鶴壁水平井監(jiān)測(cè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸方案設(shè)計(jì)

魯基春，吳海超

(河南省煤層氣開發(fā)利用有限公司 計(jì)量中心,鄭州 450016)

鶴壁水平井監(jiān)測(cè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸方案設(shè)計(jì)

魯基春，吳海超

(河南省煤層氣開發(fā)利用有限公司 計(jì)量中心,鄭州 450016)

本文結(jié)合目前通信技術(shù)應(yīng)用發(fā)展以及通信軟件開發(fā)所積累的經(jīng)驗(yàn),依河南省煤層氣鶴壁項(xiàng)目部水平井井場(chǎng)監(jiān)控為基礎(chǔ)，借助無線通信系統(tǒng)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于GPRS的礦井遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要任務(wù)是將煤礦井下的數(shù)據(jù)與監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接起來,從而實(shí)現(xiàn)礦井現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸以及監(jiān)控中心對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)度功能。

鶴壁項(xiàng)目部；遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸；無線通信系統(tǒng)

1．引言

國內(nèi)煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)主要以有線方式實(shí)現(xiàn)參數(shù)監(jiān)測(cè)與信息傳輸任務(wù)。[1]但在煤礦的復(fù)雜環(huán)境下，有線監(jiān)控系統(tǒng)明顯有缺陷，難以滿足安全監(jiān)控即時(shí)通信的需求。因此，煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)迫切需要一種結(jié)構(gòu)靈活、擴(kuò)展性強(qiáng)、布設(shè)快捷、安全可靠的通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。[2]隨著傳感技術(shù)、無線通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)的發(fā)展，無線傳感網(wǎng)絡(luò)提供了有效手段和途徑來解決井下煤礦安全監(jiān)控問題。瓦斯?jié)舛?、溫度、氣壓等參?shù),可以使用傳感儀器測(cè)量并上傳至決策部門進(jìn)行決策。

鶴壁項(xiàng)目部水平井瓦斯自2012年5月份開始排采，由于鶴壁項(xiàng)目部辦公區(qū)設(shè)置在直井附近，距離水平井距離大于一公里。水平井所監(jiān)控的壓力、流量等數(shù)據(jù)需要工作人員每間隔兩個(gè)小時(shí)就要從直井趕到水平井記錄一次，每日需要記錄12次，每次往返時(shí)間在40分鐘以上，水平井處在偏僻的山區(qū)農(nóng)田中。為了現(xiàn)場(chǎng)工作人員的安全以及解決勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)水平井所監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)省公司能夠直接觀察，特實(shí)施該工程。

系統(tǒng)實(shí)施以來，鶴壁項(xiàng)目部工作人員在直井能夠?qū)崟r(shí)觀察水平井周圍環(huán)境，確保設(shè)備安全；水平井排采氣體的各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)能夠?qū)崟r(shí)傳送到直井，便于觀察、分析和記錄；公司負(fù)責(zé)人可以在任意地區(qū)通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程觀測(cè)鶴壁項(xiàng)目部水平井現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境；省公司工作人員可以實(shí)時(shí)觀察到鶴壁項(xiàng)目部水平井的各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1供電系統(tǒng)

由于河南省煤層氣鶴壁項(xiàng)目部水平井位置在鶴壁山城區(qū)李古道村東700米的農(nóng)田里面，架設(shè)電力線路需占用耕地，協(xié)調(diào)困難、施工難度大、費(fèi)用高等問題突出，因此采用太陽能發(fā)電系統(tǒng)解決設(shè)備供電問題。太陽能供電系統(tǒng)框架如圖1所示。

太陽能供電及數(shù)據(jù)采集發(fā)送設(shè)備放置在鶴壁項(xiàng)目部水平井井場(chǎng)內(nèi)部，太陽能為井場(chǎng)內(nèi)設(shè)備提供工作電源，確保設(shè)備工作運(yùn)行正常。采集發(fā)送設(shè)備實(shí)現(xiàn)24小時(shí)數(shù)據(jù)傳送。視頻監(jiān)控安裝在井場(chǎng)內(nèi)部，能夠監(jiān)控到整個(gè)內(nèi)部環(huán)境。為了不造成電力浪費(fèi)并且保障儀表數(shù)據(jù)信息監(jiān)控系統(tǒng)不間斷進(jìn)行傳輸，特對(duì)部分設(shè)備(語音系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等)進(jìn)行定時(shí)斷電控制，并根據(jù)需要在斷電期間隨時(shí)可以遠(yuǎn)程開啟與關(guān)閉。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

滿足現(xiàn)場(chǎng)需求：建立監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，解決對(duì)水平井監(jiān)管不到位情況，實(shí)現(xiàn)7×24小時(shí)實(shí)時(shí)管理，實(shí)現(xiàn)跨地區(qū)現(xiàn)場(chǎng)管理功能。

先進(jìn)的技術(shù)和功能：監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)不僅僅能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳送，而且對(duì)井場(chǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)語音通訊功能，設(shè)備開?？刂乒δ?。

圖1 電陽能供電系統(tǒng)示意圖

2.2.1 系統(tǒng)要求

該傳輸系統(tǒng)是一個(gè)集視頻、語音、數(shù)據(jù)為一體的多媒體通訊網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，該系統(tǒng)應(yīng)該是一個(gè)技術(shù)先進(jìn)、成熟可靠、可管可用、靈活擴(kuò)展、標(biāo)準(zhǔn)開放的系統(tǒng)，能夠綜合考慮數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中長(zhǎng)期發(fā)展的需要，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)應(yīng)用、系統(tǒng)管理、系統(tǒng)性能以及傳輸手段等各個(gè)方面適應(yīng)數(shù)據(jù)通訊的發(fā)展。并能最大限度的節(jié)約投資，最終將本系統(tǒng)建設(shè)成為一個(gè)現(xiàn)代化的綜合通訊系統(tǒng)。

2.2.2 技術(shù)方案設(shè)計(jì)

在認(rèn)真分析河南省煤層氣鶴壁項(xiàng)目部水平井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的需求以及遵循上述建設(shè)原則的基礎(chǔ)上 ，我們推薦了基于IP網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信息傳輸方案，該方案可以支持用戶以后擴(kuò)展采集設(shè)備的需求，最大限度保護(hù)用戶的投資 。

(1)服務(wù)器端操作系統(tǒng)軟件：監(jiān)控中心的服務(wù)器操作系統(tǒng)軟件采用Windows Server 2003操作系統(tǒng)。它具有可靠性、實(shí)用性、可伸縮性和安全性，這使其成為高度可靠的平臺(tái)；它在許多方面都具有使組織和員工提高工作效率的能力，因此它又具有高效性。

(2)企業(yè)級(jí)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫：力控企業(yè)級(jí)實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫pSpace是一個(gè)高性能、高速度、高吞吐能力、可靠性強(qiáng)、跨網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的開放式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，產(chǎn)品為完全的分布式結(jié)構(gòu)，可任意組建應(yīng)用模式，支持C/S和B/S應(yīng)用；它可以提供豐富的企業(yè)級(jí)信息系統(tǒng)客戶端應(yīng)用和工具，大容量支持企業(yè)級(jí)應(yīng)用，內(nèi)部實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)壓縮率，可實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的海量存儲(chǔ)；靈活的擴(kuò)展結(jié)構(gòu)可滿足各種需求，具備廣泛的安全性和可跟蹤性。

(3)監(jiān)控平臺(tái)軟件：監(jiān)控中心軟件采用三維力控監(jiān)控系統(tǒng)軟件平臺(tái)，在服務(wù)器上安裝實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫軟件pSpace 5.0，同時(shí)安裝服務(wù)器版力控ForceControl6.1(Server版)軟件，在四臺(tái)操作員站上安裝ForceControl 6.1(Cliant版)，采用C/S和B/S混合結(jié)構(gòu)。

3.數(shù)據(jù)的傳輸

3.1 水平井至直井?dāng)?shù)據(jù)傳輸

鶴壁項(xiàng)目部井場(chǎng)辦公室設(shè)在直井區(qū)域，水平井至直井直線距離550米，且也處于農(nóng)用耕地之間。需要實(shí)現(xiàn)水平井儀表數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)、語音系統(tǒng)、控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)在直井辦公區(qū)顯現(xiàn)。

在現(xiàn)場(chǎng)不具備線纜傳輸?shù)臈l件下，我們建立了無線局域網(wǎng)絡(luò)，既保障了所有數(shù)據(jù)的正常傳輸，同時(shí)也避免造成二次費(fèi)用的產(chǎn)生。由于設(shè)備采用先進(jìn)的技術(shù)，在我們的局域無線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)完全保障了視頻和數(shù)據(jù)同時(shí)流暢的傳輸。

3.2 水平井?dāng)?shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)省公司對(duì)下屬所有煤層氣井?dāng)?shù)據(jù)信息的統(tǒng)一管理，對(duì)井場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行情況、設(shè)備安全問題隨時(shí)能夠了解和觀察。特對(duì)每個(gè)點(diǎn)的煤層氣井所監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)通過3G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)绞」疽约癐nternet，便于工作人員隨時(shí)隨地了解現(xiàn)場(chǎng)情況，如圖2所示。

3.3 系統(tǒng)設(shè)備功能介紹

工業(yè)級(jí) GPRS/CDMA/EDGE/3G/4G 無線路由器系統(tǒng)按照惡劣環(huán)境要求設(shè)計(jì)，有極強(qiáng)的抗干擾能力和自行維護(hù)能力。設(shè)備以嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為軟件支撐平臺(tái)，采用高性能的工業(yè)級(jí)ARM9通信處理器，集成從邏輯鏈路層到應(yīng)用層通信協(xié)議，支持VPN、IPTABLE 防火墻、靜態(tài)及動(dòng)態(tài)路由PPP server和PPP client、DHCP server及DHCP client、QOS 帶寬管理，SNAT/DNAT，DMZ 主機(jī),WEB 配置，支持 APN/VPDN， 支持上電自動(dòng)撥號(hào)，自動(dòng)維護(hù)通信鏈路，保證鏈路永遠(yuǎn)在線，支持自動(dòng)定時(shí)上線和下線、定時(shí)開關(guān)機(jī)功能、DTU 數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

由于產(chǎn)品整機(jī)采用工業(yè)級(jí)設(shè)計(jì)，擁有維護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定的專利技術(shù)，性能穩(wěn)定可靠。系統(tǒng)不僅加載了監(jiān)測(cè)保護(hù)SWP(System Watch Protect)，而且?guī)в锌撮T狗WDT保護(hù)。另外，產(chǎn)品通過3000V電擊測(cè)試和8年的實(shí)際應(yīng)用，確保設(shè)備永遠(yuǎn)在線。

圖2 河南省煤層氣數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)圖

3.3.1 工業(yè)級(jí)設(shè)計(jì)

(1)工業(yè)級(jí)CPU:工業(yè)級(jí)ARM9高性能嵌入式處理，速度200MPS，帶16KB Dcache高速緩存數(shù)據(jù)和高速指令緩存，加快高速數(shù)據(jù)訪問速度指令處理速度。

(2)工業(yè)級(jí)無線模塊：采用工業(yè)級(jí)抗干擾無線模塊，傳輸質(zhì)量穩(wěn)定。

(3)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)：采用LINUX2.6.28操作系統(tǒng)，帶內(nèi)存管理單元，實(shí)時(shí)性強(qiáng)， 功能升級(jí)快，系統(tǒng)穩(wěn)定，帶完善TCP/IP協(xié)議棧。

(4)強(qiáng)化電路板：PCB采用遵循3H和3W原則，同時(shí)公司所有產(chǎn)品電路板都采用高品質(zhì)材質(zhì)來生產(chǎn)，確保板材的穩(wěn)定可靠。

(5)工業(yè)級(jí)元器件：整機(jī)元器件采用嚴(yán)格篩選的工業(yè)級(jí)元器件來生產(chǎn)。

(6)工業(yè)級(jí)電源：采用寬壓電源設(shè)計(jì)，內(nèi)置電源反向保護(hù)和過壓過流保護(hù)，電源適應(yīng)范圍為DC5V～DC35V。

(7)電磁防護(hù)：以太網(wǎng)接口內(nèi)置1.5KV電磁隔離防護(hù)。

(8)抗干擾設(shè)計(jì)：采用金屬外殼，屏蔽電磁干擾，系統(tǒng)保護(hù)等級(jí)IP30；天線帶防雷設(shè)計(jì)；系統(tǒng)超低溫和超高溫設(shè)計(jì)，特別適合在環(huán)境惡劣的工業(yè)環(huán)境下使用。

3.3.2 HL-N5 無線AP/網(wǎng)橋 5.8G 300M

執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)：美國802.11a/n；802.3；802.3u IEE E802.1x標(biāo)準(zhǔn)

內(nèi)存：32字節(jié)

閃存：8字節(jié)

無線電頻率型：16dbi定向天線

無線接入控制地址過濾

網(wǎng)絡(luò)支持：管理信息庫，管理信息庫(rfc-1213)和個(gè)人加密功能

長(zhǎng)距離傳輸：高達(dá)1 ～ 26.6公里

支持信道帶寬：20～40兆赫可調(diào)

支持協(xié)議：路由器模式和點(diǎn)到點(diǎn)協(xié)議

支持設(shè)備動(dòng)態(tài)域名設(shè)置

工作溫度：-200～+70°

功率：有源以太網(wǎng)(以太網(wǎng)供電)專有坡設(shè)計(jì)

直流供電：24±5%，0.75A(最大)

操作系統(tǒng):2000 / 98 /XP/win7

3.3.3 接口轉(zhuǎn)換器

該設(shè)備是為TCP/IP到RS485之間完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的通訊接口轉(zhuǎn)換器。主要功能說明如下：

(1)TCP/UDPserver/client

接口轉(zhuǎn)換器提供四種聯(lián)機(jī)方式：TCPserver,UDPserver,TCPclient 和UDPclient,使用者可任選一種方式以配合其設(shè)備使用。

(2)DHCP DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol)Client

此功能可使接口轉(zhuǎn)換器經(jīng)由DHCPserver(Gateway)取得其IP Address,透過內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)server分配IP地址以避免IP地址沖突情形。

(3)PPP Over Ethernet

PPPoE 協(xié)議可使接口轉(zhuǎn)換器直接連接ADSL Modem撥號(hào)后并連接到Internet。

(4)Dynamic DNS動(dòng)態(tài)域名系統(tǒng)

透過接口轉(zhuǎn)換器內(nèi)建的DNS功能，使用者可取得一固定的域名并將其對(duì)應(yīng)到任一動(dòng)態(tài)IP地址、這樣監(jiān)控端即可透過Internet直接進(jìn)行管理而不需要任何固定的IP。

(5)自動(dòng)偵測(cè)10/100bps

接口轉(zhuǎn)換器可自動(dòng)偵測(cè)10/100bps的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，不需手動(dòng)切換。

(6)內(nèi)建網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)

此功能可讓用戶透過IE、Netscapc等瀏覽器進(jìn)行轉(zhuǎn)換器的設(shè)定或軟件升級(jí)而不需另外安裝驅(qū)動(dòng)程序或管理軟件。

(7)數(shù)據(jù)備份及還原設(shè)定

此功能可讓使用者進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)定數(shù)據(jù)備份及還原，備份文件經(jīng)過特殊加密處理、以確保數(shù)據(jù)安全性。

3.3.4 DAM-3058R

8路模擬輸量入模塊：

(1)輸入類型：±10V、±5V、0～10V、0～5V、0～20mA、4～20mA、±20mA

(2)通道輸入：6 路差分，2 路單端(默認(rèn)配置)或 8 路差分

(3)采樣頻率：10Hz

(4)精度：±0.1%

(5)輸入阻抗：8MΩ

(6)零點(diǎn)漂移：20uV/℃

(7)滿量程漂移： 25ppm/℃

(8)CMR @ 50/60Hz： 86dB

(9)NMR @ 50/60Hz： 100dB

(10)隔離電壓：3000VDC

(11)內(nèi)置看門狗

(12)電源：未處理+10～+30VDC

(13)功耗：1.3W @ 24VDC

4.結(jié)束語

隨著通信技術(shù)和無線傳感網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，采用遠(yuǎn)程監(jiān)控控制某一對(duì)象成為必然，從而節(jié)省大量的人力、物力和財(cái)力,提高生產(chǎn)效率。本系統(tǒng)能夠及時(shí)、準(zhǔn)確、快速地將相關(guān)數(shù)據(jù)傳遞至井上計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行處理，方便管理人員及時(shí)地對(duì)井下瓦斯情況進(jìn)行控制處理，對(duì)提高煤礦生產(chǎn)過程中的安全性，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

[1]國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局煤礦安全規(guī)程[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2005.

[2]楊維,馮錫生,程時(shí)昕,等.新一代全礦無線信息系統(tǒng)理論與關(guān)鍵技術(shù)[J].煤炭學(xué)報(bào),2004,29(4):506-509.

[3]龐秋昕,鐘剛.三維實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫pSpace在球團(tuán)廠管控一體化系統(tǒng)的應(yīng)用[J].礦業(yè)工程，2012(4):60-62.

2013-02-21

魯基春(1972—)，男，河南鄧州人，河南省煤層氣公司計(jì)量中心工程師，研究方向：瓦斯計(jì)量檢測(cè)。

TD76

A

1008-3715(2013)05-0118-04

(責(zé)任編輯趙冰)