1、前言

煤炭作為重要能源之一，在工業(yè)生產(chǎn)和人們?nèi)粘Ｉ�活中有著舉足輕重的影響。煤炭經(jīng)濟(jì)收入占我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)總收入的很大份額。因此可以說(shuō)，煤炭工業(yè)發(fā)展的優(yōu)劣影響到了我國(guó)工業(yè)現(xiàn)代化的進(jìn)程。我國(guó)煤礦多集中在山東、山西、內(nèi)蒙古及甘肅等地，煤礦發(fā)展程度差異很大，煤礦的開(kāi)采、運(yùn)輸以及洗煤工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用程度也差別很大。除了少數(shù)大型煤礦采用自動(dòng)化井下作業(yè)及地面洗煤外，多數(shù)煤礦自動(dòng)化程度很低，還有煤礦利用人力或畜力來(lái)工作，即便是采用自動(dòng)化的煤礦，也是在某個(gè)工段上采用，各個(gè)環(huán)節(jié)彼此獨(dú)立，形成了一個(gè)個(gè)自動(dòng)化孤島。以至于煤炭生產(chǎn)中資源浪費(fèi)嚴(yán)重，工作效率低下，各職能部門彼此推諉責(zé)任，管理力度不夠強(qiáng)，安全事故多。這些都阻礙了煤炭工業(yè)的發(fā)展。

針對(duì)煤炭工業(yè)中這些問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外都在積極研究一種全新的煤炭工業(yè)發(fā)展模式�，F(xiàn)在國(guó)外正研究把CIMS引入到煤礦生產(chǎn)中來(lái)，稱為計(jì)算機(jī)綜合煤礦綜合自動(dòng)化（CIMAS:Computer Integrated Coal Mine Automation System），并取得了一定的成績(jī)。國(guó)際上CIMAS當(dāng)前的發(fā)展動(dòng)向有：通信網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化，智能傳感器與現(xiàn)場(chǎng)中線技術(shù)的應(yīng)用及其標(biāo)準(zhǔn)化，專家系統(tǒng)的引入等。我國(guó)由于歷史的原因，這方面的研究和應(yīng)用剛剛起步，在煤炭工業(yè)還沒(méi)有完全實(shí)現(xiàn)CIMS的應(yīng)用。

2、CIMS

2.1.1 CIMS的基本概念

在談CIMS概念前，先了解一下CIM的概念。

CIM是一種企業(yè)生產(chǎn)制造與生產(chǎn)管理進(jìn)行優(yōu)化的哲理。這種哲理首先是在1974年美國(guó)Joseph Harrington博士在其論文《Computer Integrated Manufacturing》中提出的。其基本觀點(diǎn)是：這是針對(duì)企業(yè)所面臨的激烈市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)形勢(shì)而提出的組織企業(yè)生產(chǎn)的一種哲理。其基本思想是：①制造企業(yè)中的各個(gè)部分（即從市場(chǎng)分析、經(jīng)營(yíng)決策、工程設(shè)計(jì)、制造過(guò)程、質(zhì)量控制、生產(chǎn)指揮到售后服務(wù)）是一個(gè)互相緊密相關(guān)的整體；②整個(gè)制造過(guò)程本質(zhì)上可以抽象成一個(gè)數(shù)據(jù)的搜集、傳遞、加工和利用的過(guò)程，最終產(chǎn)品僅是數(shù)據(jù)的物化表現(xiàn)。前者體現(xiàn)了集成的思想，它將企業(yè)決策、經(jīng)營(yíng)管理、生產(chǎn)制造、銷售及售后服務(wù)有機(jī)地結(jié)合在一起；后者就是信息制造觀的思想。

CIMS(Computer Integrated Manufacturing System)直譯為計(jì)算計(jì)綜合自動(dòng)化，是基于CIM哲理構(gòu)成的新型生產(chǎn)實(shí)體，是信息時(shí)代的一種新型生產(chǎn)制造模式。至今尚未有統(tǒng)一的定義，但對(duì)其基本看法是：CIMS是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)支撐工具把計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、制造、管理等自動(dòng)化孤島有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，清除其接口間障礙，解決市場(chǎng)上多變的自動(dòng)化生產(chǎn)的問(wèn)題。

從上面表述可以看出CIM哲理的關(guān)鍵點(diǎn)是集成，CIMS的關(guān)鍵點(diǎn)也是集成。即通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等軟硬件技術(shù)，把企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)營(yíng)管理、生產(chǎn)制造、售后服務(wù)等環(huán)節(jié)聯(lián)系在一起，構(gòu)成了一個(gè)能適應(yīng)市場(chǎng)需求變化和生產(chǎn)環(huán)境變化的大系統(tǒng)。 CIMS不僅僅把技術(shù)系統(tǒng)和經(jīng)營(yíng)生產(chǎn)系統(tǒng)集成在一起，而且把人（人的思想、理念及智能）也集成在一起，使整個(gè)企業(yè)的工作流程、物流和信息流都保持通暢和相互有機(jī)聯(lián)系，所以，CIMS是人、經(jīng)營(yíng)和技術(shù)三者集成的產(chǎn)物。

2.1.2 CIMS體系結(jié)構(gòu)

CIMS體系結(jié)構(gòu)是用來(lái)描述研究對(duì)象整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)部分和各個(gè)方面的相互關(guān)系和層次結(jié)構(gòu)，從大系統(tǒng)理論角度研究，將整個(gè)研究對(duì)象分為幾個(gè)子系統(tǒng)，各個(gè)子系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立自治、分布存在、并發(fā)運(yùn)行和驅(qū)動(dòng)等。從功能層方面分析，CIMS可以由圖1表示出其組成及分層情況。

、裝配設(shè)備、工業(yè)機(jī)器人及其他生產(chǎn)制造自動(dòng)化技術(shù)，這一層以物流為中心，完成生產(chǎn)、加工、裝配、包裝等任務(wù)。

圖1

第二層硬事務(wù)處理系統(tǒng)：這一層是生產(chǎn)/制造監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)對(duì)第一層的設(shè)備進(jìn)行綜合控制與操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)制造的監(jiān)控。包含狹義的CAM、CAQ及CAT等。

第三層技術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)：這一層包含CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）、CAPP(計(jì)算機(jī)輔助工藝)，為生產(chǎn)制造系統(tǒng)產(chǎn)生信息。CAD用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)，它提供的是如何做的信息，而CAPP是依據(jù)CAD提供的信息指導(dǎo)如何作。

第四層軟事務(wù)處理系統(tǒng)：這一層主要通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)地處理各種軟事務(wù)，譬如，財(cái)務(wù)、供銷、售后服務(wù)等方面的管理，實(shí)現(xiàn)電子化記賬。

第五層信息服務(wù)系統(tǒng)：以狹義的MIS為主，主要對(duì)前面各層的信息進(jìn)行收集、存儲(chǔ)、加工、傳輸、使用、查詢，為各級(jí)管理者與下層提供數(shù)據(jù)。

第六層決策管理系統(tǒng):這一層是企業(yè)經(jīng)營(yíng)管理規(guī)劃的決策層，主要有MRP-II(制造資源計(jì)劃) 、ERP(企業(yè)資源計(jì)劃) 、決策支持系統(tǒng)DSS、專家系統(tǒng)ES、系統(tǒng)模擬系統(tǒng)等組成。他根據(jù)企業(yè)總體路線、企業(yè)內(nèi)部條件、市場(chǎng)信息等因素，產(chǎn)生生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)的計(jì)劃與方案、各種資源的需求計(jì)劃，包括人、物、資金的需求計(jì)劃。

2.1.3 CIMS的功能結(jié)構(gòu)還可以用圖2來(lái)理解

圖2

Ⅰ、ERP(Enterprise Resource Planning)即企業(yè)資源計(jì)劃。它的基本思想是將制造業(yè)的制造流程看作是一個(gè)緊密連結(jié)的供應(yīng)鏈，供應(yīng)鏈中包括了供應(yīng)商、制造工廠、分銷網(wǎng)絡(luò)和客戶，ERP強(qiáng)調(diào)對(duì)完整供應(yīng)鏈整體管理，是制造過(guò)程以更加有效的方式運(yùn)行，使企業(yè)流程更加緊密地集成在一起。ERP是一種制造戰(zhàn)略，是以生產(chǎn)計(jì)劃為主線，以本企業(yè)利潤(rùn)為中心，將于本企業(yè)供、產(chǎn)、銷活動(dòng)有關(guān)的一切資源進(jìn)行統(tǒng)籌安排的單一企業(yè)的管理模式，均為企業(yè)所運(yùn)用。

Ⅱ、MRPII(Manufacturing Resource Planning)是制造資源計(jì)劃，是當(dāng)今世界制造業(yè)普遍采用的，以企業(yè)整體與控制為主體的計(jì)算及輔助管理模式。MRPII的中心思想基于把制造業(yè)的物料流程看作一個(gè)“供給鏈”，即

圖3

該鏈表示了采購(gòu)、生產(chǎn)到銷售是一條密切聯(lián)系、相互影響和不可分割的鏈條結(jié)構(gòu)，并從企業(yè)內(nèi)部沿兩個(gè)方向延展到企業(yè)外部。MRPII以產(chǎn)品結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，生成物料清單，并同時(shí)間、規(guī)定的地點(diǎn)、按照規(guī)定的數(shù)量，得到真正需要的物件。從而實(shí)現(xiàn)按時(shí)交貨，消除短缺，合理利用資源，減少庫(kù)存，消除浪費(fèi)，降低成本，達(dá)到提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的目的。

圖4 ERP組織結(jié)構(gòu)圖

因此，為了為企業(yè)提供更新更好的管理模式和管理工具，ERP還在不斷地吸收先進(jìn)的管理技術(shù)和IT技術(shù)，如人工智能、精良生產(chǎn)、并行工程、Internet/Intranet、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)等等。其最大的成功就在于它很好地應(yīng)用了C/S這種最新網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

（2）協(xié)調(diào)管理層是介于決策規(guī)劃層和生產(chǎn)制造控制層（車間層），起到上傳下達(dá)的作用。車間為制造業(yè)的物化中心，它不僅是制造計(jì)劃的具體執(zhí)行者，也是制造信息的反饋者，更是大量制造實(shí)施的集散地，因此車間層的資源管理、車間管理與控制系統(tǒng)的敏捷性在一定程度上決定著整個(gè)企業(yè)的敏捷性。為適應(yīng)敏捷的制造環(huán)境，近十幾年來(lái)逐步形成并發(fā)展了制造執(zhí)行系統(tǒng)MES（Manufacturing Execution System）。

MES是位于企業(yè)上層生產(chǎn)計(jì)劃（MRPII/ERP）和底層工業(yè)控制之間，面向車間層的生產(chǎn)管理技術(shù)與實(shí)時(shí)信息系統(tǒng)，MES強(qiáng)調(diào)制造計(jì)劃的執(zhí)行，它在計(jì)劃管理層和底層工業(yè)控制之間架起了一座橋梁，以達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)的信息流暢。MES的任務(wù)是根據(jù)上級(jí)下達(dá)的生產(chǎn)計(jì)劃，充分利用車間的各種生產(chǎn)資源、生產(chǎn)方法和豐富的實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)信息，快速、低成本地制造出高質(zhì)量的產(chǎn)品，其生產(chǎn)活動(dòng)涉及到訂單管理、設(shè)備管理、庫(kù)存跟蹤、物料流動(dòng)、數(shù)據(jù)采集，以及維護(hù)管理、質(zhì)量控制、性能分析及人力資源等。

MES的實(shí)質(zhì)是一個(gè)信息管理系統(tǒng)，它把上層的命令信息經(jīng)過(guò)加工、處理后下放到基層執(zhí)行系統(tǒng)，指導(dǎo)基層系統(tǒng)如何完成任務(wù)，同時(shí)把下層的信息反饋給決策層，是上級(jí)及時(shí)了解執(zhí)行情況，對(duì)決策進(jìn)行調(diào)整、進(jìn)一步規(guī)劃等。

（3）生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)是底層執(zhí)行系統(tǒng)，又稱為基層過(guò)程控制自動(dòng)化（PCS），執(zhí)行決策層的生產(chǎn)計(jì)劃生產(chǎn)要求，在信息管理層的協(xié)調(diào)和指導(dǎo)下，按照具體控制要求和生產(chǎn)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，最終生產(chǎn)出合格產(chǎn)品。在基層自動(dòng)化系統(tǒng)中，常用到DCS(Distributed Control System) 、PLC、及現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)（Field Bus）等先進(jìn)自動(dòng)化控制技術(shù)。

DCS系統(tǒng)和PLC控制技術(shù)已得到了廣泛應(yīng)用，在自動(dòng)化控制領(lǐng)域已相當(dāng)熟悉，這里不再贅述�，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是近幾年興起的控制技術(shù)，目前還處在推廣研發(fā)階段，其應(yīng)用范圍還不廣。但是可以肯定的說(shuō)，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)會(huì)取代傳統(tǒng)的自動(dòng)控制技術(shù)，成為控制領(lǐng)域的主力。下面對(duì)其概念和特點(diǎn)作一介紹。

Ⅰ、現(xiàn)場(chǎng)總線是指在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信、完成測(cè)量控制任務(wù)的系統(tǒng)，這種開(kāi)放型的工廠底層控制網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造了新一代的網(wǎng)絡(luò)集成式全分布控制系統(tǒng)，因而又被譽(yù)為自控領(lǐng)域的局域網(wǎng)。

Ⅱ、現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)特點(diǎn)：現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備具有通信功能，便于構(gòu)成工廠底層控制網(wǎng)絡(luò)；通信標(biāo)準(zhǔn)的公開(kāi)、一致，使系統(tǒng)具備開(kāi)放性，設(shè)備間具有互可操作性；功能塊與結(jié)構(gòu)的規(guī)范化使相同功能的設(shè)備間具有互換性；控制功能下放到現(xiàn)場(chǎng)，使控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具備高度的分散性。

Ⅲ、現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)點(diǎn)：現(xiàn)場(chǎng)總線使自控設(shè)備與系統(tǒng)步入了信息網(wǎng)絡(luò)的行列，為其應(yīng)用開(kāi)拓了更為廣闊的領(lǐng)域；一對(duì)雙絞線上可掛接多個(gè)控制設(shè)備，便于節(jié)省安裝費(fèi)用；節(jié)省維護(hù)開(kāi)銷；提高了系統(tǒng)的可靠性；為用戶提供了更為靈活的系統(tǒng)集成主動(dòng)權(quán)。

現(xiàn)場(chǎng)總線發(fā)展迅速，現(xiàn)處于群雄并起、百家爭(zhēng)鳴的階段。目前已開(kāi)發(fā)出有40多種現(xiàn)場(chǎng)總線，如Interbus、Bitbus、Device Net、Modbus、Arcnet、P-Net、FIP、ISP等，其中最具影響力的有5種，分別是FF、Profibus、HART、CAN和LonWorks。各種現(xiàn)場(chǎng)總線性能特點(diǎn)不同，其應(yīng)用行業(yè)也不同。下面簡(jiǎn)要介紹一下這5種。

FF（Foundation Fieldbus現(xiàn)場(chǎng)基金會(huì)總線）由美國(guó)儀器協(xié)會(huì)（ISA）1994推出，代表公司有Honeywell和Fisher-Rosemount，主要應(yīng)用于石油化工、連續(xù)工業(yè)過(guò)程控制中的儀表。FF的特色是其通訊協(xié)議在ISO的OSI物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層3層之上附加了用戶層，通過(guò)對(duì)象字典OD（Object Dictionary）和設(shè)備描述語(yǔ)言DDL（Device Description Language）實(shí)現(xiàn)可互操作性。

Profibus（Process Fieldbus）德國(guó)西門子公司1987年推出，主要應(yīng)用于PLC。產(chǎn)品有三類：FMS用于主站之間的通訊；DP用于制造行業(yè)從站之間的通訊；PA用于過(guò)程行業(yè)從站之間的通訊。由于Profibus開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間早至十年前，限于當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)水平，大多建立在IT網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，隨著應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大和用戶要求越來(lái)越高，現(xiàn)場(chǎng)總線的產(chǎn)品只能在原有IT協(xié)議框架上進(jìn)行局部的修改和補(bǔ)充，以致在控制系統(tǒng)內(nèi)增加了很多的轉(zhuǎn)換單元（如各種耦合器），這為該產(chǎn)品今后的進(jìn)一步發(fā)展帶來(lái)了一定的局限性。

HART（Highway Addressable Remote Transducer可尋址遠(yuǎn)程傳感器數(shù)據(jù)通路）美國(guó)Rosemount公司1989年推出，主要應(yīng)用于智能變送器。HART為一過(guò)渡性標(biāo)準(zhǔn)，它通過(guò)在4-20mA電源信號(hào)線上疊加不同頻率的正弦波（2200HZ表“0”，1200HZ表“1”）來(lái)傳送數(shù)字信號(hào)，從而保證了數(shù)字系統(tǒng)和傳統(tǒng)模擬系統(tǒng)的兼容性，預(yù)計(jì)其生命周期為最近20年。

CAN（Controller Area Network控制局域網(wǎng)絡(luò)）德國(guó)Bosch 6公司1993年推出，應(yīng)用于汽車監(jiān)控、開(kāi)關(guān)量控制、制造業(yè)等。介質(zhì)訪問(wèn)方式為非破壞性位仲裁方式，適用于實(shí)時(shí)性要求很高的小型網(wǎng)絡(luò)，且開(kāi)發(fā)工具廉價(jià)。CAN型總線產(chǎn)品有AB公司的DeviceNet、臺(tái)灣研華的ADAM數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品等。

LonWorks（LON Local Operating System局部操作系統(tǒng)）美國(guó)Echelon公司1991年推出，主要應(yīng)用于樓宇自動(dòng)化、工業(yè)自動(dòng)化和電力行業(yè)等。LonTalk的全部7層協(xié)議，介質(zhì)訪問(wèn)方式為P-P CSMA（預(yù)測(cè)P-堅(jiān)持載波監(jiān)聽(tīng)多路復(fù)用），采用網(wǎng)絡(luò)邏輯地址尋址方式，優(yōu)先權(quán)機(jī)制保證了通訊的實(shí)時(shí)性，安全機(jī)制采用證實(shí)方式，因此能構(gòu)建大型網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。

2.2.1 CIMAS提出和背景

通常把機(jī)械制造領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)綜合自動(dòng)化叫做CIMS，對(duì)于流程工業(yè)領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)綜合自動(dòng)化稱為CIPS(Computer Integrated Process System),同樣把應(yīng)用在煤礦行業(yè)的計(jì)算機(jī)綜合自動(dòng)化叫做CIMAS。實(shí)際上，不論CIPS還是CIMAS，其基本哲理都是基于CIM，體系結(jié)構(gòu)大致相似，尤其對(duì)綜合信息管理級(jí)沒(méi)有太大的區(qū)別，差異多在基層自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用方面，因?yàn)楦餍袠I(yè)的生產(chǎn)環(huán)境、產(chǎn)品性質(zhì)、控制要求等因素的不同，具體自動(dòng)化控制技術(shù)存在差異。實(shí)質(zhì)上都是CIMS。

CIMS是以機(jī)械制造業(yè)為先導(dǎo)產(chǎn)業(yè)發(fā)展起來(lái)，并顯示出強(qiáng)大的生命力而受關(guān)注。很快，它的應(yīng)用范圍也從離散型生產(chǎn)為特征的機(jī)械制造業(yè)迅速擴(kuò)展到起它的流程企業(yè)和二者兼具的混合型生產(chǎn)企業(yè)。

我國(guó)在1986年制定了863/CIMS計(jì)劃，并將其歸為自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域。目前我國(guó)的CIMS研究與應(yīng)用已步入世界先進(jìn)水平，已有60多家骨干企業(yè)應(yīng)用CIMS ，覆蓋了機(jī)械、電子、航空、航天、輕工、紡織、石油、化工、冶金、通信、水泥、兵器等行業(yè)。在煤炭行業(yè)也有應(yīng)用的例子，如兗礦集團(tuán)南屯煤礦洗煤廠，作為國(guó)家863/CIMS的示范工程于1996年立項(xiàng)，開(kāi)創(chuàng)了國(guó)內(nèi)外煤炭行業(yè)應(yīng)用CIMS的歷史。但在整個(gè)煤礦大系統(tǒng)內(nèi)，應(yīng)用CIMS的企業(yè)國(guó)內(nèi)很少�，F(xiàn)在我國(guó)陜西省神木縣境內(nèi)的大柳塔煤礦為首家實(shí)現(xiàn)了煤礦綜合自動(dòng)化，也只局限于控制和監(jiān)控實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)的是生產(chǎn)環(huán)節(jié)的集成。

考慮主要受以下因素影響：

煤礦工業(yè)是一個(gè)復(fù)雜的行業(yè)，工作環(huán)節(jié)多，工種多，既有流程工業(yè)的特點(diǎn)，如地面生產(chǎn)系統(tǒng)的洗煤工業(yè)、井下采煤系統(tǒng)的綜采工作面的運(yùn)輸系統(tǒng)等，又有離散制造業(yè)的特點(diǎn)，如機(jī)械加工車間和機(jī)械維修車間中，生產(chǎn)皮帶輸送機(jī)、刮板輸送機(jī)的工序，體現(xiàn)了制造業(yè)的特點(diǎn)。因此說(shuō)，煤礦工業(yè)是一個(gè)混合型企業(yè)。

從大系統(tǒng)理論的觀點(diǎn)來(lái)說(shuō)，具體到一個(gè)煤礦企業(yè)，把它視為一個(gè)大系統(tǒng)，按照工作環(huán)境分，下面可分為地面生產(chǎn)系統(tǒng)、井下生產(chǎn)系統(tǒng)、提升運(yùn)輸系統(tǒng)三個(gè)子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)又有許多子系統(tǒng)，如井下生產(chǎn)系統(tǒng)又可分為采煤系統(tǒng)、掘進(jìn)系統(tǒng)、局部通風(fēng)系統(tǒng)、局部排水系統(tǒng)及運(yùn)輸系統(tǒng)等。各個(gè)子系統(tǒng)在地理位置上跨距很大，從海拔+100多米到海拔-1000米左右，平面位置相距多達(dá)十幾公里。這對(duì)整體規(guī)劃和管理相當(dāng)困難。

煤礦工作環(huán)境差，井下時(shí)常有瓦斯、煤塵等易燃、易爆氣體，還會(huì)有突水、自燃火、冒頂、塌方等危險(xiǎn)，這對(duì)信息檢測(cè)、數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制提出了高的要求，信息難于集成。

此外，煤礦長(zhǎng)期以來(lái)被人們誤解，認(rèn)為煤礦是勞動(dòng)密集型的行業(yè)，只需要力氣，不需要太多的技術(shù)，而且對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)改造來(lái)應(yīng)用CIMS技術(shù)要花費(fèi)大量資金，使用后短期內(nèi)很難見(jiàn)效益，包括煤礦內(nèi)部高層管人員都有這種看法，這對(duì)推廣和應(yīng)用先進(jìn)自動(dòng)化技術(shù)帶來(lái)很大的困難，更談不上CIMS的應(yīng)用。

不過(guò)，由于煤礦工業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占重要地位，煤炭消費(fèi)85%集中在電力、冶金、化工、建材等行業(yè)，煤炭工業(yè)的興衰直接影響到基礎(chǔ)工業(yè)的發(fā)展，影響到整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的健康穩(wěn)定發(fā)展，影響到人民生活的安康。因此煤炭工業(yè)長(zhǎng)期以來(lái)作為重點(diǎn)行業(yè)發(fā)展。2002年國(guó)家經(jīng)貿(mào)委提出了“十五”期間推廣應(yīng)用信息技術(shù)改造提升煤炭工業(yè)的重點(diǎn)項(xiàng)目：

１．全礦井信息化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；

２．工作面自動(dòng)化關(guān)鍵技術(shù)與裝備；

３．礦井安全生產(chǎn)綜合自動(dòng)化監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)；

４．煤炭運(yùn)銷系統(tǒng)信息化技術(shù)；

５．煤炭洗選加工過(guò)程自動(dòng)化測(cè)控技術(shù)；

６．全國(guó)煤礦安全生產(chǎn)信息管理技術(shù)。

上面的內(nèi)容覆蓋了CIMS的基本內(nèi)涵，可以看出研究、開(kāi)發(fā)煤礦工業(yè)CIMS勢(shì)在必行。

2.2.2 CIMAS應(yīng)用的目標(biāo)

CIMAS應(yīng)用的最終目標(biāo)是使礦井生產(chǎn)管理的全過(guò)程全面實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制與管理，即“采煤、掘進(jìn)、運(yùn)輸、通風(fēng)、供排水、供電”六個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)綜合自動(dòng)化。其中“采煤”環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)工作面生產(chǎn)自動(dòng)化控制，地面集中監(jiān)測(cè);“運(yùn)輸、掘進(jìn)”環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)地面集中控制，無(wú)固定崗位工；“通風(fēng)、供排水、供電”環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)三遙控制，無(wú)人值守；建立靈敏、準(zhǔn)確的信息系統(tǒng)，把企業(yè)生產(chǎn)、管理和經(jīng)營(yíng)在網(wǎng)絡(luò)的層次上集成化，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、信息化管理；實(shí)現(xiàn)煤炭訂貨、銷售、財(cái)務(wù)管理、煤質(zhì)調(diào)查等環(huán)節(jié)的信息集成；通過(guò)管理控制一體化，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)與管理信息系統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)之間的數(shù)據(jù)集成，提高管理信息系統(tǒng)中有關(guān)生產(chǎn)的原始數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性；同時(shí)通過(guò)對(duì)設(shè)備參CIMAS的具體內(nèi)涵和應(yīng)用

3.1 CIMAS的概念

在2.2中已提到CIMAS實(shí)質(zhì)上也是CIMS ，是計(jì)算機(jī)綜合自動(dòng)化在煤礦工業(yè)中的應(yīng)用。可以表述為：將煤礦工業(yè)的過(guò)程控制與企業(yè)管理有機(jī)地結(jié)合的多級(jí)分布式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)把煤炭企業(yè)的管理、計(jì)劃、決策和煤炭銷售、設(shè)備購(gòu)置及底層設(shè)備控制、設(shè)備維護(hù)等信息結(jié)合起來(lái)，消除傳統(tǒng)煤炭工業(yè)生產(chǎn)、管理、控制中的信息孤島。充分利用資源、減少浪費(fèi)、降低生產(chǎn)成本，提高煤炭企業(yè)的全員效益，在最大程度上創(chuàng)造高利潤(rùn)。

3.2 CIMAS的體系結(jié)構(gòu)

根據(jù)CIMS的體系結(jié)構(gòu)，結(jié)合煤礦具體的特點(diǎn)，CIMAS的體系結(jié)構(gòu)一般分為三級(jí)：綜合信息管理級(jí)，監(jiān)督控制級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)。第一級(jí)由管理計(jì)算機(jī)，管理信息系統(tǒng)（MIS）、生產(chǎn)自動(dòng)化系統(tǒng)、辦公自動(dòng)化系統(tǒng)(OA) 、決策支持系統(tǒng)（DSS）等構(gòu)成，對(duì)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)進(jìn)行綜合管理和調(diào)度。這一級(jí)體現(xiàn)了MRPII和ERP的管理理念；第二級(jí)由監(jiān)控計(jì)算機(jī)、工程師站、操作員站等構(gòu)成，完成對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)視、指揮、高級(jí)控制策略的實(shí)現(xiàn)等。在這一級(jí)中具體完成了MES系統(tǒng)的功能；第三級(jí)包括各種傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)、控制等，完成對(duì)數(shù)據(jù)的采集和信息的傳遞。

3.3 CIMAS的通信網(wǎng)絡(luò)

CIMAS的通信網(wǎng)絡(luò)也可分為三級(jí)，即管理局網(wǎng)、過(guò)程控制局網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)。由于CIMAS的運(yùn)行環(huán)境有別于一般工業(yè)，在網(wǎng)絡(luò)上選擇由它的特點(diǎn)，主要表現(xiàn)在過(guò)程控制網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)兩級(jí)。

（1）管理局網(wǎng)可采用MAP(Manufacturing Automation Protocol)協(xié)議。該協(xié)議是由即非標(biāo)準(zhǔn)化組織、也非計(jì)算機(jī)制造廠家的美國(guó)通用汽車公司提出，完全采用了ISO/OSI的七層參考模型。

現(xiàn)在多采用TCP/IP協(xié)議。TCP/IP協(xié)議(Transfer Control Protocol/Internet Protocol)叫做傳輸控制/網(wǎng)際協(xié)議，又叫網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，這個(gè)協(xié)議是Internet國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。TCP/IP是網(wǎng)絡(luò)中使用的基本的通信協(xié)議。TCP/IP是同ISO/OSI模型等價(jià)的。其基本原理是：當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)單元從網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序下流到網(wǎng)絡(luò)接口卡，它通過(guò)了一列的TCP/IP模塊。這其中的每一步，數(shù)據(jù)單元都會(huì)同網(wǎng)絡(luò)另一端對(duì)等TCP/IP模塊所需的信息一起打成包。這樣當(dāng)數(shù)據(jù)最終傳到網(wǎng)卡時(shí)，它成了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的以太幀(假設(shè)物理網(wǎng)絡(luò)是以太網(wǎng))。而接收端的TCP/IP軟件通過(guò)剝?nèi)ヒ蕴�網(wǎng)幀并將數(shù)據(jù)向上傳輸過(guò)TCP/IP棧來(lái)為處于接收狀態(tài)的應(yīng)用程序重新恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。TCP具有三種主要特征：

I、 TCP協(xié)議是面向聯(lián)接的。這意味著在任何數(shù)據(jù)實(shí)施交換之前，TCP協(xié)議首先要在兩臺(tái)主機(jī)之間建立進(jìn)程。

II、由于使用了序列號(hào)和返回通知，TCP協(xié)議使用戶確信傳輸?shù)目煽啃�。序列�?hào)允許TCP協(xié)議的數(shù)據(jù)段被劃分成多個(gè)數(shù)據(jù)包傳輸，然后在接收端重新組裝成原來(lái)的數(shù)據(jù)段。返回通知驗(yàn)證了數(shù)據(jù)已收到。

III、 TCP協(xié)議使用字節(jié)流通訊。這意味著數(shù)據(jù)被當(dāng)作沒(méi)有信息邊際的字節(jié)序列來(lái)對(duì)待。

（2）過(guò)程控制網(wǎng)可采用IEC955標(biāo)準(zhǔn)PROWAY C（Process Data Highway），PROWAY是一種專門用于過(guò)程控制的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，它可互連輸入/輸出設(shè)備、控制設(shè)備、人機(jī)接口設(shè)備等。特別強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)性和可靠性。

可靠性：無(wú)論系統(tǒng)中個(gè)別聯(lián)網(wǎng)設(shè)備發(fā)生什么故障，都不應(yīng)導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)癱瘓。為此一般的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都要準(zhǔn)備多個(gè)接口，并采用兩套傳輸介質(zhì)。

實(shí)時(shí)性：對(duì)某些具有高優(yōu)先權(quán)的用戶，其獲得傳輸介質(zhì)的等待時(shí)間不大于2ms。

主要結(jié)構(gòu)參數(shù)：

總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：總線長(zhǎng)達(dá)2000米，傳輸速率1M位/秒，最大可容納100個(gè)功能站。采用雙總線冗余。令牌傳遞存取控制方式：完全的檢測(cè)手段。

表3 PROWAY協(xié)議層次結(jié)構(gòu)與OSI模型的關(guān)系

（3）現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)已在前面2.1.3提到，這里只簡(jiǎn)單說(shuō)一下，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議采用Profibus協(xié)議，其中的Profibus DP協(xié)議用于設(shè)備層，Profibus PA協(xié)議用于現(xiàn)場(chǎng)智能儀表。

煤礦的“生產(chǎn)線”（礦井和地面工業(yè)廣場(chǎng)）監(jiān)控目標(biāo)分散，相距可達(dá)10公里以上，各部分之間的信息聯(lián)系相對(duì)較少，工作環(huán)境又惡劣。國(guó)內(nèi)外針對(duì)這些特點(diǎn)，曾開(kāi)發(fā)了一些監(jiān)控系統(tǒng)，如KJ1、KJ2、KJ4、KJ—90，但由于這系統(tǒng)缺少標(biāo)準(zhǔn)化，沒(méi)有統(tǒng)一通信協(xié)議，不能用在CIMAS中來(lái)。

圖5所示根據(jù)上述CIMAS體系結(jié)構(gòu)和通信協(xié)議提出的CIMAS系統(tǒng)簡(jiǎn)圖。在地面工業(yè)廣場(chǎng)中，主通風(fēng)機(jī)、空壓機(jī)、礦井提升機(jī)、變電所、洗煤廠等子系統(tǒng)各位生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控網(wǎng)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。井下軌道運(yùn)輸信息集閉系統(tǒng)和生產(chǎn)安全系統(tǒng)各為一個(gè)節(jié)點(diǎn)。皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)根據(jù)具體情況，把它單獨(dú)化為一個(gè)子系統(tǒng)或并入井下軌道運(yùn)輸系統(tǒng)。

3.4 CIMAS現(xiàn)場(chǎng)總線的性能要求

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是伴隨著傳感器和現(xiàn)場(chǎng)控制裝置的智能化而發(fā)展起來(lái)的，是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域中研究的熱點(diǎn)。20世紀(jì)80年代以前，大多采用4~20mA的電流標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行通信，煤礦井下采用1~5mA、5~15Hz、200~1000Hz的模擬信號(hào)通信，還有采用基于HART協(xié)議的儀表。在智能傳感器出現(xiàn)以后，應(yīng)該首先考慮用數(shù)字化的儀表通信。

圖5 CIMAS體系結(jié)構(gòu)

3.5 煤礦井下的現(xiàn)場(chǎng)總線

目前，礦用傳感器已進(jìn)入了智能化階段，它們直接掛在一條現(xiàn)場(chǎng)總線上。模擬信號(hào)值的傳感器也可通過(guò)信號(hào)變送器掛到總線上�，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)外有多家開(kāi)發(fā)智能傳感器的廠家，相信開(kāi)發(fā)智能傳感器和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在煤礦的應(yīng)用必將迅速發(fā)展。

在煤礦井下一般采用兩極現(xiàn)場(chǎng)總線，這是因?yàn)椋?/span>

（1）如果采用一級(jí)總線，其傳輸速率在10Kb/s以上，這樣高的速率不允許總線有長(zhǎng)分支線，電纜在井下分支巷道將出現(xiàn)較多的返走線。如果采用兩級(jí)總線，第一級(jí)總線可采用低速率，允許較長(zhǎng)的分支。

（2）因?yàn)槭褂弥鲝氖娇偩�存取協(xié)議，在井下距離遠(yuǎn)、條件惡劣的情況下，一旦總線中斷，市區(qū)主站的總線段會(huì)失去控制。從網(wǎng)絡(luò)可靠性來(lái)考慮，使用二級(jí)總線能減少這種危險(xiǎn)。

當(dāng)然現(xiàn)在可以采用一級(jí)總線冗余的方案。

4、結(jié)束語(yǔ)

在知識(shí)成為經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的重要因素的知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代，CIMAS技術(shù)是煤礦自動(dòng)化的發(fā)展方向，它的應(yīng)用正如在機(jī)械和其他行業(yè)取得顯著成果一樣，肯定也將為我國(guó)煤炭工業(yè)的健康發(fā)展帶來(lái)新的希望。