工业以太网 现场总线在煤矿监控系统中应用鉴定材料文档格式.docx

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山东金阳矿业集团有限公司

一、项目名称：

工业以太网+现场总线在煤矿监控系统中应用

二、项目来源：

计划外项目

三、项目完成单位：

山东金阳矿业集团金阳煤矿

四、鉴定程序

1、宣布鉴定委员会名单。

2、由鉴定委员会主持，听取课题汇报：

（1）工作报告；

（2）技术报告；

（3）经济效益分析报告；

（4）用户使用情况报告。

3、鉴定委员会质疑，主研人员答辩。

4、鉴定委员会对项目进行评议，形成鉴定意见。

5、鉴定会结束。

五、鉴定资料

1、鉴定大纲

2、工作报告

3、技术报告

4、经济效益分析报告

5、用户使用报告

鉴定委员会

年月日

《工业以太网+现场总线在煤矿监控系统中应用》鉴定资料之二

工作报告

在煤矿安全监控系统中,往往需要实现监控中心站和众多数据采集分站的联网监控,因此需要选择一种能够实现长距离、高可靠性、高效率的数据传输的通讯方式。

以太网是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准，许多制造供应商提供的产品都能采用通用的软件协议进行通信，开放性好。

由于RS-485通讯方式使用一对双绞线实现多站联网、硬件设计简单、控制方便、通讯效率高、成本低廉等优点,同时RS-485标准只对接口的电气特性作出规定而不涉及接插件电缆或协议,在此基础上用户可以根据自己的特定要求建立自己的高层通信协议,因而被煤矿安全监控系统广泛采用。

二、项目的应用情况

系统容量：

异步传输方式128台分站级设备

传输速率：

10M,1200/2400bps

传输方式：

以太网，RS485

传输电缆芯线：

光/电缆2芯

地面中心站到分站之间无中继最小传输距离：

电缆15km

分站到传感器之间的传输距离不小于：

2km

模拟量传感器信号：

200～1000Hz及现场总线数字信号

开关量传感器信号：

0、5mA，无电位接点及现场总线数字信号

新版《煤矿安全规程》第四百八十九条矿用有线调度通信电缆必须专用.严禁安全监控系统与图像监视系统共用同一芯光纤.矿井安全监控系统主干线缆应当分设两条,从不同的井筒或者一个井筒保持一定间距的不同位置进入井下，我们采用工业以太网+现场总线方式，提高了监控系统可靠性。

系统结构对比：

环网+现场总线时分制

主传输冗余,可靠性高主传输单一链路,可靠性略差

传输信息容量大传输信息容量小

传输速度快,系统容量大传输速度慢,受接点容量限制

系统响应快速,不大于3S受巡检周期约束,最大30S

现场总线传感器即插即用受机制约束,必须主机配置

无系统级采样转换误差有频率采样误差

传感器报警门限与主机互传频率单向传送

485传输系统容量大

新版《煤矿安全规程》第四百八十五条使用蓄电池的设备充电应当符合监控、通信、避险等设备的备用电源可以就地充电,并有防过充等保护措施，我们通过现场总线实现了备用电源显示和控制。

电源信息显示

远程电源充放电管理具有井下不间断电源综合管理功能,实时监测电源工作状态,预防分站,传感器,执行器断电,造成不必要的断电和危险的隐患。

现场设备采用总线方式接入更简单

485传输

《工业以太网+现场总线在煤矿监控系统中应用》鉴定资料之三

技术报告

现场总线的优点　

由于现场总线的特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统的设计、安装、投运到正常生产运行及其检修维护，都体现出优越性。

1、节省硬件数量与投资

由于现场总线系统中分散在设备前端的智能设备能直接执行多种传感、控制、报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的控制器、计算单元等，也不再需要DCS系统的信号调理、转换、隔离技术等功能单元及其复杂接线，还可以用工控PC机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资，由于控制设备的减少，还可减少控制室的占地面积。

2、节省安装费用

现场总线系统的接线十分简单，由于一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少。

当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。

据有关典型试验工程的测算资料，可节约安装费用60以上。

3、节省维护开销

由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行，诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除。

缩短了维护停工时间，同时由于系统结构简化，连线简单而减少了维护工作量。

4、用户具有高度的系统集成主动权

用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。

避免因选择了某一品牌的产品被“框死”了设备的选择范围，不会为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展，使系统集成过

5、提高了系统的准确性与可靠性

由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的准确度，减少了传送误差。

同时，由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强:

减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。

此外，由于它的设备标准化和功能模块化，因而还具有设计简单，易于重构等优点。

1　RS-485总线标准的特点及适应性

1.1　RS-485总线的特点

RS-485总线作为一个基于单对平衡线的多点、双向、半双工通信链路,采用平衡发送和差分接收,具有相当高的噪声抑制能力（-7～+12V总线共模范围）。

由于接收器输入门限最低可达200mV,因此传输信号能够经过数千米传输线的衰减后得到恢复,同时具有最高可达10Mb/s的传输速率,接收输入电流小,可以使总线上挂接多个节点,最早规定总线最多拥有32个节点,随着电子技术的发展,现在已经可达400个节点。

RS-485通讯网络组成如图1所示,每个节点由一个独立的接收器和发送器组成,接收器和发送器

分时占有总线,依靠控制端电平控制接收或发送数据。

发送器将数据转化成一对电平信号,发送到总线上,而接收器则采用差分方式接收信号,解码成相应的数据。

1.2　煤矿监控系统的特殊性

在煤矿监控系统中,在电气特性方面,对于通讯一般要求如下:

1）传输距离远,要求10km以上;

2）要求输出电信号为本安信号;

3）对于本安电路与非本安电路之间需要实现可靠隔离;

4）一般采用主从通讯的工作方式,实现多站联网,要求节点容量8,16,32,64或128个;

5）为保证监控系统的实时性,一般要求在30s之内所有节点巡检一次;

6）节点应具有独立性,一个节点失效,不影响其它节点的正常工作;

7）平均无故障时间（MTBF）不小于800h;

8）传输误码率:

≤10-8;

9）防雷电冲击。

防雷电冲击。

1.3　监控系统的组成

为便于监控中心站对各分站的管理,煤矿监控系统一般采用主从通讯的工作方式,实现多站联网,监控中心站作为主站,分时采集各分站的数据。

在煤矿监控系统中,对于数据传输要求是很苛刻的,因此对于通讯的可靠方面提出更高的要求。

图1　RS-485通讯网络组成

2　RS-485通讯网络的设计

虽然RS-485总线具有满足煤矿监控系统通讯方面很多优点,但设计时每个细节都必须重视,否则会造成意想不到的后果。

以下介绍利用RS-485通讯方式作为煤矿安全监控系统在通讯方式上的解决方案时,设计上所要着重考虑的一些问题。

2.1　传输速率与传输距离

RS-485收发器传输距离与传输速率有一定的关系,最高传输速率为10Mb/s,在此速率下,最大传输距离10m。

数据传输速率在105～107kb/s,通信距离主要由传输线的欧姆阻抗、集肤效应等损耗引起信号的畸变而受限制。

由于损耗与频率有关,故随着数据速率的降低,通信距离得到增加,在不影响监控系统实时性的前提下,适当降低通讯速率,将有效提高通讯距离,实践中选用1200b/s或者2400b/s的传输速率,可以大大提升RS-485的通讯距离。

同时,要达到理想的传输距离,在传输线的选择及阻抗匹配上也大有讲究:

1）在差分平衡系统中,一般选择双绞线作为信号传输线,以消除传输线上的共模干扰;

2）信号在传输线上传送,若遇到阻抗不连续的情况,会出现反射现象,通常在传输线末端连接120Ω电阻,进行阻抗匹配,消除信号反射。

3）传输线的阻抗对信号的衰减严重影响信号的通讯距离,在实践中通常选用线径为1mm2两芯阻燃屏蔽电缆线MHYV（电阻≤12.8Ω/km,电容≤0.06μF/km,电感≤0.8mH/km）,可以使得通讯距离延长到10km。

2.2　本安输出

RS-485都具有集成电路完成其收发功能,一般由5V电源供电,信号输出电压都在5V之内,正常工作输出电流很小（<

1mA）,短路电流最大100mA,完全满足国家标准GB3836.4—2000《爆炸性气体环境用电气设备　第4部分:

本质安全型“i”》对于本安电路的要求。

2.3　可靠性问题

对于RS-485通讯的可靠性问题,需要设计人员对通讯系统硬件和软件方面加以注意,设计出符合煤矿要求的高质量的通讯系统。

2.3.1　硬件设计

2.3.1.1　RS-485网络配置

1）网络节点数。

网络节点数与所选RS-485芯片驱动能力和接收器的输入阻抗有关,如SN75176标称最大值为32,75LBC184标称最大值为64点,MAX1487标称最大值为128,MAX1482最大值为256点,而SIPEX的SP485R节点的能力理论值可以达到400点。

实际使用时,因线缆长度、线径、网络分布、传输速率不同,实际节点数均达不到理论值。

例如75LBC184运用在500m分布的RS-485网络上节点数超过50点或速率大于9.6kb/s时,工作可靠性明显下降。

通常推荐节点数按RS-485芯片最大值的70%选取,因此,尽量选取节点能力较强的芯片。

2）节点与主干距离。

理论上讲,RS-485节点与主干之间距离（T头