現(xiàn)場總線在煤礦監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、 現(xiàn)場總線在煤礦監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用1薛永存1，盧萬杰2，付華11遼寧工程技術(shù)大學電氣與控制學院，遼寧阜新 (1230002遼寧工程技術(shù)大學機械學院，遼寧阜新 (123000E-mail ：摘 要：針對目前煤礦監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備老化，技術(shù)急需更新的現(xiàn)狀，本文在現(xiàn)場總線技術(shù)和FSK 技術(shù)思想指導(dǎo)下設(shè)計出一種新型煤礦監(jiān)控系統(tǒng)，為最終實現(xiàn)符合現(xiàn)場總線國際標準的監(jiān)控系統(tǒng)做好準備。關(guān)鍵詞：現(xiàn)場總線技術(shù)，F(xiàn)SK 技術(shù)，煤礦監(jiān)控系統(tǒng)， FCS中圖分類號：TD1. 引言近幾年以來，國家對煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)要求的不斷提高和為了企業(yè)自身發(fā)展的需要，我國各大、中、小煤礦的高瓦斯或瓦斯突出礦井陸續(xù)在裝備安全監(jiān)控系統(tǒng)。我國煤礦監(jiān)控

2、領(lǐng)域正使用許多不同的、相互封閉的系統(tǒng)。多數(shù)是簡單的模擬系統(tǒng)，只有部分重點大中型煤礦是以計算機為中心的集散型監(jiān)控系統(tǒng)（DCS ），該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)集中，與現(xiàn)場設(shè)備的接口仍然是420mA電流表示的模擬量信號和邏輯電平表示的開關(guān)量信號，一對一設(shè)備連接，兼容性差。由于相當一部分監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)水平低、功能和擴展性能差、現(xiàn)場維修維護和技術(shù)服務(wù)跟不上等原因，造成相當一部分礦井無法繼續(xù)正常使用已裝備的系統(tǒng)。特別是由于老系統(tǒng)服務(wù)年限將至，已無繼續(xù)維修維護的必要，系統(tǒng)面臨更新改造的機遇。隨著電子技術(shù)、計算機軟硬件技術(shù)的迅猛發(fā)展，在“以風定產(chǎn)，先抽后采，監(jiān)測監(jiān)控”十二字方針和煤礦安全規(guī)程有關(guān)條款指導(dǎo)下，礦井監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)新的

3、研究方法如雨后春筍般的不斷涌現(xiàn)。但目前仍存在的問題有：1通信協(xié)議不規(guī)范；2井下信息傳輸設(shè)備物理接口協(xié)議不規(guī)范；3傳感器等質(zhì)量不過關(guān)；4現(xiàn)場管理和維護水平不夠完善；5市場秩序不夠規(guī)范。而以新型技術(shù)現(xiàn)場總線技術(shù)搭建的現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)（FCS ）把單個分散的測量控制設(shè)備變?yōu)榫W(wǎng)絡(luò)節(jié)點，以現(xiàn)場總線為紐帶，進行實時一對多的信號傳輸，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，方便于遠程距離的傳輸。但現(xiàn)場總線技術(shù)尚未完善，沒有成熟的系統(tǒng)可供使用。作者對阜新各大中型煤礦進行了長期的調(diào)研實習，深入研究了現(xiàn)場總線技術(shù)的特點優(yōu)點，充分利用現(xiàn)場條件，按現(xiàn)場總線思想設(shè)計出一種全新的分布式監(jiān)控系統(tǒng)，此系統(tǒng)雖然不是完全符合現(xiàn)場總線技術(shù)標準，但為今后過

4、渡到現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)做好了準備。2. 現(xiàn)場總線技術(shù)簡介現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)由于采用了智能現(xiàn)場設(shè)備，能夠把原先DCS 系統(tǒng)中處于控制室的控制模塊、各輸入輸出模塊置入現(xiàn)場設(shè)備中，加上現(xiàn)場設(shè)備具有通信能力，現(xiàn)場的測量變送儀表可以與閥門等執(zhí)行機構(gòu)直接傳送信號，因而控制系統(tǒng)功能能夠不依賴控制室的計算機或控制儀表，直接在現(xiàn)場完成，實現(xiàn)了徹底的分散控制1。2.1現(xiàn)場總線的技術(shù)特點系統(tǒng)的開放性：開放系統(tǒng)是指通信協(xié)議公開，各不同廠家的設(shè)備之間可進行互連并實現(xiàn)信息交換，現(xiàn)場總線開發(fā)者就是要致力于建立統(tǒng)一的工廠底層網(wǎng)絡(luò)的開放系統(tǒng)。這1 本課題得到遼寧工程技術(shù)大學優(yōu)秀青年基金項目（名稱：新型煤與瓦斯突出預(yù)測系統(tǒng)研究, 項

5、目編號：07A112）的資助。 里的開放是指對相關(guān)標準的一致性、公開性、強調(diào)對標準的共識與遵從?；タ刹僮餍耘c互用性：互可操作性，是指實現(xiàn)互連設(shè)備間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝通，可實行點對點、一點對多點的數(shù)字通信?，F(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治性：它將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場設(shè)備中完成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性。對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性：工作在現(xiàn)場設(shè)備前端，作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場總線，是專為現(xiàn)場環(huán)境工作而設(shè)計的，它可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、紅外線等，具有較強的抗干擾能力，并可滿足安全防爆要求。2.2 現(xiàn)場總線的優(yōu)點由于現(xiàn)場總線的以上特點，特別是現(xiàn)場總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡化，使控制系統(tǒng)從設(shè)

6、計、安裝、投運到正常生產(chǎn)運行及檢修維護，都體現(xiàn)出優(yōu)越性。具體體現(xiàn)在：節(jié)省硬件數(shù)量與投資；節(jié)省安裝費用；節(jié)約維護開銷；用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權(quán)；提高了系統(tǒng)的準確性與可靠性。2.3 現(xiàn)場總線的類型目前國際上存在著幾十種現(xiàn)場總線標準，比較流行的主要有FF(基金會現(xiàn)場總線，F(xiàn)oundation.Fieldbus 、CAN 、DeviceNet 、LonWorks 、PROFIBUS 、HART 、INTERBUS 、CC-Link 、ControlNet 、WorldFIP 、P-Net 、SwiftNet 等現(xiàn)場總線。其中在我國應(yīng)用技術(shù)比較成熟的是CAN 總線技術(shù)，它也是眾多總線技術(shù)中應(yīng)用最為廣

7、泛的一種2。3. 系統(tǒng)設(shè)計的思想依據(jù)近幾年工業(yè)自動化飛速發(fā)展，現(xiàn)場總線這一全新工業(yè)控制模式越來越受到人們的注意，在很多領(lǐng)域里很多項目中發(fā)揮了很大的作用。本系統(tǒng)的設(shè)計思想依據(jù)主要是現(xiàn)場總線技術(shù)。由于國內(nèi)大多煤礦使用的傳感器和控制器等設(shè)備不是智能化的，不可能全數(shù)字化，所以本系統(tǒng)不同于完全的FCS 系統(tǒng)，但也不同于傳統(tǒng)的DCS 系統(tǒng)。本系統(tǒng)具有現(xiàn)場總線的開放性、可互換性、可互操作性、高度分散性的優(yōu)點，更適用于煤礦的實際應(yīng)用。智能接口公開通信協(xié)議，使本系統(tǒng)與國內(nèi)外不同廠家不同品種的監(jiān)控設(shè)備之間互聯(lián)，實現(xiàn)信息互換，把傳感器和控制器等設(shè)備選定的權(quán)利下放給了用戶。實時管理級和監(jiān)視控制級的設(shè)備均采用國際標準接

8、口設(shè)備，互換性良好。國內(nèi)煤礦監(jiān)控領(lǐng)域各廠家不同品牌不同用途的傳感器和控制器都能方便地接入系統(tǒng)。不同廠商提供的設(shè)備經(jīng)轉(zhuǎn)換器互聯(lián)，監(jiān)視控制級只在開機時進行不同設(shè)備間關(guān)系的定義，轉(zhuǎn)換器之間可通過智能串口溝通信息。智能測控功能分散到現(xiàn)場，將舊系統(tǒng)控制級的部分功能和井下分站的全部功能分散到現(xiàn)場的轉(zhuǎn)換器中，提高了監(jiān)測精度，增加了抗干擾能力，分散了系統(tǒng)危險。由于借鑒了現(xiàn)場總線技術(shù)，大大簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了本系統(tǒng)設(shè)備接口標準化、功能模塊化。本系統(tǒng)規(guī)?？纱罂尚。子谥貥?gòu)，非常適用于煤礦井下監(jiān)控布局經(jīng)常變更的特點。同時，由于煤礦井下監(jiān)控點多是沿巷道線性分布，轉(zhuǎn)換器設(shè)計在監(jiān)控現(xiàn)場，具有監(jiān)測、計算、補償、控制等功能

9、，適合于煤礦井下監(jiān)控點比較分散的特點。監(jiān)控點與通信電纜就近連接，沿巷道敷設(shè)一根電纜，使系統(tǒng)的一次性投資，安裝費用和維護工作量都大大減少了。由于數(shù)據(jù)傳輸是影響監(jiān)控系統(tǒng)使用壽命的關(guān)鍵技術(shù)，由于煤礦監(jiān)控系統(tǒng)傳輸距離也很遠，本設(shè)計采用了無極性兩線制的頻移鍵控FSK 技術(shù)，即在420mA模擬信號上疊加幅度 為0.5mA 的正弦調(diào)制波，其基本內(nèi)容是：波特率為1200bps ；邏輯1代表 1200Hz；邏輯0代表2200Hz 。FSK 技術(shù)是基于Bell202通信標準的，Bell202的信號如圖1所示。FSK 技術(shù)方法簡單，易于實現(xiàn)解調(diào)不須恢復(fù)本地載波，抗干擾和抗衰減性能比較強。 1200Hz 2200Hz

10、圖1 Bell202的信號曲線4. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的具體分析根據(jù)煤礦監(jiān)控環(huán)境惡劣、監(jiān)控距離長、范圍廣的特點，設(shè)計出的煤礦監(jiān)控系統(tǒng)主要由實時管理級、監(jiān)視控制級、現(xiàn)場測控級三部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。 圖2 監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖 系統(tǒng)由早期的地面單微機監(jiān)測監(jiān)控已發(fā)展成為網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測監(jiān)控以及不同監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測。其主要由監(jiān)測終端、監(jiān)控中心站、通信接口裝置、井下分站、傳感器組成。1）實時管理級由服務(wù)器和各類終端組成，進行生產(chǎn)、技術(shù)、財務(wù)、設(shè)備、通風、安全監(jiān)察等管理。將全礦井各主要業(yè)務(wù)部門及礦井安全生產(chǎn)情況信息進行整理、分析、存儲，同時與上一級網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)。2）監(jiān)視控制級由監(jiān)控計算機和圖形工作站等組成，負

11、責監(jiān)控信息的采集、整理、優(yōu)化及過程數(shù)據(jù)庫存儲、圖形顯示、報表打印等。是系統(tǒng)管理人員與系統(tǒng)對話的層面，對監(jiān)控系統(tǒng)各設(shè)備之間關(guān)系進行定義，并進行故障診斷和高級控制，同時可接受上一級管理級的指導(dǎo)。 3）現(xiàn)場測控級由轉(zhuǎn)換器、傳感器和控制器組成，接受監(jiān)視控制級的定義、命令，并對相關(guān)設(shè)備進行監(jiān)測和控制。如對風速、瓦斯、溫度、氧氣等參數(shù)監(jiān)測并對相應(yīng)設(shè)備進行控制。對皮帶傳輸系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)、提升系統(tǒng)、瓦斯抽放系統(tǒng)等的信息都通過現(xiàn)場的轉(zhuǎn)換器送到監(jiān)控系統(tǒng)中去。根據(jù)有關(guān)部門要求煤礦監(jiān)控系統(tǒng)傳感器及執(zhí)行器與分站之間傳輸距離為2km ，本設(shè)計將系統(tǒng)傳輸電纜一直延伸到工作面附近。轉(zhuǎn)換器作為系統(tǒng)傳輸電纜與傳感器及執(zhí)

12、行器的接口，直接掛在工作面走向壁上。每個轉(zhuǎn)換器都有監(jiān)測、控制和通信的功能，配有FSK ，RS485，RS232等智能接口、傳感器接口和控制接口。傳感器接口囊括了煤礦監(jiān)控領(lǐng)域可能使用的全部模擬量或開關(guān)量信號接口。轉(zhuǎn)換器分為總線轉(zhuǎn)換器和分線轉(zhuǎn)換器。總線轉(zhuǎn)換器具有串行接口和FSK 傳輸接口，使傳感器及執(zhí)行器多路復(fù)用更為簡單。總線轉(zhuǎn)換器把信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息從FSK 口輸出直接與系統(tǒng)交換信息。而分線轉(zhuǎn)換器把信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息從串行接口輸出與總線轉(zhuǎn)換器交換數(shù)據(jù)，經(jīng)總線轉(zhuǎn)換器整理后再與系統(tǒng)交換信息。為增加可靠性及大型礦井的需要，監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計了多路可選傳輸通道，每個通道傳輸距離20km ，最大負載64個總線轉(zhuǎn)

13、換器，每個總線轉(zhuǎn)換器串接3個分線轉(zhuǎn)換器，2048個監(jiān)測量，512個控制量。為保證系統(tǒng)長期的可靠運行，可增加傳輸通道提高監(jiān)控系統(tǒng)的負載能力。監(jiān)控系統(tǒng)井下分站形式多樣，但基本上具備了如下功能：開機自檢和本機初始化功能；通信測試功能；分站設(shè)程控功能（實現(xiàn)斷點儀功能、風電瓦斯閉鎖功能、瓦斯管道監(jiān)測功能和一般的環(huán)境監(jiān)測功能等）；死機自復(fù)位功能且通知中心站；接收地面中心站初始化本分站參數(shù)設(shè)置功能(如傳感器配接通道號、量程、斷電點、斷電點、報警上限和報警下限等 ；分站自動識別配接傳感器類型（電壓型、電流型或頻率型等）；分站本身具備超限報警功能；分站接收中心站對本分站指定通道輸出控制繼電器實施手控操作功能和異

14、地斷電功能。5總結(jié)與展望本系統(tǒng)結(jié)合了當前的現(xiàn)場總線技術(shù)，具有一定的使用價值，但在實際應(yīng)用中需要不斷的改進和完善。雖然各種現(xiàn)場總線標準在技術(shù)上相互滲透，但為謀求各自市場利益，幾十年來沒有統(tǒng)一的現(xiàn)場總線國際標準可遵循，各產(chǎn)品間無法直接相互操作，帶來了極大的混亂3。隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的進一步發(fā)展，研制出更好的現(xiàn)場總線開發(fā)工具及配套設(shè)備，必將能夠開發(fā)出適合煤礦監(jiān)控需要，兼容國內(nèi)產(chǎn)品，符合現(xiàn)場總線國際標準的系統(tǒng)。參考文獻1 陽憲惠現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用M 北京：清華大學出版社，1999。2 周 明現(xiàn)場總線控制M 北京：中國電力出版社，2002。3 王衍生監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)在礦井瓦斯管理中的應(yīng)用A 北京：礦業(yè)安全與

15、環(huán)保，2000，71-73。 the Application of Fieldbus on Moal Moniting SystemXue Yongcun1，Lu Wan-jie2，F(xiàn)u Hua11Electrical Engineering Department, Liaoning Technical University，F(xiàn)uxin ，Liaoning （123000）2College of Mechanical Engineering, Liaoning Technical University，F(xiàn)uxin ，Liaoning （123000）AbstractBased on the present situation which the equipments become older and technology need renovated in the moal moniting system at present. This paper designs a new moal moniting system by the ideas of fieldbus technology and FSK technology, which make prepared for realizing moniting