煤礦多監(jiān)控系統(tǒng)并網(wǎng)運行協(xié)議的設(shè)計

孫彥明，宋正杰

（貴州大學(xué)貴州省非金屬礦產(chǎn)資源綜合利用重點實驗室， 貴州貴陽 550003）

煤礦多監(jiān)控系統(tǒng)并網(wǎng)運行協(xié)議的設(shè)計

孫彥明，宋正杰

（貴州大學(xué)貴州省非金屬礦產(chǎn)資源綜合利用重點實驗室， 貴州貴陽 550003）

現(xiàn)有煤礦井很多安全監(jiān)控系統(tǒng)與人員定位系統(tǒng)互不兼容，造成了資金和設(shè)備的浪費，且不利于礦井數(shù)字化的建設(shè)。針對該問題，提出了多監(jiān)控系統(tǒng)的并網(wǎng)運行。主要采用了通信服務(wù)器作為主機與分機的連接樞紐，來協(xié)調(diào)各個主機與井下分機的通信順序，從而達到并網(wǎng)運行的目的。

煤礦安全；多監(jiān)控系統(tǒng)；并網(wǎng)運行；通信協(xié)議

為了保證我國煤礦的安全生產(chǎn)，加強安全監(jiān)控勢在必行。然而目前礦井現(xiàn)有的每個監(jiān)控系統(tǒng)的協(xié)議均互不兼容，由此造成各個監(jiān)控系統(tǒng)互不聯(lián)系，都存在獨自的一套主機與分機的通信線路，進而造成煤礦大量資金和設(shè)備的浪費，且使煤礦的監(jiān)控效率大大降低，影響工人的安全。因此，建立綜合安全的監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)多監(jiān)控系統(tǒng)并網(wǎng)運行是提高我國采煤安全的必然趨勢。本文主要討論通過關(guān)鍵部件“網(wǎng)關(guān)”的使用，使得多個監(jiān)控系統(tǒng)的主機可以對總線進行分時復(fù)用，進而實現(xiàn)多監(jiān)控系統(tǒng)的并網(wǎng)運行。

1 并網(wǎng)運行的方案研究

1.1 并網(wǎng)運行的原理

煤礦存在很多種監(jiān)控系統(tǒng)，每個監(jiān)控系統(tǒng)都有獨立的主機與分機通信線路。如果通過一個通信服務(wù)器，將各個監(jiān)控系統(tǒng)的主機與分機的通信線路統(tǒng)一，使其主機調(diào)取分機數(shù)據(jù)時可以共用一套通信線路，即解決了并網(wǎng)的問題，使煤礦監(jiān)控系統(tǒng)多元化、簡單化。多元化是指在煤礦可以安裝更多的監(jiān)控設(shè)備，而無需單獨鋪設(shè)主機與分機的通信線路；簡單化是指多監(jiān)控系統(tǒng)統(tǒng)一在一塊，使設(shè)備更加簡單、操作更加簡單。

1.2 并網(wǎng)運行方案設(shè)計

1.2.1 方案綜述

要使所有主機共用一套通信線路，從而達到主機與分機的自由通信，關(guān)鍵在于如何解決所有監(jiān)控系統(tǒng)相互之間協(xié)議的不兼容問題，即當所有的主機同時要求與分機進行通信時，由于通信線路的限制，只有一定的主機能夠與分機進行通信，這時就要限制主機與分機的通信數(shù)量，采取主機之間互相協(xié)調(diào)的方法，按照請求到達的時間、交替的順序或任務(wù)的重要程度等原則，使主機之間分時通信、分步通信。本文采用合用通信網(wǎng)關(guān)的方案。

1.2.2 方案設(shè)計

該方案的通信網(wǎng)關(guān)可理解為一個公共服務(wù)器，通過它把所有監(jiān)控系統(tǒng)的主機與分站連接起來，從而控制各個主機之間的通信順序。如圖1所示，主機1與分站進行通信時，可以把主機1的命令通過服務(wù)器傳給相應(yīng)的分站，類似，分站也可以通過服務(wù)器把相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳給主機1。主機2與主機1的通信過程相似。該過程中，各個主機之間要按照上面提到的相應(yīng)原則進行通訊，以避免所有主機都進行通信時導(dǎo)致的通信線路阻塞，從而給煤礦安全帶來隱患。

由上面的分析可知，主機通信要事先向通用服務(wù)器進行申請，這時，通信服務(wù)器就處于被動的地位，要制定相應(yīng)的被動控制協(xié)議。與之相反，當通用服務(wù)器處于主動地位時，就是服務(wù)器主動發(fā)送提供服務(wù)的信號給各個主機，然后各個主機再按照一定的原則通過通信服務(wù)器與分機進行通信，這時要制定的協(xié)議就是主動控制協(xié)議。

圖1 合用通信網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)

（1）主動控制協(xié)議。服務(wù)器分別給人員定位和安全監(jiān)控2個主機發(fā)送服務(wù)器空閑的信號（令牌），當收到其中的一個服務(wù)請求時，就轉(zhuǎn)而給相應(yīng)的主機提供服務(wù)，服務(wù)結(jié)束，就重新發(fā)送服務(wù)器空閑的信號。在這個過程中，服務(wù)器可以提供一定的緩沖區(qū)，當正在執(zhí)行一項任務(wù)時，其他要求執(zhí)行的命令可以在緩沖區(qū)內(nèi)暫時排隊等待，這其中既包括上次沒有執(zhí)行的命令，也包括主機新發(fā)送過來的命令。協(xié)議的具體制定中，為了控制總線上的協(xié)議收發(fā)，可以采用一種簡單可靠的方法，就是令牌協(xié)議，從而實現(xiàn)無碰撞的雙向通信，在較低的硬件成本下提高系統(tǒng)的通信性能。

（2）被動控制協(xié)議。當人員定位與安全監(jiān)控2個主機要求與分機進行通信時，就發(fā)送服務(wù)請求信號給通信服務(wù)器。服務(wù)器按照先前提到的原則，轉(zhuǎn)而為相應(yīng)的主機進行服務(wù)。在這個過程中，服務(wù)器處于一種被動狀態(tài)，2個主機處于主動狀態(tài)。類似主動控制協(xié)議，在這里也應(yīng)該提供隊列緩沖區(qū)。

在被動控制的協(xié)議制定中，可以采用主機請求，通信服務(wù)器應(yīng)答的方式，類似ACK報文的方式，實現(xiàn)無碰撞的雙向通信。在這個過程中，如果服務(wù)器是在主機的請求后立即應(yīng)答，但過一會才會發(fā)數(shù)據(jù)給主機，這個過程中通信線路一直暢通，處于非阻塞式。相反的，通信服務(wù)器不立即應(yīng)答主機的請求，而是在完成主機要求的數(shù)據(jù)發(fā)送后，才應(yīng)答，這個過程中線路一直為1個主機服務(wù)，處于阻塞的狀態(tài)，可以稱為阻塞式。

2 并網(wǎng)運行通信協(xié)議初步設(shè)計

實現(xiàn)并網(wǎng)運行的方式是：每隔一段時間，通信服務(wù)器都要向主機發(fā)送服務(wù)器空閑的信號，然后需要服務(wù)的主機就按照要求與服務(wù)器取得聯(lián)系，建立連接，實現(xiàn)與分機的通信。由此知，可以采取現(xiàn)實中經(jīng)常采用的令牌協(xié)議，各個主機誰取得令牌，誰就可以實現(xiàn)與分機的通信。

2.1 主動控制協(xié)議幀結(jié)構(gòu)

幀結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 主動控制協(xié)議幀結(jié)構(gòu)

（1）起始標志：SOH。這個是數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠鹗紭酥?，代表新的?shù)據(jù)開始傳輸。

（2）1：命令字。幀包括數(shù)據(jù)幀和控制幀，這里通過命令字的改變來達到數(shù)據(jù)幀和控制幀的轉(zhuǎn)變。現(xiàn)設(shè)置命令字為0時，上面幀傳送的是數(shù)據(jù)，命令字為1時，是通信服務(wù)器傳給主機的令牌幀，命令字為2時，通信服務(wù)器強制收回令牌的控制字，命令字為3時，主機交出令牌幀。

（3）2：源地址。這里主要是顯示令牌發(fā)出的地址，當主機重新收到令牌后，發(fā)現(xiàn)源地址與自己的地址一樣，就收下令牌中的數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)與分機的通信。

（4）3：目的地址。主要是主機發(fā)送令牌所要到達的分機的地址。當分機收到令牌后，與自己的地址進行比較，如果一致，收下令牌，按照要求把相應(yīng)的數(shù)據(jù)添加的數(shù)據(jù)欄，然后發(fā)送給主機。如果不一致，發(fā)送給下一個分機。

（5）4：數(shù)據(jù)。主要是添加所要發(fā)送的數(shù)據(jù)。這里的字節(jié)長度可以變化，以實現(xiàn)最優(yōu)的發(fā)送效率。

（6）5：校驗位。主要是實現(xiàn)最大的無差錯發(fā)送?？梢圆捎枚喾N校驗方式，比如數(shù)據(jù)長度，循環(huán)冗余檢驗等等。

（7）6：結(jié)束標志EOT。表示數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)結(jié)束。

主動控制協(xié)議實現(xiàn)過程為：通信服務(wù)器把命令字設(shè)為1，然后把令牌傳給主機。主機收到后，把命令字改為0，構(gòu)建校驗方式，然后傳給通信服務(wù)器。通信服務(wù)器收到主機發(fā)送來的令牌，按照令牌上的目的地址發(fā)送給相應(yīng)的分機，這個過程中通信服務(wù)器不對令牌數(shù)據(jù)欄中的數(shù)據(jù)進行解析，以實現(xiàn)透明傳輸。當分機收到令牌以后，將目的地址與自己的地址進行比較，當目的地址與自己的地址一致時，就按照要求把相應(yīng)的數(shù)據(jù)添加的數(shù)據(jù)欄，重新發(fā)送給主機。當?shù)刂凡灰恢聲r，分機就把令牌發(fā)送給下一個分機。與此相類似，通信服務(wù)器把令牌傳給相應(yīng)的主機，主機收到令牌后進行校驗，如果驗證正確，就收下數(shù)據(jù)，然后把命令字改為3，最后把令牌發(fā)送給通信服務(wù)器。當然，由于多種原因，數(shù)據(jù)在傳輸過程中也可能出錯，如果主機在收到令牌后發(fā)現(xiàn)校驗位錯誤，就可以把數(shù)據(jù)扔掉，并按原來的步驟重新發(fā)送令牌，要求分機重新發(fā)送數(shù)據(jù)。

這樣就實現(xiàn)了總線的分時復(fù)用，一方面可降低對管理設(shè)備的壓力，另外當一些設(shè)備出現(xiàn)故障時，可以使網(wǎng)絡(luò)自行修復(fù)。通過自行設(shè)計的協(xié)議，也可以根據(jù)工作環(huán)境對網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進行修改使其更適合實際情況。

2.2 被動控制協(xié)議幀結(jié)構(gòu)

可以采用類似UDP協(xié)議，通信之前，主機把命令發(fā)送給通信服務(wù)器，通信服務(wù)器如果進行服務(wù)，就給主機返還ACK，如果不進行服務(wù)就返還NACK。當進行服務(wù)時，主機過一段時間收到分機返還的采集數(shù)據(jù)后，才會把數(shù)據(jù)傳給主機。

被動控制協(xié)議幀結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 被動控制協(xié)議幀結(jié)構(gòu)

3：序號，代表主機傳出數(shù)據(jù)的第一個字節(jié)的序號，以利于分機確認，實現(xiàn)無差錯傳輸。

4：確認號，ACK／NACK。主機只有在收到通信服務(wù)器傳回的確認信號ACK之后才可以傳輸數(shù)據(jù)，這時候通信服務(wù)器發(fā)現(xiàn)確認號是ACK，就把主機的命令傳給分機，發(fā)現(xiàn)確認號是NACK時，通信服務(wù)器就禁止該命令的傳輸。

其余同主動控制協(xié)議幀結(jié)構(gòu)。

被動控制協(xié)議實現(xiàn)過程為：在非阻塞式協(xié)議中，通信之前，主機把命令發(fā)送給通信服務(wù)器，然后通信服務(wù)器按照相應(yīng)的原則給某個主機發(fā)送ACK同意信號。這其中有一個很重要的問題是，當通信服務(wù)器發(fā)送ACK信號后，并不立即把相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳給主機，而是在分機把數(shù)據(jù)傳過來后才發(fā)送給主機，在這個過程中，其他的主機仍然可以發(fā)送服務(wù)請求信號。因此此時線路并不是專為某一個主機服務(wù)，始終處于非阻塞的狀態(tài)，從而可以最大限度地實現(xiàn)線路的利用，提高設(shè)備的利用率。

3 結(jié) 論

為了提高我國煤礦的采煤安全，加強安全監(jiān)控勢在必行?，F(xiàn)在很多煤礦大都安裝了多套監(jiān)控系統(tǒng)，如人員定位系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)等，如何更好地融合這么多系統(tǒng)，使其能夠同時更高更安全地運行，是現(xiàn)在亟需解決的重要問題。本文大體介紹了并網(wǎng)運行的主要思想以及部分通信協(xié)議的設(shè)計，重點提出了通信協(xié)議的設(shè)計，認為其是并網(wǎng)運行的重中之重。

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2011－08－29）

孫彥明（1987－），男，安徽宿州人，在讀碩士研究生，從事礦業(yè)系統(tǒng)工程方面的研究，Email：xiaobaocumt＠163.com。