数字化瓦斯远程监控网络设计

韩　宁,燕　飞,杜广微,阚江明

(北京林业大学工学院,北京100083)

摘　要:针对目前使用的煤矿瓦斯监测系统存在的种种问题,设计了一种矿井瓦斯远程多级监控监管网络系统构架平台。该平台集成了上层数据管理网络与下层现场监控网络,具有远程监控、监管、维护、故障诊断和事故预警与决策功能。其中基于嵌入式系统技术的井上监控终端提高了系统的可靠性,基于历史数据和专家经验知识的决策支持系统能够实现对瓦斯事故的预警与预报。

关键词:瓦斯;远程监控;嵌入式技术;决策支持系统

中图分类号:TD76　　　　　文献标识码:A　　　文章编号: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　瓦斯监控系统发展现状及存在的问题

随着计算机技术、通信技术和微电子技术的发展,科技工作者在煤矿瓦斯灾害的治理上做了大量细致的工作,越来越多的研究成果(国内的KJ系列、AI系列、FDM系列、CMM、CMC系列等)被广泛应用到煤矿现场,对预防煤矿瓦斯事故的发生起到了重要的作用[1-4]。但是大多数瓦斯监控系统在目前的实际使用过程中存在极大安全隐患,主要表现在:①多数瓦斯监控系统局限于监测方面,缺少监控能力,更无监管功能;②系统控管计算机多采用集中式或集散式系统,系统风险高度集中,可靠性及容错性差;③网络监控系统大多没有采用国际标准的控制网络通信协议,系统扩展和升级能力差;④系统不具备远程故障诊断和远程维护功能,常常由于维护滞后使系统不能正常工作;⑤系统不具备矿端设备免维护功能,使其成为整个系统的瓶颈;⑥矿端监控设备缺乏黑匣子功能,不能对事故起因分析提供有效依据;⑦一些系统缺乏联动和闭锁功能;⑧瓦斯监控系统不具备瓦斯事故决策支持系统的功能,无法对瓦斯事故进行预报、预警及向用户提供避免事故的对策和方案。

2　数字化瓦斯远程监控网络系统的总体结构设计

数字化瓦斯远程监控网络系统的研究,综合考虑了监控网络的开放性、可靠性、实时测控、数据共享、远程监控、远程维护和诊断、系统的可裁减性及兼容性等要素,全面提高了瓦斯监控系统的监控监管能力及煤矿安全保障能力[5-6]。数字化瓦斯远程监控网络系统的总体框架结构如图1所示。从该系统的结构框图可以看出,整个系统的硬件部分由现场监控层、信息传输层和信息管理层3部分组成。

2.1　现场控制层

现场监控层主要完成煤矿井下现场环境参数和图像信息等现场数据的采集、现场设备的控制、瓦斯风电的联锁控制和在井上监控室现场参数以及报警信号的显示。现场监控层主要包括井下分站、井上监控终端、Internet服务器、摄像机、视频编码器、网络交换机、不间断电源、Lon/485网关和通讯电缆等设备,其中主要设备特性、功能如下:

(1) 井下分站:是一个采用LonWorks技术、符合LonMark国际标准的现场智能控制设备,内设神经元微控制器和数据处理程序,是整个管理系统的核心。它完成现场环境参数和报警信息采集、局部通风机等设备的联动控制,通过双绞线或者电力线通讯介质与上级网络相联,向上传输参数信息和报警信息,同时从上级网络接收相关控制指令。分站具有“黑匣子”功能,当意外断电或被损坏时能存储24 h数据和报警信息。

(2)井上监控终端。是一个以嵌入式技术为基础,具有图像显示/触摸控制功能的免维护/少维护、体积小、低功耗、低成本的用于显示现场参数和报警信息终端设备。其图像屏幕可以以动画方式显示现场参数及其趋势图形、现场报警信息等;设备免维护或者少维护,不需要现场管理人员具有很高的计算机专业技能,避过去PC机作为监控终端时,因出现计算机系统故障而影响生产及生产安全的情况发生。

图1　远程监控网络系统结构图

(3)Internet服务器。是一个由LonWorks分布式控制网络技术发明者美国Echelon公司和世界著名网络设备供应商美国Cisco公司共同研制的一种网络接口设备。它可以将LonWorks分布式控制网络无缝地接入TCP/IP信息网络中,支持系统的控制程序远程下载和系统故障的远程诊断。它的外部端口提供了少量的开关量输入输出和脉冲输入端口,支持开关量信息的采集和控制。通过其内置的简单的Web服务器,可通过浏览器访问井下的参数信息和报警信息。另外它也支持数据记录、数据报警和时序调度功能。

(4)Lon/485网关。将LonWorks网络数据包和其它网络协议(如RS485)数据包相互转换,使用户原有基于RS485技术的监测监控网络能够纳入整个监控管理系统中来,有效地保护了用户的投资。

(5)其它设备。摄像机、视频编码器、网络交换机、不间断电源和通讯电缆与常规网络中对应设备的特性、功能相似,在此不进行详细说明。

2.2　信息传输层

信息传输层主要完成现场参数信息、报警信息和图像信息的上传,或者上级管理部门控制指令、配置参数和系统应用程序的下传,以及其它类型的服务数据传输。信息传输层可以采用基于TCP/IP协议、符合IEEE802标准的光纤网和专用无线网,或GSM/GPRS网等宽频网络。在特殊情况下,也可以采用电话线载波网络,其优点是不需要重新建设网络,缺点是由于带宽有限,仅能传输参数信息和报警信息等少量数据。各种网络对比如下:

(1)光纤网。光纤信息传输网络的优点是:通讯距离远、网络带宽宽、可传输控制、图像、语音等多种数据信息;但其缺点是:重新铺设网络的工程量大,许多煤矿的地理位置都比较偏僻,系统造价高。

(2)专用无线网。通过在煤矿安装无线微波发射机站,在上级监控中心安装无线微波接收机站即可实现煤矿安全管理系统的信息传输,其优点是:与光纤网络相比,网络建设的工程量较小,不会因煤矿的地理位置偏僻而增大网络建设的难度;其缺点是:网络带宽较光纤网络较小,能达到10 M左右。

(3)GSM/GPRS网。GSM/GPRS网络与专用无线信息传输网络相比,只需要在煤矿和上级监控中心的信息网络接口处安装GSM/GPRS通讯模块。其优点是:不需要建设专用通讯网络,系统前期投资小,几乎不受煤矿地理位置的限制;其缺点是:网络带宽小,带宽不足1 M,仅能传输参数和报警信息等小容量数据,系统运行期间需要一定的额外运行成本。

数字化瓦斯远程监控网络系统的信息传输层可以根据煤矿所在地理位置、网络接口的提供与否及其类型、要传输信息的容量大小、用户的建设成本和运行成本等情况设计为不同的方案,甚至在某一种方案基础之上根据用户的需求进行适当的裁减,最大程度地满足用户的需求,保护用户的投资。

2.3　信息管理层

信息管理层主要完成对井下安全生产相关数据的采集、存储、计算、统计、分析、报表,对报警信息的多媒体显示及处理,对现场设备的远程维护和远程诊断等功能,通常包括数据库服务器、Web服务器、本地监控工作站和远程监控工作站等硬件设备和系统监控软件。

(1)数据库服务器。是一台拥有大容量硬盘的计算机,具有很高的可靠性和稳定性,是信息管理层的核心。它完成井下安全生产相关数据的采集、存储,是Web服务器和监控工作站的数据源设备。

(2)Web服务器。向本地监控工作站和远程监控工作站提供Web服务。服务器上配置防火墙系统,防止网络用户的恶意访问。

(3)监控工作站。分为本地监控工作站和远程监控工作站。在本地监控工作站上不仅能够浏览生产现场的数据信息、图像信息和报警信息,而且能够根据报警信息作出相应的控制决策。远程工作站用户登录后仅能浏览生产现场的数据信息和报警信息。

(4)监控软件。是监控系统中各煤矿生产信息的软件平台,它融入了人性化设计理念,具有简易的操作方法和友好中文界面。便于操作的仪表盘方式人机界面、直观动态显示画面和声音报警提示。

(5)瓦斯事故决策支持系统[7]。构建瓦斯事故决策支持系统是利用行业专家的经验知识,根据来自现场的监控数据、行业专家推理和判断的过程,决策出发生瓦斯事故的可能性以及应该采取的应急方案,以实现对瓦斯事故的预报、预警及向用户提供避免事故的途径和方法,这对于防止瓦斯事故的发生以及减少事故损失是非常重要的。决策支持系统结构框图如图2所示。

图2　决策支持系统框图

3　系统特点

上述构建的数字化瓦斯远程监控网络系统具有以下特点:①开放性:网络采用标准的控制网络通讯协议,遵照国际标准化组织的规定,来自不同厂家符合该标准的设备可以方便互连,此外还可以通过网关与其他类型网络连接;②井下各点实时测控:各井下分站安装于生产现场,进行实时数据采集和处理,就地实施控制,同时将一些重要信息送到上级监控计算机进行处理,也可以和网络中其他分站通信;③各分站和井上监控终端具有免维护或少维护特点,即插即用,不需调试;④网络数据共享:底层监控网络中的任何分站所采集的数据和运算处理的信息都可以为网络共享,可以互相调用;⑤底层监控网络可以采用多种传输介质和使用多种拓扑结构;⑥系统具有非常高的实时性、准确性、可靠性、性价比和兼容性;⑦远程监控、维护和诊断:除可在井下分站、井上监控终端和监控中心计算机上了解生产现场信息外,在任何能连接到Internet的地方通过浏览器可以了解现场信息,上级管理人员可通过网络完成现场设备的维护和诊断;⑧系统功能可裁剪:整个系统采用了模块化设计方法,实际系统要实现的功能可以从原型系统功能中任意选择,充分满足用户需求,降低用户投资。

4　结束语

数字化瓦斯远程监控网络系统适应于各种规模的煤矿安全生产的应用,为煤矿自身安全管理部门和各级监管部门提供实时状态信息检测及决策。数字化瓦斯远程监控网络系统的研究与推广,将为提高我国煤矿安全生产的管理水平作出贡献。同时低功耗分布式井下分站、基于嵌入式系统技术的井上监控终端和用于瓦斯事故预警预报的决策支持系统等远程监控网络系统的关键技术仍待进一步深入研究。

参考文献:

[1]　王耀才,卢文海,许志芳.基于Intranet的瓦斯实时监测信息系统集成[J].计算机工程与应用,2002(19):236-237.

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[3]　王衍生,尹经梅,刘　平.监测监控系统在矿井瓦斯管理中的应用[J].矿井安全与环保,2006(6):71-72.

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[5]　相桂生.中小型矿井主扇和瓦斯无线远程监控系统的研究[J].中国安全科学学报,2003,13(5):24-25.

[6]　王平津.煤矿瓦斯安全多级监管中的信息技术[J].煤炭科学技术,2004,32(4):21-25.

[7]　张海源,郭　炜,姜丽华.设备状态监测及故障诊断专家系统[J].冶金设备,2005(1):56-58.

　　作者简介:韩　宁(1956- ),女,北京林业大学工学院教授,研究方向为系统集成、控制网络技术、智能控制理论及其应用等方面。

(收稿日期:2005-10-11;责任编辑:金丽华)