本文介紹了3.3kV供電的高產高效綜合機械化采煤工作面多巷局部通風機的重要性，指出了對多巷局部通風機進行監測監控的必要性，結合了山西省晉城煤業集團寺河煤礦2002年投入運行的PLANTSCAPE DCS系統，詳細分析了該DCS系統現場級設備及傳輸網絡存在的缺點，給出了多巷局部通風機監測監控系統的設計思想，采用了光纖PROFIBUS-DP現場總線搭建系統子網與PLANTSCAPE DCS系統進行網絡互連，構建了全新的煤礦綜合自動化監測監控系統。

該系統已成功地應用于寺河煤礦，運行結果表明：該系統具有設備維護操作方便、數據監測全面準確、系統網絡冗余度高等優點。

礦用局部通風機是煤礦井下掘進通風不可缺少的重要設備，使用量大、應用范圍廣，承擔著為采掘工作面提供新鮮風流、排出有毒有害氣體和粉塵、改善作業場所環境條件等重要任務，其工作可靠性直接影響著煤礦的安全生產和經濟效益。

目前，對于3.3kV供電的高產高效綜合機械化采煤工作面，根據采煤方法的要求，與其配套的掘進方式是三條巷道同時推進，共需六臺對旋式局部風機進行掘進通風，三臺運行，三臺備用[1]，由于設備數量多、占地面積大、連接復雜，故障率較高，頻繁引起巷道內“無計劃”停電停風，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機系統的工作狀態、工作參數、故障狀態和故障參數，迅速發現問題采取預防和修正措施，以遏制瓦斯事故的發生，實現變“事后處理”為“事前預防”的管理要求，對多局部通風機集控系統進行監測監控就顯得尤為重要，它已逐漸成為保證煤礦安全生產、提高經濟效益的重要措施之一。

本文研究的三巷掘進多局部通風機監測監控系統是針對山西省晉城煤業集團寺河煤礦的掘進方式設計的，該監測監控系統的設計順應了未來煤礦監測監控網絡的發展趨勢，為多局部通風機設備的遠程控制奠定了基礎。

系統整體設計策略

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，如圖1所示，其主要硬件配置有：廠景服務器FWQ，操作員站CZZ，工程師站GCZ，打印機DYJ，ControlLogix網關，交換機JHJ，智能分站FZ以及傳感器GSB等現場設備。該系統于2002年安裝，安全高效地實現了該煤礦井下的自動化管理與控制，但從該監測監控網絡系統的運行現狀來看可以發現：

（1）現場級設備落后，不具備現場數據信息處理能力，現場信號的檢測和傳輸仍是以4-20mA的標準信號來進行，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

（2）現場級設備與智能分站的數據傳輸環節只能進行單向傳輸，不能實現數據的雙向傳輸。

（3）現場級設備與智能分站的數據交換采用非數字信號的4-20mA模擬信號，使得現場設備與智能分站的電纜接線復雜，使用量大，維護困難，同時也不利于現場級設備的更新換代，大大阻礙了煤礦自動化系統的發展。

此外，再從國內煤礦掘進工作面多局部通風機設備的監測監控現狀來看可以發現：

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

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

（3） 局部通風機監測監控系統仍是一個獨立的系統，未與全礦井通風系統、煤礦管理系統聯網運行。

本系統中，局部通風機處于PlantScape R400 DCS系統中的現場級設備位置，其由西門子公司的S7-200 PLC構成，本身已具備現場數據信息的采集和處理能力，因此，根據原DCS網絡系統軟硬件及局部通風機的配置情況，考慮到以上存在的問題，該礦掘進工作面多局部通風機監測監控系統的設計適合采用“綜合一體化，監測為主、監控為輔、現場總線式的冗余光纖環網“結構。

1 綜合一體化監測監控系統

本文開發的掘進工作面局部通風機監測監控系統以寺河礦的原PlantScape R400 DCS系統為構架，通過分站接入子系統法，構建全新的監測監控系統，這樣不僅充分使用了該礦的人力資源，而且實現了資源共享，提高了系統的工作效率。

根據該礦提出的技術要求，在局部通風機監測監控系統系統中增加了遠程控制功能，盡管遠程控制功能是一種輔助手段，但在應急情況下，能保證局部通風機運行的連續性和可靠性，降低掘進工作面事故發生的概率。

2 PROFIBUS-DP現場總線方案

現場總線是連接智能化現場設備和自動化系統的數字式、雙向傳輸、多分支結構的通訊網絡，具有協議簡單、容錯能力強、安全性能好、制造成本低以及較準的確定性和較高的實時性等特點。

PROFIBUS是目前國內外主流現場總線之一，占國內現場總線的市場份額最大。它是基于德國國家標準DIN 19245和歐洲標準PREN 50170的現場總線，參考了ISO/OSI模型，支持主/從系統、純主站系統、多主多從混合系統等系統結構。主站具有對總線的控制權，可主動發送信息。

對多主站系統來說，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定的時間內擁有總線控制權，事先規定好令牌在各主站中循環一周的最長時間。按PROFIBUS的通信規范，令牌在主站之間按地址編號順序，沿上行方向進行傳遞。主站在得到控制權時，可以按主/從方式，向從站發送或索取信息，實現點對點通信。

寺河礦的PlantScape DCS主干網絡部分是由AB公司的SLC5/04 PLC和DH+高速對等網構成，而掘進工作面多局部通風機設備的主控制器是由西門子公司的S7-200 PLC構成。由于兩大公司產品支持的總線協議不同，兩者不能直接相連組網。

通過方案論證，PROFIBUS現場總線可以方便地將S7-200 PLC間接接入DH+高速數據網，實現總線網絡集成。根據應用特點PROFIBUS分為：FMS，DP，PA三個兼容版本[34]，它們各自的特點不同，應用場合也不同，FMS通常適用于多主通訊，不適用于現場級的主/從式通信，而PA也不適合于本系統中的S7-200和SLC5/04的網絡互連，因為：

（1）在傳輸技術上，PA采用的是IEC1158-2技術，不同于DP、FMS的RS485傳輸技術，使得電氣、傳輸等特性都不一樣。

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

（3）PA采用的是標準的本質安全傳輸技術，這帶來的一個負面效果就是網絡的通訊速率只能固定為31.25KBIT/s，對于要求數據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構成擴展PROFIBUS-DP子系統的最佳網絡形式。

3 光纖傳輸介質

煤礦安全監測系統信號傳輸介質一般有三種，即電氣傳輸、光纖傳輸和無線傳輸。 考慮到局部通風機監測監控現有系統的傳輸介質和井下的特殊環境的要求，該PROFIBUS-DP子網選用光纖作為數據傳輸介質。

光纖通信是以光波為載體，以光纖為傳輸媒質的一種通信方式，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。

光纖通信優點如下 ：（1）傳輸頻帶極寬，通信容量大；（2）光纖衰減小，無中繼設備，傳輸距離遠；（3）串擾小，信號傳輸質量高；（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；（6）耐化學腐蝕；（7）主要由石英玻璃拉制成形，原材料來源豐富，并節約了大量有色金屬；（8）發生故障概率低，不用考慮接地問題。

PROFIBUS-DP子網系統組建

1 子網主站節點

鑒于DH+網協議的不開放，擴展PROFIBUS-DP子網系統的主站仍選取與原DH+網絡節點相同型號的SLC5/04 PLC。新的SLC5/04 PLC節點可通過插在其機架上的DH+光電轉換器OLC直接串入原來的DH+光纖冗余網絡，而擴展PROFIBUS-DP子網系統要借助插在該節點機架上的第三方PROFIBUS-DP網絡接口模塊SST-PFB-SLC才可間接接入DH+網絡，該網絡接口模塊安裝簡單，配置靈活，根據現場實際情況將其配置成PROFIBUS-DP主站工作模式。

2 子網從站節點

從站節點便是現場級的局部通風機設備，它的主控制器S7-200網絡功能不強，沒有內置PROFIBUS-DP接口，要借助西門子公司專為S7-200開發的EM277 DP從站模塊，才能成為PROFIBUS-DP從站節點。EM277模塊直接通過S7-200的串行數據總線與S7-200 CPU進行連接，它不僅可以傳輸I/O數據，而且還能讀寫S7-200 CPU中定義的變量數據塊。當PROFIBUS-DP子網系統組建成功后，SLC5/04便做為PROFIBUS-DP子網的主站和現場級的S7-200通信，同時它也做為DH+網絡上的一個節點和上位PC機通信，實現井下數據與井上PC數據的交換。

3 子網光纖通信

光纖鏈路模塊OLM是PROFIBUS-DP子網系統組建的重要器件，用OLM可將光纖網絡構成總線、環形或星形拓撲結構，兩個OLM之間的最大傳輸距離可達15千米，可在9.6K位／秒與12M位／秒之間逐級調節傳輸速率，并且包含有電氣和光學網絡的混合網絡也可以實現，兩種介質之間的信號傳輸由OLM提供。

本系統選用具有2對光纖口的OLM- G12模塊,主站節點和從站節點通過玻璃纖維光纜彼此互連構成冗余光纖環結構，使子網系統在運行中一組光纜或一個從站節點發生故障時，主站節點與從站節點間的通信不會中斷，大大提高了系統通信的可靠性。此外，OLM模塊組網靈活，配置簡單，也為今后煤礦現場級設備的更新換代提供了極大的自由度。

系統整體網絡構成及功能

擴展后的監測監控系統硬件構成分為三級，如圖2所示，其中現場級的多局部通風機可以獨立做業，也可聯網工作；操作員站可以遠離現場進行多局部通風機的狀態分析和系統管理；網頁發布功能可以使授權用戶在網上隨時獲取數據。

第一級為現場數據采集系統。它由SLC5/04主控制器、相應的I/O和模擬量模塊、通信接口模塊、現場傳感器及智能局部通風機設備構成。它是一個PLC應用系統，首先通過PROFIBUS-DP網絡通信方式將現場多局部通風機處理過的數據采集到智能分站中，再以DH+網絡通信方式上傳到數據采集工作站，它保證了高采樣頻率和高數據傳輸速度，實現了現場數據的實時采集。

圖2 擴展DCS系統

第二級為數據采集工作站（工控機或PC機）。每個工作站都是一個獨立的監測系統，管理多臺設備。數據采集工作站能不間斷地實時在線監測井下諸如甲烷、風速、溫度、負壓、風量等環境參數和電壓、電流、功率因數等重要設備的電參數（包括多局部通風機），能實現自動記錄、判斷報警、報表打印等功能。此外還可以方便地做到聯網運行，組成企業監測網絡。

第三級為分析管理工作站和WEB服務器。本系統的服務器從功能上來講，有數據庫服務器、WEB服務器、管理服務器等。實際的硬件平臺可以由一臺或多臺服務器組成。其中數據庫服務器中存放著井下環境及各種設備的數據資料，形成設備運行歷史檔案，供用戶對設備及環境進行監視；WEB服務器為上層INTERNET用戶察看設備運行狀態提供數據訪問接口；管理服務器具有本監測網上所有工作站及設備信息管理、顯示和報警功能。本級可以由現有企業監測網通過功能擴展得到。

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

結束語

本系統采用西門子光纖PROFIBUS-DP現場總線構成冗余式環形子網成功接入了PlantScape R400 DCS系統，運行結果表明：系統結構設計合理、設備操作維護方便、畫面動態直觀、內容豐富、數據監測全面準確、遠程控制安全可靠、系統網絡冗余度高，在很大程度上確保了掘進工作面三巷多局部通風機運行的可靠性、連續性和安全性。同時，該系統的使用也極大地提高了煤礦的生產效率，保障了工人的生命安全，為煤礦掘進工作面實現無人化管理奠定了基礎。