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1、http:/ -1-现场总线在煤矿监控系统中的应用现场总线在煤矿监控系统中的应用1 薛永存1，卢万杰2，付华1 1 辽宁工程技术大学电气与控制学院，辽宁阜新(123000)2 辽宁工程技术大学机械学院，辽宁阜新(123000)E-mail： 摘摘 要：要：针对目前煤矿监控系统设备老化，技术急需更新的现状，本文在现场总线技术和FSK 技术思想指导下设计出一种新型煤矿监控系统，为最终实现符合现场总线国际标准的监控系统做好准备。关键词：关键词：现场总线技术，FSK 技术，煤矿监控系统，FCS 中图分类号：中图分类号：TD 1.引言引言 近几年以来，国家对煤矿企业安全生产要求的不断提高和为了企业自身发
2、展的需要，我国各大、中、小煤矿的高瓦斯或瓦斯突出矿井陆续在装备安全监控系统。我国煤矿监控领域正使用许多不同的、相互封闭的系统。多数是简单的模拟系统，只有部分重点大中型煤矿是以计算机为中心的集散型监控系统（DCS），该系统结构集中，与现场设备的接口仍然是 420mA 电流表示的模拟量信号和逻辑电平表示的开关量信号，一对一设备连接，兼容性差。由于相当一部分监控系统技术水平低、功能和扩展性能差、现场维修维护和技术服务跟不上等原因，造成相当一部分矿井无法继续正常使用已装备的系统。特别是由于老系统服务年限将至，已无继续维修维护的必要，系统面临更新改造的机遇。随着电子技术、计算机软硬件技术的迅猛发展，在“
3、以风定产，先抽后采，监测监控”十二字方针和煤矿安全规程有关条款指导下，矿井监测监控系统新的研究方法如雨后春笋般的不断涌现。但目前仍存在的问题有：1通信协议不规范；2井下信息传输设备物理接口协议不规范；3传感器等质量不过关；4现场管理和维护水平不够完善；5市场秩序不够规范。而以新型技术现场总线技术搭建的现场总线监控系统（FCS）把单个分散的测量控制设备变为网络节点，以现场总线为纽带，进行实时一对多的信号传输，简化了系统结构，方便于远程距离的传输。但现场总线技术尚未完善，没有成熟的系统可供使用。作者对阜新各大中型煤矿进行了长期的调研实习，深入研究了现场总线技术的特点优点，充分利用现场条件，按现场总
4、线思想设计出一种全新的分布式监控系统，此系统虽然不是完全符合现场总线技术标准，但为今后过渡到现场总线监控系统做好了准备。2.现场总线技术简介现场总线技术简介 现场总线控制系统由于采用了智能现场设备，能够把原先 DCS 系统中处于控制室的控制模块、各输入输出模块置入现场设备中，加上现场设备具有通信能力，现场的测量变送仪表可以与阀门等执行机构直接传送信号，因而控制系统功能能够不依赖控制室的计算机或控制仪表，直接在现场完成，实现了彻底的分散控制1。2.1 现场总线的技术特点现场总线的技术特点 系统的开放性：开放系统是指通信协议公开，各不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交换，现场总线开发者就是要致
5、力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。这 1 本课题得到辽宁工程技术大学优秀青年基金项目（名称：新型煤与瓦斯突出预测系统研究,项目编号：07A112）的资助。http:/ -2-里的开放是指对相关标准的一致性、公开性、强调对标准的共识与遵从。互可操作性与互用性：互可操作性，是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通，可实行点对点、一点对多点的数字通信。现场设备的智能化与功能自治性：它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成。系统结构的高度分散性。对现场环境的适应性：工作在现场设备前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为现场环境工作而设计的，它可支持双绞线、同轴电缆、光缆
6、、红外线等，具有较强的抗干扰能力，并可满足安全防爆要求。2.2 现场总线的优点现场总线的优点 由于现场总线的以上特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统从设计、安装、投运到正常生产运行及检修维护，都体现出优越性。具体体现在：节省硬件数量与投资；节省安装费用；节约维护开销；用户具有高度的系统集成主动权；提高了系统的准确性与可靠性。2.3 现场总线的类型现场总线的类型 目前国际上存在着几十种现场总线标准，比较流行的主要有 FF(基金会现场总线，Foundation.Fieldbus)、CAN、DeviceNet、LonWorks、PROFIBUS、HART、INTERBUS、CC-Link、
7、ControlNet、WorldFIP、P-Net、SwiftNet 等现场总线。其中在我国应用技术比较成熟的是 CAN总线技术，它也是众多总线技术中应用最为广泛的一种2。3.系统设计的思想依据系统设计的思想依据 近几年工业自动化飞速发展，现场总线这一全新工业控制模式越来越受到人们的注意，在很多领域里很多项目中发挥了很大的作用。本系统的设计思想依据主要是现场总线技术。由于国内大多煤矿使用的传感器和控制器等设备不是智能化的，不可能全数字化，所以本系统不同于完全的 FCS 系统，但也不同于传统的 DCS 系统。本系统具有现场总线的开放性、可互换性、可互操作性、高度分散性的优点，更适用于煤矿的实际应
8、用。智能接口公开通信协议，使本系统与国内外不同厂家不同品种的监控设备之间互联，实现信息互换，把传感器和控制器等设备选定的权利下放给了用户。实时管理级和监视控制级的设备均采用国际标准接口设备，互换性良好。国内煤矿监控领域各厂家不同品牌不同用途的传感器和控制器都能方便地接入系统。不同厂商提供的设备经转换器互联，监视控制级只在开机时进行不同设备间关系的定义，转换器之间可通过智能串口沟通信息。智能测控功能分散到现场，将旧系统控制级的部分功能和井下分站的全部功能分散到现场的转换器中，提高了监测精度，增加了抗干扰能力，分散了系统危险。由于借鉴了现场总线技术，大大简化了系统结构，提高了本系统设备接口标准化、
9、功能模块化。本系统规模可大可小，易于重构，非常适用于煤矿井下监控布局经常变更的特点。同时，由于煤矿井下监控点多是沿巷道线性分布，转换器设计在监控现场，具有监测、计算、补偿、控制等功能，适合于煤矿井下监控点比较分散的特点。监控点与通信电缆就近连接，沿巷道敷设一根电缆，使系统的一次性投资，安装费用和维护工作量都大大减少了。由于数据传输是影响监控系统使用寿命的关键技术，由于煤矿监控系统传输距离也很远，本设计采用了无极性两线制的频移键控 FSK 技术，即在 420mA 模拟信号上叠加幅度http:/ -3-为 0.5mA 的正弦调制波，其基本内容是：波特率为 1200bps；逻辑 1 代表 1200H
10、z；逻辑 0代表 2200Hz。FSK 技术是基于 Bell202 通信标准的，Bell202 的信号如图 1 所示。FSK 技术方法简单，易于实现解调不须恢复本地载波，抗干扰和抗衰减性能比较强。00.5mA0.5mA 1200Hz 2200Hz 图 1 Bell202 的信号曲线 4.系统结构的具体分析系统结构的具体分析 根据煤矿监控环境恶劣、监控距离长、范围广的特点，设计出的煤矿监控系统主要由实时管理级、监视控制级、现场测控级三部分组成，其结构如图 2 所示。ACTA CT10M 100M12341314151656781718192091 01112212 22324UP LINK1 2
11、 3 4 5 6 7 8 9 101112131415 16171819202 1222324COLCOLPWRSW ITCHACTA CT10M 100M12341314151656781718192091 01112212 22324UP LINK1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415 16171819202 1222324COLCOLPWRSW ITCHACTACT10M100M123413141516567817181920910111221222324UP LINK1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121 3 14 1516 1718192021 22
12、2324CO LCOLPW RSW ITCHACTA CT10M 100M12341314151656781718192091 01112212 22324UP LINK1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415 16171819202 1222324COLCOLPWRSW ITCHACTA CT10M 100M12341314151656781718192091 01112212 22324UP LINK1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415 16171819202 1222324COLCOLPWRSW ITCH 图 2 监控系统的结构框图 系统由早期
13、的地面单微机监测监控已发展成为网络化监测监控以及不同监测监控系统的联网监测。其主要由监测终端、监控中心站、通信接口装置、井下分站、传感器组成。1）实时管理级由服务器和各类终端组成，进行生产、技术、财务、设备、通风、安全监察等管理。将全矿井各主要业务部门及矿井安全生产情况信息进行整理、分析、存储，同时与上一级网络交换数据。2）监视控制级由监控计算机和图形工作站等组成，负责监控信息的采集、整理、优化及过程数据库存储、图形显示、报表打印等。是系统管理人员与系统对话的层面，对监控系统各设备之间关系进行定义，并进行故障诊断和高级控制，同时可接受上一级管理级的指导。http:/ -4-3）现场测控级由转换
14、器、传感器和控制器组成，接受监视控制级的定义、命令，并对相关设备进行监测和控制。如对风速、瓦斯、温度、氧气等参数监测并对相应设备进行控制。对皮带传输系统、电力系统、供热系统、提升系统、瓦斯抽放系统等的信息都通过现场的转换器送到监控系统中去。根据有关部门要求煤矿监控系统传感器及执行器与分站之间传输距离为 2km，本设计将系统传输电缆一直延伸到工作面附近。转换器作为系统传输电缆与传感器及执行器的接口，直接挂在工作面走向壁上。每个转换器都有监测、控制和通信的功能，配有 FSK，RS485，RS232 等智能接口、传感器接口和控制接口。传感器接口囊括了煤矿监控领域可能使用的全部模拟量或开关量信号接口。
15、转换器分为总线转换器和分线转换器。总线转换器具有串行接口和 FSK 传输接口，使传感器及执行器多路复用更为简单。总线转换器把信号转换成数字信息从 FSK 口输出直接与系统交换信息。而分线转换器把信号转换成数字信息从串行接口输出与总线转换器交换数据，经总线转换器整理后再与系统交换信息。为增加可靠性及大型矿井的需要，监控系统设计了多路可选传输通道，每个通道传输距离 20km，最大负载 64 个总线转换器，每个总线转换器串接 3 个分线转换器，2048 个监测量，512 个控制量。为保证系统长期的可靠运行，可增加传输通道提高监控系统的负载能力。监控系统井下分站形式多样，但基本上具备了如下功能：开机自
16、检和本机初始化功能；通信测试功能；分站设程控功能（实现断点仪功能、风电瓦斯闭锁功能、瓦斯管道监测功能和一般的环境监测功能等）；死机自复位功能且通知中心站；接收地面中心站初始化本分站参数设置功能(如传感器配接通道号、量程、断电点、断电点、报警上限和报警下限等)；分站自动识别配接传感器类型（电压型、电流型或频率型等）；分站本身具备超限报警功能；分站接收中心站对本分站指定通道输出控制继电器实施手控操作功能和异地断电功能。5总结与展望总结与展望 本系统结合了当前的现场总线技术，具有一定的使用价值，但在实际应用中需要不断的改进和完善。虽然各种现场总线标准在技术上相互渗透，但为谋求各自市场利益，几十年来没
17、有统一的现场总线国际标准可遵循，各产品间无法直接相互操作，带来了极大的混乱3。随着现场总线技术的进一步发展，研制出更好的现场总线开发工具及配套设备，必将能够开发出适合煤矿监控需要，兼容国内产品，符合现场总线国际标准的系统。参考文献参考文献 1 阳宪惠现场总线技术及其应用M北京：清华大学出版社，1999。2 周 明现场总线控制M北京：中国电力出版社，2002。3 王衍生监测监控系统在矿井瓦斯管理中的应用A北京：矿业安全与环保，2000，71-73。http:/ -5-the Application of Fieldbus on Moal Moniting System Xue Yongcun1，
18、Lu Wan-jie2，Fu Hua1 1Electrical Engineering Department,Liaoning Technical University，Fuxin，Liaoning（123000）2College of Mechanical Engineering,Liaoning Technical University，Fuxin，Liaoning（123000）Abstract Based on the present situation which the equipments become older and technology need renovated in
19、 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 system according the fieldbus international standard.Keywords：Fieldbus technology，FSK technology，moal moniting system，FCS 作者简介：薛永存（1981-），男（满族）吉林省四平市人，辽宁工程技术大学助教，研究生，主要从事智能检测技术方面教学和研究工作；卢万杰（1981-），女（汉族）吉林省松原市人，辽宁工程技术大学机械学院助教，从事机电一体化及矿山安全方面的教学和课题研究工作。