计算，1年节约资金260万元。同时提高了数据的准确性、可靠性，经济效益可观。

社会效益：安装简单、使用方便、投资较少，维护费用少、运行费用低廉，产生的效益直接、显著，具有良好的经济效益和社会效益，极易大面积推广使用。特别是有大量准确的数据，将数据进行分析、对比，对综合能源平衡分析和能源审计意义重大。对生态环境的分析也有一定作用。目前我矿还没有真正实现综合能源管理系统，本项目的实施对我矿内部市场化的精细管理将起到很好的示范作用。

十、项目实施进度计划

2013年1月--2月          现场调研

2013年3月--4月          方案设计

2013年5月--10月          软件编制、硬件安装

2013年10月--11月        现场调试、软件试运行

2013年12月              组织相关人员验收

十一、经费计划