基于现场总线的多巷局部通风机监测监控系统
本文介绍了3.3kV供电的高产高效综合机械化采煤工作面多巷局部通风机的重要性，指出了对多巷局部通风机进行监测监控的必要性，结合了山西省晋城煤业集团寺河煤矿2002年投入运行的PLANTSCAPE DCS系统，详细分析了该DCS系统现场级设备及传输网络存在的缺点，给出了多巷局部通风机监测监控系统的设计思想，采用了光纤PROFIBUS-DP现场总线搭建系统子网与PLANTSCAPE DCS系统进行网络互连，构建了全新的煤矿综合自动化监测监控系统。
该系统已成功地应用于寺河煤矿，运行结果表明：该系统具有设备维护操作方便、数据监测全面准确、系统网络冗余度高等优点。
矿用局部通风机是煤矿井下掘进通风不可缺少的重要设备，使用量大、应用范围广，承担着为采掘工作面提供新鲜风流、排出有毒有害气体和粉尘、改善作业场所环境条件等重要任务，其工作可靠性直接影响着煤矿的安全生产和经济效益。
目前，对于3.3kV供电的高产高效综合机械化采煤工作面，根据采煤方法的要求，与其配套的掘进方式是三条巷道同时推进，共需六台对旋式局部风机进行掘进通风，三台运行，三台备用[1]，由于设备数量多、占地面积大、连接复杂，故障率较高，频繁引起巷道内“无计划”停电停风，造成瓦斯积聚，特别是在无人值守时，很容易给煤矿的安全生产带来重大隐患。
为了使地面管理人员及时、正确、全面地掌握多局部通风机系统的工作状态、工作参数、故障状态和故障参数，迅速发现问题采取预防和修正措施，以遏制瓦斯事故的发生，实现变“事后处理”为“事前预防”的管理要求，对多局部通风机集控系统进行监测监控就显得尤为重要，它已逐渐成为保证煤矿安全生产、提高经济效益的重要措施之一。
本文研究的三巷掘进多局部通风机监测监控系统是针对山西省晋城煤业集团寺河煤矿的掘进方式设计的，该监测监控系统的设计顺应了未来煤矿监测监控网络的发展趋势，为多局部通风机设备的远程控制奠定了基础。
系统整体设计策略
寺河煤矿采用的是美国霍尼韦尔公司全厂浏览PlantScape R400 DCS系统，如图1所示，其主要硬件配置有：厂景服务器FWQ，操作员站CZZ，工程师站GCZ，打印机DYJ，ControlLogix网关，交换机JHJ，智能分站FZ以及传感器GSB等现场设备。该系统于2002年安装，安全高效地实现了该煤矿井下的自动化管理与控制，但从该监测监控网络系统的运行现状来看可以发现：
（1）现场级设备落后，不具备现场数据信息处理能力，现场信号的检测和传输仍是以4-20mA的标准信号来进行，存在精度低、抗干扰能力差、无自诊断功能的问题[2]。
图1 原DCS系统
（2）现场级设备与智能分站的数据传输环节只能进行单向传输，不能实现数据的双向传输。
（3）现场级设备与智能分站的数据交换采用非数字信号的4-20mA模拟信号，使得现场设备与智能分站的电缆接线复杂，使用量大，维护困难，同时也不利于现场级设备的更新换代，大大阻碍了煤矿自动化系统的发展。
此外，再从国内煤矿掘进工作面多局部通风机设备的监测监控现状来看可以发现：
（1）局部通风机在线监测监控仍处于监测水平，而且仅停留在对局部通风机开、停状态的简单监测，没有对局部通风机工作状态、工作参数及故障状态、故障参数等电参数的全面监测。
（2） 国内局部通风机都没有远程控制功能，对于远程控制的研究仍处于起步阶段[3]。
（3） 局部通风机监测监控系统仍是一个独立的系统，未与全矿井通风系统、煤矿管理系统联网运行。
本系统中，局部通风机处于PlantScape R400 DCS系统中的现场级设备位置，其由西门子公司的S7-200 PLC构成，本身已具备现场数据信息的采集和处理能力，因此，根据原DCS网络系统软硬件及局部通风机的配置情况，考虑到以上存在的问题，该矿掘进工作面多局部通风机监测监控系统的设计适合采用“综合一体化，监测为主、监控为辅、现场总线式的冗余光纤环网“结构。
1 综合一体化监测监控系统
本文开发的掘进工作面局部通风机监测监控系统以寺河矿的原PlantScape R400 DCS系统为构架，通过分站接入子系统法，构建全新的监测监控系统，这样不仅充分使用了该矿的人力资源，而且实现了资源共享，提高了系统的工作效率。
根据该矿提出的技术要求，在局部通风机监测监控系统系统中增加了远程控制功能，尽管远程控制功能是一种辅助手段，但在应急情况下，能保证局部通风机运行的连续性和可靠性，降低掘进工作面事故发生的概率。
2 PROFIBUS-DP现场总线方案
现场总线是连接智能化现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通讯网络，具有协议简单、容错能力强、安全性能好、制造成本低以及较准的确定性和较高的实时性等特点。
PROFIBUS是目前国内外主流现场总线之一，占国内现场总线的市场份额最大。它是基于德国国家标准DIN 19245和欧洲标准PREN 50170的现场总线，参考了ISO/OSI模型，支持主/从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等系统结构。主站具有对总线的控制权，可主动发送信息。
对多主站系统来说，主站之间采用令牌方式传递信息，得到令牌的站点可在一个事先规定的时间内拥有总线控制权，事先规定好令牌在各主站中循环一周的最长时间。按PROFIBUS的通信规范，令牌在主站之间按地址编号顺序，沿上行方向进行传递。主站在得到控制权时，可以按主/从方式，向从站发送或索取信息，实现点对点通信。
寺河矿的PlantScape DCS主干网络部分是由AB公司的SLC5/04 PLC和DH+高速对等网构成，而掘进工作面多局部通风机设备的主控制器是由西门子公司的S7-200 PLC构成。由于两大公司产品支持的总线协议不同，两者不能直接相连组网。
通过方案论证，PROFIBUS现场总线可以方便地将S7-200 PLC间接接入DH+高速数据网，实现总线网络集成。根据应用特点PROFIBUS分为：FMS，DP，PA三个兼容版本[34]，它们各自的特点不同，应用场合也不同，FMS通常适用于多主通讯，不适用于现场级的主/从式通信，而PA也不适合于本系统中的S7-200和SLC5/04的网络互连，因为：
（1）在传输技术上，PA采用的是IEC1158-2技术，不同于DP、FMS的RS485传输技术，使得电气、传输等特性都不一样。
（2）在使用上，PA通常是通过DP/PA耦合器做为DP总线的延伸再与现场的智能仪表通信。
（3）PA采用的是标准的本质安全传输技术，这带来的一个负面效果就是网络的通讯速率只能固定为31.25KBIT/s，对于要求数据量较大而且实时性高的通信场合不适合。
因此，DP是连接S7-200 PLC与SLC5/04 PLC构成扩展PROFIBUS-DP子系统的最佳网络形式。
3 光纤传输介质
煤矿安全监测系统信号传输介质一般有三种，即电气传输、光纤传输和无线传输。 考虑到局部通风机监测监控现有系统的传输介质和井下的特殊环境的要求，该PROFIBUS-DP子网选用光纤作为数据传输介质。
光纤通信是以光波为载体，以光纤为传输媒质的一种通信方式，与电缆或微波等电通信方式相比，光纤通信与电通信的主要差异有两点，一是用光频作为载频传输信号，二是用光缆作为传输介质。
光纤通信优点如下 ：（1）传输频带极宽，通信容量大；（2）光纤衰减小，无中继设备，传输距离远；（3）串扰小，信号传输质量高；（4）抗电磁干扰能力强，保密性好；（5）尺寸小，重量轻，便于传输和铺设；（6）耐化学腐蚀；（7）主要由石英玻璃拉制成形，原材料来源丰富，并节约了大量有色金属；（8）发生故障概率低，不用考虑接地问题。
PROFIBUS-DP子网系统组建
1 子网主站节点
鉴于DH+网协议的不开放，扩展PROFIBUS-DP子网系统的主站仍选取与原DH+网络节点相同型号的SLC5/04 PLC。新的SLC5/04 PLC节点可通过插在其机架上的DH+光电转换器OLC直接串入原来的DH+光纤冗余网络，而扩展PROFIBUS-DP子网系统要借助插在该节点机架上的第三方PROFIBUS-DP网络接口模块SST-PFB-SLC才可间接接入DH+网络，该网络接口模块安装简单，配置灵活，根据现场实际情况将其配置成PROFIBUS-DP主站工作模式。
2 子网从站节点
从站节点便是现场级的局部通风机设备，它的主控制器S7-200网络功能不强，没有内置PROFIBUS-DP接口，要借助西门子公司专为S7-200开发的EM277 DP从站模块，才能成为PROFIBUS-DP从站节点。EM277模块直接通过S7-200的串行数据总线与S7-200 CPU进行连接，它不仅可以传输I/O数据，而且还能读写S7-200 CPU中定义的变量数据块。当PROFIBUS-DP子网系统组建成功后，SLC5/04便做为PROFIBUS-DP子网的主站和现场级的S7-200通信，同时它也做为DH+网络上的一个节点和上位PC机通信，实现井下数据与井上PC数据的交换。
3 子网光纤通信
光纤链路模块OLM是PROFIBUS-DP子网系统组建的重要器件，用OLM可将光纤网络构成总线、环形或星形拓扑结构，两个OLM之间的最大传输距离可达15千米，可在9.6K位／秒与12M位／秒之间逐级调节传输速率，并且包含有电气和光学网络的混合网络也可以实现，两种介质之间的信号传输由OLM提供。
本系统选用具有2对光纤口的OLM- G12模块,主站节点和从站节点通过玻璃纤维光缆彼此互连构成冗余光纤环结构，使子网系统在运行中一组光缆或一个从站节点发生故障时，主站节点与从站节点间的通信不会中断，大大提高了系统通信的可靠性。此外，OLM模块组网灵活，配置简单，也为今后煤矿现场级设备的更新换代提供了极大的自由度。
系统整体网络构成及功能
扩展后的监测监控系统硬件构成分为三级，如图2所示，其中现场级的多局部通风机可以独立做业，也可联网工作；操作员站可以远离现场进行多局部通风机的状态分析和系统管理；网页发布功能可以使授权用户在网上随时获取数据。
第一级为现场数据采集系统。它由SLC5/04主控制器、相应的I/O和模拟量模块、通信接口模块、现场传感器及智能局部通风机设备构成。它是一个PLC应用系统，首先通过PROFIBUS-DP 网络通信方式将现场多局部通风机处理过的数据采集到智能分站中，再以DH+网络通信方式上传到数据采集工作站，它保证了高采样频率和高数据传输速度，实现了现场数据的实时采集。
图2 扩展DCS系统
第二级为数据采集工作站（工控机或PC机）。每个工作站都是一个独立的监测系统，管理多台设备。数据采集工作站能不间断地实时在线监测井下诸如甲烷、风速、温度、负压、风量等环境参数和电压、电流、功率因数等重要设备的电参数（包括多局部通风机），能实现自动记录、判断报警、报表打印等功能。此外还可以方便地做到联网运行，组成企业监测网络。
第三级为分析管理工作站和WEB服务器。本系统的服务器从功能上来讲，有数据库服务器、WEB服务器、管理服务器等。实际的硬件平台可以由一台或多台服务器组成。其中数据库服务器中存放着井下环境及各种设备的数据资料，形成设备运行历史档案，供用户对设备及环境进行监视；WEB服务器为上层INTERNET用户察看设备运行状态提供数据访问接口；管理服务器具有本监测网上所有工作站及设备信息管理、显示和报警功能。本级可以由现有企业监测网通过功能扩展得到。
第一级和第二级是本系统的基础，也是本项目的主要部分；第三级为功能扩充部分，根据具体工程项目的不同而有所不同。
结束语
本系统采用西门子光纤PROFIBUS-DP现场总线构成冗余式环形子网成功接入了PlantScape R400 DCS系统，运行结果表明：系统结构设计合理、设备操作维护方便、画面动态直观、内容丰富、数据监测全面准确、远程控制安全可靠、系统网络冗余度高，在很大程度上确保了掘进工作面三巷多局部通风机运行的可靠性、连续性和安全性。同时，该系统的使用也极大地提高了煤矿的生产效率，保障了工人的生命安全，为煤矿掘进工作面实现无人化管理奠定了基础。
（摘编自《电气技术》，原文标题为“基于现场总线的多巷局部通风机监测监控系统的研究”，作者为张洋、孙一奇。）