現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在安全監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)中的應(yīng)用

張永東 陳 偉

（山東豐源遠(yuǎn)航煤業(yè)有限公司北徐樓煤礦，山東 棗莊 277500）

安全監(jiān)控系統(tǒng)是煤礦安全生產(chǎn)的重要保障系統(tǒng)。目前我國(guó)煤礦均已安裝安全監(jiān)控系統(tǒng)，為防范和減少煤礦重特大事故發(fā)揮了重要的作用，但原有系統(tǒng)技術(shù)面貌落后，關(guān)鍵系統(tǒng)指標(biāo)有待提高。

《國(guó)家煤礦安監(jiān)局關(guān)于印發(fā)〈煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造技術(shù)方案〉的通知》（煤安監(jiān)函〔2016〕5號(hào)文）對(duì)安全監(jiān)控系統(tǒng)的性能指標(biāo)做出了明確的提升要求，其中系統(tǒng)整體上需要提升的有兩點(diǎn)：（1）系統(tǒng)巡檢周期不超過(guò)20s；（2）異地?cái)嚯姇r(shí)間不超過(guò)40s。要想實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)必須對(duì)監(jiān)控設(shè)備的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行升級(jí)改造。目前主流的升級(jí)改造方式是將現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)應(yīng)用到安全監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。北徐樓煤礦采用上述方式對(duì)KJ95X系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)。

1 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)簡(jiǎn)介

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）由于采用了智能現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)設(shè)備中，加上現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備具有通信能力，現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量變送儀表可以與斷電器等執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接傳送信號(hào)，因而控制系統(tǒng)功能可以不依賴控制室的計(jì)算機(jī)或控制儀表，直接在現(xiàn)場(chǎng)完成，實(shí)現(xiàn)徹底的分散控制。

使用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，能簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)設(shè)備接口的標(biāo)準(zhǔn)化、功能模塊化。且系統(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(diǎn)。同時(shí)，由于煤礦井下監(jiān)控點(diǎn)多是沿巷道線性分布，新監(jiān)控系統(tǒng)具有監(jiān)測(cè)、計(jì)算、補(bǔ)償、控制等功能，適合于煤礦井下監(jiān)控點(diǎn)比較分散的特點(diǎn)。監(jiān)控點(diǎn)與通信電纜就近連接，沿巷道敷設(shè)一根電纜，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)在生產(chǎn)周期內(nèi)的一次性投資，安裝費(fèi)用和維護(hù)工作量都有所減少。

2 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在系統(tǒng)中的工作原理及特點(diǎn)

升級(jí)后的KJ95X煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)+現(xiàn)場(chǎng)總線架構(gòu)，井下分站向主機(jī)傳輸數(shù)據(jù)可采用2種方式。方式1：在環(huán)網(wǎng)交換機(jī)內(nèi)設(shè)置數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)通過(guò)以太網(wǎng)和監(jiān)控主機(jī)通信；方式2：在具有環(huán)網(wǎng)交換機(jī)處，使用以太網(wǎng)接口和各自業(yè)務(wù)主機(jī)通信；通過(guò)RS485、CAN現(xiàn)場(chǎng)總線與分站通訊，網(wǎng)關(guān)具備分站通信管理功能，網(wǎng)關(guān)下可以同時(shí)掛接不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)分站，實(shí)現(xiàn)井下分站數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜诤蟍1]。

現(xiàn)場(chǎng)傳感設(shè)備總線RS485、CAN可以掛接不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)傳感器，如安全監(jiān)控、人員定位、礦壓監(jiān)控、瓦斯抽放等。傳感器固定業(yè)務(wù)屬性，傳感器接入分站時(shí)，分站進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，并將采集的數(shù)據(jù)上傳到業(yè)務(wù)所屬主機(jī)，分站根據(jù)業(yè)務(wù)主機(jī)配置控制邏輯執(zhí)行本地控制輸出功能，同時(shí)分站業(yè)務(wù)之間可實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)數(shù)據(jù)融合，如甲烷與人員聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了分站級(jí)井下多業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)共纜傳輸及信息融合功能。

地面各業(yè)務(wù)主機(jī)接收分站數(shù)據(jù)，進(jìn)行顯示、報(bào)警、存儲(chǔ)、報(bào)表打印，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至全礦井?dāng)?shù)據(jù)采集平臺(tái)，完成地面各系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合功能。

為降低巡檢時(shí)間，數(shù)據(jù)傳輸采用不變不傳策略，為加快報(bào)警、控制響應(yīng)速度，構(gòu)建了基于RS485主從式通信條件下的事件搶先上傳模式，在方式1工作模式下KJ95X系統(tǒng)要高于巡檢時(shí)間小于10s的指標(biāo)。

為滿足現(xiàn)場(chǎng)對(duì)系統(tǒng)可靠性、安全性、易用性的要求，系統(tǒng)采用分布式控制策略，異地控制邏輯下發(fā)到分站和執(zhí)行器內(nèi)，在主傳電纜、主機(jī)故障等情況下，井下異地控制會(huì)正常工作。

系統(tǒng)采用分布式控制策略，如圖1，系統(tǒng)將控制邏輯配置于井下設(shè)備傳感器、分站以及網(wǎng)關(guān)。一種情況是分站接在同一網(wǎng)關(guān)下執(zhí)行異地?cái)嚯?，圖1虛線數(shù)據(jù)流1，源1號(hào)傳感器測(cè)點(diǎn)發(fā)起異地控制指令，1號(hào)分站在總線上發(fā)送該數(shù)據(jù)，2號(hào)分站解析傳輸線路斷電命令，發(fā)送至1號(hào)目標(biāo)斷電器執(zhí)行異地控制；另二種情況是分站接在不同網(wǎng)關(guān)下，監(jiān)控主機(jī)初始化時(shí)向網(wǎng)關(guān)下發(fā)異地關(guān)聯(lián)配置表，網(wǎng)關(guān)解析到傳輸線路有異地?cái)嚯娒?，按照異地關(guān)聯(lián)表將源分站發(fā)出的控制信息發(fā)送到目標(biāo)網(wǎng)關(guān)，目標(biāo)網(wǎng)關(guān)將斷電命令發(fā)送到目標(biāo)分站，執(zhí)行斷電指令，見(jiàn)圖1虛線數(shù)據(jù)流2。因此在主傳電纜、主機(jī)故障等情況下，井下異地控制工作正常。

CAN總線具有多主和優(yōu)先級(jí)仲裁特性，緊急事件可以優(yōu)先上傳，RS485總線屬于主從式半雙工的工作模式，一般規(guī)定從節(jié)點(diǎn)只有在收到一個(gè)有效的輪詢后才允許發(fā)送數(shù)據(jù)，但RS485總線具有傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，為了提高RS485總線對(duì)關(guān)鍵信息的響應(yīng)速度，鏈路協(xié)議采用令牌原理，為從節(jié)點(diǎn)提供事件優(yōu)先響應(yīng)機(jī)會(huì)，即使在沒(méi)有收到主節(jié)點(diǎn)的輪詢請(qǐng)求時(shí)，也可以向總線搶先發(fā)送信息。傳感器、斷電器以及分站等設(shè)備的緊急事件主要包括當(dāng)前值超過(guò)報(bào)警值、斷電值、異地控制、甲烷快速上升等，該類事件在總線上可以搶先發(fā)送，緊急事件不等待輪詢周期，縮短了重要事件響應(yīng)時(shí)間[2]。

3 新系統(tǒng)性能指標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)比

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，使系統(tǒng)快速巡檢及異地快速控制的目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)，北徐樓煤礦完成安全監(jiān)控升級(jí)改造示范化項(xiàng)目后，對(duì)升級(jí)前的后的系統(tǒng)性能指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，見(jiàn)表1。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)總線的KJ95X監(jiān)控系統(tǒng)工作原理圖

表1 KJ95N與KJ95X系統(tǒng)指標(biāo)對(duì)比表

4 結(jié)論

結(jié)合北徐樓煤礦實(shí)際應(yīng)用和國(guó)家煤礦安監(jiān)局對(duì)升級(jí)改造提出的要求，升級(jí)改造完成后的KJ95X煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，系統(tǒng)巡檢時(shí)間小于10s，異地控制時(shí)間小于5s，滿足煤安監(jiān)函〔2016〕5號(hào)文和新版AQ6201-2006技術(shù)要求[3]。