煤矿安全监控系统的整合方案分析与设计

天地（常州）自动化股份有限公司 顾春瑜

1.国内目前煤矿安全监控系统的发展现状与问题

我国的煤矿安全监控系统起步较晚，发展过程经历了自主研发、引进国外技术、再自主研发的过程。如早期国内自主研发的KJ1系统，到后来从法国和德国引进的CCT63/40系统、TF200系统等。到上世纪末，国内某些专门机构自主研发的煤矿安全监控系统的水平已经较高，在某些单项指标上已经接近国际先进水平，也表现出网络化和信息化的趋势。但从整体发展水平上存在不足，主要表现在过分注重于对煤矿安全生产中的某些方面进行研发，如对坑道内的环境因素监控，井下设备的控制等方面，对煤矿的整体系统监控方面的研究并不深入。从现有的监控系统的工作特点来看，不同类型的监控系统之间的兼容性不足，系统扩展和升级能力受到较大的限制。同时安全监控系统是以安全因素的检测为主，对获得的监测信息缺乏预警响应能力，在智能化方面还存在很大的改进空间。

因此就当前国内煤矿安全生产监控系统的特点而言，主要的问题还是如何形成一套较为完整的综合信息监测系统，实现对煤矿安全生产的各个方面的实时信息进行整合。本文将针对这个问题，探讨煤矿安全生产综合监控系统所需的条件和构成方式。

2.常用煤矿监控系统特点分析

探讨煤矿安全生产综合监控系统需要以现有的监控子系统为基础进行整合。通常而言，煤矿的监控系统包括以下几类基本的子系统类型：电力监控系统、综采工作面监控系统、生产和调度系统等。上述不同系统类型所采用的工作方式差异较大，而多数煤矿都具备两种或两种以上的子系统，因此要探讨以这些子系统为基础的煤矿安全生产综合监控系统就需要对这些现有系统的特点进行分析后才能制定可行的整合方案。

(1)电力监控系统

电力系统是煤矿的基础系统之一，也是煤矿生产中的重要组成部分。对电力系统的监控是实现煤矿安全生产的重要保证。煤矿电力系统主要组成部分有两个，一是井下中央变电所，二是采矿区变电所。其中中央变电所由主控柜、配电柜及微机保护装置三个主要部分组成。采矿区变电所则一般由隔爆开关和监控单元组成。总体而言，煤矿电力系统的监控系统组成形式为利用CAN现场总线将监控单元（如隔爆开关等）将信息集成到中央变电所分站和采矿区变电所分站，再由CAN现场总线集成到电力系统监控服务器，进而将监控信息汇集到地面主控机。因此电力系统的监控布局呈现出的是一种金字塔型或树型的系统布局。

(2)综采工作面监控系统

综采工作面监控系统是煤矿对实际工作进行监控的主要系统，这一系统主要监控对象是采煤机、液压支架和输送机三类主要的煤矿施工设备。从目前的煤矿监控系统的构成来看，这三类煤矿施工设备都有各自的相对独立的监控子系统，从而共同构成了对煤矿工作面的监控体系。从监控模式上看，对采煤机的监控通常情况下都是通过对设备的特征参数的实时监测来判断设备是否处于正常运行状态。实现方式上通常是以设备关键部位上的传感器来完成数护具采集，再由通信线缆连接到CAN现场总线进行传输。从布局上看这类监控系统属于全分布式的监测系统。相对于采煤机，液压支架的作用是为了保障煤矿开采工作的安全。对支架的工作状态的监测也是通过布置压力传感器的方式来完成。而输送机则是承担将开采出的煤炭资源运输出井的任务。对输送机的监控主要针对功率驱动的监控和对链环张力的监控两部分，数据采集方式仍然是以传感器采集为基础来进行协调和控制。这三类监控系统是相辅相成的，都可以通过信道配置而隶属于井下控制台和地面控制中心，因此耦合程度相对较好。

(3)生产和调度系统

煤矿生产和调度系统主要完成通讯、报警以及对生产过程的监控等任务。从系统布局的角度看，常用的布局方式为分布式布局，实现手段有通讯电缆连接和无线通讯两大类。其中通讯系统主要以电缆通信配合无线通讯来完成，而对生产过程的监控则通过布置光缆和电视监控系统来完成。

3.煤矿监控子系统的综合方案设计

3.1 网络结构设计

要进行煤矿监控子系统的整合，需要考虑子系统的布局特点。从整合子系统的角度看，需要分析几种基本的网络拓扑结构。参考国内外的煤矿综合监控系统的结构特点，常用的是环型结构和总线型结构。环型结构的主要特点是可以通过通信链路将煤矿中的通信节点构成闭合回路，回路中的信号沿单向传输。这种网络结构的最大特点是实现方便，仅需要一些必要的连接设备和交换机即可，而且可以利用较为成熟的以太网技术。但其缺点是串联式的，因此某个节点的故障都可能造成故障和维修困难。总线型结构的特点是将网络中的设备都与总线相连，不依靠类似环型结构的中心节点，总线则以串联结构为主。当需要增加设备时只需在总线上增加接口即可，且个别节点的故障不会影响到整个网络的正常运行。其缺点是在网络节点的容量有限，对总线的容量要求较高。因此结合环型结构和总线型结构的优点和缺点，笔者认为采用环型和总线型的综合型结构，具体为主干网络采用环型结构，子网采用总线型结构。这种混合型的结构能够利用上述两类结构优点，在一定程度上可以避免环型结构传输距离的限制。

3.2 网络协议

由于整体网络结构采用的是综合型网络结构，涉及到总线通信协议的问题。因此需要对网络协议进行必要的讨论。当前煤矿中采用的网络技术主要是工业以太网技术，该模型基于开放系统互连的参考模型，共有7层结构。结合煤矿监控的实际需求，对网络中的故障需要有必要的自动诊断功能，即需要差错报告机制和IEEE802.3D/W/S生成树协议这两类关键网络协议。具体实现方式为以工业以太网技术参考模型OIS中网络层ICMP来实现，由主机和路由器之间完成报错和状态检查。IEEE802.3D/W/S的作用是通过身份验证的方式来保障网络的安全运行。

从当前煤矿监控系统的组成方式来看，多数都采用的CAN现场总线的形式，因此也需要讨论于此相关的问题。CAN协议需要处理数据链路层和物理层以及应用层三个方面的协议。其中数据链路层和物理层属于OSI模型中的底层，而应用层需自行定义或采用标准协议。从通用性的角度出发，在处理CAN现场总线的应用层协议时采用DeviceNet和CANOpen协议，上述两类协议分别处理煤矿自动化控制设备控制和数据通信，可为设备与主干网络实现无缝连接和满足分布式网络服务的需要。

3.3 通讯

我国煤矿安全监控的传统模式是DCS控制系统，由于不具备可操性和开放性等缺点，已经逐渐不能满足煤矿安全监控的需要，而FCS控制系统开始成为主流的发展方向。因此采用CAN作为连接煤安全监控网络矿的底层结构是符合发展趋势的选择。在此基础上，对CAN通讯采用多主竞争式的总线结构，该结构能够适应分布式网络数据通讯的需要，对网络节点之间的冲突能够实现自动化处理。

3.4 数据传输平台与接口设计

要实现对煤矿现有监控系统的整合，需要完成对主干网络和各子网络的结构设计。结合前文对整体网络结构采用的环型和总线型的综合网络拓扑结构，因此对于整合煤矿监控系统的主干网络采用工业以太网配合现场总线的模式，即由光纤冗余主干网和设备级现场总线来构成综合监控网络的主干网络。而对于子网络，由于这些网络分处于不同的工作环境，采用电缆作为CAN总线的传输线路，其优点是便于维护。

由于综合监控系统要处理多个子网络之间的连接和传输，需要采用大量的CAN接口，因此对于子网络和主干网络之间的接口也是一个应当注意的问题。从煤矿实际需要出发，采用基于独立CAN控制器的总线接口方案是比较好的选择，独立CAN控制器型号可采用SJA1000等独立控制器。

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