新一代煤矿井下监控系统研制

摘要：针对现有煤矿监控系统的数据传输还主要采用主从式、基带传输或FSK传输的通信方式，使得通信网络结构单一、监控设备冗余度不高、危险控制响应时间慢等缺点，本文提出新一代煤矿监控系统研究，论文建立了新一代煤矿监控系统结构模型，并对系统关键技术进行了深入研究，研究了基于现场总线的多主分站通信技术及监控软件技术，然后对系统进行了井下现场工业性试验与测试，结果表明，新一代煤矿监控系统无需上位机便可自动完成分站之间的对等通信与控制功能，响应时间小于5 s，且网络结构可靠性高，系统运行稳定，断开冗余线路的任何一根光纤，自恢复时间不大于20 ms。
关键词：多环冗余；多主通信；监控系统；现场总线；网络管理

    煤炭工业的健康发展是构建和谐社会的前提和保障。我国煤矿地质条件复杂，瓦斯、火灾、顶板动力、冲击地压等自然灾害严重，防灾抗灾难度大，并且我国煤矿以井工开采为主，井工矿数量和产量均占全国煤矿总数和产量的90％以上。井工矿井下巷道管网条件又增大了灾害防治的难度，一旦发生事故容易诱发其他灾害发生，产生重特大事故。在各类煤矿事故类型当中，煤矿瓦斯灾害属重特大灾害类型之一，因此，煤矿监控技术的发展一直得到国家的高度重视，《国务院关于进一步加强企业安全生产工作的通知》(国发[2010]23号)将安全监控作为煤矿六大系统之一，要求各地煤矿强制安装。
    煤矿监控系统的安装应用为提高煤矿企业的生产水平起到了至关重要的作用，但由于受技术发展和煤矿特殊生产条件制约，现有监控系统大多数还采用主从式通信结构，数据传输速率低和冗余差，极易发生数据传输中断，无法实现设备间互联互控、危险区域快速控制，为了进一步提高煤矿生产水平，有必要对监控系统网络结构可靠性技术进行研究，形成新一代的煤矿生产监控系统。

1 新一代煤矿监控系统结构
    新一代煤矿监控系统网络结构如图1所示，是一种多环冗余、多主并发的对等通信网络，网络结构中包括两个环，一个大环，一个小环，大环套小环实现多环冗余，采用无源光分支技术，某个信号转换器故障不影响整个系统的运行，抗干扰能力强、运行稳定，分站与分站之间采用LonWorks总线传输技术，分站与传感器之间采用CAN总线技术，支持网状网结构，解决了现有监控系统网络适应性差，节点较多时网络阻抗匹配困难，尤其不具有多主并发、对等通信功能等问题。

2 关键技术研究
2. 1 多环冗余、多主通信技术
    文中设计的多主监控分站结构如图2所示，分站具有4个CAN总线通道，与传感器之间进行通讯；分站具有2个LonWorks总线接口，实现分站之间的通信与分站级联；分站之间并发、对等通信，无需上位机可自行完成不同分站之间的异地控制功能；响应时间小于5 s。智能收发器选用PL3170电力线智能收发器，该收发器在保留原先PL3120电力线智能收发器的功能外，还在其ROM中的固件中嵌入了ISI功能，开发者可以使用完整的4 kB应用程序空间。具备全双工通信硬件UART和SPI串行接口。支持38种可编程标准I／O模式的12个I／O管脚。采用电力线收发器用于煤矿井下的非电力传输环境，使得信号传输效果更好。PL3170特有的双频调制特性可在主频率被噪声阻塞后自动选择备用的第二个通信频率。高性能、低开销的前向纠错算法可克服由于噪声引起的错误。

    在进行LonWorks接口设计时，为进行设备配置、安装和诊断服务，需要设备发送自标识信息，当接地时，设备发送包含神经元ID和程序ID的报文，服务管脚输出通常驱动一个LED指示灯，显示设备的诊断状态，如果LED灯常亮或者常暗，说明硬件损坏，如果LED灯亮1／2 s，然后一直灭，说明设备进入已配置状态，正常工作，如果LED以1／2 Hz的频率闪烁，说明设备工作在未配置状态，如果LED亮1 s，灭2 s，然后常亮，说明设备工作在无应用程序状态。
2．2 监控软件平台
    地面配套监测软件是整个监控系统的信息处理中心。软件采用B／S和C／S相结合方式设计，C／S端运行在服务器上自动接收下位机上传的监测数据，然后根据设定值进行报警、断电、馈电异常状态判断，然后将监测值和状态信息保存到数据库中，Web终端软件实时读取数据库显示传感器监测值信息。同时根据报警、断电等异常状态进行分别统计。历史数据采用分月存储。历史数据采用报表查询、图表、曲线等方式呈现，也可以通过导出Excel表格方式在打印机等外部设备输出完整、精确的监测结果。
    多主分站监控系统是集数据采集、网络管理、实时监测、历史查询、图表分析的安全监控信息平台，该平台共分为8个子模块，分别是：系统设置、通讯采集、实时监测、实时报警、图表查询、瓦斯抽放、图形编辑、双机热备系统。如图3所示。

    1)通讯采集模块
    通讯采集模块自动监听分站上传连接请求，当传感器监测值或状态发生变化时，采集模块自动接收数据，实时解析监测值和状态。然后将状态保存到数据库中。同时具有通讯状态诊断、自动生成运行报告等功能。该模块拟采用VC6．0、Windows Socket、多线程等技术进行开发，以后台服务方式运行在中心服务器上。
    2)实时监测模块
    该模块是程序监测的主要显示界面，采用列表或动态图、实时曲线形式实时监测传感器、分站状态、状态变动信息等。
    3)实时报警管理模块
    当系统发生报警时，实时更新统计报警信息，报警数据包括如下内容，测点编号、测点位置、传感器、报警状态、实时描述、报警状态时刻、断电状态时刻、馈电状态时刻、实时时钟等信息。
    4)图表查询模块
    数据分析模块采用曲线、图表等形式，完成对监测点历史数据进行查询、分析、打印等功能。
    5)瓦斯抽放子系统
    瓦斯抽放子系统包括模拟图像、实时数据、数据分析、日报表、月报表、同步设置六大模块组成。
    6)图形编辑子系统
    用来绘制瓦斯巷道图、通风布置图以及传感器图库的制作，也可由矿方AutoCAD图形直接转换生成。
    7)双机热备子系统
    该模块实现双机热备功能，运行在服务器端，可以设置双机热备切换方式主备机之间通过网络连接，当主机出现问题时，备机自动切换为主机活动角色。也可以手动进行切换。
    8)测点定义子系统
    用来设置分站、传感器、监测点信息，如报警值、断电值、断电通道的设置。完成系统控制功能如手动断电／复电，异地分站控制。

3 现场试验效果与分析
    为验证系统的可靠性，在山西一家煤矿进行了井下工业性试验，设备布置图如图4所示，在回风顺槽和综采工作面布置了矿用隔爆兼本质安全型数据交换装置、矿用本安型信号转换器、在掘进工作面回风流增加高低浓度甲烷传感器、煤矿用一氧化碳传感器、矿用隔爆兼本安型断电控制监视器等设备。

    信号转换器与分站相距4 km，CAN总线电缆连接，数据交换装置位于变电所，与信号转换器光纤连接，距离10 km。数据交换装置与地面的数据交换装置通过1芯光纤连接，距离10 km。
    系统采集的数据如图5所示，从图中可以看出，监控系统运行稳定可靠，传感器没有出现冒大数等问题。

    为验证监控系统的网络可靠性，本文进行了网络可靠性试验测试，测试示意图如图6所示，数据交换装置之间通过双环冗余的方式连接，数据交换装置与信号转换器之间采用手拉手式的结构。在1号数据交换装置和4号信号转换器上连接网络测试设备。3台数据交换装置之间连接6根光纤线路。两个信号转换器和数据交换装置之间连接光纤4根。测试结果如表1所示，结果表明，网络冗余度高，系统安全可靠。

4 结论
    实践证明，煤矿生产监控系统在我国煤矿生产中具有重要作用。现有的监控系统受煤矿生产的特殊性的制约，在技术先进性、可靠性、实时性等方面还存在不足，通信网络结构单一、系统兼容性差、监控设备冗余度不高，危险控制响应时间慢等。尽管有些煤矿使用了光纤以太网通信，解决了网络结构的局部冗余和通信信号防雷问题，但通信网络分支仍然采用主从式通信方式，并没有解决整个系统通信速率低、带宽窄等问题，无法实现多主并发、危险区域快速断电等关键问题，整个系统可靠性没有得到有效提高。文中通过新一代煤矿安全监控系统技术与试验研究，建立了多环冗余、多主并发、对等通信的新一代监控系统网络，有效解决了现有监控系统网络结构可靠性低的问题。