煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的整合方案分析與設(shè)計

天地（常州）自動化股份有限公司 顧春瑜

1.國內(nèi)目前煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀與問題

我國的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)起步較晚，發(fā)展過程經(jīng)歷了自主研發(fā)、引進(jìn)國外技術(shù)、再自主研發(fā)的過程。如早期國內(nèi)自主研發(fā)的KJ1系統(tǒng)，到后來從法國和德國引進(jìn)的CCT63/40系統(tǒng)、TF200系統(tǒng)等。到上世紀(jì)末，國內(nèi)某些專門機構(gòu)自主研發(fā)的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的水平已經(jīng)較高，在某些單項指標(biāo)上已經(jīng)接近國際先進(jìn)水平，也表現(xiàn)出網(wǎng)絡(luò)化和信息化的趨勢。但從整體發(fā)展水平上存在不足，主要表現(xiàn)在過分注重于對煤礦安全生產(chǎn)中的某些方面進(jìn)行研發(fā)，如對坑道內(nèi)的環(huán)境因素監(jiān)控，井下設(shè)備的控制等方面，對煤礦的整體系統(tǒng)監(jiān)控方面的研究并不深入。從現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)的工作特點來看，不同類型的監(jiān)控系統(tǒng)之間的兼容性不足，系統(tǒng)擴展和升級能力受到較大的限制。同時安全監(jiān)控系統(tǒng)是以安全因素的檢測為主，對獲得的監(jiān)測信息缺乏預(yù)警響應(yīng)能力，在智能化方面還存在很大的改進(jìn)空間。

因此就當(dāng)前國內(nèi)煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的特點而言，主要的問題還是如何形成一套較為完整的綜合信息監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對煤礦安全生產(chǎn)的各個方面的實時信息進(jìn)行整合。本文將針對這個問題，探討煤礦安全生產(chǎn)綜合監(jiān)控系統(tǒng)所需的條件和構(gòu)成方式。

2.常用煤礦監(jiān)控系統(tǒng)特點分析

探討煤礦安全生產(chǎn)綜合監(jiān)控系統(tǒng)需要以現(xiàn)有的監(jiān)控子系統(tǒng)為基礎(chǔ)進(jìn)行整合。通常而言，煤礦的監(jiān)控系統(tǒng)包括以下幾類基本的子系統(tǒng)類型：電力監(jiān)控系統(tǒng)、綜采工作面監(jiān)控系統(tǒng)、生產(chǎn)和調(diào)度系統(tǒng)等。上述不同系統(tǒng)類型所采用的工作方式差異較大，而多數(shù)煤礦都具備兩種或兩種以上的子系統(tǒng)，因此要探討以這些子系統(tǒng)為基礎(chǔ)的煤礦安全生產(chǎn)綜合監(jiān)控系統(tǒng)就需要對這些現(xiàn)有系統(tǒng)的特點進(jìn)行分析后才能制定可行的整合方案。

(1)電力監(jiān)控系統(tǒng)

電力系統(tǒng)是煤礦的基礎(chǔ)系統(tǒng)之一，也是煤礦生產(chǎn)中的重要組成部分。對電力系統(tǒng)的監(jiān)控是實現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)的重要保證。煤礦電力系統(tǒng)主要組成部分有兩個，一是井下中央變電所，二是采礦區(qū)變電所。其中中央變電所由主控柜、配電柜及微機保護(hù)裝置三個主要部分組成。采礦區(qū)變電所則一般由隔爆開關(guān)和監(jiān)控單元組成?？傮w而言，煤礦電力系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)組成形式為利用CAN現(xiàn)場總線將監(jiān)控單元（如隔爆開關(guān)等）將信息集成到中央變電所分站和采礦區(qū)變電所分站，再由CAN現(xiàn)場總線集成到電力系統(tǒng)監(jiān)控服務(wù)器，進(jìn)而將監(jiān)控信息匯集到地面主控機。因此電力系統(tǒng)的監(jiān)控布局呈現(xiàn)出的是一種金字塔型或樹型的系統(tǒng)布局。

(2)綜采工作面監(jiān)控系統(tǒng)

綜采工作面監(jiān)控系統(tǒng)是煤礦對實際工作進(jìn)行監(jiān)控的主要系統(tǒng)，這一系統(tǒng)主要監(jiān)控對象是采煤機、液壓支架和輸送機三類主要的煤礦施工設(shè)備。從目前的煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成來看，這三類煤礦施工設(shè)備都有各自的相對獨立的監(jiān)控子系統(tǒng)，從而共同構(gòu)成了對煤礦工作面的監(jiān)控體系。從監(jiān)控模式上看，對采煤機的監(jiān)控通常情況下都是通過對設(shè)備的特征參數(shù)的實時監(jiān)測來判斷設(shè)備是否處于正常運行狀態(tài)。實現(xiàn)方式上通常是以設(shè)備關(guān)鍵部位上的傳感器來完成數(shù)護(hù)具采集，再由通信線纜連接到CAN現(xiàn)場總線進(jìn)行傳輸。從布局上看這類監(jiān)控系統(tǒng)屬于全分布式的監(jiān)測系統(tǒng)。相對于采煤機，液壓支架的作用是為了保障煤礦開采工作的安全。對支架的工作狀態(tài)的監(jiān)測也是通過布置壓力傳感器的方式來完成。而輸送機則是承擔(dān)將開采出的煤炭資源運輸出井的任務(wù)。對輸送機的監(jiān)控主要針對功率驅(qū)動的監(jiān)控和對鏈環(huán)張力的監(jiān)控兩部分，數(shù)據(jù)采集方式仍然是以傳感器采集為基礎(chǔ)來進(jìn)行協(xié)調(diào)和控制。這三類監(jiān)控系統(tǒng)是相輔相成的，都可以通過信道配置而隸屬于井下控制臺和地面控制中心，因此耦合程度相對較好。

(3)生產(chǎn)和調(diào)度系統(tǒng)

煤礦生產(chǎn)和調(diào)度系統(tǒng)主要完成通訊、報警以及對生產(chǎn)過程的監(jiān)控等任務(wù)。從系統(tǒng)布局的角度看，常用的布局方式為分布式布局，實現(xiàn)手段有通訊電纜連接和無線通訊兩大類。其中通訊系統(tǒng)主要以電纜通信配合無線通訊來完成，而對生產(chǎn)過程的監(jiān)控則通過布置光纜和電視監(jiān)控系統(tǒng)來完成。

3.煤礦監(jiān)控子系統(tǒng)的綜合方案設(shè)計

3.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計

要進(jìn)行煤礦監(jiān)控子系統(tǒng)的整合，需要考慮子系統(tǒng)的布局特點。從整合子系統(tǒng)的角度看，需要分析幾種基本的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。參考國內(nèi)外的煤礦綜合監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點，常用的是環(huán)型結(jié)構(gòu)和總線型結(jié)構(gòu)。環(huán)型結(jié)構(gòu)的主要特點是可以通過通信鏈路將煤礦中的通信節(jié)點構(gòu)成閉合回路，回路中的信號沿單向傳輸。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的最大特點是實現(xiàn)方便，僅需要一些必要的連接設(shè)備和交換機即可，而且可以利用較為成熟的以太網(wǎng)技術(shù)。但其缺點是串聯(lián)式的，因此某個節(jié)點的故障都可能造成故障和維修困難?？偩€型結(jié)構(gòu)的特點是將網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備都與總線相連，不依靠類似環(huán)型結(jié)構(gòu)的中心節(jié)點，總線則以串聯(lián)結(jié)構(gòu)為主。當(dāng)需要增加設(shè)備時只需在總線上增加接口即可，且個別節(jié)點的故障不會影響到整個網(wǎng)絡(luò)的正常運行。其缺點是在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的容量有限，對總線的容量要求較高。因此結(jié)合環(huán)型結(jié)構(gòu)和總線型結(jié)構(gòu)的優(yōu)點和缺點，筆者認(rèn)為采用環(huán)型和總線型的綜合型結(jié)構(gòu)，具體為主干網(wǎng)絡(luò)采用環(huán)型結(jié)構(gòu)，子網(wǎng)采用總線型結(jié)構(gòu)。這種混合型的結(jié)構(gòu)能夠利用上述兩類結(jié)構(gòu)優(yōu)點，在一定程度上可以避免環(huán)型結(jié)構(gòu)傳輸距離的限制。

3.2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

由于整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用的是綜合型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，涉及到總線通信協(xié)議的問題。因此需要對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行必要的討論。當(dāng)前煤礦中采用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要是工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，該模型基于開放系統(tǒng)互連的參考模型，共有7層結(jié)構(gòu)。結(jié)合煤礦監(jiān)控的實際需求，對網(wǎng)絡(luò)中的故障需要有必要的自動診斷功能，即需要差錯報告機制和IEEE802.3D/W/S生成樹協(xié)議這兩類關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。具體實現(xiàn)方式為以工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)參考模型OIS中網(wǎng)絡(luò)層ICMP來實現(xiàn)，由主機和路由器之間完成報錯和狀態(tài)檢查。IEEE802.3D/W/S的作用是通過身份驗證的方式來保障網(wǎng)絡(luò)的安全運行。

從當(dāng)前煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的組成方式來看，多數(shù)都采用的CAN現(xiàn)場總線的形式，因此也需要討論于此相關(guān)的問題。CAN協(xié)議需要處理數(shù)據(jù)鏈路層和物理層以及應(yīng)用層三個方面的協(xié)議。其中數(shù)據(jù)鏈路層和物理層屬于OSI模型中的底層，而應(yīng)用層需自行定義或采用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。從通用性的角度出發(fā)，在處理CAN現(xiàn)場總線的應(yīng)用層協(xié)議時采用DeviceNet和CANOpen協(xié)議，上述兩類協(xié)議分別處理煤礦自動化控制設(shè)備控制和數(shù)據(jù)通信，可為設(shè)備與主干網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)無縫連接和滿足分布式網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的需要。

3.3 通訊

我國煤礦安全監(jiān)控的傳統(tǒng)模式是DCS控制系統(tǒng)，由于不具備可操性和開放性等缺點，已經(jīng)逐漸不能滿足煤礦安全監(jiān)控的需要，而FCS控制系統(tǒng)開始成為主流的發(fā)展方向。因此采用CAN作為連接煤安全監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)礦的底層結(jié)構(gòu)是符合發(fā)展趨勢的選擇。在此基礎(chǔ)上，對CAN通訊采用多主競爭式的總線結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)分布式網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊的需要，對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的沖突能夠?qū)崿F(xiàn)自動化處理。

3.4 數(shù)據(jù)傳輸平臺與接口設(shè)計

要實現(xiàn)對煤礦現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)的整合，需要完成對主干網(wǎng)絡(luò)和各子網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。結(jié)合前文對整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用的環(huán)型和總線型的綜合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此對于整合煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的主干網(wǎng)絡(luò)采用工業(yè)以太網(wǎng)配合現(xiàn)場總線的模式，即由光纖冗余主干網(wǎng)和設(shè)備級現(xiàn)場總線來構(gòu)成綜合監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的主干網(wǎng)絡(luò)。而對于子網(wǎng)絡(luò)，由于這些網(wǎng)絡(luò)分處于不同的工作環(huán)境，采用電纜作為CAN總線的傳輸線路，其優(yōu)點是便于維護(hù)。

由于綜合監(jiān)控系統(tǒng)要處理多個子網(wǎng)絡(luò)之間的連接和傳輸，需要采用大量的CAN接口，因此對于子網(wǎng)絡(luò)和主干網(wǎng)絡(luò)之間的接口也是一個應(yīng)當(dāng)注意的問題。從煤礦實際需要出發(fā)，采用基于獨立CAN控制器的總線接口方案是比較好的選擇，獨立CAN控制器型號可采用SJA1000等獨立控制器。

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