新一代煤礦井下監控系統研制

溫 良，葉錦嬌，王紅堯，殷大發，王 鵬

（煤炭科學研究總院 北京 100013）

煤炭工業的健康發展是構建和諧社會的前提和保障。我國煤礦地質條件復雜，瓦斯、火災、頂板動力、沖擊地壓等自然災害嚴重，防災抗災難度大，并且我國煤礦以井工開采為主，井工礦數量和產量均占全國煤礦總數和產量的90%以上[1-3]。井工礦井下巷道管網條件又增大了災害防治的難度，一旦發生事故容易誘發其他災害發生，產生重特大事故。在各類煤礦事故類型當中，煤礦瓦斯災害屬重特大災害類型之一，因此，煤礦監控技術的發展一直得到國家的高度重視，《國務院關于進一步加強企業安全生產工作的通知》（國發[2010]23號）將安全監控作為煤礦六大系統之一，要求各地煤礦強制安裝。

煤礦監控系統的安裝應用為提高煤礦企業的生產水平起到了至關重要的作用，但由于受技術發展和煤礦特殊生產條件制約，現有監控系統大多數還采用主從式通信結構，數據傳輸速率低和冗余差，極易發生數據傳輸中斷，無法實現設備間互聯互控、危險區域快速控制，為了進一步提高煤礦生產水平，有必要對監控系統網絡結構可靠性技術進行研究，形成新一代的煤礦生產監控系統。

1 新一代煤礦監控系統結構

新一代煤礦監控系統網絡結構如圖1所示，是一種多環冗余、多主并發的對等通信網絡，網絡結構中包括兩個環，一個大環，一個小環，大環套小環實現多環冗余，采用無源光分支技術，某個信號轉換器故障不影響整個系統的運行，抗干擾能力強、運行穩定，分站與分站之間采用LonWorks總線傳輸技術，分站與傳感器之間采用CAN總線技術，支持網狀網結構，解決了現有監控系統網絡適應性差，節點較多時網絡阻抗匹配困難，尤其不具有多主并發、對等通信功能等問題。

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

2 關鍵技術研究

2.1 多環冗余、多主通信技術

文中設計的多主監控分站結構如圖2所示，分站具有4個CAN總線通道，與傳感器之間進行通訊；分站具有2個LonWorks總線接口，實現分站之間的通信與分站級聯；分站之間并發、對等通信，無需上位機可自行完成不同分站之間的異地控制功能；響應時間小于5 s。智能收發器選用PL3170電力線智能收發器[4-5]，該收發器在保留原先PL3120電力線智能收發器的功能外，還在其ROM中的固件中嵌入了ISI功能，開發者可以使用完整的4 kB應用程序空間。具備全雙工通信硬件UART和SPI串行接口。支持38種可編程標準I/O模式的12個I/O管腳。采用電力線收發器用于煤礦井下的非電力傳輸環境，使得信號傳輸效果更好。PL3170特有的雙頻調制特性可在主頻率被噪聲阻塞后自動選擇備用的第二個通信頻率。高性能、低開銷的前向糾錯算法可克服由于噪聲引起的錯誤。

在進行LonWorks接口設計時，為進行設備配置、安裝和診斷服務，需要設備發送自標識信息，當接地時，設備發送包含神經元ID和程序ID的報文，服務管腳輸出通常驅動一個LED指示燈，顯示設備的診斷狀態，如果LED燈常亮或者常暗，說明硬件損壞，如果LED燈亮1/2 s，然后一直滅，說明設備進入已配置狀態，正常工作，如果LED以1/2 Hz的頻率閃爍，說明設備工作在未配置狀態，如果LED亮1 s，滅2 s，然后常亮，說明設備工作在無應用程序狀態。

圖2 多主監控分站結構Fig.2 Structure of multi-main monitoring substation

2.2 監控軟件平臺

地面配套監測軟件是整個監控系統的信息處理中心。軟件采用B/S和C/S相結合方式設計，C/S端運行在服務器上自動接收下位機上傳的監測數據，然后根據設定值進行報警、斷電、饋電異常狀態判斷，然后將監測值和狀態信息保存到數據庫中，Web終端軟件實時讀取數據庫顯示傳感器監測值信息。同時根據報警、斷電等異常狀態進行分別統計。歷史數據采用分月存儲。歷史數據采用報表查詢、圖表、曲線等方式呈現，也可以通過導出Excel表格方式在打印機等外部設備輸出完整、精確的監測結果。

多主分站監控系統是集數據采集、網絡管理、實時監測、歷史查詢、圖表分析的安全監控信息平臺，該平臺共分為8個子模塊，分別是：系統設置、通訊采集、實時監測、實時報警、圖表查詢、瓦斯抽放、圖形編輯、雙機熱備系統。如圖3所示。

圖3 功能模塊圖Fig.3 Function block

1）通訊采集模塊

通訊采集模塊自動監聽分站上傳連接請求，當傳感器監測值或狀態發生變化時，采集模塊自動接收數據，實時解析監測值和狀態。然后將狀態保存到數據庫中。同時具有通訊狀態診斷、自動生成運行報告等功能。該模塊擬采用VC6.0、Windows Socket、多線程等技術進行開發，以后臺服務方式運行在中心服務器上，

2）實時監測模塊

該模塊是程序監測的主要顯示界面，采用列表或動態圖、實時曲線形式實時監測傳感器、分站狀態、狀態變動信息等。

3）實時報警管理模塊

當系統發生報警時，實時更新統計報警信息，報警數據包括如下內容，測點編號、測點位置、傳感器、報警狀態、實時描述、報警狀態時刻、斷電狀態時刻、饋電狀態時刻、實時時鐘等信息。

4）圖表查詢模塊

數據分析模塊采用曲線、圖表等形式，完成對監測點歷史數據進行查詢、分析、打印等功能。

5）瓦斯抽放子系統

瓦斯抽放子系統包括模擬圖像﹑實時數據﹑數據分析﹑日報表﹑月報表﹑同步設置六大模塊組成。

6）圖形編輯子系統

用來繪制瓦斯巷道圖、通風布置圖以及傳感器圖庫的制作，也可由礦方AutoCAD圖形直接轉換生成。

7）雙機熱備子系統

該模塊實現雙機熱備功能，運行在服務器端，可以設置雙機熱備切換方式主備機之間通過網絡連接，當主機出現問題時，備機自動切換為主機活動角色。也可以手動進行切換。

8）測點定義子系統

用來設置分站、傳感器、監測點信息，如報警值、斷電值、斷電通道的設置。完成系統控制功能如手動斷電/復電，異地分站控制。

3 現場試驗效果與分析

為驗證系統的可靠性，在山西一家煤礦進行了井下工業性試驗，設備布置圖如圖4所示，在回風順槽和綜采工作面布置了礦用隔爆兼本質安全型數據交換裝置、礦用本安型信號轉換器、在掘進工作面回風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視器等設備。

圖4 設備布置圖Fig.4 Equipment installation

信號轉換器與分站相距4 km，CAN總線電纜連接，數據交換裝置位于變電所，與信號轉換器光纖連接，距離10 km。數據交換裝置與地面的數據交換裝置通過1芯光纖連接，距離10 km。

系統采集的數據如圖5所示，從圖中可以看出，監控系統運行穩定可靠，傳感器沒有出現冒大數等問題。

圖5 系統測點數據列表Fig.5 System test point data list

圖6 網絡結構可靠性測試示意圖Fig.6 Test of network structure reliability

表1 測試結果Tab.1 Testing results

為驗證監控系統的網絡可靠性，本文進行了網絡可靠性試驗測試，測試示意圖如圖6所示，數據交換裝置之間通過雙環冗余的方式連接，數據交換裝置與信號轉換器之間采用手拉手式的結構。在1號數據交換裝置和4號信號轉換器上連接網絡測試設備。3臺數據交換裝置之間連接6根光纖線路。兩個信號轉換器和數據交換裝置之間連接光纖4根。測試結果如表1所示，結果表明，網絡冗余度高，系統安全可靠。

4 結 論

實踐證明，煤礦生產監控系統在我國煤礦生產中具有重要作用。現有的監控系統受煤礦生產的特殊性的制約，在技術先進性、可靠性、實時性等方面還存在不足，通信網絡結構單一、系統兼容性差、監控設備冗余度不高，危險控制響應時間慢等。盡管有些煤礦使用了光纖以太網通信，解決了網絡結構的局部冗余和通信信號防雷問題，但通信網絡分支仍然采用主從式通信方式，并沒有解決整個系統通信速率低、帶寬窄等問題，無法實現多主并發、危險區域快速斷電等關鍵問題，整個系統可靠性沒有得到有效提高。文中通過新一代煤礦安全監控系統技術與試驗研究，建立了多環冗余、多主并發、對等通信的新一代監控系統網絡，有效解決了現有監控系統網絡結構可靠性低的問題。

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