新一代煤礦井下監(jiān)控系統(tǒng)研制

溫 良，葉錦嬌，王紅堯，殷大發(fā)，王 鵬

（煤炭科學(xué)研究總院 北京 100013）

煤炭工業(yè)的健康發(fā)展是構(gòu)建和諧社會(huì)的前提和保障。我國(guó)煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜，瓦斯、火災(zāi)、頂板動(dòng)力、沖擊地壓等自然災(zāi)害嚴(yán)重，防災(zāi)抗災(zāi)難度大，并且我國(guó)煤礦以井工開采為主，井工礦數(shù)量和產(chǎn)量均占全國(guó)煤礦總數(shù)和產(chǎn)量的90%以上[1-3]。井工礦井下巷道管網(wǎng)條件又增大了災(zāi)害防治的難度，一旦發(fā)生事故容易誘發(fā)其他災(zāi)害發(fā)生，產(chǎn)生重特大事故。在各類煤礦事故類型當(dāng)中，煤礦瓦斯災(zāi)害屬重特大災(zāi)害類型之一，因此，煤礦監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展一直得到國(guó)家的高度重視，《國(guó)務(wù)院關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)企業(yè)安全生產(chǎn)工作的通知》（國(guó)發(fā)[2010]23號(hào)）將安全監(jiān)控作為煤礦六大系統(tǒng)之一，要求各地煤礦強(qiáng)制安裝。

煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的安裝應(yīng)用為提高煤礦企業(yè)的生產(chǎn)水平起到了至關(guān)重要的作用，但由于受技術(shù)發(fā)展和煤礦特殊生產(chǎn)條件制約，現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)大多數(shù)還采用主從式通信結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)傳輸速率低和冗余差，極易發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸中斷，無(wú)法實(shí)現(xiàn)設(shè)備間互聯(lián)互控、危險(xiǎn)區(qū)域快速控制，為了進(jìn)一步提高煤礦生產(chǎn)水平，有必要對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可靠性技術(shù)進(jìn)行研究，形成新一代的煤礦生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)。

1 新一代煤礦監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

新一代煤礦監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示，是一種多環(huán)冗余、多主并發(fā)的對(duì)等通信網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中包括兩個(gè)環(huán)，一個(gè)大環(huán)，一個(gè)小環(huán)，大環(huán)套小環(huán)實(shí)現(xiàn)多環(huán)冗余，采用無(wú)源光分支技術(shù)，某個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)換器故障不影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，抗干擾能力強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定，分站與分站之間采用LonWorks總線傳輸技術(shù)，分站與傳感器之間采用CAN總線技術(shù)，支持網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)，解決了現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性差，節(jié)點(diǎn)較多時(shí)網(wǎng)絡(luò)阻抗匹配困難，尤其不具有多主并發(fā)、對(duì)等通信功能等問題。

圖1 新一代煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)Fig.1 Next generation coal mine safety monitoring system

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 多環(huán)冗余、多主通信技術(shù)

文中設(shè)計(jì)的多主監(jiān)控分站結(jié)構(gòu)如圖2所示，分站具有4個(gè)CAN總線通道，與傳感器之間進(jìn)行通訊；分站具有2個(gè)LonWorks總線接口，實(shí)現(xiàn)分站之間的通信與分站級(jí)聯(lián)；分站之間并發(fā)、對(duì)等通信，無(wú)需上位機(jī)可自行完成不同分站之間的異地控制功能；響應(yīng)時(shí)間小于5 s。智能收發(fā)器選用PL3170電力線智能收發(fā)器[4-5]，該收發(fā)器在保留原先PL3120電力線智能收發(fā)器的功能外，還在其ROM中的固件中嵌入了ISI功能，開發(fā)者可以使用完整的4 kB應(yīng)用程序空間。具備全雙工通信硬件UART和SPI串行接口。支持38種可編程標(biāo)準(zhǔn)I/O模式的12個(gè)I/O管腳。采用電力線收發(fā)器用于煤礦井下的非電力傳輸環(huán)境，使得信號(hào)傳輸效果更好。PL3170特有的雙頻調(diào)制特性可在主頻率被噪聲阻塞后自動(dòng)選擇備用的第二個(gè)通信頻率。高性能、低開銷的前向糾錯(cuò)算法可克服由于噪聲引起的錯(cuò)誤。

在進(jìn)行LonWorks接口設(shè)計(jì)時(shí)，為進(jìn)行設(shè)備配置、安裝和診斷服務(wù)，需要設(shè)備發(fā)送自標(biāo)識(shí)信息，當(dāng)接地時(shí)，設(shè)備發(fā)送包含神經(jīng)元ID和程序ID的報(bào)文，服務(wù)管腳輸出通常驅(qū)動(dòng)一個(gè)LED指示燈，顯示設(shè)備的診斷狀態(tài)，如果LED燈常亮或者常暗，說(shuō)明硬件損壞，如果LED燈亮1/2 s，然后一直滅，說(shuō)明設(shè)備進(jìn)入已配置狀態(tài)，正常工作，如果LED以1/2 Hz的頻率閃爍，說(shuō)明設(shè)備工作在未配置狀態(tài)，如果LED亮1 s，滅2 s，然后常亮，說(shuō)明設(shè)備工作在無(wú)應(yīng)用程序狀態(tài)。

圖2 多主監(jiān)控分站結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of multi-main monitoring substation

2.2 監(jiān)控軟件平臺(tái)

地面配套監(jiān)測(cè)軟件是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的信息處理中心。軟件采用B/S和C/S相結(jié)合方式設(shè)計(jì)，C/S端運(yùn)行在服務(wù)器上自動(dòng)接收下位機(jī)上傳的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，然后根據(jù)設(shè)定值進(jìn)行報(bào)警、斷電、饋電異常狀態(tài)判斷，然后將監(jiān)測(cè)值和狀態(tài)信息保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，Web終端軟件實(shí)時(shí)讀取數(shù)據(jù)庫(kù)顯示傳感器監(jiān)測(cè)值信息。同時(shí)根據(jù)報(bào)警、斷電等異常狀態(tài)進(jìn)行分別統(tǒng)計(jì)。歷史數(shù)據(jù)采用分月存儲(chǔ)。歷史數(shù)據(jù)采用報(bào)表查詢、圖表、曲線等方式呈現(xiàn)，也可以通過導(dǎo)出Excel表格方式在打印機(jī)等外部設(shè)備輸出完整、精確的監(jiān)測(cè)結(jié)果。

多主分站監(jiān)控系統(tǒng)是集數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)管理、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、歷史查詢、圖表分析的安全監(jiān)控信息平臺(tái)，該平臺(tái)共分為8個(gè)子模塊，分別是：系統(tǒng)設(shè)置、通訊采集、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)報(bào)警、圖表查詢、瓦斯抽放、圖形編輯、雙機(jī)熱備系統(tǒng)。如圖3所示。

圖3 功能模塊圖Fig.3 Function block

1）通訊采集模塊

通訊采集模塊自動(dòng)監(jiān)聽分站上傳連接請(qǐng)求，當(dāng)傳感器監(jiān)測(cè)值或狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，采集模塊自動(dòng)接收數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)解析監(jiān)測(cè)值和狀態(tài)。然后將狀態(tài)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中。同時(shí)具有通訊狀態(tài)診斷、自動(dòng)生成運(yùn)行報(bào)告等功能。該模塊擬采用VC6.0、Windows Socket、多線程等技術(shù)進(jìn)行開發(fā)，以后臺(tái)服務(wù)方式運(yùn)行在中心服務(wù)器上，

2）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊

該模塊是程序監(jiān)測(cè)的主要顯示界面，采用列表或動(dòng)態(tài)圖、實(shí)時(shí)曲線形式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傳感器、分站狀態(tài)、狀態(tài)變動(dòng)信息等。

3）實(shí)時(shí)報(bào)警管理模塊

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生報(bào)警時(shí)，實(shí)時(shí)更新統(tǒng)計(jì)報(bào)警信息，報(bào)警數(shù)據(jù)包括如下內(nèi)容，測(cè)點(diǎn)編號(hào)、測(cè)點(diǎn)位置、傳感器、報(bào)警狀態(tài)、實(shí)時(shí)描述、報(bào)警狀態(tài)時(shí)刻、斷電狀態(tài)時(shí)刻、饋電狀態(tài)時(shí)刻、實(shí)時(shí)時(shí)鐘等信息。

4）圖表查詢模塊

數(shù)據(jù)分析模塊采用曲線、圖表等形式，完成對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、分析、打印等功能。

5）瓦斯抽放子系統(tǒng)

瓦斯抽放子系統(tǒng)包括模擬圖像﹑實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)﹑數(shù)據(jù)分析﹑日?qǐng)?bào)表﹑月報(bào)表﹑同步設(shè)置六大模塊組成。

6）圖形編輯子系統(tǒng)

用來(lái)繪制瓦斯巷道圖、通風(fēng)布置圖以及傳感器圖庫(kù)的制作，也可由礦方AutoCAD圖形直接轉(zhuǎn)換生成。

7）雙機(jī)熱備子系統(tǒng)

該模塊實(shí)現(xiàn)雙機(jī)熱備功能，運(yùn)行在服務(wù)器端，可以設(shè)置雙機(jī)熱備切換方式主備機(jī)之間通過網(wǎng)絡(luò)連接，當(dāng)主機(jī)出現(xiàn)問題時(shí)，備機(jī)自動(dòng)切換為主機(jī)活動(dòng)角色。也可以手動(dòng)進(jìn)行切換。

8）測(cè)點(diǎn)定義子系統(tǒng)

用來(lái)設(shè)置分站、傳感器、監(jiān)測(cè)點(diǎn)信息，如報(bào)警值、斷電值、斷電通道的設(shè)置。完成系統(tǒng)控制功能如手動(dòng)斷電/復(fù)電，異地分站控制。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果與分析

為驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性，在山西一家煤礦進(jìn)行了井下工業(yè)性試驗(yàn)，設(shè)備布置圖如圖4所示，在回風(fēng)順槽和綜采工作面布置了礦用隔爆兼本質(zhì)安全型數(shù)據(jù)交換裝置、礦用本安型信號(hào)轉(zhuǎn)換器、在掘進(jìn)工作面回風(fēng)流增加高低濃度甲烷傳感器、煤礦用一氧化碳傳感器、礦用隔爆兼本安型斷電控制監(jiān)視器等設(shè)備。

圖4 設(shè)備布置圖Fig.4 Equipment installation

信號(hào)轉(zhuǎn)換器與分站相距4 km，CAN總線電纜連接，數(shù)據(jù)交換裝置位于變電所，與信號(hào)轉(zhuǎn)換器光纖連接，距離10 km。數(shù)據(jù)交換裝置與地面的數(shù)據(jù)交換裝置通過1芯光纖連接，距離10 km。

系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)如圖5所示，從圖中可以看出，監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，傳感器沒有出現(xiàn)冒大數(shù)等問題。

圖5 系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)列表Fig.5 System test point data list

圖6 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可靠性測(cè)試示意圖Fig.6 Test of network structure reliability

表1 測(cè)試結(jié)果Tab.1 Testing results

為驗(yàn)證監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)可靠性，本文進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)可靠性試驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試示意圖如圖6所示，數(shù)據(jù)交換裝置之間通過雙環(huán)冗余的方式連接，數(shù)據(jù)交換裝置與信號(hào)轉(zhuǎn)換器之間采用手拉手式的結(jié)構(gòu)。在1號(hào)數(shù)據(jù)交換裝置和4號(hào)信號(hào)轉(zhuǎn)換器上連接網(wǎng)絡(luò)測(cè)試設(shè)備。3臺(tái)數(shù)據(jù)交換裝置之間連接6根光纖線路。兩個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)交換裝置之間連接光纖4根。測(cè)試結(jié)果如表1所示，結(jié)果表明，網(wǎng)絡(luò)冗余度高，系統(tǒng)安全可靠。

4 結(jié) 論

實(shí)踐證明，煤礦生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)在我國(guó)煤礦生產(chǎn)中具有重要作用?，F(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)受煤礦生產(chǎn)的特殊性的制約，在技術(shù)先進(jìn)性、可靠性、實(shí)時(shí)性等方面還存在不足，通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)單一、系統(tǒng)兼容性差、監(jiān)控設(shè)備冗余度不高，危險(xiǎn)控制響應(yīng)時(shí)間慢等。盡管有些煤礦使用了光纖以太網(wǎng)通信，解決了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的局部冗余和通信信號(hào)防雷問題，但通信網(wǎng)絡(luò)分支仍然采用主從式通信方式，并沒有解決整個(gè)系統(tǒng)通信速率低、帶寬窄等問題，無(wú)法實(shí)現(xiàn)多主并發(fā)、危險(xiǎn)區(qū)域快速斷電等關(guān)鍵問題，整個(gè)系統(tǒng)可靠性沒有得到有效提高。文中通過新一代煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)與試驗(yàn)研究，建立了多環(huán)冗余、多主并發(fā)、對(duì)等通信的新一代監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，有效解決了現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可靠性低的問題。

[1]成繼勛，賈慧瀟，解志磊，等.基于電力線收發(fā)器的KJ328煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2008，36（12）：56-58.CHENG Ji-xun，JIA Hui-xiao，XIE Zhi-lei，etal.KJ328 coalmine safetymon itoring and contro l system based on electric power line transceiver[J].Coal Science and Technology，2008，36（12）：56-58.

[2]張濤，薛鵬騫，蔣靜坪.基于CAN總線的煤礦安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2007，35（6）：46-48.ZHANG Tao，XUE Peng-qian，JIANG Jing-ping.Design on coalm ine safetymonitoring and measuring system base on CAN bus[J].Coal Science and Technology，2007，35（6）：46-48.

[3]閆飛.基于CAN總線的煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)[D].西安：西安科技大學(xué)，2009.

[4]Hansson H A，Norstrom C.Integrating reliability and timing analysis of CAN-Based systems[C]//IEEE Transactions on Industrial Electronics，2002.

[5]Ian Broster，Alan Burns.Timely use of the Protocol in Critical Hard Real-time Systems with Faults[C]//13th Euromicro Conference on Real-time Systems，2001.

[6]陳威敏，孟曉風(fēng)，王國(guó)華.遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)研究[J].電子設(shè)計(jì)工程，2011，19（7）:138-140.CHEN Wei-min，MENG Xiao-feng，WANG Guo-hua.Research of remote monitoring and fault diagnosis system[J].Electronic Design Engineering，2011，19（7）:138-140.

[7]樊忠澤，黃敏超.量子超球神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在振動(dòng)故障檢測(cè)中的應(yīng)用[J].火箭推進(jìn)，2008（5）:43-48.FAN Zhong-ze，HUANG Min-chao.The application of quantum hypersphere neural network in vibration fault detection[J].Journal of Rocket Propulsion，2008（5）:43-48.