韓　寧,燕　飛,杜廣微,闞江明

(北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院,北京100083)

摘　要:針對目前使用的煤礦瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)存在的種種問題,設(shè)計了一種礦井瓦斯遠(yuǎn)程多級監(jiān)控監(jiān)管網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)架平臺。該平臺集成了上層數(shù)據(jù)管理網(wǎng)絡(luò)與下層現(xiàn)場監(jiān)控網(wǎng)絡(luò),具有遠(yuǎn)程監(jiān)控、監(jiān)管、維護(hù)、故障診斷和事故預(yù)警與決策功能。其中基于嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的井上監(jiān)控終端提高了系統(tǒng)的可靠性,基于歷史數(shù)據(jù)和專家經(jīng)驗知識的決策支持系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對瓦斯事故的預(yù)警與預(yù)報。

關(guān)鍵詞:瓦斯;遠(yuǎn)程監(jiān)控;嵌入式技術(shù);決策支持系統(tǒng)

中圖分類號:TD76　　　　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A　　　文章編號:1003-496X(2006)05-0010-04

Design of Digital Gas Remote Monitoring NetworkHAN Ning,YAN Fei,DU Guang-wei,KAN Jiang-ming(School of Technology, Beijing Forestry University, Beijing100083China)Abstract:In view of many issues from the present gas detection systems, a kind of multi-stage monitoring & management systemframe for the coal mine gas safety is designed. The upper data management network and the lower local monitoring control networkare integrated in this frame. Such functions as remotely monitoring, control, management, fault diagnosis, accident forecasting and

decision can be implemented.Key words:gas;remote monitoring;embedded technology;DSS

1　瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問題

隨著計算機技術(shù)、通信技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展,科技工作者在煤礦瓦斯災(zāi)害的治理上做了大量細(xì)致的工作,越來越多的研究成果(國內(nèi)的KJ系列、AI系列、FDM系列、CMM、CMC系列等)被廣泛應(yīng)用到煤礦現(xiàn)場,對預(yù)防煤礦瓦斯事故的發(fā)生起到了重要的作用[1-4]。但是大多數(shù)瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)在目前的實際使用過程中存在極大安全隱患,主要表現(xiàn)在:①多數(shù)瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)局限于監(jiān)測方面,缺少監(jiān)控能力,更無監(jiān)管功能;②系統(tǒng)控管計算機多采用集中式或集散式系統(tǒng),系統(tǒng)風(fēng)險高度集中,可靠性及容錯性差;③網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)大多沒有采用國際標(biāo)準(zhǔn)的控制網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議,系統(tǒng)擴展和升級能力差;④系統(tǒng)不具備遠(yuǎn)程故障診斷和遠(yuǎn)程維護(hù)功能,常常由于維護(hù)滯后使系統(tǒng)不能正常工作;⑤系統(tǒng)不具備礦端設(shè)備免維護(hù)功能,使其成為整個系統(tǒng)的瓶頸;⑥礦端監(jiān)控設(shè)備缺乏黑匣子功能,不能對事故起因分析提供有效依據(jù);⑦一些系統(tǒng)缺乏聯(lián)動和閉鎖功能;⑧瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)不具備瓦斯事故決策支持系統(tǒng)的功能,無法對瓦斯事故進(jìn)行預(yù)報、預(yù)警及向用戶提供避免事故的對策和方案。

2　數(shù)字化瓦斯遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

數(shù)字化瓦斯遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的研究,綜合考慮了監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的開放性、可靠性、實時測控、數(shù)據(jù)共享、遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程維護(hù)和診斷、系統(tǒng)的可裁減性及兼容性等要素,全面提高了瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控監(jiān)管能力及煤礦安全保障能力[5-6]。數(shù)字化瓦斯遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的總體框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。從該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖可以看出,整個系統(tǒng)的硬件部分由現(xiàn)場監(jiān)控層、信息傳輸層和信息管理層3部分組成。

2.1　現(xiàn)場控制層

現(xiàn)場監(jiān)控層主要完成煤礦井下現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)和圖像信息等現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、現(xiàn)場設(shè)備的控制、瓦斯風(fēng)電的聯(lián)鎖控制和在井上監(jiān)控室現(xiàn)場參數(shù)以及報警信號的顯示?，F(xiàn)場監(jiān)控層主要包括井下分站、井上監(jiān)控終端、Internet服務(wù)器、攝像機、視頻編碼器、網(wǎng)絡(luò)交換機、不間斷電源、Lon/485網(wǎng)關(guān)和通訊電纜等設(shè)備,其中主要設(shè)備特性、功能如下:

(1) 井下分站:是一個采用LonWorks技術(shù)、符合LonMark國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場智能控制設(shè)備,內(nèi)設(shè)神經(jīng)元微控制器和數(shù)據(jù)處理程序,是整個管理系統(tǒng)的核心。它完成現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)和報警信息采集、局部通風(fēng)機等設(shè)備的聯(lián)動控制,通過雙絞線或者電力線通訊介質(zhì)與上級網(wǎng)絡(luò)相聯(lián),向上傳輸參數(shù)信息和報警信息,同時從上級網(wǎng)絡(luò)接收相關(guān)控制指令。分站具有“黑匣子”功能,當(dāng)意外斷電或被損壞時能存儲24 h數(shù)據(jù)和報警信息。

(2)井上監(jiān)控終端。是一個以嵌入式技術(shù)為基礎(chǔ),具有圖像顯示/觸摸控制功能的免維護(hù)/少維護(hù)、體積小、低功耗、低成本的用于顯示現(xiàn)場參數(shù)和報警信息終端設(shè)備。其圖像屏幕可以以動畫方式顯示現(xiàn)場參數(shù)及其趨勢圖形、現(xiàn)場報警信息等;設(shè)備免維護(hù)或者少維護(hù),不需要現(xiàn)場管理人員具有很高的計算機專業(yè)技能,避過去PC機作為監(jiān)控終端時,因出現(xiàn)計算機系統(tǒng)故障而影響生產(chǎn)及生產(chǎn)安全的情況發(fā)生。

圖1　遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

(3)Internet服務(wù)器。是一個由LonWorks分布式控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)明者美國Echelon公司和世界著名網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供應(yīng)商美國Cisco公司共同研制的一種網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備。它可以將LonWorks分布式控制網(wǎng)絡(luò)無縫地接入TCP/IP信息網(wǎng)絡(luò)中,支持系統(tǒng)的控制程序遠(yuǎn)程下載和系統(tǒng)故障的遠(yuǎn)程診斷。它的外部端口提供了少量的開關(guān)量輸入輸出和脈沖輸入端口,支持開關(guān)量信息的采集和控制。通過其內(nèi)置的簡單的Web服務(wù)器,可通過瀏覽器訪問井下的參數(shù)信息和報警信息。另外它也支持?jǐn)?shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)報警和時序調(diào)度功能。

(4)Lon/485網(wǎng)關(guān)。將LonWorks網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包和其它網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(如RS485)數(shù)據(jù)包相互轉(zhuǎn)換,使用戶原有基于RS485技術(shù)的監(jiān)測監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)能夠納入整個監(jiān)控管理系統(tǒng)中來,有效地保護(hù)了用戶的投資。

(5)其它設(shè)備。攝像機、視頻編碼器、網(wǎng)絡(luò)交換機、不間斷電源和通訊電纜與常規(guī)網(wǎng)絡(luò)中對應(yīng)設(shè)備的特性、功能相似,在此不進(jìn)行詳細(xì)說明。

2.2　信息傳輸層

信息傳輸層主要完成現(xiàn)場參數(shù)信息、報警信息和圖像信息的上傳,或者上級管理部門控制指令、配置參數(shù)和系統(tǒng)應(yīng)用程序的下傳,以及其它類型的服務(wù)數(shù)據(jù)傳輸。信息傳輸層可以采用基于TCP/IP協(xié)議、符合IEEE802標(biāo)準(zhǔn)的光纖網(wǎng)和專用無線網(wǎng),或GSM/GPRS網(wǎng)等寬頻網(wǎng)絡(luò)。在特殊情況下,也可以采用電話線載波網(wǎng)絡(luò),其優(yōu)點是不需要重新建設(shè)網(wǎng)絡(luò),缺點是由于帶寬有限,僅能傳輸參數(shù)信息和報警信息等少量數(shù)據(jù)。各種網(wǎng)絡(luò)對比如下:

(1)光纖網(wǎng)。光纖信息傳輸網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點是:通訊距離遠(yuǎn)、網(wǎng)絡(luò)帶寬寬、可傳輸控制、圖像、語音等多種數(shù)據(jù)信息;但其缺點是:重新鋪設(shè)網(wǎng)絡(luò)的工程量大,許多煤礦的地理位置都比較偏僻,系統(tǒng)造價高。

(2)專用無線網(wǎng)。通過在煤礦安裝無線微波發(fā)射機站,在上級監(jiān)控中心安裝無線微波接收機站即可實現(xiàn)煤礦安全管理系統(tǒng)的信息傳輸,其優(yōu)點是:與光纖網(wǎng)絡(luò)相比,網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的工程量較小,不會因煤礦的地理位置偏僻而增大網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的難度;其缺點是:網(wǎng)絡(luò)帶寬較光纖網(wǎng)絡(luò)較小,能達(dá)到10 M左右。

(3)GSM/GPRS網(wǎng)。GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)與專用無線信息傳輸網(wǎng)絡(luò)相比,只需要在煤礦和上級監(jiān)控中心的信息網(wǎng)絡(luò)接口處安裝GSM/GPRS通訊模塊。其優(yōu)點是:不需要建設(shè)專用通訊網(wǎng)絡(luò),系統(tǒng)前期投資小,幾乎不受煤礦地理位置的限制;其缺點是:網(wǎng)絡(luò)帶寬小,帶寬不足1 M,僅能傳輸參數(shù)和報警信息等小容量數(shù)據(jù),系統(tǒng)運行期間需要一定的額外運行成本。

數(shù)字化瓦斯遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的信息傳輸層可以根據(jù)煤礦所在地理位置、網(wǎng)絡(luò)接口的提供與否及其類型、要傳輸信息的容量大小、用戶的建設(shè)成本和運行成本等情況設(shè)計為不同的方案,甚至在某一種方案基礎(chǔ)之上根據(jù)用戶的需求進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟脺p,最大程度地滿足用戶的需求,保護(hù)用戶的投資。

2.3　信息管理層

信息管理層主要完成對井下安全生產(chǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)的采集、存儲、計算、統(tǒng)計、分析、報表,對報警信息的多媒體顯示及處理,對現(xiàn)場設(shè)備的遠(yuǎn)程維護(hù)和遠(yuǎn)程診斷等功能,通常包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、Web服務(wù)器、本地監(jiān)控工作站和遠(yuǎn)程監(jiān)控工作站等硬件設(shè)備和系統(tǒng)監(jiān)控軟件。

(1)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。是一臺擁有大容量硬盤的計算機,具有很高的可靠性和穩(wěn)定性,是信息管理層的核心。它完成井下安全生產(chǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)的采集、存儲,是Web服務(wù)器和監(jiān)控工作站的數(shù)據(jù)源設(shè)備。

(2)Web服務(wù)器。向本地監(jiān)控工作站和遠(yuǎn)程監(jiān)控工作站提供Web服務(wù)。服務(wù)器上配置防火墻系統(tǒng),防止網(wǎng)絡(luò)用戶的惡意訪問。

(3)監(jiān)控工作站。分為本地監(jiān)控工作站和遠(yuǎn)程監(jiān)控工作站。在本地監(jiān)控工作站上不僅能夠瀏覽生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)信息、圖像信息和報警信息,而且能夠根據(jù)報警信息作出相應(yīng)的控制決策。遠(yuǎn)程工作站用戶登錄后僅能瀏覽生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)信息和報警信息。

(4)監(jiān)控軟件。是監(jiān)控系統(tǒng)中各煤礦生產(chǎn)信息的軟件平臺,它融入了人性化設(shè)計理念,具有簡易的操作方法和友好中文界面。便于操作的儀表盤方式人機界面、直觀動態(tài)顯示畫面和聲音報警提示。

(5)瓦斯事故決策支持系統(tǒng)[7]。構(gòu)建瓦斯事故決策支持系統(tǒng)是利用行業(yè)專家的經(jīng)驗知識,根據(jù)來自現(xiàn)場的監(jiān)控數(shù)據(jù)、行業(yè)專家推理和判斷的過程,決策出發(fā)生瓦斯事故的可能性以及應(yīng)該采取的應(yīng)急方案,以實現(xiàn)對瓦斯事故的預(yù)報、預(yù)警及向用戶提供避免事故的途徑和方法,這對于防止瓦斯事故的發(fā)生以及減少事故損失是非常重要的。決策支持系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2　決策支持系統(tǒng)框圖

3　系統(tǒng)特點

上述構(gòu)建的數(shù)字化瓦斯遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有以下特點:①開放性:網(wǎng)絡(luò)采用標(biāo)準(zhǔn)的控制網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議,遵照國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的規(guī)定,來自不同廠家符合該標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備可以方便互連,此外還可以通過網(wǎng)關(guān)與其他類型網(wǎng)絡(luò)連接;②井下各點實時測控:各井下分站安裝于生產(chǎn)現(xiàn)場,進(jìn)行實時數(shù)據(jù)采集和處理,就地實施控制,同時將一些重要信息送到上級監(jiān)控計算機進(jìn)行處理,也可以和網(wǎng)絡(luò)中其他分站通信;③各分站和井上監(jiān)控終端具有免維護(hù)或少維護(hù)特點,即插即用,不需調(diào)試;④網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享:底層監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中的任何分站所采集的數(shù)據(jù)和運算處理的信息都可以為網(wǎng)絡(luò)共享,可以互相調(diào)用;⑤底層監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)可以采用多種傳輸介質(zhì)和使用多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);⑥系統(tǒng)具有非常高的實時性、準(zhǔn)確性、可靠性、性價比和兼容性;⑦遠(yuǎn)程監(jiān)控、維護(hù)和診斷:除可在井下分站、井上監(jiān)控終端和監(jiān)控中心計算機上了解生產(chǎn)現(xiàn)場信息外,在任何能連接到Internet的地方通過瀏覽器可以了解現(xiàn)場信息,上級管理人員可通過網(wǎng)絡(luò)完成現(xiàn)場設(shè)備的維護(hù)和診斷;⑧系統(tǒng)功能可裁剪:整個系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計方法,實際系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能可以從原型系統(tǒng)功能中任意選擇,充分滿足用戶需求,降低用戶投資。

4　結(jié)束語

數(shù)字化瓦斯遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)適應(yīng)于各種規(guī)模的煤礦安全生產(chǎn)的應(yīng)用,為煤礦自身安全管理部門和各級監(jiān)管部門提供實時狀態(tài)信息檢測及決策。數(shù)字化瓦斯遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的研究與推廣,將為提高我國煤礦安全生產(chǎn)的管理水平作出貢獻(xiàn)。同時低功耗分布式井下分站、基于嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的井上監(jiān)控終端和用于瓦斯事故預(yù)警預(yù)報的決策支持系統(tǒng)等遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)仍待進(jìn)一步深入研究。

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　　作者簡介:韓　寧(1956- ),女,北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院教授,研究方向為系統(tǒng)集成、控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能控制理論及其應(yīng)用等方面。

(收稿日期:2005-10-11;責(zé)任編輯:金麗華)