以太網(wǎng)下的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)
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摘要：針對現(xiàn)階段煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中存在的主要問題進(jìn)行詳細(xì)論述，進(jìn)而探討基于以太網(wǎng)的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)所具有的積極現(xiàn)實(shí)意義，并重點(diǎn)闡述了基于光纖傳輸介質(zhì)的工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)所應(yīng)具備的基本架構(gòu)及相應(yīng)的整體設(shè)計(jì)。引入以太網(wǎng)來完成對煤礦的安全監(jiān)控系統(tǒng)的升級和優(yōu)化，是解決井下安全監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸問題的有效途徑。
關(guān)鍵詞：以太網(wǎng)；光纖；煤礦安全；監(jiān)控系統(tǒng)；架構(gòu)及組成
引言
在智慧礦山建設(shè)發(fā)展需求的指引下，我國煤炭行業(yè)的信息化水平在持續(xù)完善中，以先進(jìn)的傳感監(jiān)測設(shè)備和信息通訊網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的安全監(jiān)控系統(tǒng)作為煤炭開采生產(chǎn)過程中重要的實(shí)時(shí)監(jiān)控與管理方式，在提高生產(chǎn)效率、預(yù)警安全隱患等方面的積極作用不容置疑。然而由于缺乏統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及紛亂的監(jiān)控子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)布局等因素的影響，目前大多數(shù)煤礦的安全監(jiān)控系統(tǒng)面臨子系統(tǒng)間信息無法共享、兼容性差、預(yù)警和應(yīng)急聯(lián)動有效性欠佳、系統(tǒng)維護(hù)難度大等突出問題。根據(jù)2020年開始實(shí)行的最新版《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)通用技術(shù)要求》（以下簡稱為《技術(shù)要求》）中的規(guī)定，安全監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)能夠動態(tài)顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)應(yīng)實(shí)現(xiàn)融合聯(lián)動，從而達(dá)到多系統(tǒng)的融合[1]?；谝陨弦?，引入以太網(wǎng)來完成對煤礦的安全監(jiān)控系統(tǒng)的升級和優(yōu)化可以有效地幫助安全監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)易擴(kuò)展、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)，保障其安全有序地運(yùn)行。
1.現(xiàn)階段煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中存在的主要問題
目前，通過對國內(nèi)煤礦所采用監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行匯總分析可知，其所采用的主流架構(gòu)為集散型控制結(jié)構(gòu)，時(shí)分制通訊為主流技術(shù)，主要是由井下監(jiān)控分站將傳感器及執(zhí)行器采集的信息通過阻燃通信線纜傳輸?shù)綌?shù)據(jù)傳輸接口，并由地面的監(jiān)控主機(jī)通過主從式地逐個(gè)巡檢來開展數(shù)據(jù)交換。井上監(jiān)控中心最終只有一臺監(jiān)控主機(jī)利用現(xiàn)場總線形式與井下監(jiān)控分站實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸，其余均為監(jiān)控備用機(jī)?，F(xiàn)有的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)組成圖如圖1所示，常見的通訊模式有RS485、FSK總線形架構(gòu)等。分析該種通訊架構(gòu)可以清晰地看出，現(xiàn)階段煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中存在的主要問題有：（1）隨著《技術(shù)要求》中對礦井監(jiān)控內(nèi)容的日益細(xì)化，信息采集設(shè)備逐漸多樣化和規(guī)模化，安全監(jiān)控系統(tǒng)的反應(yīng)速度已隨之出現(xiàn)明顯的降低趨勢，即串口輪巡周期在不斷增長，不符合最新版的《技術(shù)要求》中對巡檢時(shí)間所做出的相關(guān)規(guī)定。（2）伴隨著煤炭生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模和采掘范圍的擴(kuò)大，井下巷道環(huán)境也愈發(fā)紛亂，對數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的穩(wěn)定性以及傳輸速率等方面的要求也日益嚴(yán)格，現(xiàn)階段的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)無法有效實(shí)現(xiàn)傳輸速率的提升，且其使用的傳輸電纜在井下的惡劣環(huán)境下，不僅極易遭受損壞，而且其抗干擾能力較弱，容易出現(xiàn)誤報(bào)警的現(xiàn)象，數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性欠佳。（3）現(xiàn)階段的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)在冗余設(shè)計(jì)方面存有較大的缺陷，數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹鞲删€路一旦出現(xiàn)故障，將直接造成監(jiān)控系統(tǒng)的失效，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃允艿搅撕艽笙拗?。?）由于缺乏一致的通訊技術(shù)協(xié)議，多類監(jiān)測子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)孤立，數(shù)據(jù)、語音、圖像等的集成程度欠佳，不利于綜合分析和應(yīng)急聯(lián)動的開展，系統(tǒng)的兼容性差，不符合《技術(shù)要求》中要求實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)、多系統(tǒng)融合的設(shè)計(jì)理念，且各自分立的系統(tǒng)會導(dǎo)致礦井里的網(wǎng)絡(luò)布局出現(xiàn)混亂，系統(tǒng)維護(hù)成本有所增加。
2.于以太網(wǎng)的安全監(jiān)控系統(tǒng)的意義
工業(yè)以太網(wǎng)在數(shù)據(jù)傳輸速度、穩(wěn)定性以及抗干擾性等方面的顯著優(yōu)勢，是基于TCP/IP的一種符合IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的開放式高性能網(wǎng)絡(luò)，基于其可建立互聯(lián)性強(qiáng)與兼容性高的通訊網(wǎng)絡(luò)[2]。由于煤炭生產(chǎn)企業(yè)的安全監(jiān)控目標(biāo)分散且井下監(jiān)控布局復(fù)雜，工業(yè)以太網(wǎng)可在惡劣環(huán)境中實(shí)現(xiàn)高傳輸、遠(yuǎn)距離狀況下的便捷遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪問。針對目前采用集散型控制結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)控系統(tǒng)所存有的缺點(diǎn)，構(gòu)建基于以太網(wǎng)的安全監(jiān)控系統(tǒng)將會在數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性以及監(jiān)控子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)綜合集成方面擁有較大的改進(jìn)和完善。雖然工業(yè)以太網(wǎng)在現(xiàn)場通信方面會表現(xiàn)出實(shí)時(shí)性不強(qiáng)的劣勢，但是以工業(yè)以太網(wǎng)為主體架構(gòu)并使用光纖作為傳輸介質(zhì)可有效彌補(bǔ)其在數(shù)據(jù)傳輸方面的不足。光纖通訊憑借其通信容量大、傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸質(zhì)量佳等優(yōu)點(diǎn)，可幫助光纖以太網(wǎng)傳輸系統(tǒng)更快地實(shí)現(xiàn)與井下監(jiān)控分站的數(shù)據(jù)交換，從而幫助地面的監(jiān)控中心實(shí)時(shí)掌握井下各類監(jiān)控設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行情況。構(gòu)建基于以太網(wǎng)的安全監(jiān)控系統(tǒng)，對提高礦山的信息化管理水平以及安全生產(chǎn)能力有著重大意義。
3.于以太網(wǎng)的煤礦監(jiān)控系統(tǒng)
(1)基于以太網(wǎng)安全監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)架及組成將工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用于煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中，主要是以以太環(huán)網(wǎng)為通信平臺，并以阻燃傳輸光纜作為通訊介質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)各監(jiān)控分站就近連接相應(yīng)的環(huán)網(wǎng)交換機(jī)以便開展數(shù)據(jù)傳輸，其系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖2所示，其基本架構(gòu)可劃分為3個(gè)層次，即地面層、控制層和設(shè)備層。地面層是監(jiān)控系統(tǒng)的核心，由監(jiān)控主機(jī)、監(jiān)控備用機(jī)與2臺冗余設(shè)計(jì)的核心環(huán)網(wǎng)交換機(jī)一起完成對井下監(jiān)控設(shè)備真實(shí)情況的實(shí)時(shí)查看、統(tǒng)計(jì)分析，從而為安全管理決策提供數(shù)據(jù)支持。控制層要基于以太環(huán)網(wǎng)接受井下設(shè)備所傳輸?shù)男畔⒑偷孛婵刂浦行乃逻_(dá)的指令，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理及通訊操作。設(shè)備層是由各類承擔(dān)著數(shù)據(jù)采集和信息監(jiān)控的基礎(chǔ)設(shè)備組成。圖2所示的基于以太網(wǎng)的安全監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)擁有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：①以光纖為傳輸介質(zhì)，以以太環(huán)網(wǎng)為通訊平臺，可防止引發(fā)傳輸系統(tǒng)鏈接故障，同時(shí)為提高監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸速率和實(shí)時(shí)性提供了基本保障，有利于實(shí)現(xiàn)多串口并發(fā)巡檢從而有效降低巡檢周期。②該架構(gòu)可提供冗余鏈路，如圖3所示，在環(huán)網(wǎng)線路出現(xiàn)故障時(shí)，該架構(gòu)可直接調(diào)整到用備份鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，有效地實(shí)現(xiàn)冗余恢復(fù)，進(jìn)而保障了線路的穩(wěn)定性和傳輸?shù)倪B續(xù)性。③該架構(gòu)下若調(diào)整各類子監(jiān)控系統(tǒng)的通訊協(xié)議遵守TCP/IP，則有利于各類子監(jiān)控系統(tǒng)的集成及信息共享，從而提高安全監(jiān)控系統(tǒng)的開放性[3]。(2)基于以太網(wǎng)的安全監(jiān)控系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)基于以太網(wǎng)的安全監(jiān)控系統(tǒng)采用多層分布式體系，各層的含義如表1所示。其中表示層為與人員的交互層，主要為信息的顯示和輸入等，但不能在該層面對數(shù)據(jù)庫服務(wù)器進(jìn)行直接訪問。業(yè)務(wù)邏輯層主要是根據(jù)業(yè)務(wù)邏輯來加工處理相應(yīng)數(shù)據(jù)[4]。數(shù)據(jù)層是將以太網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)按照一定格式保存于數(shù)據(jù)庫中。傳輸層主要進(jìn)行數(shù)據(jù)的雙向傳輸。物理層則代表各項(xiàng)數(shù)據(jù)采集和傳輸裝置的總和。
4.結(jié)語
基于以太網(wǎng)的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)對提高礦山的信息化管理水平以及安全生產(chǎn)能力有著積極的促進(jìn)作用，有助于改進(jìn)目前主流安全監(jiān)控系統(tǒng)所面臨的串口輪巡周期在不斷增長、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性欠佳、冗余設(shè)計(jì)不完善、子系統(tǒng)間信息無法共享、兼容性差、系統(tǒng)維護(hù)難度大等突出問題，為煤炭生產(chǎn)企業(yè)的信息化建設(shè)提供了可靠的傳輸平臺。
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作者：于霞 單位：同煤集團(tuán)四臺礦電氣隊(duì)