煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的整合方案分析與設(shè)計(jì)

天地（常州）自動(dòng)化股份有限公司 顧春瑜

1.國(guó)內(nèi)目前煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀與問(wèn)題

我國(guó)的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)起步較晚，發(fā)展過(guò)程經(jīng)歷了自主研發(fā)、引進(jìn)國(guó)外技術(shù)、再自主研發(fā)的過(guò)程。如早期國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的KJ1系統(tǒng)，到后來(lái)從法國(guó)和德國(guó)引進(jìn)的CCT63/40系統(tǒng)、TF200系統(tǒng)等。到上世紀(jì)末，國(guó)內(nèi)某些專門機(jī)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(xiàng)指標(biāo)上已經(jīng)接近國(guó)際先進(jìn)水平，也表現(xiàn)出網(wǎng)絡(luò)化和信息化的趨勢(shì)。但從整體發(fā)展水平上存在不足，主要表現(xiàn)在過(guò)分注重于對(duì)煤礦安全生產(chǎn)中的某些方面進(jìn)行研發(fā)，如對(duì)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(duì)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(diǎn)來(lái)看，不同類型的監(jiān)控系統(tǒng)之間的兼容性不足，系統(tǒng)擴(kuò)展和升級(jí)能力受到較大的限制。同時(shí)安全監(jiān)控系統(tǒng)是以安全因素的檢測(cè)為主，對(duì)獲得的監(jiān)測(cè)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(guó)內(nèi)煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)而言，主要的問(wèn)題還是如何形成一套較為完整的綜合信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦安全生產(chǎn)的各個(gè)方面的實(shí)時(shí)信息進(jìn)行整合。本文將針對(duì)這個(gè)問(wèn)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(diǎn)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(duì)這些現(xiàn)有系統(tǒng)的特點(diǎn)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(duì)電力系統(tǒng)的監(jiān)控是實(shí)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(gè)，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(jī)保護(hù)裝置三個(gè)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。總體而言，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(chǎng)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(chǎng)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(jī)。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(duì)實(shí)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(duì)象是采煤機(jī)、液壓支架和輸送機(jī)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(lái)看，這三類煤礦施工設(shè)備都有各自的相對(duì)獨(dú)立的監(jiān)控子系統(tǒng)，從而共同構(gòu)成了對(duì)煤礦工作面的監(jiān)控體系。從監(jiān)控模式上看，對(duì)采煤機(jī)的監(jiān)控通常情況下都是通過(guò)對(duì)設(shè)備的特征參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)來(lái)判斷設(shè)備是否處于正常運(yùn)行狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)方式上通常是以設(shè)備關(guān)鍵部位上的傳感器來(lái)完成數(shù)護(hù)具采集，再由通信線纜連接到CAN現(xiàn)場(chǎng)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(cè)系統(tǒng)。相對(duì)于采煤機(jī)，液壓支架的作用是為了保障煤礦開采工作的安全。對(duì)支架的工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)也是通過(guò)布置壓力傳感器的方式來(lái)完成。而輸送機(jī)則是承擔(dān)將開采出的煤炭資源運(yùn)輸出井的任務(wù)。對(duì)輸送機(jī)的監(jiān)控主要針對(duì)功率驅(qū)動(dòng)的監(jiān)控和對(duì)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(lái)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(guò)信道配置而隸屬于井下控制臺(tái)和地面控制中心，因此耦合程度相對(duì)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(bào)警以及對(duì)生產(chǎn)過(guò)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(shí)現(xiàn)手段有通訊電纜連接和無(wú)線通訊兩大類。其中通訊系統(tǒng)主要以電纜通信配合無(wú)線通訊來(lái)完成，而對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)控則通過(guò)布置光纜和電視監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)完成。

3.煤礦監(jiān)控子系統(tǒng)的綜合方案設(shè)計(jì)

3.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(diǎn)。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(guó)內(nèi)外的煤礦綜合監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，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(diǎn)是可以通過(guò)通信鏈路將煤礦中的通信節(jié)點(diǎn)構(gòu)成閉合回路，回路中的信號(hào)沿單向傳輸。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的最大特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)方便，僅需要一些必要的連接設(shè)備和交換機(jī)即可，而且可以利用較為成熟的以太網(wǎng)技術(shù)。但其缺點(diǎn)是串聯(lián)式的，因此某個(gè)節(jié)點(diǎn)的故障都可能造成故障和維修困難。總線型結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)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(diǎn)，總線則以串聯(lián)結(jié)構(gòu)為主。當(dāng)需要增加設(shè)備時(shí)只需在總線上增加接口即可，且個(gè)別節(jié)點(diǎn)的故障不會(huì)影響到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。其缺點(diǎn)是在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的容量有限，對(duì)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(diǎn)和缺點(diǎn)，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(diǎn)，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(wèn)題。因此需要對(duì)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(shí)際需求，對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的故障需要有必要的自動(dòng)診斷功能，即需要差錯(cuò)報(bào)告機(jī)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(shí)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(lái)實(shí)現(xiàn)，由主機(jī)和路由器之間完成報(bào)錯(cuò)和狀態(tài)檢查。IEEE802.3D/W/S的作用是通過(guò)身份驗(yàn)證的方式來(lái)保障網(wǎng)絡(luò)的安全運(yùn)行。

從當(dāng)前煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的組成方式來(lái)看，多數(shù)都采用的CAN現(xiàn)場(chǎng)總線的形式，因此也需要討論于此相關(guān)的問(wèn)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(gè)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(chǎng)總線的應(yīng)用層協(xié)議時(shí)采用DeviceNet和CANOpen協(xié)議，上述兩類協(xié)議分別處理煤礦自動(dòng)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(shí)現(xiàn)無(wú)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(guó)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(diǎn)，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(shì)的選擇。在此基礎(chǔ)上，對(duì)CAN通訊采用多主競(jìng)爭(zhēng)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(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的沖突能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化處理。

3.4 數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)與接口設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)的整合，需要完成對(duì)主干網(wǎng)絡(luò)和各子網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。結(jié)合前文對(duì)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(duì)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(chǎng)總線的模式，即由光纖冗余主干網(wǎng)和設(shè)備級(jí)現(xiàn)場(chǎng)總線來(lái)構(gòu)成綜合監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的主干網(wǎng)絡(luò)。而對(duì)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(diǎn)是便于維護(hù)。

由于綜合監(jiān)控系統(tǒng)要處理多個(gè)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(duì)于子網(wǎng)絡(luò)和主干網(wǎng)絡(luò)之間的接口也是一個(gè)應(yīng)當(dāng)注意的問(wèn)題。從煤礦實(shí)際需要出發(fā)，采用基于獨(dú)立CAN控制器的總線接口方案是比較好的選擇，獨(dú)立CAN控制器型號(hào)可采用SJA1000等獨(dú)立控制器。

[1]趙秀敏.煤礦主井直流提升機(jī)電控系統(tǒng)自動(dòng)化與信息化[J].煤炭技術(shù),2009(2):35-37.

[2]雷志鵬,宋建成.綜采工作面輸送設(shè)備工況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].工況自動(dòng)化,2010(7):5-9.

[3]于治福,李旭鳴,等.基于PLC的煤礦主排水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械,2010(1):29-31.