現場總線技術在安全監控系統升級中的應用

張永東 陳 偉

（山東豐源遠航煤業有限公司北徐樓煤礦，山東 棗莊 277500）

安全監控系統是煤礦安全生產的重要保障系統。目前我國煤礦均已安裝安全監控系統，為防范和減少煤礦重特大事故發揮了重要的作用，但原有系統技術面貌落后，關鍵系統指標有待提高。

《國家煤礦安監局關于印發〈煤礦安全監控系統升級改造技術方案〉的通知》（煤安監函〔2016〕5號文）對安全監控系統的性能指標做出了明確的提升要求，其中系統整體上需要提升的有兩點：（1）系統巡檢周期不超過20s；（2）異地斷電時間不超過40s。要想實現這兩個關鍵指標必須對監控設備的系統結構進行升級改造。目前主流的升級改造方式是將現場總線技術應用到安全監控系統現場設備。北徐樓煤礦采用上述方式對KJ95X系統進行了升級。

1 現場總線技術簡介

現場總線控制系統（FCS）由于采用了智能現場設備，能夠把原先DCS系統中處于控制室的控制模塊、各輸入輸出模塊置入現場設備中，加上現場設備具有通信能力，現場的測量變送儀表可以與斷電器等執行機構直接傳送信號，因而控制系統功能可以不依賴控制室的計算機或控制儀表，直接在現場完成，實現徹底的分散控制。

使用現場總線技術，能簡化系統結構，提高系統設備接口的標準化、功能模塊化。且系統規模可大可小，易于重構，非常適用于煤礦井下監控布局經常變更的特點。同時，由于煤礦井下監控點多是沿巷道線性分布，新監控系統具有監測、計算、補償、控制等功能，適合于煤礦井下監控點比較分散的特點。監控點與通信電纜就近連接，沿巷道敷設一根電纜，實現監控系統在生產周期內的一次性投資，安裝費用和維護工作量都有所減少。

2 現場總線技術在系統中的工作原理及特點

升級后的KJ95X煤礦安全監控系統采用工業以太網+現場總線架構，井下分站向主機傳輸數據可采用2種方式。方式1：在環網交換機內設置數據通信網關，網關通過以太網和監控主機通信；方式2：在具有環網交換機處，使用以太網接口和各自業務主機通信；通過RS485、CAN現場總線與分站通訊，網關具備分站通信管理功能，網關下可以同時掛接不同業務系統分站，實現井下分站數據傳輸的融合[1]。

現場傳感設備總線RS485、CAN可以掛接不同業務系統傳感器，如安全監控、人員定位、礦壓監控、瓦斯抽放等。傳感器固定業務屬性，傳感器接入分站時，分站進行自動識別，并將采集的數據上傳到業務所屬主機，分站根據業務主機配置控制邏輯執行本地控制輸出功能，同時分站業務之間可實現一定范圍內數據融合，如甲烷與人員聯動，實現了分站級井下多業務數據共纜傳輸及信息融合功能。

地面各業務主機接收分站數據，進行顯示、報警、存儲、報表打印，并將數據發送至全礦井數據采集平臺，完成地面各系統數據融合功能。

為降低巡檢時間，數據傳輸采用不變不傳策略，為加快報警、控制響應速度，構建了基于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系統要高于巡檢時間小于10s的指標。

為滿足現場對系統可靠性、安全性、易用性的要求，系統采用分布式控制策略，異地控制邏輯下發到分站和執行器內，在主傳電纜、主機故障等情況下，井下異地控制會正常工作。

系統采用分布式控制策略，如圖1，系統將控制邏輯配置于井下設備傳感器、分站以及網關。一種情況是分站接在同一網關下執行異地斷電，圖1虛線數據流1，源1號傳感器測點發起異地控制指令，1號分站在總線上發送該數據，2號分站解析傳輸線路斷電命令，發送至1號目標斷電器執行異地控制；另二種情況是分站接在不同網關下，監控主機初始化時向網關下發異地關聯配置表，網關解析到傳輸線路有異地斷電命令，按照異地關聯表將源分站發出的控制信息發送到目標網關，目標網關將斷電命令發送到目標分站，執行斷電指令，見圖1虛線數據流2。因此在主傳電纜、主機故障等情況下，井下異地控制工作正常。

CAN總線具有多主和優先級仲裁特性，緊急事件可以優先上傳，RS485總線屬于主從式半雙工的工作模式，一般規定從節點只有在收到一個有效的輪詢后才允許發送數據，但RS485總線具有傳輸距離遠、抗干擾能力強等特點，為了提高RS485總線對關鍵信息的響應速度，鏈路協議采用令牌原理，為從節點提供事件優先響應機會，即使在沒有收到主節點的輪詢請求時，也可以向總線搶先發送信息。傳感器、斷電器以及分站等設備的緊急事件主要包括當前值超過報警值、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送，緊急事件不等待輪詢周期，縮短了重要事件響應時間[2]。

3 新系統性能指標數據對比

通過現場總線技術，使系統快速巡檢及異地快速控制的目標得以實現，北徐樓煤礦完成安全監控升級改造示范化項目后，對升級前的后的系統性能指標數據進行了對比，見表1。

圖1 現場總線的KJ95X監控系統工作原理圖

表1 KJ95N與KJ95X系統指標對比表

4 結論

結合北徐樓煤礦實際應用和國家煤礦安監局對升級改造提出的要求，升級改造完成后的KJ95X煤礦安全監控系統，現場運行穩定、可靠，系統巡檢時間小于10s，異地控制時間小于5s，滿足煤安監函〔2016〕5號文和新版AQ6201-2006技術要求[3]。