現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在煤礦監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

劉超

摘 要：現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)具有可靠性高、設(shè)計(jì)獨(dú)特、性能卓越等優(yōu)勢(shì)，因此可以解決煤礦傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)存在的諸多問(wèn)題，該技術(shù)并非對(duì)煤礦綜合監(jiān)控系統(tǒng)的升級(jí)改造，而是徹底的進(jìn)行更新?lián)Q代，因此現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)大大提高了煤礦的自動(dòng)化、數(shù)字化水平。文章對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，分析監(jiān)控系統(tǒng)的原理，并提出煤礦監(jiān)控系統(tǒng)中現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)場(chǎng)總線；煤礦；監(jiān)控系統(tǒng)

所謂現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)即是將專用微處理器置入傳統(tǒng)的測(cè)量控制儀表，使其具備相應(yīng)的數(shù)字計(jì)算能力及通信能力，再采用雙絞線作為總線連續(xù)多個(gè)測(cè)量控制表，根據(jù)公開、規(guī)范的通信協(xié)議在現(xiàn)場(chǎng)多個(gè)微機(jī)化測(cè)量控制設(shè)備、儀表及遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的傳輸與交換，以滿足各類監(jiān)控需要。

1 現(xiàn)場(chǎng)總線概述

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）即由現(xiàn)場(chǎng)總線構(gòu)成的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為全分散式的，不僅現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備位置分散，功能模塊也是分散的，系統(tǒng)中每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備均可以互相通訊，并具備對(duì)應(yīng)的功能；通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線將系統(tǒng)中各類設(shè)備連接起來(lái)?，F(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)既是一個(gè)開放性的通信網(wǎng)絡(luò)，又是一種全分布式的控制系統(tǒng)，是聯(lián)接各個(gè)智能設(shè)備的紐帶。比如一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備在接受到總線發(fā)送的控制命令后，會(huì)執(zhí)行命令，并且現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備也可以通過(guò)總線向控制中心發(fā)送自身的狀態(tài)信息，比如命令的完成情況等，其他諸如運(yùn)行監(jiān)視、故障分析等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備即可接受該現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備發(fā)送的狀態(tài)信息?，F(xiàn)場(chǎng)總線以多點(diǎn)式通訊方式保證系統(tǒng)中每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備均可通過(guò)總線發(fā)布信息或接受信息，不過(guò)需要注意一點(diǎn)，即任何時(shí)間僅有一個(gè)發(fā)布者，余者均為接收者，而系統(tǒng)中每個(gè)設(shè)備均可以智能化的"過(guò)濾"掉自己所不需要的信息，做出是否響應(yīng)信息的決定。由此可見，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)并非單純的通訊技術(shù)，而是將計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)及通訊技術(shù)結(jié)合在一起的綜合性技術(shù)。

2 煤礦監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)內(nèi)容

煤礦綜合監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控對(duì)象包括環(huán)境參數(shù)監(jiān)控與機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控兩個(gè)方面，其中環(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)主要對(duì)模擬量形式的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，比如瓦斯?jié)舛?、一氧化碳及二氧化碳的濃度、巷道風(fēng)速及風(fēng)量、風(fēng)門、溫度、變電所功率、電壓、電流等，傳感器主要輸出FSK型的信號(hào)；并監(jiān)測(cè)開關(guān)量形式設(shè)備的開停參數(shù)，包括通風(fēng)機(jī)、水泵、帶式輸送機(jī)、掘進(jìn)機(jī)等設(shè)備等。針對(duì)機(jī)械設(shè)備主要對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)沒，包括設(shè)備振動(dòng)量、電機(jī)電流、軸承溫度等，并對(duì)設(shè)備的啟停進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。監(jiān)測(cè)過(guò)程中，環(huán)境參數(shù)信號(hào)只需采用均值統(tǒng)計(jì)法及3σ剔除法進(jìn)行處理、判斷及閾值報(bào)警，最后再將分析結(jié)果傳至監(jiān)控中心即可，而設(shè)備運(yùn)行參數(shù)需要針對(duì)振動(dòng)信號(hào)及電流信號(hào)進(jìn)行降噪處理及時(shí)域分析，并進(jìn)行FFT變換、頻域故障診斷等處理，還要間隔特定周期向主機(jī)傳送設(shè)備振動(dòng)信號(hào)及電流信號(hào)的原始數(shù)據(jù)，以提高分析的精密度。由此可見，機(jī)械設(shè)備監(jiān)控與環(huán)境參數(shù)監(jiān)控的模擬信號(hào)處理電路、信號(hào)分析程序及通訊內(nèi)容各不相同。

3 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在煤礦監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想

在煤礦監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，體現(xiàn)出開放性、可互換性、可互操作性、高度分散性的特點(diǎn)，與煤礦企業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)工作情況更為相符。智能接口公開通信協(xié)議，以提高系統(tǒng)的兼容性與可擴(kuò)展性，實(shí)現(xiàn)與國(guó)內(nèi)外不同廠家不同型號(hào)監(jiān)控設(shè)備之間的互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)信息互換，在選擇傳感器及控制器時(shí)有更多的余地；針對(duì)實(shí)理管理級(jí)及監(jiān)視控制級(jí)的設(shè)備，采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)接口設(shè)備，可方便接入國(guó)內(nèi)煤礦監(jiān)控領(lǐng)域不同品牌、不同用途的傳感器與控制器，以保證系統(tǒng)良好的互換性。針對(duì)不同廠家生產(chǎn)的各種設(shè)備經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行聯(lián)接，僅在系統(tǒng)開機(jī)時(shí)對(duì)各類設(shè)備之間的關(guān)系進(jìn)行定義即可，并利用智能串口實(shí)現(xiàn)各轉(zhuǎn)換器之間的信息溝通。將智能測(cè)控功能分布于工作現(xiàn)場(chǎng)，不僅可以提高系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)精度及抗干擾能力，還可以分散系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

煤礦工作環(huán)境惡劣，且監(jiān)控范圍廣、距離長(zhǎng)，因此煤礦監(jiān)控系統(tǒng)主要包括三大模塊，即實(shí)時(shí)管理模塊、監(jiān)視控制模塊及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控模塊，具體結(jié)構(gòu)則包括監(jiān)測(cè)終端、監(jiān)控中心站、通信接口裝置、井下分站及各類傳感器等。下文分別介紹煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的三大模塊：

3.2.1 實(shí)時(shí)管理模塊：該模塊包括系統(tǒng)服務(wù)器及各類終端，其主要作用是對(duì)煤礦的生產(chǎn)過(guò)程及環(huán)境條件進(jìn)行實(shí)時(shí)管理，包括生產(chǎn)、技術(shù)、設(shè)備、通風(fēng)、安全監(jiān)察等；整個(gè)礦井的主要業(yè)務(wù)部門及安全生產(chǎn)信息均匯集至該模塊，由其進(jìn)行加工整理及存儲(chǔ)后，再與上一級(jí)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

3.2.2 監(jiān)視控制模塊：主要包括監(jiān)控計(jì)算機(jī)及圖形工作站等，其主要作用是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控信息進(jìn)行采集、整理，并將相關(guān)信息存儲(chǔ)于對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)，此外還具備圖形顯示、打印報(bào)表等功能；人機(jī)對(duì)話主要通過(guò)監(jiān)視控制模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，管理人員通過(guò)該模塊定義監(jiān)控系統(tǒng)各設(shè)備之間的關(guān)系，并進(jìn)行故障診斷及高級(jí)控制等。

3.2.3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控模塊：主要包括轉(zhuǎn)換器、傳感器及控制器，其主要作用是執(zhí)行上級(jí)即監(jiān)視控制模塊的命令，對(duì)風(fēng)速、瓦斯、溫度、氧氣等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)皮帶傳輸系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、瓦斯抽放系統(tǒng)等設(shè)備運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并利用現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)換器將對(duì)應(yīng)信息傳輸至上級(jí)監(jiān)視控制模塊?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)控模塊配置有FSK、RS485、RS232等智能接口、傳感器接口及控制接口，直接掛在工作面走向避上，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換器監(jiān)測(cè)、控制及通信的功能；轉(zhuǎn)換器包括兩種，即總線轉(zhuǎn)換器與分線轉(zhuǎn)換器，其中總線轉(zhuǎn)換器的主要作用是將信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，其具有串行接口與FSK傳輸接口，傳感器及執(zhí)行器采集到的信號(hào)通過(guò)總線轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息，再由FSK口直接輸出與系統(tǒng)完成信息交換；分線轉(zhuǎn)換器的主要作用則是將傳感器及執(zhí)行器的信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息，再由串行接口輸入與總線轉(zhuǎn)換器進(jìn)行交換。此外，監(jiān)控系統(tǒng)有多個(gè)井下分站，每個(gè)分站均具備完善的功能，包括程控功能、通信測(cè)試功能、死機(jī)自復(fù)位功能、接收地面中心站初始化本分站參數(shù)設(shè)置功能、分站自動(dòng)識(shí)別配接傳感器類型等。

4 結(jié)束語(yǔ)

總之，基于現(xiàn)場(chǎng)總線的煤礦監(jiān)控系統(tǒng)可根據(jù)煤礦現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)情況實(shí)現(xiàn)特定的控制要求及功能，對(duì)煤礦的環(huán)境參數(shù)及設(shè)備參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，提高了煤礦報(bào)警系統(tǒng)的模式識(shí)別能力，保證了監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性與準(zhǔn)確性。

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