基于PON技术的矿井监控通信系统.pdf

第 2期 2 0 0 4年 4月 工矿 自 动 化 I n d u s t r y a n d Mi n e Au t o ma t i o n No． 2 Ap r 2 0 0 4 ． ◆◆ i 技 术 交 流 _．．． ．● 文章 编号 1 6 7 12 5 1 X 2 0 0 4 0 20 0 3 50 3 基于P ON技术的矿井监控通信系统 张守祥 ， 王汝琳 ， 郭 慧玲 中国矿业大学 信息与电子工程系 ， 北京 1 0 0 0 2 4 摘要 介 绍 了一 种 最 新 的适 合 矿 井 通信 的 光 纤通 信 技 术 无 源 光 网络 P ON P a s s i v e Op t i c a l Ne t wo r k 。在 详细分析 了 P ON 的基本 原理 、 关键 技 术及 未 来发 展后 ， 比较 了两种 P ON 技 术AP ON ATM P ON 和 E P ON Et h e r n e t P ON ， 并设计 了 P ON在矿 井 中的应 用结构模型 。 关键词 矿井 ；监控 ；通信 ；P ON；AP ON； E P ON 中图分类号 T D6 5 5 ． 9 ； T N 9 2 9 ． 1 1 文献标 识码 A M o n i t o r i n g a n d Co mmu n i c a t i o n Sy s t e m Ba s e d o n P ON Te c h n o l o g y Us e d i n Co a l M i n e Z HANG S h o u x i a n g， W ANG Ru l i n， GUO Hu i l i n g D e p t ．o f I n f o r ma t i o n a n d E l e c t r o n En g i n e e r i n g o f C h i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g Te c h n o l o g y ， B e i j i n g 1 0 0 0 2 4 ，C h i n a Ab s t r a c t A n e w o p t i c a l t e c h n o l o g y ， P ON P a s s i v e Op t i c a l Ne t wo r k ， wa s i n t r o d u c e d i n t h i s p a p e r ， wh i c h i s s u i t a b l e f o r c o a l mi n e c o mmu n i c a t i o n．Th e p r i n c i p l e o f P ON a n d c o mp a r i s o n o f t wo k i n d s o f t e c h n o l o g y， AP ON ATM P ONa n d EP ON E t h e r n e t P ON ， we r e a n a l y z e d ，I t i S c o n c l u d e d t h a t E P ON wi l 1 b e u s e d f o r c o a 1 mi n e mo n i t o r i n g a n d c o mmu n i c a t i o n s y s t e m ．A d e s i g n o f P ON mo d e 1 f o r mi n i n g u s e wa s c o mp l e t e d a n d t h e P ON t e c h n o l o g y ma y b e s p r e a d e d o u t i n c o a l mi n e． Ke y wo r d s mi n e ，mo n i t o r i n g，c o mmu n i c a t i o n，P ON ，APON，EP ON 0 引言 P ON是 指 ODN Op t i c a l Di s t r i b u t i o n Ne t wo r k ． 光配 线 网 中不 含 有 任 何 电子 器 件 及 电 子 电源 。 O DN全部 由光分路器 S p l i t t e r 等无源器 件组成 ， 不 需要 贵重 的有 源 电子设 备 。P ON 网络的 突 出优 点 是消除了 中继 的有 源设 备 ， 所 有 的信号 处理 功能 均 在交换 机和终端用户设备 完成 。它 的传输距 离 比有 源光纤 接人 系统短 ， 覆盖 范 围较小 ， 但 它 造价 低 ， 维 护容 易。 在 P ON 的发 展 过 程 中 ， P ON 与 ATM 结合 诞 生了一种 宽 带 光接 入 网技 术AP ON， 传 输 速率 可达 1 5 5 ／ 6 2 2 Mb p s ， 接人带 宽得到 显著提 高。但是 由于 AP ON技术 复 杂 、 成 本 较 高 ， 并且 带 宽 仍 然有 收 稿 日期 2 0 0 30 9 1 0 作者 简 介 张 守祥 1 9 6 4～ ， 1 9 8 4年毕业 于山 东科 技 大学 ， 现在 山 东工商 学 院计算 机系 工作 ， 中 国矿业 大学在 读博 士 ， 主要从 事计算 机 软件 、 网络 及煤 矿 自动化 方面 的教学 和研 究工作 。 限 。因此人们 又将 注 意 力转 向速率 扩展 能力 强 、 成 本低廉和应用普 及 的以太 网技 术上 ， 构 成一 个 可 以 提供更大带宽 、 更低 成本 和更 宽业 务能 力 的新一 代 光接入 网技术EP ON。 1 异 步传输模式无源光 网络 A P ON 1 ． 1 基 本原理 I TU ～TG9 8 3标 准 指 定 了 位 于 C O C e n t r a l Of f i c e 的 OL T Op t i c a l L i n e Te r mi n a 1 ， C O 利 用 TDM 可在 1 4 9 0 n m波 长 和 1 5 5 0 n m波 长上 发 送数 据 ， 两 种 波 长 的 下 行 速 度 分 别 为 1 5 5 Mb p s和 6 2 2 Mb p s 。在分支树 的形成过 程 中 ， 起 始 光纤 线路 利 用无源光纤 耦合器分 出多重光纤线路 。 光纤线 路终止 于 ONU Op t i c a l Ne t wo r k Un i t 的硬 件部分 ， 这个位置 位于或接近于用户 的终端处 。 ONU 也 可 称 为 ONT Op t i c a l Ne t w o r k T e r mi n a t i o n ， 它在 1 3 1 0 n m的波 长上 以 1 5 5 Mb p s 的上行速 度发送数据 ， ONU将 光脉冲转变为 以太 网、 ATM 或 维普资讯 3 6 工 矿 自动 化 2 0 0 4年 4月 其它 形 式 。不 过 OL T 和 ONU 在外 部设 施 中都 没 有放大 作 用 。由于 信 号 在 每个 双 向拆 分处 都 有 损 失 ， 而且在传送 时 ， OL T每千 米仅 支持 3 2个 ONU， 因而 P ON现 在还 不能扩展到2 0 k m以外 。 AP ON是一种采 用两种传输波 长的点 到多点 的 传输系统 ， 即一个是下行传输 波长 ， 另一个是上行传 输波长 。AP oN 网络拓 扑结 构是 星 型 ， 双 向传输 方 式一般采 用空分复 用 S DM 方式 ， 也有基 于波 分复 用 WDM 方式 。点到 多点 传播 采用 下行 时分 复用 TDM 、 上行时 分多址 TDMA 方式 。AP ON 结构 如 图 1所示 。 图 1 APON 结 构 图 1 ． 2 AP ON 承 载 I P ATM 无 源光网络的数据 传送遵从 ATM 协议 ， 信源长度是 固定的5 3 B 4 8 B内容 和5 B 头部 ， 这种 格式意味 着 ATM 的无 源光 网络 较难 充 分 传 送 I P 数据包 。I P协议组织数 据成 变长 的数据 包 ， 数 据包 最大长度 可达6 5 5 3 5 B 。对于 ATM 无 源光 网络 承 载 I P流量 ， 首先将数 据包分割成4 8 B， 然后 加上5 B 的信源头 。这种处理过程耗时复 杂 ， 增加 了 OL T和 oNU 的花费 。 2 以太 网无源光 网络 E P ON 2 ． 1 E P ON 工作 原理 在 EP ON 中 ， 从 OL T到多个 ONU 下行传输 数 据 的过 程与从 多个 ONU 到 OL T上 行 传输 数 据 的 过程是不 同 的。在 E P ON 中完 成 上行 传 输 的技 术 如 图 2所示 。 图 2 E P ON中的上行传送流程图 在 图 2中， 数据从 各 ONU 经过 S p l i t t e r 上 行汇 聚到 OL T。为 了防止 来 自各 ONU 的信息包互 相干 扰 ， 采 用 TDM 时分 复用 技 术 进 行 管理 ，各 ONU 被 分配 给专 门的时 间间 隙。例如 ， ONU 一1信息 包 在第一个 时间间 隙传输 ， ONU 一2信 息包 在第 二个 非重叠 的时间间 隙传输 ， ONU 一3信 息包 在第 三个 非重叠 的时间间隙传输 。 目前的 EP ON技术 方案有 两种 一 种是采 用时 分复用的 T DMA ／ T D M E P O N， 其传输距离最远可 达2 0 k m， 1根光纤最多可支持 6 4个用 户 ， 总带宽从 6 2 2 Mb p s U 2 ． 4 Gb p s ； 另一 种 是波 分复 用 的 WDM EP ON， 其 传输 距 离最 远 可 达6 0 k m， 1对 光 纤 最 多 可支持 1 6个 用户 ， 总带宽 可达1 ． 6 ～1 6 0 G b p s 。 2 ． 2 E P oN 承 载 I P 以太 网协 议 规 定 的 以 太 网 帧 最 长 为 1 5 1 8 B。 当通 过 以太网传 输 I P包 时 ， 对较 小的 I P包 可 以直 接封装在 以太 网帧 内 ； 而对较大 的 I P包可 以以较少 数量 的 以太 网帧 重 新 分 组 封 装 。相 比较 AT M 来 说 ， 以太 网减少 了封 包和拆包 的时 间 ， 提高 了处理速 度 。未来的网络趋 向基于 I P或 以太 网 ， 经 由 E P ON 传输 I P是 目前效率最 高的方式 。 3 AP ON和 E P oN的对 比 根据 以上分析 ， 表 1给出 了 AP ON与 E P ON主 要 特性 的简单对 比。 表 1 A P O N 与 E P ON 的特性 对 比 结 论 是 I P ／ ATM／ P ON 结 构 较 复 杂 ， 而 I P ／ E t h e r n e t ／ P ON简 洁。ATM 作为 一种 网络交换技 术 ， 不太适合于 I P业 务 ， 而 以太 网技 术 比较适 合 于 I P 业务 。 4 P ON 在 矿 井监 控 中 的 应 用 矿井监 控 系统是 指对矿 井 中环 境安 全 、 轨道运 输 、 胶带 运 输 、 提 升 运输 、 供 电 、 排 水 、 火 灾 、 矿 山压 力 、 煤与瓦斯 突出及大 型机 电设 备状 况等 各个 不 同 的对象进行实 时监 测和控 制 的系 统 ， 既有 数据 采集 信号 、 控制 信号 ， 也有 图象 监视 信号 和音 频信 号 等。 其发展经历 了瓦斯遥测 系统 、 监控 系统 、 再 到矿井综 合监控系统的发 展历 程 。在增强 矿 山安全 ，提高生 维普资讯 2 0 0 4年 第 2期 张守祥等 基 于 P ON技 术的矿 井监控通信 系统 3 7 ’ 产率等方面发挥着重要的作用。 图 3是一 个 矿 井监 控 有 关数 据 通 信 的 系统 结 构图。 类型 宽带 串行 通信 现场 总线 设备 服 务器 数据 i层次 ’ ● 超文本 l n t r a n e t 采煤面掘进头 巷道车场 胶带 煤仓水仓 轨道 图 3矿 井监 控通 信 系统 结构 图 矿井监控通信系统将视频、 音频和数据信息传 送到井下 或地 面 的监控 中心 ， 尤其是 多媒 体 通信 技 术 的发展给矿井综 合监 控 注入 了新 的活 力 ， 多媒 体 矿井监控 通信系统 成 为矿 井综合 监 控发 展 的趋 势 。 例如 ， 在井下 的一些监控点安放摄像 头 ， 利用 数字视 频远 程监控技术 可在矿 井监控系统 内建立监 控调度 中心 、 对远程现场 的图象声音及其它敏感资料进行 实时监控 ， 将 那里发生 的情 况及时 、 准确地 传输到井 上监控 中心或指挥 中心 ， 以便 使各 级领 导 和员 工及 时了解和处理井下发生的敏感事件。 图 4是所设计 采用 P ON 技术 的矿 井监 控通 信 系统示意 图 ， 这是一种 星型结 构 。从工作面 、 掘进头 及 井下各种设施汇 总到支巷道 ， 到大巷 ， 从井 筒到地 面工业广场 ， 进入地面局部 网络 ， 可 以 1个采 区或 1 个 工作面安置 1个 P O S 。 采煤面胶带 掘进头巷道采煤面胶带 掘进头煤仓 图 4 采用 P ON的矿井监控通信系统示意图 看， E P O N更适合于矿井通信。其次 ， E P ON还能够 使地 面局域网与井 下 的监控 网实 现无缝 连 接 ， 以形 成从用户局域 网 、 用户接入 网全部是 以太网的结构 。 由于都采用 了与 I P统一 的以太 网帧结 构 ， 各 网之 间 可 以实现无缝连 接而不需要任何格式转换 。这将 大 大地提高运行效率、 方便管理和降低煤矿监控通信 系统的成本， 同时用户将可以获得极高的接入速率 G b p s 级， 甚至是更高 ， 从而很好地解决煤矿井下 通信距 离、 速度 、 成本和安全 的问题 。 参 考文 献 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 j 5结语 【 4 ] 综 上所述 ， AP O N 和 E P ON两 种宽 带无 源光 接 『 5 ] L J 入 网技 术都可以用 于矿 井监控 通信系统 。从长远来 张守祥 ， 李首滨 ， 张 良． 综采工作面监控信息系统研究 j ] ． 煤炭工程， 2 0 0 1 ， 8 ． 张宝富， 刘忠英， 万谦 ， 等． 现代光纤通信与网络教程 [ M] ． 北京 人民邮电出版社， 2 0 0 2 ． 林如剑 ． 光纤电视 传输技术 [ M] 北京 电子工 业 出版 社 ． 2 0 01 ． 美 凯泽 ． 光纤 通信 第 三版 【 M] ． 北 京 电子 工 业 出 版 社 ， 2 0 0 2 ． 陈建亚 现代通信网监控与管理[ M] ． 北京 北京邮电大 学 出版社 ， 2 0 0 1 ． 空压机群组微机监控 系统 由兖矿集团杨村煤矿和山东省煤炭科学研究所 共同研制 的以可编程 控制器 为核心 的空压 机群组 微 机监控系统 ， 彻底解决了以单片机或工控机为核心的 空压机微机监控 系统数据测试不准 、 整机抗 干扰 能力 差的问题 ， 完善 了空压机运转过程 中的安全保护 。 新研制的空 压机群组微 机监控 系统 由温 度变送 器 、 压力变送器 、 断水装置实时采集 现场信号 ， 送到可 编程控制器各相关模块 ， 由 C P U进行处理 ， 经传感器 专用数显仪表实时监测、 显示设备的工作状态与参数 值 ， 具有温度监测与保护 、 压力监测与保护 、 断水指示 与保护 、 电参数监 测与保护 、 空压机群组 集 中控 制等 功能 ， 参数 自动巡 检时间 问隔 由用户 自由设定 ， 亦 可 进行手动检测 ， 实 现运行 指示 、 告警 指示 、 消音 、 复 位 等功能 。 李剑锋 靓 制瑶 襄 面 脚 一 地测 ～ 测字 据 ～ 监 一 监数 数 喜 维普资讯