摘要：針對現(xiàn)有煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸還主要采用主從式、基帶傳輸或FSK傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?，使得通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)單一、監(jiān)控設(shè)備冗余度不高、危險控制響應(yīng)時間慢等缺點，本文提出新一代煤礦監(jiān)控系統(tǒng)研究，論文建立了新一代煤礦監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，并對系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)進行了深入研究，研究了基于現(xiàn)場總線的多主分站通信技術(shù)及監(jiān)控軟件技術(shù)，然后對系統(tǒng)進行了井下現(xiàn)場工業(yè)性試驗與測試，結(jié)果表明，新一代煤礦監(jiān)控系統(tǒng)無需上位機便可自動完成分站之間的對等通信與控制功能，響應(yīng)時間小于5 s，且網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可靠性高，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，斷開冗余線路的任何一根光纖，自恢復(fù)時間不大于20 ms。
關(guān)鍵詞：多環(huán)冗余；多主通信；監(jiān)控系統(tǒng)；現(xiàn)場總線；網(wǎng)絡(luò)管理

    煤炭工業(yè)的健康發(fā)展是構(gòu)建和諧社會的前提和保障。我國煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜，瓦斯、火災(zāi)、頂板動力、沖擊地壓等自然災(zāi)害嚴重，防災(zāi)抗災(zāi)難度大，并且我國煤礦以井工開采為主，井工礦數(shù)量和產(chǎn)量均占全國煤礦總數(shù)和產(chǎn)量的90％以上。井工礦井下巷道管網(wǎng)條件又增大了災(zāi)害防治的難度，一旦發(fā)生事故容易誘發(fā)其他災(zāi)害發(fā)生，產(chǎn)生重特大事故。在各類煤礦事故類型當中，煤礦瓦斯災(zāi)害屬重特大災(zāi)害類型之一，因此，煤礦監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展一直得到國家的高度重視，《國務(wù)院關(guān)于進一步加強企業(yè)安全生產(chǎn)工作的通知》(國發(fā)[2010]23號)將安全監(jiān)控作為煤礦六大系統(tǒng)之一，要求各地煤礦強制安裝。
    煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的安裝應(yīng)用為提高煤礦企業(yè)的生產(chǎn)水平起到了至關(guān)重要的作用，但由于受技術(shù)發(fā)展和煤礦特殊生產(chǎn)條件制約，現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)大多數(shù)還采用主從式通信結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)傳輸速率低和冗余差，極易發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸中斷，無法實現(xiàn)設(shè)備間互聯(lián)互控、危險區(qū)域快速控制，為了進一步提高煤礦生產(chǎn)水平，有必要對監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可靠性技術(shù)進行研究，形成新一代的煤礦生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)。

1 新一代煤礦監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    新一代煤礦監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示，是一種多環(huán)冗余、多主并發(fā)的對等通信網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中包括兩個環(huán)，一個大環(huán)，一個小環(huán)，大環(huán)套小環(huán)實現(xiàn)多環(huán)冗余，采用無源光分支技術(shù)，某個信號轉(zhuǎn)換器故障不影響整個系統(tǒng)的運行，抗干擾能力強、運行穩(wěn)定，分站與分站之間采用LonWorks總線傳輸技術(shù)，分站與傳感器之間采用CAN總線技術(shù)，支持網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)，解決了現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性差，節(jié)點較多時網(wǎng)絡(luò)阻抗匹配困難，尤其不具有多主并發(fā)、對等通信功能等問題。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究
2. 1 多環(huán)冗余、多主通信技術(shù)
    文中設(shè)計的多主監(jiān)控分站結(jié)構(gòu)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(xiàn)分站之間的通信與分站級聯(lián)；分站之間并發(fā)、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(yīng)時間小于5 s。智能收發(fā)器選用PL3170電力線智能收發(fā)器，該收發(fā)器在保留原先PL3120電力線智能收發(fā)器的功能外，還在其ROM中的固件中嵌入了ISI功能，開發(fā)者可以使用完整的4 kB應(yīng)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(fā)器用于煤礦井下的非電力傳輸環(huán)境，使得信號傳輸效果更好。PL3170特有的雙頻調(diào)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(shè)計時，為進行設(shè)備配置、安裝和診斷服務(wù)，需要設(shè)備發(fā)送自標識信息，當接地時，設(shè)備發(fā)送包含神經(jīng)元ID和程序ID的報文，服務(wù)管腳輸出通常驅(qū)動一個LED指示燈，顯示設(shè)備的診斷狀態(tài)，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(shè)備進入已配置狀態(tài)，正常工作，如果LED以1／2 Hz的頻率閃爍，說明設(shè)備工作在未配置狀態(tài)，如果LED亮1 s，滅2 s，然后常亮，說明設(shè)備工作在無應(yīng)用程序狀態(tài)。
2．2 監(jiān)控軟件平臺
    地面配套監(jiān)測軟件是整個監(jiān)控系統(tǒng)的信息處理中心。軟件采用B／S和C／S相結(jié)合方式設(shè)計，C／S端運行在服務(wù)器上自動接收下位機上傳的監(jiān)測數(shù)據(jù)，然后根據(jù)設(shè)定值進行報警、斷電、饋電異常狀態(tài)判斷，然后將監(jiān)測值和狀態(tài)信息保存到數(shù)據(jù)庫中，Web終端軟件實時讀取數(shù)據(jù)庫顯示傳感器監(jiān)測值信息。同時根據(jù)報警、斷電等異常狀態(tài)進行分別統(tǒng)計。歷史數(shù)據(jù)采用分月存儲。歷史數(shù)據(jù)采用報表查詢、圖表、曲線等方式呈現(xiàn)，也可以通過導(dǎo)出Excel表格方式在打印機等外部設(shè)備輸出完整、精確的監(jiān)測結(jié)果。
    多主分站監(jiān)控系統(tǒng)是集數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)管理、實時監(jiān)測、歷史查詢、圖表分析的安全監(jiān)控信息平臺，該平臺共分為8個子模塊，分別是：系統(tǒng)設(shè)置、通訊采集、實時監(jiān)測、實時報警、圖表查詢、瓦斯抽放、圖形編輯、雙機熱備系統(tǒng)。如圖3所示。

    1)通訊采集模塊
    通訊采集模塊自動監(jiān)聽分站上傳連接請求，當傳感器監(jiān)測值或狀態(tài)發(fā)生變化時，采集模塊自動接收數(shù)據(jù)，實時解析監(jiān)測值和狀態(tài)。然后將狀態(tài)保存到數(shù)據(jù)庫中。同時具有通訊狀態(tài)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(shù)進行開發(fā)，以后臺服務(wù)方式運行在中心服務(wù)器上。
    2)實時監(jiān)測模塊
    該模塊是程序監(jiān)測的主要顯示界面，采用列表或動態(tài)圖、實時曲線形式實時監(jiān)測傳感器、分站狀態(tài)、狀態(tài)變動信息等。
    3)實時報警管理模塊
    當系統(tǒng)發(fā)生報警時，實時更新統(tǒng)計報警信息，報警數(shù)據(jù)包括如下內(nèi)容，測點編號、測點位置、傳感器、報警狀態(tài)、實時描述、報警狀態(tài)時刻、斷電狀態(tài)時刻、饋電狀態(tài)時刻、實時時鐘等信息。
    4)圖表查詢模塊
    數(shù)據(jù)分析模塊采用曲線、圖表等形式，完成對監(jiān)測點歷史數(shù)據(jù)進行查詢、分析、打印等功能。
    5)瓦斯抽放子系統(tǒng)
    瓦斯抽放子系統(tǒng)包括模擬圖像、實時數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)分析、日報表、月報表、同步設(shè)置六大模塊組成。
    6)圖形編輯子系統(tǒng)
    用來繪制瓦斯巷道圖、通風(fēng)布置圖以及傳感器圖庫的制作，也可由礦方AutoCAD圖形直接轉(zhuǎn)換生成。
    7)雙機熱備子系統(tǒng)
    該模塊實現(xiàn)雙機熱備功能，運行在服務(wù)器端，可以設(shè)置雙機熱備切換方式主備機之間通過網(wǎng)絡(luò)連接，當主機出現(xiàn)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(tǒng)
    用來設(shè)置分站、傳感器、監(jiān)測點信息，如報警值、斷電值、斷電通道的設(shè)置。完成系統(tǒng)控制功能如手動斷電／復(fù)電，異地分站控制。

3 現(xiàn)場試驗效果與分析
    為驗證系統(tǒng)的可靠性，在山西一家煤礦進行了井下工業(yè)性試驗，設(shè)備布置圖如圖4所示，在回風(fēng)順槽和綜采工作面布置了礦用隔爆兼本質(zhì)安全型數(shù)據(jù)交換裝置、礦用本安型信號轉(zhuǎn)換器、在掘進工作面回風(fēng)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(jiān)視器等設(shè)備。

    信號轉(zhuǎn)換器與分站相距4 km，CAN總線電纜連接，數(shù)據(jù)交換裝置位于變電所，與信號轉(zhuǎn)換器光纖連接，距離10 km。數(shù)據(jù)交換裝置與地面的數(shù)據(jù)交換裝置通過1芯光纖連接，距離10 km。
    系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)如圖5所示，從圖中可以看出，監(jiān)控系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，傳感器沒有出現(xiàn)冒大數(shù)等問題。

    為驗證監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)可靠性，本文進行了網(wǎng)絡(luò)可靠性試驗測試，測試示意圖如圖6所示，數(shù)據(jù)交換裝置之間通過雙環(huán)冗余的方式連接，數(shù)據(jù)交換裝置與信號轉(zhuǎn)換器之間采用手拉手式的結(jié)構(gòu)。在1號數(shù)據(jù)交換裝置和4號信號轉(zhuǎn)換器上連接網(wǎng)絡(luò)測試設(shè)備。3臺數(shù)據(jù)交換裝置之間連接6根光纖線路。兩個信號轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)交換裝置之間連接光纖4根。測試結(jié)果如表1所示，結(jié)果表明，網(wǎng)絡(luò)冗余度高，系統(tǒng)安全可靠。

4 結(jié)論
    實踐證明，煤礦生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)在我國煤礦生產(chǎn)中具有重要作用?，F(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)受煤礦生產(chǎn)的特殊性的制約，在技術(shù)先進性、可靠性、實時性等方面還存在不足，通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)單一、系統(tǒng)兼容性差、監(jiān)控設(shè)備冗余度不高，危險控制響應(yīng)時間慢等。盡管有些煤礦使用了光纖以太網(wǎng)通信，解決了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的局部冗余和通信信號防雷問題，但通信網(wǎng)絡(luò)分支仍然采用主從式通信方式，并沒有解決整個系統(tǒng)通信速率低、帶寬窄等問題，無法實現(xiàn)多主并發(fā)、危險區(qū)域快速斷電等關(guān)鍵問題，整個系統(tǒng)可靠性沒有得到有效提高。文中通過新一代煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)與試驗研究，建立了多環(huán)冗余、多主并發(fā)、對等通信的新一代監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，有效解決了現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可靠性低的問題。