本文介紹了3.3kV供電的高產(chǎn)高效綜合機械化采煤工作面多巷局部通風(fēng)機的重要性，指出了對多巷局部通風(fēng)機進(jìn)行監(jiān)測監(jiān)控的必要性，結(jié)合了山西省晉城煤業(yè)集團寺河煤礦2002年投入運行的PLANTSCAPE DCS系統(tǒng)，詳細(xì)分析了該DCS系統(tǒng)現(xiàn)場級設(shè)備及傳輸網(wǎng)絡(luò)存在的缺點，給出了多巷局部通風(fēng)機監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計思想，采用了光纖PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線搭建系統(tǒng)子網(wǎng)與PLANTSCAPE DCS系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)互連，構(gòu)建了全新的煤礦綜合自動化監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)。

該系統(tǒng)已成功地應(yīng)用于寺河煤礦，運行結(jié)果表明：該系統(tǒng)具有設(shè)備維護(hù)操作方便、數(shù)據(jù)監(jiān)測全面準(zhǔn)確、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)冗余度高等優(yōu)點。

礦用局部通風(fēng)機是煤礦井下掘進(jìn)通風(fēng)不可缺少的重要設(shè)備，使用量大、應(yīng)用范圍廣，承擔(dān)著為采掘工作面提供新鮮風(fēng)流、排出有毒有害氣體和粉塵、改善作業(yè)場所環(huán)境條件等重要任務(wù)，其工作可靠性直接影響著煤礦的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟效益。

目前，對于3.3kV供電的高產(chǎn)高效綜合機械化采煤工作面，根據(jù)采煤方法的要求，與其配套的掘進(jìn)方式是三條巷道同時推進(jìn)，共需六臺對旋式局部風(fēng)機進(jìn)行掘進(jìn)通風(fēng)，三臺運行，三臺備用[1]，由于設(shè)備數(shù)量多、占地面積大、連接復(fù)雜，故障率較高，頻繁引起巷道內(nèi)“無計劃”停電停風(fēng)，造成瓦斯積聚，特別是在無人值守時，很容易給煤礦的安全生產(chǎn)帶來重大隱患。

為了使地面管理人員及時、正確、全面地掌握多局部通風(fēng)機系統(tǒng)的工作狀態(tài)、工作參數(shù)、故障狀態(tài)和故障參數(shù)，迅速發(fā)現(xiàn)問題采取預(yù)防和修正措施，以遏制瓦斯事故的發(fā)生，實現(xiàn)變“事后處理”為“事前預(yù)防”的管理要求，對多局部通風(fēng)機集控系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測監(jiān)控就顯得尤為重要，它已逐漸成為保證煤礦安全生產(chǎn)、提高經(jīng)濟效益的重要措施之一。

本文研究的三巷掘進(jìn)多局部通風(fēng)機監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)是針對山西省晉城煤業(yè)集團寺河煤礦的掘進(jìn)方式設(shè)計的，該監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計順應(yīng)了未來煤礦監(jiān)測監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢，為多局部通風(fēng)機設(shè)備的遠(yuǎn)程控制奠定了基礎(chǔ)。

系統(tǒng)整體設(shè)計策略

寺河煤礦采用的是美國霍尼韋爾公司全廠瀏覽PlantScape R400 DCS系統(tǒng)，如圖1所示，其主要硬件配置有：廠景服務(wù)器FWQ，操作員站CZZ，工程師站GCZ，打印機DYJ，ControlLogix網(wǎng)關(guān)，交換機JHJ，智能分站FZ以及傳感器GSB等現(xiàn)場設(shè)備。該系統(tǒng)于2002年安裝，安全高效地實現(xiàn)了該煤礦井下的自動化管理與控制，但從該監(jiān)測監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運行現(xiàn)狀來看可以發(fā)現(xiàn)：

（1）現(xiàn)場級設(shè)備落后，不具備現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息處理能力，現(xiàn)場信號的檢測和傳輸仍是以4-20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號來進(jìn)行，存在精度低、抗干擾能力差、無自診斷功能的問題[2]。

圖1 原DCS系統(tǒng)

（2）現(xiàn)場級設(shè)備與智能分站的數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)只能進(jìn)行單向傳輸，不能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸。

（3）現(xiàn)場級設(shè)備與智能分站的數(shù)據(jù)交換采用非數(shù)字信號的4-20mA模擬信號，使得現(xiàn)場設(shè)備與智能分站的電纜接線復(fù)雜，使用量大，維護(hù)困難，同時也不利于現(xiàn)場級設(shè)備的更新?lián)Q代，大大阻礙了煤礦自動化系統(tǒng)的發(fā)展。

此外，再從國內(nèi)煤礦掘進(jìn)工作面多局部通風(fēng)機設(shè)備的監(jiān)測監(jiān)控現(xiàn)狀來看可以發(fā)現(xiàn)：

（1）局部通風(fēng)機在線監(jiān)測監(jiān)控仍處于監(jiān)測水平，而且僅停留在對局部通風(fēng)機開、停狀態(tài)的簡單監(jiān)測，沒有對局部通風(fēng)機工作狀態(tài)、工作參數(shù)及故障狀態(tài)、故障參數(shù)等電參數(shù)的全面監(jiān)測。

（2） 國內(nèi)局部通風(fēng)機都沒有遠(yuǎn)程控制功能，對于遠(yuǎn)程控制的研究仍處于起步階段[3]。

（3） 局部通風(fēng)機監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)仍是一個獨立的系統(tǒng)，未與全礦井通風(fēng)系統(tǒng)、煤礦管理系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)運行。

本系統(tǒng)中，局部通風(fēng)機處于PlantScape R400 DCS系統(tǒng)中的現(xiàn)場級設(shè)備位置，其由西門子公司的S7-200 PLC構(gòu)成，本身已具備現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息的采集和處理能力，因此，根據(jù)原DCS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟硬件及局部通風(fēng)機的配置情況，考慮到以上存在的問題，該礦掘進(jìn)工作面多局部通風(fēng)機監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計適合采用“綜合一體化，監(jiān)測為主、監(jiān)控為輔、現(xiàn)場總線式的冗余光纖環(huán)網(wǎng)“結(jié)構(gòu)。

1 綜合一體化監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)

本文開發(fā)的掘進(jìn)工作面局部通風(fēng)機監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)以寺河礦的原PlantScape R400 DCS系統(tǒng)為構(gòu)架，通過分站接入子系統(tǒng)法，構(gòu)建全新的監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，這樣不僅充分使用了該礦的人力資源，而且實現(xiàn)了資源共享，提高了系統(tǒng)的工作效率。

根據(jù)該礦提出的技術(shù)要求，在局部通風(fēng)機監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)中增加了遠(yuǎn)程控制功能，盡管遠(yuǎn)程控制功能是一種輔助手段，但在應(yīng)急情況下，能保證局部通風(fēng)機運行的連續(xù)性和可靠性，降低掘進(jìn)工作面事故發(fā)生的概率。

2 PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線方案

現(xiàn)場總線是連接智能化現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通訊網(wǎng)絡(luò)，具有協(xié)議簡單、容錯能力強、安全性能好、制造成本低以及較準(zhǔn)的確定性和較高的實時性等特點。

PROFIBUS是目前國內(nèi)外主流現(xiàn)場總線之一，占國內(nèi)現(xiàn)場總線的市場份額最大。它是基于德國國家標(biāo)準(zhǔn)DIN 19245和歐洲標(biāo)準(zhǔn)PREN 50170的現(xiàn)場總線，參考了ISO/OSI模型，支持主/從系統(tǒng)、純主站系統(tǒng)、多主多從混合系統(tǒng)等系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。主站具有對總線的控制權(quán)，可主動發(fā)送信息。

對多主站系統(tǒng)來說，主站之間采用令牌方式傳遞信息，得到令牌的站點可在一個事先規(guī)定的時間內(nèi)擁有總線控制權(quán)，事先規(guī)定好令牌在各主站中循環(huán)一周的最長時間。按PROFIBUS的通信規(guī)范，令牌在主站之間按地址編號順序，沿上行方向進(jìn)行傳遞。主站在得到控制權(quán)時，可以按主/從方式，向從站發(fā)送或索取信息，實現(xiàn)點對點通信。

寺河礦的PlantScape DCS主干網(wǎng)絡(luò)部分是由AB公司的SLC5/04 PLC和DH+高速對等網(wǎng)構(gòu)成，而掘進(jìn)工作面多局部通風(fēng)機設(shè)備的主控制器是由西門子公司的S7-200 PLC構(gòu)成。由于兩大公司產(chǎn)品支持的總線協(xié)議不同，兩者不能直接相連組網(wǎng)。

通過方案論證，PROFIBUS現(xiàn)場總線可以方便地將S7-200 PLC間接接入DH+高速數(shù)據(jù)網(wǎng)，實現(xiàn)總線網(wǎng)絡(luò)集成。根據(jù)應(yīng)用特點PROFIBUS分為：FMS，DP，PA三個兼容版本[34]，它們各自的特點不同，應(yīng)用場合也不同，F(xiàn)MS通常適用于多主通訊，不適用于現(xiàn)場級的主/從式通信，而PA也不適合于本系統(tǒng)中的S7-200和SLC5/04的網(wǎng)絡(luò)互連，因為：

（1）在傳輸技術(shù)上，PA采用的是IEC1158-2技術(shù)，不同于DP、FMS的RS485傳輸技術(shù)，使得電氣、傳輸?shù)忍匦远疾灰粯印?/p>

（2）在使用上，PA通常是通過DP/PA耦合器做為DP總線的延伸再與現(xiàn)場的智能儀表通信。

（3）PA采用的是標(biāo)準(zhǔn)的本質(zhì)安全傳輸技術(shù)，這帶來的一個負(fù)面效果就是網(wǎng)絡(luò)的通訊速率只能固定為31.25KBIT/s，對于要求數(shù)據(jù)量較大而且實時性高的通信場合不適合。

因此，DP是連接S7-200 PLC與SLC5/04 PLC構(gòu)成擴展PROFIBUS-DP子系統(tǒng)的最佳網(wǎng)絡(luò)形式。

3 光纖傳輸介質(zhì)

煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)信號傳輸介質(zhì)一般有三種，即電氣傳輸、光纖傳輸和無線傳輸。 考慮到局部通風(fēng)機監(jiān)測監(jiān)控現(xiàn)有系統(tǒng)的傳輸介質(zhì)和井下的特殊環(huán)境的要求，該PROFIBUS-DP子網(wǎng)選用光纖作為數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)。

光纖通信是以光波為載體，以光纖為傳輸媒質(zhì)的一種通信方式，與電纜或微波等電通信方式相比，光纖通信與電通信的主要差異有兩點，一是用光頻作為載頻傳輸信號，二是用光纜作為傳輸介質(zhì)。

光纖通信優(yōu)點如下 ：（1）傳輸頻帶極寬，通信容量大；（2）光纖衰減小，無中繼設(shè)備，傳輸距離遠(yuǎn)；（3）串?dāng)_小，信號傳輸質(zhì)量高；（4）抗電磁干擾能力強，保密性好；（5）尺寸小，重量輕，便于傳輸和鋪設(shè)；（6）耐化學(xué)腐蝕；（7）主要由石英玻璃拉制成形，原材料來源豐富，并節(jié)約了大量有色金屬；（8）發(fā)生故障概率低，不用考慮接地問題。

PROFIBUS-DP子網(wǎng)系統(tǒng)組建

1 子網(wǎng)主站節(jié)點

鑒于DH+網(wǎng)協(xié)議的不開放，擴展PROFIBUS-DP子網(wǎng)系統(tǒng)的主站仍選取與原DH+網(wǎng)絡(luò)節(jié)點相同型號的SLC5/04 PLC。新的SLC5/04 PLC節(jié)點可通過插在其機架上的DH+光電轉(zhuǎn)換器OLC直接串入原來的DH+光纖冗余網(wǎng)絡(luò)，而擴展PROFIBUS-DP子網(wǎng)系統(tǒng)要借助插在該節(jié)點機架上的第三方PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)接口模塊SST-PFB-SLC才可間接接入DH+網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)接口模塊安裝簡單，配置靈活，根據(jù)現(xiàn)場實際情況將其配置成PROFIBUS-DP主站工作模式。

2 子網(wǎng)從站節(jié)點

從站節(jié)點便是現(xiàn)場級的局部通風(fēng)機設(shè)備，它的主控制器S7-200網(wǎng)絡(luò)功能不強，沒有內(nèi)置PROFIBUS-DP接口，要借助西門子公司專為S7-200開發(fā)的EM277 DP從站模塊，才能成為PROFIBUS-DP從站節(jié)點。EM277模塊直接通過S7-200的串行數(shù)據(jù)總線與S7-200 CPU進(jìn)行連接，它不僅可以傳輸I/O數(shù)據(jù)，而且還能讀寫S7-200 CPU中定義的變量數(shù)據(jù)塊。當(dāng)PROFIBUS-DP子網(wǎng)系統(tǒng)組建成功后，SLC5/04便做為PROFIBUS-DP子網(wǎng)的主站和現(xiàn)場級的S7-200通信，同時它也做為DH+網(wǎng)絡(luò)上的一個節(jié)點和上位PC機通信，實現(xiàn)井下數(shù)據(jù)與井上PC數(shù)據(jù)的交換。

3 子網(wǎng)光纖通信

光纖鏈路模塊OLM是PROFIBUS-DP子網(wǎng)系統(tǒng)組建的重要器件，用OLM可將光纖網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成總線、環(huán)形或星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，兩個OLM之間的最大傳輸距離可達(dá)15千米，可在9.6K位／秒與12M位／秒之間逐級調(diào)節(jié)傳輸速率，并且包含有電氣和光學(xué)網(wǎng)絡(luò)的混合網(wǎng)絡(luò)也可以實現(xiàn)，兩種介質(zhì)之間的信號傳輸由OLM提供。

本系統(tǒng)選用具有2對光纖口的OLM- G12模塊,主站節(jié)點和從站節(jié)點通過玻璃纖維光纜彼此互連構(gòu)成冗余光纖環(huán)結(jié)構(gòu)，使子網(wǎng)系統(tǒng)在運行中一組光纜或一個從站節(jié)點發(fā)生故障時，主站節(jié)點與從站節(jié)點間的通信不會中斷，大大提高了系統(tǒng)通信的可靠性。此外，OLM模塊組網(wǎng)靈活，配置簡單，也為今后煤礦現(xiàn)場級設(shè)備的更新?lián)Q代提供了極大的自由度。

系統(tǒng)整體網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成及功能

擴展后的監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)硬件構(gòu)成分為三級，如圖2所示，其中現(xiàn)場級的多局部通風(fēng)機可以獨立做業(yè)，也可聯(lián)網(wǎng)工作；操作員站可以遠(yuǎn)離現(xiàn)場進(jìn)行多局部通風(fēng)機的狀態(tài)分析和系統(tǒng)管理；網(wǎng)頁發(fā)布功能可以使授權(quán)用戶在網(wǎng)上隨時獲取數(shù)據(jù)。

第一級為現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。它由SLC5/04主控制器、相應(yīng)的I/O和模擬量模塊、通信接口模塊、現(xiàn)場傳感器及智能局部通風(fēng)機設(shè)備構(gòu)成。它是一個PLC應(yīng)用系統(tǒng)，首先通過PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)通信方式將現(xiàn)場多局部通風(fēng)機處理過的數(shù)據(jù)采集到智能分站中，再以DH+網(wǎng)絡(luò)通信方式上傳到數(shù)據(jù)采集工作站，它保證了高采樣頻率和高數(shù)據(jù)傳輸速度，實現(xiàn)了現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時采集。

圖2 擴展DCS系統(tǒng)

第二級為數(shù)據(jù)采集工作站（工控機或PC機）。每個工作站都是一個獨立的監(jiān)測系統(tǒng)，管理多臺設(shè)備。數(shù)據(jù)采集工作站能不間斷地實時在線監(jiān)測井下諸如甲烷、風(fēng)速、溫度、負(fù)壓、風(fēng)量等環(huán)境參數(shù)和電壓、電流、功率因數(shù)等重要設(shè)備的電參數(shù)（包括多局部通風(fēng)機），能實現(xiàn)自動記錄、判斷報警、報表打印等功能。此外還可以方便地做到聯(lián)網(wǎng)運行，組成企業(yè)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。

第三級為分析管理工作站和WEB服務(wù)器。本系統(tǒng)的服務(wù)器從功能上來講，有數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、WEB服務(wù)器、管理服務(wù)器等。實際的硬件平臺可以由一臺或多臺服務(wù)器組成。其中數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中存放著井下環(huán)境及各種設(shè)備的數(shù)據(jù)資料，形成設(shè)備運行歷史檔案，供用戶對設(shè)備及環(huán)境進(jìn)行監(jiān)視；WEB服務(wù)器為上層INTERNET用戶察看設(shè)備運行狀態(tài)提供數(shù)據(jù)訪問接口；管理服務(wù)器具有本監(jiān)測網(wǎng)上所有工作站及設(shè)備信息管理、顯示和報警功能。本級可以由現(xiàn)有企業(yè)監(jiān)測網(wǎng)通過功能擴展得到。

第一級和第二級是本系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是本項目的主要部分；第三級為功能擴充部分，根據(jù)具體工程項目的不同而有所不同。

結(jié)束語

本系統(tǒng)采用西門子光纖PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線構(gòu)成冗余式環(huán)形子網(wǎng)成功接入了PlantScape R400 DCS系統(tǒng)，運行結(jié)果表明：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計合理、設(shè)備操作維護(hù)方便、畫面動態(tài)直觀、內(nèi)容豐富、數(shù)據(jù)監(jiān)測全面準(zhǔn)確、遠(yuǎn)程控制安全可靠、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)冗余度高，在很大程度上確保了掘進(jìn)工作面三巷多局部通風(fēng)機運行的可靠性、連續(xù)性和安全性。同時，該系統(tǒng)的使用也極大地提高了煤礦的生產(chǎn)效率，保障了工人的生命安全，為煤礦掘進(jìn)工作面實現(xiàn)無人化管理奠定了基礎(chǔ)。