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)濟收入占我國國民經(jīng)濟總收入的很大份額。因此可以說，煤炭工業(yè)發(fā)展的優(yōu)劣影響到了我國工業(yè)現(xiàn)代化的進程。我國煤礦多集中在山東、山西、內(nèi)蒙古及甘肅等地，煤礦發(fā)展程度差異很大，煤礦的開采、運輸以及洗煤工業(yè)自動化應用程度也差別很大。除了少數(shù)大型煤礦采用自動化井下作業(yè)及地面洗煤外，多數(shù)煤礦自動化程度很低，還有煤礦利用人力或畜力來工作，即便是采用自動化的煤礦，也是在某個工段上采用，各個環(huán)節(jié)彼此獨立，形成了一個個自動化孤島。以至于煤炭生產(chǎn)中資源浪費嚴重，工作效率低下，各職能部門彼此推諉責任，管理力度不夠強，安全事故多。這些都阻礙了煤炭工業(yè)的發(fā)展。

針對煤炭工業(yè)中這些問題，國內(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)在國外正研究把CIMS引入到煤礦生產(chǎn)中來，稱為計算機綜合煤礦綜合自動化（CIMAS:Computer Integrated Coal Mine Automation System），并取得了一定的成績。國際上CIMAS當前的發(fā)展動向有：通信網(wǎng)絡的標準化，智能傳感器與現(xiàn)場中線技術的應用及其標準化，專家系統(tǒng)的引入等。我國由于歷史的原因，這方面的研究和應用剛剛起步，在煤炭工業(yè)還沒有完全實現(xiàn)CIMS的應用。

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)管理進行優(yōu)化的哲理。這種哲理首先是在1974年美國Joseph Harrington博士在其論文《Computer Integrated Manufacturing》中提出的。其基本觀點是：這是針對企業(yè)所面臨的激烈市場競爭形勢而提出的組織企業(yè)生產(chǎn)的一種哲理。其基本思想是：①制造企業(yè)中的各個部分（即從市場分析、經(jīng)營決策、工程設計、制造過程、質(zhì)量控制、生產(chǎn)指揮到售后服務）是一個互相緊密相關的整體；②整個制造過程本質(zhì)上可以抽象成一個數(shù)據(jù)的搜集、傳遞、加工和利用的過程，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)營管理、生產(chǎn)制造、銷售及售后服務有機地結合在一起；后者就是信息制造觀的思想。

CIMS(Computer Integrated Manufacturing System)直譯為計算計綜合自動化，是基于CIM哲理構成的新型生產(chǎn)實體，是信息時代的一種新型生產(chǎn)制造模式。至今尚未有統(tǒng)一的定義，但對其基本看法是：CIMS是通過網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫支撐工具把計算機輔助設計、制造、管理等自動化孤島有機地結合起來，清除其接口間障礙，解決市場上多變的自動化生產(chǎn)的問題。

從上面表述可以看出CIM哲理的關鍵點是集成，CIMS的關鍵點也是集成。即通過計算機網(wǎng)絡技術、數(shù)據(jù)庫技術等軟硬件技術，把企業(yè)生產(chǎn)過程中經(jīng)營管理、生產(chǎn)制造、售后服務等環(huán)節(jié)聯(lián)系在一起，構成了一個能適應市場需求變化和生產(chǎn)環(huán)境變化的大系統(tǒng)。 CIMS不僅僅把技術系統(tǒng)和經(jīng)營生產(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，使整個企業(yè)的工作流程、物流和信息流都保持通暢和相互有機聯(lián)系，所以，CIMS是人、經(jīng)營和技術三者集成的產(chǎn)物。

2.1.2 CIMS體系結構

CIMS體系結構是用來描述研究對象整個系統(tǒng)的各個部分和各個方面的相互關系和層次結構，從大系統(tǒng)理論角度研究，將整個研究對象分為幾個子系統(tǒng)，各個子系統(tǒng)相對獨立自治、分布存在、并發(fā)運行和驅(qū)動等。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。

、裝配設備、工業(yè)機器人及其他生產(chǎn)制造自動化技術，這一層以物流為中心，完成生產(chǎn)、加工、裝配、包裝等任務。

圖1

第二層硬事務處理系統(tǒng)：這一層是生產(chǎn)/制造監(jiān)控系統(tǒng)，通過計算機網(wǎng)絡對第一層的設備進行綜合控制與操作，實現(xiàn)對生產(chǎn)制造的監(jiān)控。包含狹義的CAM、CAQ及CAT等。

第三層技術設計系統(tǒng)：這一層包含CAD（計算機輔助設計）、CAPP(計算機輔助工藝)，為生產(chǎn)制造系統(tǒng)產(chǎn)生信息。CAD用于產(chǎn)品設計、開發(fā)，它提供的是如何做的信息，而CAPP是依據(jù)CAD提供的信息指導如何作。

第四層軟事務處理系統(tǒng)：這一層主要通過計算機網(wǎng)絡實時地處理各種軟事務，譬如，財務、供銷、售后服務等方面的管理，實現(xiàn)電子化記賬。

第五層信息服務系統(tǒng)：以狹義的MIS為主，主要對前面各層的信息進行收集、存儲、加工、傳輸、使用、查詢，為各級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)營管理規(guī)劃的決策層，主要有MRP-II(制造資源計劃) 、ERP(企業(yè)資源計劃) 、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、市場信息等因素，產(chǎn)生生產(chǎn)經(jīng)營活動的計劃與方案、各種資源的需求計劃，包括人、物、資金的需求計劃。

2.1.3 CIMS的功能結構還可以用圖2來理解

圖2

Ⅰ、ERP(Enterprise Resource Planning)即企業(yè)資源計劃。它的基本思想是將制造業(yè)的制造流程看作是一個緊密連結的供應鏈，供應鏈中包括了供應商、制造工廠、分銷網(wǎng)絡和客戶，ERP強調(diào)對完整供應鏈整體管理，是制造過程以更加有效的方式運行，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)計劃為主線，以本企業(yè)利潤為中心，將于本企業(yè)供、產(chǎn)、銷活動有關的一切資源進行統(tǒng)籌安排的單一企業(yè)的管理模式，均為企業(yè)所運用。

Ⅱ、MRPII(Manufacturing Resource Planning)是制造資源計劃，是當今世界制造業(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“供給鏈”，即

圖3

該鏈表示了采購、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構，并從企業(yè)內(nèi)部沿兩個方向延展到企業(yè)外部。MRPII以產(chǎn)品結構為基礎，生成物料清單，并同時間、規(guī)定的地點、按照規(guī)定的數(shù)量，得到真正需要的物件。從而實現(xiàn)按時交貨，消除短缺，合理利用資源，減少庫存，消除浪費，降低成本，達到提高企業(yè)競爭力的目的。

圖4 ERP組織結構圖

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的管理技術和IT技術，如人工智能、精良生產(chǎn)、并行工程、Internet/Intranet、數(shù)據(jù)倉庫等等。其最大的成功就在于它很好地應用了C/S這種最新網(wǎng)絡技術。

（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），起到上傳下達的作用。車間為制造業(yè)的物化中心，它不僅是制造計劃的具體執(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企業(yè)的敏捷性。為適應敏捷的制造環(huán)境，近十幾年來逐步形成并發(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)管理技術與實時信息系統(tǒng)，MES強調(diào)制造計劃的執(zhí)行，它在計劃管理層和底層工業(yè)控制之間架起了一座橋梁，以達到整個系統(tǒng)的信息流暢。MES的任務是根據(jù)上級下達的生產(chǎn)計劃，充分利用車間的各種生產(chǎn)資源、生產(chǎn)方法和豐富的實時現(xiàn)場信息，快速、低成本地制造出高質(zhì)量的產(chǎn)品，其生產(chǎn)活動涉及到訂單管理、設備管理、庫存跟蹤、物料流動、數(shù)據(jù)采集，以及維護管理、質(zhì)量控制、性能分析及人力資源等。

MES的實質(zhì)是一個信息管理系統(tǒng)，它把上層的命令信息經(jīng)過加工、處理后下放到基層執(zhí)行系統(tǒng)，指導基層系統(tǒng)如何完成任務，同時把下層的信息反饋給決策層，是上級及時了解執(zhí)行情況，對決策進行調(diào)整、進一步規(guī)劃等。

（3）生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)是底層執(zhí)行系統(tǒng)，又稱為基層過程控制自動化（PCS），執(zhí)行決策層的生產(chǎn)計劃生產(chǎn)要求，在信息管理層的協(xié)調(diào)和指導下，按照具體控制要求和生產(chǎn)質(zhì)量標準，最終生產(chǎn)出合格產(chǎn)品。在基層自動化系統(tǒng)中，常用到DCS(Distributed Control System) 、PLC、及現(xiàn)場總線技術（Field Bus）等先進自動化控制技術。

DCS系統(tǒng)和PLC控制技術已得到了廣泛應用，在自動化控制領域已相當熟悉，這里不再贅述。現(xiàn)場總線技術是近幾年興起的控制技術，目前還處在推廣研發(fā)階段，其應用范圍還不廣。但是可以肯定的說，現(xiàn)場總線技術會取代傳統(tǒng)的自動控制技術，成為控制領域的主力。下面對其概念和特點作一介紹。

Ⅰ、現(xiàn)場總線是指在生產(chǎn)現(xiàn)場的測量控制設備之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信、完成測量控制任務的系統(tǒng)，這種開放型的工廠底層控制網(wǎng)絡構造了新一代的網(wǎng)絡集成式全分布控制系統(tǒng)，因而又被譽為自控領域的局域網(wǎng)。

Ⅱ、現(xiàn)場總線的技術特點：現(xiàn)場控制設備具有通信功能，便于構成工廠底層控制網(wǎng)絡；通信標準的公開、一致，使系統(tǒng)具備開放性，設備間具有互可操作性；功能塊與結構的規(guī)范化使相同功能的設備間具有互換性；控制功能下放到現(xiàn)場，使控制系統(tǒng)結構具備高度的分散性。

Ⅲ、現(xiàn)場總線的優(yōu)點：現(xiàn)場總線使自控設備與系統(tǒng)步入了信息網(wǎng)絡的行列，為其應用開拓了更為廣闊的領域；一對雙絞線上可掛接多個控制設備，便于節(jié)省安裝費用；節(jié)省維護開銷；提高了系統(tǒng)的可靠性；為用戶提供了更為靈活的系統(tǒng)集成主動權。

現(xiàn)場總線發(fā)展迅速，現(xiàn)處于群雄并起、百家爭鳴的階段。目前已開發(fā)出有40多種現(xiàn)場總線，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)場總線性能特點不同，其應用行業(yè)也不同。下面簡要介紹一下這5種。

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

Profibus（Process Fieldbus）德國西門子公司1987年推出，主要應用于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用于過程行業(yè)從站之間的通訊。由于Profibus開發(fā)生產(chǎn)的現(xiàn)場總線產(chǎn)品開發(fā)時間早至十年前，限于當時計算機網(wǎng)絡水平，大多建立在IT網(wǎng)絡標準基礎上，隨著應用領域不斷擴大和用戶要求越來越高，現(xiàn)場總線的產(chǎn)品只能在原有IT協(xié)議框架上進行局部的修改和補充，以致在控制系統(tǒng)內(nèi)增加了很多的轉換單元（如各種耦合器），這為該產(chǎn)品今后的進一步發(fā)展帶來了一定的局限性。

HART（Highway Addressable Remote Transducer可尋址遠程傳感器數(shù)據(jù)通路）美國Rosemount公司1989年推出，主要應用于智能變送器。HART為一過渡性標準，它通過在4-20mA電源信號線上疊加不同頻率的正弦波（2200HZ表“0”，1200HZ表“1”）來傳送數(shù)字信號，從而保證了數(shù)字系統(tǒng)和傳統(tǒng)模擬系統(tǒng)的兼容性，預計其生命周期為最近20年。

CAN（Controller Area Network控制局域網(wǎng)絡）德國Bosch 6公司1993年推出，應用于汽車監(jiān)控、開關量控制、制造業(yè)等。介質(zhì)訪問方式為非破壞性位仲裁方式，適用于實時性要求很高的小型網(wǎng)絡，且開發(fā)工具廉價。CAN型總線產(chǎn)品有AB公司的DeviceNet、臺灣研華的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Echelon公司1991年推出，主要應用于樓宇自動化、工業(yè)自動化和電力行業(yè)等。LonTalk的全部7層協(xié)議，介質(zhì)訪問方式為P-P CSMA（預測P-堅持載波監(jiān)聽多路復用），采用網(wǎng)絡邏輯地址尋址方式，優(yōu)先權機制保證了通訊的實時性，安全機制采用證實方式，因此能構建大型網(wǎng)絡控制系統(tǒng)。

2.2.1 CIMAS提出和背景

通常把機械制造領域的計算機綜合自動化叫做CIMS，對于流程工業(yè)領域的計算機綜合自動化稱為CIPS(Computer Integrated Process System),同樣把應用在煤礦行業(yè)的計算機綜合自動化叫做CIMAS。實際上，不論CIPS還是CIMAS，其基本哲理都是基于CIM，體系結構大致相似，尤其對綜合信息管理級沒有太大的區(qū)別，差異多在基層自動化技術應用方面，因為各行業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境、產(chǎn)品性質(zhì)、控制要求等因素的不同，具體自動化控制技術存在差異。實質(zhì)上都是CIMS。

CIMS是以機械制造業(yè)為先導產(chǎn)業(yè)發(fā)展起來，并顯示出強大的生命力而受關注。很快，它的應用范圍也從離散型生產(chǎn)為特征的機械制造業(yè)迅速擴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)。

我國在1986年制定了863/CIMS計劃，并將其歸為自動化技術領域。目前我國的CIMS研究與應用已步入世界先進水平，已有60多家骨干企業(yè)應用CIMS ，覆蓋了機械、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)也有應用的例子，如兗礦集團南屯煤礦洗煤廠，作為國家863/CIMS的示范工程于1996年立項，開創(chuàng)了國內(nèi)外煤炭行業(yè)應用CIMS的歷史。但在整個煤礦大系統(tǒng)內(nèi)，應用CIMS的企業(yè)國內(nèi)很少�，F(xiàn)在我國陜西省神木縣境內(nèi)的大柳塔煤礦為首家實現(xiàn)了煤礦綜合自動化，也只局限于控制和監(jiān)控實現(xiàn)自動化，實現(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)是一個復雜的行業(yè)，工作環(huán)節(jié)多，工種多，既有流程工業(yè)的特點，如地面生產(chǎn)系統(tǒng)的洗煤工業(yè)、井下采煤系統(tǒng)的綜采工作面的運輸系統(tǒng)等，又有離散制造業(yè)的特點，如機械加工車間和機械維修車間中，生產(chǎn)皮帶輸送機、刮板輸送機的工序，體現(xiàn)了制造業(yè)的特點。因此說，煤礦工業(yè)是一個混合型企業(yè)。

從大系統(tǒng)理論的觀點來說，具體到一個煤礦企業(yè)，把它視為一個大系統(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)、提升運輸系統(tǒng)三個子系統(tǒng)，每個子系統(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)、掘進系統(tǒng)、局部通風系統(tǒng)、局部排水系統(tǒng)及運輸系統(tǒng)等。各個子系統(tǒng)在地理位置上跨距很大，從海拔+100多米到海拔-1000米左右，平面位置相距多達十幾公里。這對整體規(guī)劃和管理相當困難。

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

此外，煤礦長期以來被人們誤解，認為煤礦是勞動密集型的行業(yè)，只需要力氣，不需要太多的技術，而且對傳統(tǒng)技術改造來應用CIMS技術要花費大量資金，使用后短期內(nèi)很難見效益，包括煤礦內(nèi)部高層管人員都有這種看法，這對推廣和應用先進自動化技術帶來很大的困難，更談不上CIMS的應用。

不過，由于煤礦工業(yè)在國民經(jīng)濟中占重要地位，煤炭消費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工業(yè)的發(fā)展，影響到整個國民經(jīng)濟的健康穩(wěn)定發(fā)展，影響到人民生活的安康。因此煤炭工業(yè)長期以來作為重點行業(yè)發(fā)展。2002年國家經(jīng)貿(mào)委提出了“十五”期間推廣應用信息技術改造提升煤炭工業(yè)的重點項目：

１．全礦井信息化網(wǎng)絡系統(tǒng)；

２．工作面自動化關鍵技術與裝備；

３．礦井安全生產(chǎn)綜合自動化監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)；

４．煤炭運銷系統(tǒng)信息化技術；

５．煤炭洗選加工過程自動化測控技術；

６．全國煤礦安全生產(chǎn)信息管理技術。

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

2.2.2 CIMAS應用的目標

CIMAS應用的最終目標是使礦井生產(chǎn)管理的全過程全面實現(xiàn)自動化控制與管理，即“采煤、掘進、運輸、通風、供排水、供電”六個生產(chǎn)環(huán)節(jié)實現(xiàn)綜合自動化。其中“采煤”環(huán)節(jié)實現(xiàn)工作面生產(chǎn)自動化控制，地面集中監(jiān)測;“運輸、掘進”環(huán)節(jié)實現(xiàn)地面集中控制，無固定崗位工；“通風、供排水、供電”環(huán)節(jié)實現(xiàn)三遙控制，無人值守；建立靈敏、準確的信息系統(tǒng)，把企業(yè)生產(chǎn)、管理和經(jīng)營在網(wǎng)絡的層次上集成化，實現(xiàn)網(wǎng)絡化、信息化管理；實現(xiàn)煤炭訂貨、銷售、財務管理、煤質(zhì)調(diào)查等環(huán)節(jié)的信息集成；通過管理控制一體化，實現(xiàn)生產(chǎn)自動化系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)庫與管理信息系統(tǒng)關系數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)集成，提高管理信息系統(tǒng)中有關生產(chǎn)的原始數(shù)據(jù)的準確性、實時性；同時通過對設備參CIMAS的具體內(nèi)涵和應用

3.1 CIMAS的概念

在2.2中已提到CIMAS實質(zhì)上也是CIMS ，是計算機綜合自動化在煤礦工業(yè)中的應用�？梢员硎鰹椋簩⒚旱V工業(yè)的過程控制與企業(yè)管理有機地結合的多級分布式計算機網(wǎng)絡。通過計算機網(wǎng)絡把煤炭企業(yè)的管理、計劃、決策和煤炭銷售、設備購置及底層設備控制、設備維護等信息結合起來，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、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。

3.2 CIMAS的體系結構

根據(jù)CIMS的體系結構，結合煤礦具體的特點，CIMAS的體系結構一般分為三級：綜合信息管理級，監(jiān)督控制級和現(xiàn)場控制級。第一級由管理計算機，管理信息系統(tǒng)（MIS）、生產(chǎn)自動化系統(tǒng)、辦公自動化系統(tǒng)(OA) 、決策支持系統(tǒng)（DSS）等構成，對生產(chǎn)經(jīng)營進行綜合管理和調(diào)度。這一級體現(xiàn)了MRPII和ERP的管理理念；第二級由監(jiān)控計算機、工程師站、操作員站等構成，完成對生產(chǎn)過程的監(jiān)視、指揮、高級控制策略的實現(xiàn)等。在這一級中具體完成了MES系統(tǒng)的功能；第三級包括各種傳感器、執(zhí)行機構，對現(xiàn)場設備進行調(diào)節(jié)、控制等，完成對數(shù)據(jù)的采集和信息的傳遞。

3.3 CIMAS的通信網(wǎng)絡

CIMAS的通信網(wǎng)絡也可分為三級，即管理局網(wǎng)、過程控制局網(wǎng)和現(xiàn)場總線網(wǎng)。由于CIMAS的運行環(huán)境有別于一般工業(yè)，在網(wǎng)絡上選擇由它的特點，主要表現(xiàn)在過程控制網(wǎng)和現(xiàn)場總線網(wǎng)兩級。

（1）管理局網(wǎng)可采用MAP(Manufacturing Automation Protocol)協(xié)議。該協(xié)議是由即非標準化組織、也非計算機制造廠家的美國通用汽車公司提出，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)絡通訊協(xié)議，這個協(xié)議是Internet國際互聯(lián)網(wǎng)絡的基礎。TCP/IP是網(wǎng)絡中使用的基本的通信協(xié)議。TCP/IP是同ISO/OSI模型等價的。其基本原理是：當一個數(shù)據(jù)單元從網(wǎng)絡應用程序下流到網(wǎng)絡接口卡，它通過了一列的TCP/IP模塊。這其中的每一步，數(shù)據(jù)單元都會同網(wǎng)絡另一端對等TCP/IP模塊所需的信息一起打成包。這樣當數(shù)據(jù)最終傳到網(wǎng)卡時，它成了一個標準的以太幀(假設物理網(wǎng)絡是以太網(wǎng))。而接收端的TCP/IP軟件通過剝?nèi)ヒ蕴�網(wǎng)幀并將數(shù)據(jù)向上傳輸過TCP/IP棧來為處于接收狀態(tài)的應用程序重新恢復原始數(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)實施交換之前，TCP協(xié)議首先要在兩臺主機之間建立進程。

II、由于使用了序列號和返回通知，TCP協(xié)議使用戶確信傳輸?shù)目煽啃浴Ｐ蛄刑栐试STCP協(xié)議的數(shù)據(jù)段被劃分成多個數(shù)據(jù)包傳輸，然后在接收端重新組裝成原來的數(shù)據(jù)段。返回通知驗證了數(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)被當作沒有信息邊際的字節(jié)序列來對待。

（2）過程控制網(wǎng)可采用IEC955標準PROWAY C（Process Data Highway），PROWAY是一種專門用于過程控制的網(wǎng)絡協(xié)議，它可互連輸入/輸出設備、控制設備、人機接口設備等。特別強調(diào)實時性和可靠性。

可靠性：無論系統(tǒng)中個別聯(lián)網(wǎng)設備發(fā)生什么故障，都不應導致整個網(wǎng)絡癱瘓。為此一般的聯(lián)網(wǎng)設備都要準備多個接口，并采用兩套傳輸介質(zhì)。

實時性：對某些具有高優(yōu)先權的用戶，其獲得傳輸介質(zhì)的等待時間不大于2ms。

主要結構參數(shù)：

總線拓撲結構：總線長達2000米，傳輸速率1M位/秒，最大可容納100個功能站。采用雙總線冗余。令牌傳遞存取控制方式：完全的檢測手段。

表3 PROWAY協(xié)議層次結構與OSI模型的關系

（3）現(xiàn)場總線技術已在前面2.1.3提到，這里只簡單說一下，對現(xiàn)場總線協(xié)議采用Profibus協(xié)議，其中的Profibus DP協(xié)議用于設備層，Profibus PA協(xié)議用于現(xiàn)場智能儀表。

煤礦的“生產(chǎn)線”（礦井和地面工業(yè)廣場）監(jiān)控目標分散，相距可達10公里以上，各部分之間的信息聯(lián)系相對較少，工作環(huán)境又惡劣。國內(nèi)外針對這些特點，曾開發(fā)了一些監(jiān)控系統(tǒng)，如KJ1、KJ2、KJ4、KJ—90，但由于這系統(tǒng)缺少標準化，沒有統(tǒng)一通信協(xié)議，不能用在CIMAS中來。

圖5所示根據(jù)上述CIMAS體系結構和通信協(xié)議提出的CIMAS系統(tǒng)簡圖。在地面工業(yè)廣場中，主通風機、空壓機、礦井提升機、變電所、洗煤廠等子系統(tǒng)各位生產(chǎn)過程監(jiān)控網(wǎng)中的一個節(jié)點。井下軌道運輸信息集閉系統(tǒng)和生產(chǎn)安全系統(tǒng)各為一個節(jié)點。皮帶運輸系統(tǒng)根據(jù)具體情況，把它單獨化為一個子系統(tǒng)或并入井下軌道運輸系統(tǒng)。

3.4 CIMAS現(xiàn)場總線的性能要求

現(xiàn)場總線技術是伴隨著傳感器和現(xiàn)場控制裝置的智能化而發(fā)展起來的，是當今自動化領域中研究的熱點。20世紀80年代以前，大多采用4~20mA的電流標準進行通信，煤礦井下采用1~5mA、5~15Hz、200~1000Hz的模擬信號通信，還有采用基于HART協(xié)議的儀表。在智能傳感器出現(xiàn)以后，應該首先考慮用數(shù)字化的儀表通信。

圖5 CIMAS體系結構

3.5 煤礦井下的現(xiàn)場總線

目前，礦用傳感器已進入了智能化階段，它們直接掛在一條現(xiàn)場總線上。模擬信號值的傳感器也可通過信號變送器掛到總線上�，F(xiàn)在國內(nèi)外有多家開發(fā)智能傳感器的廠家，相信開發(fā)智能傳感器和現(xiàn)場總線技術在煤礦的應用必將迅速發(fā)展。

在煤礦井下一般采用兩極現(xiàn)場總線，這是因為：

（1）如果采用一級總線，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。如果采用兩級總線，第一級總線可采用低速率，允許較長的分支。

（2）因為使用主從式總線存取協(xié)議，在井下距離遠、條件惡劣的情況下，一旦總線中斷，市區(qū)主站的總線段會失去控制。從網(wǎng)絡可靠性來考慮，使用二級總線能減少這種危險。

當然現(xiàn)在可以采用一級總線冗余的方案。

4、結束語

在知識成為經(jīng)濟增長的重要因素的知識經(jīng)濟時代，CIMAS技術是煤礦自動化的發(fā)展方向，它的應用正如在機械和其他行業(yè)取得顯著成果一樣，肯定也將為我國煤炭工業(yè)的健康發(fā)展帶來新的希望。