現場總線技術在煤礦監控系統中的應用

劉超

摘 要：現場總線技術具有可靠性高、設計獨特、性能卓越等優勢，因此可以解決煤礦傳統監控系統存在的諸多問題，該技術并非對煤礦綜合監控系統的升級改造，而是徹底的進行更新換代，因此現場總線技術大大提高了煤礦的自動化、數字化水平。文章對現場總線技術進行簡要介紹，分析監控系統的原理，并提出煤礦監控系統中現場總線技術的具體應用。

關鍵詞：現場總線；煤礦；監控系統

所謂現場總線技術即是將專用微處理器置入傳統的測量控制儀表，使其具備相應的數字計算能力及通信能力，再采用雙絞線作為總線連續多個測量控制表，根據公開、規范的通信協議在現場多個微機化測量控制設備、儀表及遠程監控計算機之間進行數據信息的傳輸與交換，以滿足各類監控需要。

1 現場總線概述

現場總線控制系統（FCS）即由現場總線構成的控制系統，系統結構為全分散式的，不僅現場設備位置分散，功能模塊也是分散的，系統中每個現場設備均可以互相通訊，并具備對應的功能；通過現場總線將系統中各類設備連接起來。現場總線控制系統既是一個開放性的通信網絡，又是一種全分布式的控制系統，是聯接各個智能設備的紐帶。比如一個現場設備在接受到總線發送的控制命令后，會執行命令，并且現場設備也可以通過總線向控制中心發送自身的狀態信息，比如命令的完成情況等，其他諸如運行監視、故障分析等現場設備即可接受該現場設備發送的狀態信息。現場總線以多點式通訊方式保證系統中每個現場設備均可通過總線發布信息或接受信息，不過需要注意一點，即任何時間僅有一個發布者，余者均為接收者，而系統中每個設備均可以智能化的"過濾"掉自己所不需要的信息，做出是否響應信息的決定。由此可見，現場總線技術并非單純的通訊技術，而是將計算機技術、控制技術及通訊技術結合在一起的綜合性技術。

2 煤礦監控系統監測內容

煤礦綜合監控系統的監控對象包括環境參數監控與機械設備運行狀態監控兩個方面，其中環境參數監控系統主要對模擬量形式的環境參數進行監測，比如瓦斯濃度、一氧化碳及二氧化碳的濃度、巷道風速及風量、風門、溫度、變電所功率、電壓、電流等，傳感器主要輸出FSK型的信號；并監測開關量形式設備的開停參數，包括通風機、水泵、帶式輸送機、掘進機等設備等。針對機械設備主要對其運行狀態進行監沒，包括設備振動量、電機電流、軸承溫度等，并對設備的啟停進行遠程監控。監測過程中，環境參數信號只需采用均值統計法及3σ剔除法進行處理、判斷及閾值報警，最后再將分析結果傳至監控中心即可，而設備運行參數需要針對振動信號及電流信號進行降噪處理及時域分析，并進行FFT變換、頻域故障診斷等處理，還要間隔特定周期向主機傳送設備振動信號及電流信號的原始數據，以提高分析的精密度。由此可見，機械設備監控與環境參數監控的模擬信號處理電路、信號分析程序及通訊內容各不相同。

3 現場總線技術在煤礦監控系統中的應用

3.1 系統設計思想

在煤礦監控系統中應用現場總線技術，體現出開放性、可互換性、可互操作性、高度分散性的特點，與煤礦企業的現場工作情況更為相符。智能接口公開通信協議，以提高系統的兼容性與可擴展性，實現與國內外不同廠家不同型號監控設備之間的互聯，實現信息互換，在選擇傳感器及控制器時有更多的余地；針對實理管理級及監視控制級的設備，采用國際標準接口設備，可方便接入國內煤礦監控領域不同品牌、不同用途的傳感器與控制器，以保證系統良好的互換性。針對不同廠家生產的各種設備經過轉換器進行聯接，僅在系統開機時對各類設備之間的關系進行定義即可，并利用智能串口實現各轉換器之間的信息溝通。將智能測控功能分布于工作現場，不僅可以提高系統的監測精度及抗干擾能力，還可以分散系統的風險。

3.2 系統結構

煤礦工作環境惡劣，且監控范圍廣、距離長，因此煤礦監控系統主要包括三大模塊，即實時管理模塊、監視控制模塊及現場測控模塊，具體結構則包括監測終端、監控中心站、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控系統的三大模塊：

3.2.1 實時管理模塊：該模塊包括系統服務器及各類終端，其主要作用是對煤礦的生產過程及環境條件進行實時管理，包括生產、技術、設備、通風、安全監察等；整個礦井的主要業務部門及安全生產信息均匯集至該模塊，由其進行加工整理及存儲后，再與上一級網絡進行數據交換。

3.2.2 監視控制模塊：主要包括監控計算機及圖形工作站等，其主要作用是對現場監控信息進行采集、整理，并將相關信息存儲于對應數據庫，此外還具備圖形顯示、打印報表等功能；人機對話主要通過監視控制模塊來實現，管理人員通過該模塊定義監控系統各設備之間的關系，并進行故障診斷及高級控制等。

3.2.3 現場測控模塊：主要包括轉換器、傳感器及控制器，其主要作用是執行上級即監視控制模塊的命令，對風速、瓦斯、溫度、氧氣等環境參數進行監測，對皮帶傳輸系統、供熱系統、電力系統、瓦斯抽放系統等設備運行參數進行監測，并利用現場轉換器將對應信息傳輸至上級監視控制模塊。現場測控模塊配置有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，以實現轉換器監測、控制及通信的功能；轉換器包括兩種，即總線轉換器與分線轉換器，其中總線轉換器的主要作用是將信號轉換成數字信號，其具有串行接口與FSK傳輸接口，傳感器及執行器采集到的信號通過總線轉換器轉換成數字信息，再由FSK口直接輸出與系統完成信息交換；分線轉換器的主要作用則是將傳感器及執行器的信號轉換成數字信息，再由串行接口輸入與總線轉換器進行交換。此外，監控系統有多個井下分站，每個分站均具備完善的功能，包括程控功能、通信測試功能、死機自復位功能、接收地面中心站初始化本分站參數設置功能、分站自動識別配接傳感器類型等。

4 結束語

總之，基于現場總線的煤礦監控系統可根據煤礦現場實現情況實現特定的控制要求及功能，對煤礦的環境參數及設備參數進行實時監控，提高了煤礦報警系統的模式識別能力，保證了監控系統的可靠性與準確性。

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