现场总线技术在安全监控系统升级中的应用

张永东 陈 伟

（山东丰源远航煤业有限公司北徐楼煤矿，山东 枣庄 277500）

安全监控系统是煤矿安全生产的重要保障系统。目前我国煤矿均已安装安全监控系统，为防范和减少煤矿重特大事故发挥了重要的作用，但原有系统技术面貌落后，关键系统指标有待提高。

《国家煤矿安监局关于印发〈煤矿安全监控系统升级改造技术方案〉的通知》（煤安监函〔2016〕5号文）对安全监控系统的性能指标做出了明确的提升要求，其中系统整体上需要提升的有两点：（1）系统巡检周期不超过20s；（2）异地断电时间不超过40s。要想实现这两个关键指标必须对监控设备的系统结构进行升级改造。目前主流的升级改造方式是将现场总线技术应用到安全监控系统现场设备。北徐楼煤矿采用上述方式对KJ95X系统进行了升级。

1 现场总线技术简介

现场总线控制系统（FCS）由于采用了智能现场设备，能够把原先DCS系统中处于控制室的控制模块、各输入输出模块置入现场设备中，加上现场设备具有通信能力，现场的测量变送仪表可以与断电器等执行机构直接传送信号，因而控制系统功能可以不依赖控制室的计算机或控制仪表，直接在现场完成，实现彻底的分散控制。

使用现场总线技术，能简化系统结构，提高系统设备接口的标准化、功能模块化。且系统规模可大可小，易于重构，非常适用于煤矿井下监控布局经常变更的特点。同时，由于煤矿井下监控点多是沿巷道线性分布，新监控系统具有监测、计算、补偿、控制等功能，适合于煤矿井下监控点比较分散的特点。监控点与通信电缆就近连接，沿巷道敷设一根电缆，实现监控系统在生产周期内的一次性投资，安装费用和维护工作量都有所减少。

2 现场总线技术在系统中的工作原理及特点

升级后的KJ95X煤矿安全监控系统采用工业以太网+现场总线架构，井下分站向主机传输数据可采用2种方式。方式1：在环网交换机内设置数据通信网关，网关通过以太网和监控主机通信；方式2：在具有环网交换机处，使用以太网接口和各自业务主机通信；通过RS485、CAN现场总线与分站通讯，网关具备分站通信管理功能，网关下可以同时挂接不同业务系统分站，实现井下分站数据传输的融合[1]。

现场传感设备总线RS485、CAN可以挂接不同业务系统传感器，如安全监控、人员定位、矿压监控、瓦斯抽放等。传感器固定业务属性，传感器接入分站时，分站进行自动识别，并将采集的数据上传到业务所属主机，分站根据业务主机配置控制逻辑执行本地控制输出功能，同时分站业务之间可实现一定范围内数据融合，如甲烷与人员联动，实现了分站级井下多业务数据共缆传输及信息融合功能。

地面各业务主机接收分站数据，进行显示、报警、存储、报表打印，并将数据发送至全矿井数据采集平台，完成地面各系统数据融合功能。

为降低巡检时间，数据传输采用不变不传策略，为加快报警、控制响应速度，构建了基于RS485主从式通信条件下的事件抢先上传模式，在方式1工作模式下KJ95X系统要高于巡检时间小于10s的指标。

为满足现场对系统可靠性、安全性、易用性的要求，系统采用分布式控制策略，异地控制逻辑下发到分站和执行器内，在主传电缆、主机故障等情况下，井下异地控制会正常工作。

系统采用分布式控制策略，如图1，系统将控制逻辑配置于井下设备传感器、分站以及网关。一种情况是分站接在同一网关下执行异地断电，图1虚线数据流1，源1号传感器测点发起异地控制指令，1号分站在总线上发送该数据，2号分站解析传输线路断电命令，发送至1号目标断电器执行异地控制；另二种情况是分站接在不同网关下，监控主机初始化时向网关下发异地关联配置表，网关解析到传输线路有异地断电命令，按照异地关联表将源分站发出的控制信息发送到目标网关，目标网关将断电命令发送到目标分站，执行断电指令，见图1虚线数据流2。因此在主传电缆、主机故障等情况下，井下异地控制工作正常。

CAN总线具有多主和优先级仲裁特性，紧急事件可以优先上传，RS485总线属于主从式半双工的工作模式，一般规定从节点只有在收到一个有效的轮询后才允许发送数据，但RS485总线具有传输距离远、抗干扰能力强等特点，为了提高RS485总线对关键信息的响应速度，链路协议采用令牌原理，为从节点提供事件优先响应机会，即使在没有收到主节点的轮询请求时，也可以向总线抢先发送信息。传感器、断电器以及分站等设备的紧急事件主要包括当前值超过报警值、断电值、异地控制、甲烷快速上升等，该类事件在总线上可以抢先发送，紧急事件不等待轮询周期，缩短了重要事件响应时间[2]。

3 新系统性能指标数据对比

通过现场总线技术，使系统快速巡检及异地快速控制的目标得以实现，北徐楼煤矿完成安全监控升级改造示范化项目后，对升级前的后的系统性能指标数据进行了对比，见表1。

图1 现场总线的KJ95X监控系统工作原理图

表1 KJ95N与KJ95X系统指标对比表

4 结论

结合北徐楼煤矿实际应用和国家煤矿安监局对升级改造提出的要求，升级改造完成后的KJ95X煤矿安全监控系统，现场运行稳定、可靠，系统巡检时间小于10s，异地控制时间小于5s，满足煤安监函〔2016〕5号文和新版AQ6201-2006技术要求[3]。