基于移動互聯的煤礦通風機遠程監控技術

馬小平，　吳新忠，　任子暉

(中國礦業大學 信息與電氣工程學院， 江蘇 徐州　221116)

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基于移動互聯的煤礦通風機遠程監控技術

馬小平，吳新忠，任子暉

(中國礦業大學 信息與電氣工程學院， 江蘇 徐州221116)

摘要：針對目前煤礦通風機采用冷備用方式及供電系統采用單母線分段運行方式存在安全隱患的問題，介紹了在通風機不停風倒機控制、風門設計、通風機供電安全、通風機監控系統冗余、通風機故障診斷等方面所做的研究，研究成果的應用提高了煤礦通風機的安全運行水平和自動化程度；針對通風機房位置偏遠、容易陷入信息孤島的問題，采用移動互聯相關技術，構建了基于移動互聯的煤礦通風機遠程監控系統，著重介紹了該系統移動客戶端的功能設計及基于Socket通信的客戶端和服務器端程序設計。該煤礦通風機遠程監控系統采用GPRS-DTU模塊從PLC采集數據，通過GPRS網絡將監控數據上傳至基于PC的數據服務中心，并通過數據服務中心與移動客戶端的Socket通信，實現隨時隨地的通風機遠程監控功能。

關鍵詞：通風機監控； 移動互聯； GPRS-DTU； Android系統； Socket編程

0引言

近年來，隨著移動網絡傳輸速率的不斷提高，中國移動互聯網產業發展所需的各方面條件逐漸成熟，開始步入高速發展期。另一方面，移動終端得到普及，從單純是通信網絡的終端向多功能方向發展，越來越多的移動終端配備了開放式操作系統，移動終端和互聯網的無縫連接已經形成。以此為契機，在商業領域，移動平臺已成功占領了計算機平臺的終端銷售市場，而這一潮流也開始滲透進工業監控領域，使用戶能夠隨時隨地接入監控系統成為訴求。雖然移動互聯在工業監控領域的應用仍存在安全、流量費用等問題，但不可否認，基于移動互聯的遠程監控系統已逐漸形成了PC終端監控的一個重要補充。

本文針對煤礦通風機監控領域展開研究。首先介紹了在通風機備用實時性和監控可靠性方面所做的研究工作，提出的新理念、裝備和技術的引入為實現通風機遠程監控提供了良好的現場設備基礎；接下來應用移動互聯技術，構建了基于移動互聯的煤礦通風機遠程監控系統，使得相關人員可通過手機終端隨時隨地查詢通風機安全監控信息，以保障監控信息的及時傳遞與處理。

1煤礦通風機監控系統現狀

據統計, 中國煤礦事故60%以上是由通風管理不善、瓦斯濃度過高引起的。為了保證煤礦通風安全，《煤礦安全規程》規定煤礦通風機采用一用一備的工作方式，且采用單母線分段的雙回路供電系統。但實際應用中，備用通風機和備用供電系統的功能發揮嚴重不足，具體表現在：① 通風機采用冷備用方式，其啟動和掛網具有不確定性，導致每一次倒機都成為通風安全隱患。② 供電系統采用單母線分段運行方式，一旦發生電源故障，需要通過切斷故障電源的刀閘和斷路器、閉合備用電源的刀閘和斷路器、閉合母聯等一系列操作來實現供電電源的切換。該操作主要由人工完成，常常錯失合閘的最佳時機，延長停風時間，容易造成通風事故擴大化[1]。

1.1通風機不停風倒機的實現

除冷備用方式導致通風機啟動和掛網的不確定性外，對于高瓦斯礦井，通風機停機倒機方式還會引起瓦斯積聚，對礦井安全生產造成隱患。筆者提出通風機熱備用思路，即在停轉原運行通風機之前啟動備用通風機，通過通風機由冷備用向熱備用過渡來消除通風機啟動的不確定性。在備用通風機正常啟動后，通過風道上的風門實現風路切換，將傳統停機倒機過程中的通風系統停風改為在風門切換風路的較短時間內的風量波動，實現通風機不停風倒機。但現有通風回路無法實現備用通風機倒機前啟動，因此必須進行風道改造。圖1為改造前的通風回路，設1號通風機處于運行狀態，則2號通風機處于備用狀態，為備用通風機。根據軸流式通風機的特點，要想正常啟動，必須打開風門，否則會造成通風機堵轉。而備用通風機的主風門一旦開啟，將會形成短路風，使井下無風或微風，此時備用通風機會因風流的作用處于反向旋轉狀態，不利于啟動。

(a) 側視

(b) 俯視

圖2為改造后的通風回路，在2條風道上均設置了對空短路風門，備用通風機通過對空短路風門實現提前啟動。該通風機不停風倒機控制方案于2009年在平煤五礦投入使用，實際運行表明，該方案設計合理，提高了倒機成功率；倒機時間由原來的5～6 min縮短為30 s以內，倒機期間井下風量波動不超過40%。另外，利用容錯技術，通風機監控系統還實現了通風機故障情況下的自動切換[2-3]。

(a) 側視

(b) 俯視

1.2高性能自密式旋葉風門的研究和應用

采用通風機不停風倒機控制方案后，傳統的依靠鋼絲繩提拉和重力降落實現開閉的閘板風門面臨巨大挑戰，尤其是在帶風阻的情況下啟閉時，將承受巨大壓力，容易卡死，成為控制方案中最不安全的因素。為了提高控制方案的可靠性，筆者所在團隊研發了自密式旋葉風門，如圖3所示。

圖3　自密式旋葉風門

與傳統的閘板風門相比，自密式旋葉風門將一整塊閘板替換成多組葉片，基于均壓思想，葉片采用菱形結構，轉軸置于中間，在大風阻情況下開、閉靈活，提高了風路切換的安全性。另外，該風門葉片切換速度快，30 s即可完成風門狀態轉換，在開啟狀態下風阻小，在關閉狀態下漏風低。

1.3主要通風機供電安全水平提升的研究

煤礦通風機供電系統常用雙回路供電、單母線分段運行方式。為了提高主要通風機供電安全水平，筆者所在的研究團隊提出在電源故障情況下，采用高壓快切裝置快速切換至備用電源。高壓快切裝置安裝在2路進線上，如圖4所示，采用母聯切換的工作方式。與低壓系統常用的備用進線自動投入裝置不同，高壓快切裝置具有邏輯判斷和智能選擇多種投切方式，以確保投切過程中主要通風機平穩運行，減小啟動沖擊電流。

圖4　高壓快切裝置接入供電系統示意

對于高速運行的大型電動機負載，在電源進線發生故障造成母線失電時，電動機由于慣性會維持運轉，形成反電動勢，即在母線上形成殘壓。母線殘壓在一段時間內存在。需要盡可能降低母線殘壓對電網造成的沖擊，防止備用電源上級跳閘，使停電事故擴大。 針對該問題，高壓快切裝置有3種投切時機：① 快速切換區域：在電源失電瞬間，高壓快切裝置檢測到母線殘壓與備用電源的相位角相差不大時，完成快速切換。在該區域內切換對電源和主要通風機沖擊最小，可保證在50～180 ms完成。② 同期捕捉區域：若失去快速切換區域時機，高壓快切裝置將在同期捕捉區域進行同相位角(相差±5°)切換。在該區域切換對電源和主要通風機影響小，可保證在500～700 ms內完成。③ 殘壓切換區域：若失去上述2個投切區域時機，高壓快切裝置將在母線殘壓降到40%以下時投切。在該區域切換對電源和主要通風機有一定影響，但比冷備用啟動平穩。

1.4通風機監控系統的冗余設計

為了提高通風機監控系統的可靠性，筆者所在的研究團隊致力于系統冗余設計。從2012年開始，陸續研發了如圖5(a)所示的基于昆騰系列PLC硬冗余的通風機監控系統和如圖5(b)所示的基于S7-300系列PLC軟冗余的通風監控系統。系統中CPU和工控機均采用雙機熱備形式，正常情況下主機處于工作狀態，從機處于監視狀態，一旦從機發現主機異常，將會在很短的時間內代替主機。硬冗余系統由硬件實現主從機切換，切換時間為ms級；軟冗余系統則通過軟件實現，切換時間為s級。

(a) 硬冗余設計

(b) 軟冗余設計

1.5主要通風機故障分類、診斷、預警和智能控制

針對目前中國主要通風機故障樣本偏少的現狀，筆者所在研究團隊針對通風機故障預警、診斷和智能控制技術進行了大量研究，根據故障特征實現了主要通風機電氣和機械故障、主要通風機進線電源故障和主要通風機性能故障的快速分類。針對電氣和機械故障、進線電源故障，分別采用不停風倒機控制方案和高壓快切裝置立即進行處理；對于性能故障，采用基于人工免疫的思想，實現了基于距離函數的主要通風機故障預警和分類。上述方法已成功應用于煤礦通風機監控系統，保障了通風機的安全運行[3]。

1.6通風機監控系統存在的不足

通風機房一般位置偏僻、遠離調度室，通風機監控系統容易淪為信息孤島，即使接入局域網，實時數據的獲取地點仍局限于工業現場和調度室。安全管理人員和主管領導一旦離開辦公場所，將無法獲得通風機運行實時信息，無法對突發事件進行快速響應和科學決策。

2移動互聯相關技術

2.1移動互聯與終端設備

移動互聯是將移動通信和互聯網結合，用戶借助移動終端設備(手機、PDA)，通過網絡訪問互聯網。隨著技術的進步，移動互聯網成為繼寬帶技術后互聯網發展的又一推動力。隨著3G技術的普遍應用和4G技術的推廣，越來越多的傳統互聯網用戶開始借助移動終端設備享用移動互聯網的便利服務。

2.2GPRS網絡

GPRS (General Packet Radio Service，通用無線分組業務)采用基于GSM(Global System for Mobile Communication，全球移動通信系統)的無線高速數據分組傳輸技術，理論傳輸速率達171. 2 kbit/s。自2002年7月GPRS在中國移動通信行業開始出現，至今已大面積應用于多媒體、互聯網通信服務領域，使得在工業數據監測與傳輸中利用Internet實現遠距離、寬范圍的數據傳輸和管理成為可能。

2.3移動平臺的Android 技術

Android系統從 2009 年發布至今，隨著技術的不斷發展和成熟，在移動終端中所占比例正逐步上升。開放性、便攜性、良好的兼容性、無縫結合網絡通信等特點使Android系統在各個領域都有廣泛應用。

3基于移動互聯的通風機遠程監控系統整體設計

圖6為基于移動互聯的通風機遠程監控系統整體架構。

圖6　基于移動互聯的通風機遠程監控系統整體架構

該系統設計方案包含2個關鍵點：① GPRS DTU是一種基于GPRS網絡的終端設備，通過RS485接口與PLC通信，讀取現場監測數據和輸出控制信號，另一側則通過GPRS網絡實現與互聯網的無縫連接。因此，基于PC平臺的數據服務中心可布置到任何一個有互聯網網絡連接的地方，突破了局域網的地域限制。② 移動客戶端通過3G，4G， WiFi網絡以無線方式實現遠程監控，以滿足用戶隨時隨地的監控接入需求。

在構建了基于PC平臺的數據服務中心后，可對系統進行后續功能擴展。圖7為基于移動互聯的系統擴展目標，以期實現基于云計算和大數據技術的多參數整合和與專家知識相結合的遠程主動分析預警、控制功能[4]。為了實現數據服務器在網絡上被定位，基于PC平臺的數據服務中心需設置固定的IP地址。

圖7　基于移動互聯的通風機遠程監控系統擴展目標

4基于移動互聯的通風機遠程監控系統軟件設計

4.1移動客戶端功能模塊

根據通風機監控的需求分析，基于移動互聯的通風機遠程監控系統移動客戶端功能模塊如圖8所示。

圖8　煤礦通風機遠程監控系統移動客戶端功能模塊

在系統移動客戶端歡迎界面中，用戶通過在安全登錄模塊輸入數據服務器端的域名和端口號進行身份校驗，保證授權合法用戶安全登錄。用戶登錄成功后，跳轉至程序主界面。主界面包括通風機安全監測模塊、通風機安全控制模塊、通風歷史數據查詢模塊和系統遠程維護模塊，點擊任意功能模塊即可進入相應的功能主界面。通風機安全監測模塊實時獲取煤礦通風機運行參數和通風系統性能參數，采用簡單圖表形式呈現，使用戶實時掌握通風機安全運行情況，并提供超限實時報警功能。通風機安全控制模塊方便用戶對通風機的現場設備進行遠程控制，出于安全考慮，該模塊需要單獨設置授權登錄密碼。通風歷史數據查詢模塊提供歷史數據查詢人機接口，具有曲線分析和報表統計2種表現形式，其中曲線分析提供通風機工況歷史曲線分析，報表統計實現通風監測數據的歷史報表生成和日報、周報的自動統計。系統遠程維護模塊可根據監測數據，結合專家知識或由相關專家進行系統遠程管理、維護、安裝和參數配置，該模塊同樣需要單獨設置登錄密碼[5-6]。

4.2基于Socket通信的客戶端和服務器端

目前主要有Http和Socket2種通信方式實現基于Android系統的客戶端與服務器端的通信。Http通信采用請求-響應方式，即在請求時建立連接通道，當客戶端向服務器端發送請求后，服務器端才能向該客戶端返回數據。如果在開發網站時，出于后臺數據服務器的安全考慮，將訪問權限設置為不能直接從網站數據庫獲取數據，即沒有開發服務器端的任何數據接口，此時基于Android系統的客戶端只能選擇Http通信方式，設計核心為如何從服務器端返回的靜態頁面中提取請求返回的數據。Socket通信方式可使客戶端通過TCP協議連接到服務器端，且在雙方建立連接后進行數據雙向傳輸，可實現信息的主動推送，無需每次由客戶端向服務器端發送請求，降低了數據丟失率，且使用簡單，易于移植。

在基于移動互聯的通風機遠程監控系統中，基于Android系統的移動終端(客戶端)與基于PC平臺的數據服務中心(服務器端)通過Socket通信方式來實現交互。服務器端程序包括1個提供 TCP 連接服務的 Server Socket類對象和1個參與通信的 Socket 對象，客戶端程序只包含1個參與通信的 Socket 對象。服務器端的 Server Socket 類對象提供 TCP 連接服務，實際進行通信的是服務器端的 Socket 對象和客戶端的 Socket 對象。連接成功后，Socket對象便可使用流接口進行打開、讀、寫、關閉等操作。

基于移動互聯的通風機遠程監控系統基于C/S模式設計。數據服務中心和移動終端的Socket通信過程：① 建立偵聽。數據服務中心通過Server Socket()建立一個偵聽線程，負責偵聽服務器端程序所指定的端口，等待移動終端發來的會話請求。② 創建Socket。移動終端應用程序通過new Socket()創建一個包含服務器IP地址(域名)和指定端口號的Socket對象，該Socket對象向數據服務中心發送會話請求，試圖與其建立連接。③ 接受請求。服務器端的偵聽線程監聽到移動終端發來的會話請求，通過.accept()接受請求，并創建一個Socket接收連接對象，與移動終端通信。④ 接收數據。當移動終端接收到數據服務中心的接收請求響應數據后，雙方建立Socket通信，移動終端通過Socket對象創建一個Buffered Reader(),使用.get Input Stream()來獲取服務器通過Buffered Writer()傳來的監控數據。⑤ 結束通信。通信完畢后，通過os.close()，is.close()，socket.close()關閉輸出輸入流，并關閉Socket端口，完成Socket通信。

客戶端應用程序在接收到服務器端監測數據后，使用Android系統內置的SQLite數據庫進行保存[7]。

5結語

(1) 總結了在提高通風機監控系統安全可靠性方面所做的研究和實踐工作，為實現通風機遠程監控打下基礎。

(2) 提出并設計了基于移動互聯的煤礦通風機遠程監控系統。該系統通過GPRS網絡獲取通風機監控系統現場數據，解決了現有通風機房地理位置偏遠、容易成為信息孤島的問題，同時突破了監控數據在煤礦局域網內傳輸的區域限制。

(3) 選用Socket 通信方式進行移動客戶端與數據服務中心的交互，實現了基于移動互聯的通風機遠程監控功能。相關人員可通過客戶端應用程序隨時隨地接入系統，并做出快速響應，對防止煤礦通風相關事故、避免事故的擴大所帶來的次生災害起到了極大的作用。

參考文獻：

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[5]龔炳江, 唐宇敬.Android平臺下煤礦瓦斯監控系統客戶端研究[J].煤礦安全, 2013, 44(4):122-124.

[6]劉潔.基于移動互聯網的煤礦安全智能監控系統設計[J].軟件, 2011(12):36-38.

[7]李寧.Android開發完全講義[M].2版.北京：中國水利水電出版社,2012.

Ventilator remote monitoring technology of coal mine based on mobile Internet

MA Xiaoping,WU Xinzhong,REN Zihui

(School of Information and Electrical Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China)

Abstract:For hidden danger caused by cold standby mode of coal mine ventilator and single bus segmentation operation mode of power supply system at present, a series of research work were introduced about switchover without blowing-out of ventilator, air door design, power safety of ventilator, redundancy of ventilator monitoring system, fault diagnosis of ventilator, etc. Application of corresponding research achievements improves safe operation level and automation degree of coal mine ventilator. Since ventilator room locates on remote places and ventilator monitoring system is easy to falling into information isolated island, a remote monitoring system of coal mine ventilator based on mobile Internet was built by use of corresponding mobile Internet technologies. Function design of mobile client of the system and program design of client and server based on Socket communication were introduced in details. The system collects data from PLC by use of GPRS-DTU module and uploads the data to server through GPRS network, which realizes remote monitoring function of ventilator anytime and anywhere through Socket communication between server and mobile client.

Key words:ventilator monitoring; mobile Internet; GPRS-DTU; Android system; Socket programming

中圖分類號：TD67/724

文獻標志碼：A網絡出版時間：2016-03-07 15:10

作者簡介：馬小平(1961-)，男，四川綿陽人，教授，博士，博士研究生導師，主要研究方向為煤礦綜合自動化、礦山物聯網技術等，E-mail:xpma@cumt.edu.cn。

基金項目：國家自然科學基金資助項目(61303183)；江蘇省自然科學基金資助項目(BK20130204)；高等學校博士學科點專項科研基金資助項目(20120095120023)。

收稿日期：2015-12-01；修回日期：2016-02-24；責任編輯：李明。

文章編號：1671-251X(2016)03-0007-06

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.03.002

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160307.1510.002.html

馬小平，吳新忠，任子暉.基于移動互聯的煤礦通風機遠程監控技術[J].工礦自動化，2016,42(3)：7-12.