煤礦遠程監(jiān)控礦端數(shù)據(jù)適配器的研究與應(yīng)用

李逸　楊百順　凌志遷　吳強　高俊

(四川省安全科學(xué)技術(shù)研究院,四川成都　610045）

煤礦遠程監(jiān)控礦端數(shù)據(jù)適配器的研究與應(yīng)用

李逸楊百順凌志遷吳強高俊

(四川省安全科學(xué)技術(shù)研究院,四川成都610045）

針對煤礦瓦斯監(jiān)控數(shù)據(jù)鏈路層提取實時數(shù)據(jù)以及上傳數(shù)據(jù)技術(shù)和管理的不足,提出了新型的監(jiān)控方式和數(shù)據(jù)保存上傳方式,統(tǒng)一了監(jiān)控平臺的接口,研發(fā)了新型的煤礦遠程監(jiān)控礦端數(shù)據(jù)適配器,新系統(tǒng)具有以下特點:(1）從煤礦瓦斯監(jiān)控單井系統(tǒng)的數(shù)據(jù)鏈路層提取瓦斯等基礎(chǔ)實時數(shù)據(jù),直接上傳到煤礦遠程綜合監(jiān)控平臺,防止單井系統(tǒng)主機對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行修改。(2）為各類煤礦瓦斯監(jiān)控單井系統(tǒng)提供了與煤礦遠程綜合監(jiān)控平臺的統(tǒng)一接口。(3)具有在單井系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈路故障后仍能上傳基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的功能,能在煤礦掉線后,保存一小時實時數(shù)據(jù),并在掉線恢復(fù)后把歷史數(shù)據(jù)直接上傳到煤礦遠程綜合監(jiān)控平臺,實現(xiàn)掉電數(shù)據(jù)的還原。

數(shù)據(jù)適配器環(huán)境測試單井系統(tǒng)傳輸FPGA高帶寬

煤礦生產(chǎn)中的瓦斯突出和爆炸事故，傷亡數(shù)量大，國家和人民的生命和財產(chǎn)遭受重大損失，社會影響嚴重。

煤礦井下的生產(chǎn)特點主要是作業(yè)面長、井下人員、采掘設(shè)備分布散、流動性強，一條巷道短則幾百米，長則幾千米，管理難度很大，分布狀況難以及時掌握，而且瓦斯災(zāi)害、水災(zāi)、火災(zāi)和頂板冒落等四類重大災(zāi)害時有發(fā)生。通過對我國統(tǒng)配煤礦近幾年49起重大瓦斯事故的分析，瓦斯爆炸發(fā)生地點分布為;煤巷掘進工作面30起，占61%;采煤工作面14起，占29%;其他5起，占10%。因此，煤礦生產(chǎn)中的安全監(jiān)測尤其是對瓦斯的監(jiān)測是至關(guān)重要的，國內(nèi)煤礦瓦斯監(jiān)測已經(jīng)逐步由各類監(jiān)測系統(tǒng)來完成[1-5]。

隨著煤礦生產(chǎn)規(guī)模的擴大，加強對瓦斯的監(jiān)測對預(yù)防重大事故的發(fā)生顯得非常迫切。

1　監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

1.1問題提出

圖1　最大工作濕度試驗設(shè)備運行記錄

圖2　振動試驗圖譜

系統(tǒng)經(jīng)過近幾年的運行維護，各項功能已經(jīng)能比較好的支持各級監(jiān)控平臺對其所管轄區(qū)域內(nèi)各個煤礦的日常監(jiān)控工作，但目前系統(tǒng)在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的提取上還存在比較大的問題，在2011年3月至5月三個月的時間內(nèi)，全省各個監(jiān)控平臺反饋過來的由于接口數(shù)據(jù)不正確導(dǎo)致的系統(tǒng)問題就有24條之多，其中，誤報警12條、傳感器類型錯誤5條、數(shù)據(jù)不能正常上傳7條。目前已經(jīng)面臨解決系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)提取的準確性和穩(wěn)定性問題，只有保證了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的實時不間斷性和真實性，煤礦遠程監(jiān)控綜合管理系統(tǒng)才能發(fā)揮其安全監(jiān)控的作用，為各級監(jiān)管部門提供有力的監(jiān)控手段和數(shù)據(jù)挖掘平臺，為各地煤礦的安全生產(chǎn)提供強有力的支撐。

目前，國內(nèi)外所有煤礦瓦斯監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)所采取的聯(lián)網(wǎng)方式都是通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)，以軟件收發(fā)的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳，針對多樣化的煤礦瓦斯監(jiān)控單井系統(tǒng)(以下簡稱“單井系統(tǒng)”），煤礦瓦斯監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)直接使用各個單井系統(tǒng)所提供的接口來提取單井系統(tǒng)中的各項數(shù)據(jù)，這就需要各個單井系統(tǒng)必須按照統(tǒng)一的接口協(xié)議來實現(xiàn)系統(tǒng)接口。而利用各個單井系統(tǒng)提供的接口，必須滿足以下幾個前提:(1）接口協(xié)議必須統(tǒng)一，且必須符合瓦斯監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的標(biāo)準;(2）必須保證接口所提供的數(shù)據(jù)時真實有效的，且單井系統(tǒng)使用者不能對接口所提供的數(shù)據(jù)實施控制。

圖3　縱向軸正方向沖擊試驗圖譜

圖4　縱向軸負方向沖擊試驗圖譜

而目前煤礦瓦斯監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的現(xiàn)狀是:(1）單井系統(tǒng)種類繁多，而同個型號的單井系統(tǒng)的軟件版本也比較混亂;(2）部分單井系統(tǒng)廠家已經(jīng)不提供售后服務(wù);(3）部分單井系統(tǒng)軟件具有對接口數(shù)據(jù)實施控制的功能。

這就導(dǎo)致了煤礦瓦斯監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)目前運行的諸多問題:(1）具有統(tǒng)一的接口協(xié)議，但大部分單井系統(tǒng)都沒有完全符合接口協(xié)議;(2）聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)和單井系統(tǒng)在數(shù)據(jù)一致性上存在部分問題;(3）單井系統(tǒng)接口問題不能得到及時解決。

1.2新系統(tǒng)的改進

通過分析以上已經(jīng)存在的問題，以及通過合理的現(xiàn)場試驗，該系統(tǒng)直接從單井系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈路層提取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)上傳到遠程綜合監(jiān)控平臺，從而解決從根本上解決數(shù)據(jù)的一致性問題，提高煤礦瓦斯監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性，為各級監(jiān)管部門提供有效監(jiān)管手段和數(shù)據(jù)挖掘平臺，為煤礦的安全生產(chǎn)提供支撐。

主要對KJ90等煤礦瓦斯監(jiān)控單井系統(tǒng)中的各類傳感器輸出信號進行了煤礦現(xiàn)場調(diào)研和深入分析，包括甲烷傳感器、溫度傳感器等，了解了各類傳感器的輸出特性，信號傳輸方式，采集方式，各類信號的特點等;以及對該系統(tǒng)中的分站/基站、數(shù)據(jù)接口的輸出與輸入信號進行了分析，通過多次現(xiàn)場測試、數(shù)據(jù)比對等方式，研究并確定了其傳輸協(xié)議;以及通過對煤礦瓦斯監(jiān)控單井系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的分析，采用嵌入式技術(shù)，研發(fā)了煤礦遠程監(jiān)控礦端數(shù)據(jù)適配器，實現(xiàn)了對單井系統(tǒng)鏈路數(shù)據(jù)的實時監(jiān)聽，并上傳到遠程監(jiān)控平臺;并且還設(shè)計兼容各個單井系統(tǒng)的接口軟件，根本上解決了歷史遺留問題[6-7]。

在技術(shù)層面上主要做了如下工作:(1）煤礦瓦斯監(jiān)控單井系統(tǒng)協(xié)議解析:本項目產(chǎn)品利用FPGA高帶寬、并行處理的特點，融合嵌入式設(shè)計技術(shù)，對單井系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)進行多任務(wù)算法運算，實現(xiàn)了多路數(shù)據(jù)的實時解析。(2）參數(shù)遠程配置:利用h ttp技術(shù)，可通過Internet遠程對適配器的各項參數(shù)進行配置，包括地址、煤礦編號、數(shù)據(jù)上傳周期等，配置完成后，產(chǎn)品自動重啟，生效新的配置。(3）掉線數(shù)據(jù)保存及恢復(fù):在產(chǎn)品運行過程中，如果出現(xiàn)監(jiān)控平臺服務(wù)器故障等原因?qū)е聠尉到y(tǒng)掉線等情況，產(chǎn)品仍可以繼續(xù)按設(shè)定的時間間隔截取通信信號中的有效字段，并存儲到自帶非易失性存儲空間中，完成長達1個小時的數(shù)據(jù)存儲，在網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常后，優(yōu)先上歷史數(shù)據(jù)到監(jiān)控平臺，實現(xiàn)掉線數(shù)據(jù)的還原。

2　新型遠程數(shù)據(jù)適配器的可靠性分析

2.1煤礦遠程監(jiān)控礦端數(shù)據(jù)適配器環(huán)境測試分組

考慮到以后良好的推廣，因此對于煤礦遠程監(jiān)控礦端數(shù)據(jù)適配器進行環(huán)境測試，分組情況如下:(1）恒定濕熱試驗測試;(2）掃頻振動試驗測試;(3）沖擊試驗測試。

2.2環(huán)境測試試驗

2.2.1恒定濕熱試驗測試報告

試驗要求:讓試驗樣品處于不包裝、不通電、“準備使用”狀態(tài)下，按其正常位置放入試驗箱內(nèi)，然后對試驗樣品進行加電，使其處于正常通電工作狀態(tài)，然后以≤1℃/m in的溫度變化率將箱溫調(diào)節(jié)至40℃，當(dāng)樣品打到溫度穩(wěn)定后，再加溫至相對87～92%，將樣品放置48小時，期間觀測試驗樣品通電工作情況進行觀測。將試驗箱內(nèi)的相對濕度在0.5h內(nèi)降低至75±3%，再以≤1℃/m in的溫度變化率將試驗箱內(nèi)溫度降至常溫后對試驗樣品進行觀測(圖2）。

試驗結(jié)果各項數(shù)據(jù)均為正常。

2.2.2掃頻振動試驗測試報告

試驗要求:將不包裝、不通電的試驗樣品按其正常工作位置安裝在振動設(shè)備上，按10Hz～150Hz，振幅:0.15mm，掃頻速率:1倍頻程/m in，單方向振動:5次的要求進行振動試驗，完成后進行觀測。試驗結(jié)果各項數(shù)據(jù)均為正常。

2.2.3沖擊試驗測試報告

試驗要求:將不包裝、不通電的試驗樣品按其正常工作位置安裝在試驗設(shè)備上，按峰值加速:300m/s2，脈沖持續(xù)時間11m s的要求進行試驗進行觀測（圖3、圖4）。

試驗結(jié)果各項數(shù)據(jù)均為正常。

綜上所述，該新型煤礦遠程監(jiān)控礦端數(shù)據(jù)適配器環(huán)境測試均合格，具有能夠適應(yīng)各種地下艱苦環(huán)境以及應(yīng)對緊急情況的能力。

3　新型遠程數(shù)據(jù)適配器的試用

由于煤礦安全生產(chǎn)形勢嚴峻，四川省安監(jiān)局針對安全生產(chǎn)事故頻發(fā)和安全監(jiān)管監(jiān)察技術(shù)支撐能力不足的情況，于2011年對“煤礦遠程監(jiān)控礦端數(shù)據(jù)適配器”展開轉(zhuǎn)向支持。此設(shè)備符合國家安全生產(chǎn)“十二五”規(guī)劃和煤礦安全生產(chǎn)“十二五”規(guī)劃對“安全生產(chǎn)監(jiān)督監(jiān)察和管理”的要求。

經(jīng)過一年多的技術(shù)攻關(guān)及測試工作，2012年10月由四川省安全科學(xué)技術(shù)研究院研制、四川九洲電器集團(國有軍工企業(yè)）產(chǎn)業(yè)化的JZ-DA 01“煤礦遠程監(jiān)控礦端數(shù)據(jù)適配器”正式發(fā)布。

經(jīng)四川省樂山市犍為縣安監(jiān)局和四川省瀘州市瀘縣安監(jiān)局的積極協(xié)調(diào)，由四川省安全科學(xué)技術(shù)研究院、四川九洲電器集團共同參與實施了“煤礦遠程監(jiān)控礦端數(shù)據(jù)適配器”在犍為縣滴水巖煤礦和瀘縣錦運煤礦的試用工作。截止2013年3月31日，經(jīng)過6個月的試用，“煤礦遠程監(jiān)控礦端數(shù)據(jù)適配器”各項指標(biāo)正常，能準確解析傳輸接口數(shù)據(jù)，極大提高了煤礦單井基礎(chǔ)數(shù)據(jù)提取的準確性和可靠性，為單井基礎(chǔ)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間不間斷性和真實性提供了一種技術(shù)可能，并能夠?qū)γ旱V基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的災(zāi)備提供有效的技術(shù)支持。

經(jīng)使用，兩個煤礦的“煤礦遠程監(jiān)控礦端數(shù)據(jù)適配器”能較好支持相關(guān)政府部門對煤礦的監(jiān)管工作。

4　結(jié)語

(1）分析對比了新老兩代遠程監(jiān)控系統(tǒng)的不同之處，指出新型煤礦遠程監(jiān)控礦端數(shù)據(jù)適配器的優(yōu)勢和創(chuàng)新之處:

項目應(yīng)用創(chuàng)新性體現(xiàn)在:①兼容現(xiàn)有煤礦遠程監(jiān)控綜合監(jiān)管平臺。②1U機箱設(shè)計，適合多種機柜放置。③優(yōu)化的電路設(shè)計，以降低設(shè)備功耗，良好的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以確保設(shè)備穩(wěn)定工作。④支持遠程參數(shù)配置和維護，從而降低設(shè)備維護工作量，提高生產(chǎn)效率。

項目技術(shù)創(chuàng)新性體現(xiàn)在:①直接從單井系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈路上采集數(shù)據(jù)，不會對現(xiàn)有單井系統(tǒng)產(chǎn)生任何影響。②具備掉線數(shù)據(jù)備份和恢復(fù)功能，能夠在煤礦掉線后自動保存數(shù)據(jù)，并在網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時自動將監(jiān)視數(shù)據(jù)上傳到遠程監(jiān)管平臺，確保了煤礦基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的完整性，便于災(zāi)后數(shù)據(jù)分析，事故查找。③在設(shè)備總體方案設(shè)計時充分考慮今后可能升級的功能和新業(yè)務(wù)支持，選用了CPU+FPGA的架構(gòu)，便于系統(tǒng)擴展。

(2）通過三種工況的環(huán)境測試分析，適配器分別在恒定濕熱試驗測試、掃頻振動試驗測試、沖擊試驗測試中都取得了合格的測試成績，證明了該適配器能夠應(yīng)付大多數(shù)的惡劣條件。并且在實際試用上也取得了較好的效果回饋。

(3）本項目在研發(fā)上取得了成功，產(chǎn)品經(jīng)過現(xiàn)場試用，穩(wěn)定可靠，但要進行批量推廣還存在如下問題:

①產(chǎn)品雖經(jīng)過多個煤礦試用，但試用面還不全面，后繼需爭取協(xié)調(diào)一個縣或市作為試點，以全面驗證產(chǎn)品適應(yīng)性。②兼容協(xié)議還不夠全面，需要進一步兼容更多的協(xié)議，以覆蓋四川全境煤礦單井系統(tǒng)，如果本項目前期推廣順利，后繼再行立項開發(fā)。

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李逸(1988—）,男,重慶銅梁人,重慶大學(xué)資源及環(huán)境科學(xué)學(xué)院采礦工程碩士。