煤矿安全监控多系统井下融合方法.pdf

第 4 3卷 第 2期 2 0 1 7年 2月 工矿 自 动化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n Vo 1 ． 4 3 No ． 2 Fe b ． 2 01 7 文 章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 7 0 2 0 0 0 7 0 4 王启峰． 煤矿安全监控多系统井下融合方法[ J ] ． DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 l x ． 2 0 1 7 ． 0 2 ． 0 0 2 工 矿 自动化 ， 2 0 1 7 ， 4 3 2 7 1 0 ． 煤矿安全监控多系统井下融合方法 王 启 峰 。 1 ． 中煤科 工集 团常州研 究 院有 限公 司 ，江苏 常 州 2 1 3 0 1 5 ； 2 ． 天地 常州 自动化股份有限公司，江苏 常州 2 1 3 O 1 5 摘 要 针 对 煤矿 安 全监控 系统升 级 改造技 术 方案 征 求 意见稿 对 多 系统 融合 的要 求 ， 分析 了煤矿 多系 统 融合 现状 ， 提 出 了一种 在采 集控 制层 进行 多 系统 井 下融合 的方 案 ， 详 细介 绍 了一 种 井 下 融合 分 站 的设 计 。 该 融合 分站 可根 据 多个 系统现 场设 备 的接 1 2 及 通信 协 议 情 况 ， 实现 分 站 级 融合 、 链 路 级 融合 、 数 据 级 融 合 3 种融合方式。测试结果表明， 该融合分站 能够同时接入 安全监控 、 人 员定位、 矿压监测、 瓦斯抽放监测等 系 统 ， 实现 多个 系统 间的数 据 共享 。 关 键词 煤 矿安 全监 控 ；多 系统 融合 ；融合 分站 ；分站级 融合 ； 链 路级 融 合 ；数据 级 融合 中图分 类号 TD 7 6 文 献标 志码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 7 0 1 2 2 1 0 1 8 网络出版地址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 7 0 1 2 2 ． 1 0 1 8 ． 0 0 2 ． h t m1 Un de r gr o u n d mu l t i s y s t e m f u s i o n s c h e me of c o a l mi ne s a f e t y mo n i t o r i ng a nd c o n t r o l s y s t e m W ANG Qi f e n g 1 ． CCTEG C h a n g z h o u Re s e a r c h I n s t i t u t e ，Ch a n g z h o u 2 1 3 0 1 5 ，Ch i n a； 2 ． Ti a n d i Ch a n g z h o u Au t o ma t i o n Co． ，L t d． ，C h a n g z h o u 2 1 3 0 1 5 ，C h i n a A b s t r a c t F o r mu l t i s y s t e m f u s i o n r e q u i r e me n t i n T e c h n o l o g y s c h e me s o f u p g r a d i n g o f c o a l mi n e s a fe t y mo n i t o r i n g a n d c o n t r o l s y s t e m e x po s u r e d r a ft ，e x i s t i n g mu l t i s y s t e m f u s i o n c o n d i t i o n o f c o a l mi ne wa s a na l y z e d， a nd a n u nd e r gr o un d mul t i s y s t e m f us i o n s c h e m e i n c ol l e c t i on c o nt r o l l a y e r wa s p r o p o s e d a s we l l a s a n u n d e r g r o u n d f u s i o n s u b s t a t i o n．Th e f u s i o n s u b s t a t i o n c a n r e a l i z e t h r e e f u s i o n mo d e s i n c l ud i ng s ubs t a t i on f us i on， l i nk f us i on a nd d a t a f u s i o n a c c o r di n g t o i nt e r f a c e s a n d c o mm u ni c a t i o n p r o t o c o l s o f f i e l d d e v i c e s i n mu l t i s y s t e ms ．Th e t e s t r e s u l t s h o ws t h e f u s i o n s u b s t a t i o n c a n a c c e s s s a f e t y mon i t o r i ng a nd c o nt r ol s y s t e m ，p e r s o nn e l l oc a t i on s y s t e m ，mi ne pr e s s u r e m o ni t o r i ng s ys t e m ，g a s d r a i n a ge mo ni t o r i ng s ys t e m a nd S O o n a t t h e s a me t i me f o r d a t a s ha r i ng． Ke y wo r d s c o a l mi n e s a f e t y mo n i t o r i n g a n d c o n t r o l ’9 mu l t i s y s t e m f u s i o n； f u s i o n s u b s t a t i o n ； s u bs t a t i on f u s i on；1 i nk f us i o nda t a f us i on 0 引言 目前 ， 煤矿井下建设有安全监控系统、 人员定位 系统 、 辅助运输监控 系统 、 矿压监测系统 、 矿井瓦斯 抽放监测系统、 矿井水文监测系统 、 矿井信息引导系 统 、 粉尘 监测 系统 、 工 业 电视 系统 、 I P广 播 系 统 、 无 线通信系统等Ⅲ ， 各系统并存且相互独立 ， 由此带来 成本 、 管理、 数据共享等多方面的问题 。国家煤矿安 全监察局起草编制 了 煤 矿安全监控系统升级改造 技术 方案 征 求意见 稿 ， 对 煤矿 安全 监控 系统 提 出 了多系统融合的要求。本文通过分析 目前煤矿安全 监控多系统融合方法现状及存在的问题 ， 提出一种 在采 集控 制层 进行 多 系 统 井 下 融合 的方 法 ， 并 通 过 试验验证 了该方法能够实现多系统数据共享。 收稿 日期 2 0 1 6 1 2 - 1 2 ； 修 回日期 2 0 1 7 - 0 1 0 4 ； 责任编辑 李 明。 基金项 目 中煤科工集团常州研究院有限公司技术研究项 目 2 O 1 6 G Yo 0 1 。 作者简介 王启峰 1 9 8 2 一 ， 男 ， 山东苍山人 ， 工程师 ， 硕士 ， 现主要 从事煤矿安全监控系统 的研 发工作 ， E - ma i l wa n g q i f e n g 0 5 1 9 1 6 3 ． t o m。 8 工矿 自动 化 2 0 1 7年 第 4 3卷 1 多系统 融合 现状及 存在 的 问题 煤 矿 安 全 监 测 监 控 类 系 统 大 多 采 用 4层 架 构[ 2 ] ， 如 图 1所示， 分别为地面监控主机的应用层 ， 由交换机、 光端机、 以太网转现场总线传输接 口等传 输 转换 设备 构成 的传 输层 ， 由采 集分 站 、 控制 分站 等 构成的采集控制层 ， 由传感器 、 执行器构成的现场设 备层 。应用层和传输层之间基本采用以光纤为主的 有线通信方式 ， 传输层和采集控制层、 采集控制层和 现场设备层之间的传输方式包括传统的有线传输和 接人方便的无线传输 2种形式 。 图 1 煤 矿 安 全 监 测 监 控 类 系 统架 构 目前 煤矿 安 全监测 监 控类 系统 多 以应 用层 融合 为 主l 3 ] ， 实 现 方式 为开 发多 系统 融合应 用层 软 件 ， 即 系统融合软件 。该软件通过统一或不同的协议获得 各监 测 监控类 系统 的数 据 ， 对这 些数 据进 行展 示 ， 或 综合利用部分系统的数据进行分析 ， 实现多系统融 合 ， 达 到多 系统数 据共 享 的 目的[ 4 ] 。 另一种融合方式为传输层融合 。煤矿井下所有 系统采用同一个传输层 ， 目前多 为工业 以太环 网。 多 个监 测 监 控 类 系 统 的监 控 主机 均 接 人 同一 个 环 网， 不同系统的采集控制设备接入相 同或不 同的传 输设备 中。不同系统仍采 用各 自系统主机 、 各 自的 采集控制设备及 现场设备。“ 一 网一 站” 、 “ 综 合分 站， ， [ 。 。 ] 提供了接 口丰富的传输接 口设备 ， 但多个监 测监控类系统仍需要相互独立 的采集控制设备或采 集控制板卡， 以便接入各 自系统的现场设备 。 分析得 出， 应用层融合方式对 于减少现场设备 数量 、 降低系统建设成本 、 简化现场维护均没有太大 意义 ， 但是对系统数据 的综合展示及一定程度 的综 合应用提供了一种可行方法 。传输层融合方式在一 定程 度上 减少 了设 备数 量 ， 但 由于“ 一 网一 站” 或 “ 综 合分站” 的成本较高， 导致其在不同安装地点的性价 比可 能会 较原 单一 功 能 的 采 集 控制 设 备 更 低 ， 所 以 该方式对 于降低系统 的建设成本 只存在一定 可能 性 ， 同时由于采集 、 控制设备相互独立 ， 数据的融合 及共享仍然只能通过地面融合的方式实现。 2多系统 融合 分站 为了降低建设成本、 实现真正 的井下系统本质 上融合 ， 开发 了一款具有多种现场总线接口、 无线传 感 网络接 口、 高速以太网接 口， 能够运行多种采集控 制业务的融合分站。将该分站应用到 系统建设 中， 根据使用场合选用不 同的通信接 口， 就近接入不 同 系统的传感器 、 执行器 ， 运行相应的采集控制业务。 融合分站硬件电路主要包括处理器芯片及外围 电路 、 网络接 口、 现场总线接 口、 电源处理单元 、 人机 交互单元等 ， 如图 2所示。处理器芯片选用接 口丰 富、 功耗低 、 价格相对较低 的 ARM C o r t e x M4系列 芯 片 L P C 4 3 5 7 F E T2 5 6 。 由于融 合 分 站 需 要 对 大量 的配置数据及历史数据进行掉 电不丢失存储 ， 同时 需要进行 大量 的过程运 算 ， 所 以外 围器件 主要 为 F l a s h及 RAM 芯 片。F l a s h选用大容 量数据存储 芯 片 K9 F 4 G0 8 U0 D， R AM 选用 K 4 S 5 6 1 6 3 I C。 Wi F i 接口 1 L E D指示 电路 LCD 电路 I总 E l r - El 。 I l R 121 太 网 I总 线 接l l 接 l l 接 l I⋯ H I 图 2 融合分站硬件组成 融合分站需要承载多种业务应用 ， 进行多业务 融合。分站本身有很多功能模块 ， 具有多种接 口， 每 种接 口的协议、 管理方式不 同。在设计 融合分站嵌 入式软件时， 既要考虑功能实现和效率 ， 又要考虑模 块化、 可扩展性 、 可维护性、 易用性等非功能性指标 。 因此 ， 设计 融合 分站 软件 时采 用 以下 方法[ 1 。 ‘ 】 ， 完 成 现场总线通信 、 以太网通信 、 系统融合模 型构建 、 各 系统业务处理 、 人机交互等任 务 ① 引入嵌入式 实 时操作系统 R TX， 将与硬件有关的驱动与具体应用 隔开 ； ② 按照应用层 、 系统层 、 设备访 问层、 硬件抽 象层 进 行 分 层 设 计 ； ③硬 件 驱 动 按 照 C MS I S Co r t e x M i c r o c on t r ol I e r Sof t wa r e I nt e r f a c e S t a n d a r d ， C o r t e x微 控 制 器 软 件 接 口标 准 要 求 ， 根 据逻辑设备进行划分 ， 实现模块化。 匿 一 2 0 1 7年 第 2期 王启峰 煤矿 安全 监控 多 系统 井下 融合 方 法 9 3多系统 融合 方法 根 据 多 个 系统 现 场 传 感器 、 执行 器 的接 口及 通 信协议情况L 1 ， 融合分站可实现 3种程度 的系统 融 合 ① 不同系统传感器 、 执行器 占用独立物理链路 ， 各 系统数 据 相 互 独 立 ， 即分 站 级 融 合 ； ② 不 同 系 统 传感器 、 执行器共用同一物理链路 ， 各系统数据相互 独立 ， 即链 路 级融 合 ； ③ 不 同 系统传 感 器 、 执 行 器共 用 同一 物理 链路 ， 各 系统 数 据 可共 享 ， 即数 据 级 融合 。 3 ． 1分 站 级 融 合 3 ． 1 ． 1 实 现原 理 现场设 备属 于不 同厂家 ， 为了实现各 自系统的 功能及指标 ， 采用不同的通信接 口。可将不同系统 的现场设备通过各 自的物理链路接入融合分站不同 的通信接 口中， 从而实现多系统分站级融合 。分 站 级融合原理如图 3 所示 。 匝 一一 。 鲎 竺 彗 卜 鐾卜 系统 监控主机卜 卜 J 图 3分 站 级 融 合 原 理 3 ． 1 ． 2软 件流 程 分站级融合中， 融合分站软件主要完成通信接 口配置 、 按照通信协议进行传感器数据收发 、 业务数 据处理等任务 。融合分站根据通信接 口的配置， 即 各接 口用于接入系统 的情况 ， 完成通信接 口的初始 化 ， 将 接 收到 的传感 器 数据 送至 业务 处理 应 用 ， 并 完 成数据发送 ， 通过不同的接 口完成多个系统的融合 。 分 站 级融 合软 件 流 程 如 图 4所 示 。根 据 实 际 情 况 ， 融合分站的每个通信接 口均有一个相同流程 的数据 处 理 程序 。 3 ． 2链路 级 融合 3 ． 2 ． 1 实现 原理 链路 级 融合 原理 如 图 5 所 示 。现 场设 备采 用相 同的通信接 口硬件、 使用相同的通信协议时， 可将不 同系统的设备通过同一物理链路接入融合分站 。不 同 系统 中现 场设 备 的数据 经各 系 统 的业 务 处理 程序 处理后 ， 通过 以太 网接 口发送至各 自系统地面监控 主机。相对于分站级融合 ， 链路级融合方式减少 了 现场电缆、 无线接 口设备数量 ， 降低了系统成本 。 3 ． 2 ． 2软件 流 程 链路级融合 中， 融合分站软件主要完成通信接 图 4 分站 级融 合软件流程 以 通信接 口1 面 太 融 网 龛 百 主 商厂一 接 站 i 口 通 信 接 H n 图 5链 路 级 融 合 原 理 口初始化、 链路上所有系统传感器数据接 收及数据 属性判断、 根据数据属性作相应处理、 传感器数据发 送等任务。融合分站完成通信接 口初始化后 ， 在接 收到链路上的数据时 ， 判断其为链路数据还是业务 系统数 据 。如果 为 链 路 数 据 ， 按 照 链 路 协议 作 相 应 处理 ； 如果为业务系统数据 ， 根据传感器的系统属性 将 数据 发送 至 系统对 应 的业 务处 理程 序 。之后 融合 分站根据链路或业务处理 的结果， 完成传感器数据 发送 ， 实现在 I条链路上处理不 同系统的传感器数 据， 即链路上多系统 的融合 。链路级融合软件流程 如 图 6所示 。 图 6 链路级融合 软件流程 1 0 工矿 自动 化 2 0 1 7年 第 4 3卷 3 ． 3数 据 级 融 合 3 ． 3 ． 1 实 现原 理 通常情况下 ， 为了能够控制某些过程而需要监 测井下某一区域的参数时， 不同的系统会布置各 自 的传感器 。当多个系统均需要该参数时， 便会 布置 多个传感器， 导致设备重复布置 ， 增加建设及维护成 本。若采用地面融合方法 ， 当某一系统安装了该参 数传感器后 ， 其他系统可通过地面融合软件获得该 参数 ， 系统监控主机运用该参数得 出过程控制逻辑 结果 ， 将控制数据通过传输层、 采集控制层发送至现 场执 行器 ， 完成 现 场 过程 控 制 。该 方 法 可 在 减少 设 备的情况下实现数据共享 ， 但增加 了系统的任务量 及传输层数据量， 延长了控制时间。 为了解决地 面融合方法存在的问题 ， 采用井下 数据共享的融合方式 ， 即数据级融合 ， 将现场采集的 数据在分站内运行的不同系统业务间作共享处理 ， 提供共享数据的输入／ 输出接 口， 处理多个系统业务 资源的申请 ， 根据资源大小及资源类型， 分配存储空 间、 存储类型等 。该融合方式通过编制并运行融合 应 用 ， 可根 据现 场需求 ， 实 现独立 于各 系统 业务 之外 的综合数据应用 。数据级融合原理如图 7所示 。 鍪 融合应用}_ 图 7数 据 级 融 合 原 理 3 ． 3 ． 2 软件流程 数据级融合 中， 融合分站软件的主要任务与链 路级融合时基本相同， 不 同之处是数据级融合时融 合分站需要增加融合业务处理功能 ， 即多系统共享 数据处理功能。当融合分站接收到业务数据时， 判 断其是否为多系统共享数据 ， 如果是则将数据传送 至传感器所在系统业务 ， 同时将数据传送至多系统 共享业务 ， 实现多系统间数据共享 。数据级融合软 件 流程 如 图 8所示 。 4结语 融合分站具有丰富的有线 、 无线数据传输接 口， 高速 网络传输接 口， 强大的数据处理能力 ， 针对现场 系统 使用及 设 备布 置 情 况 ， 可 采 取不 同 的多 系 统 融 合方法 ， 既提升了设备使用的灵活性， 又实现 了煤矿 井下多个监测监控类系统的统一传输 、 各系统数据 共享 及融合 ， 降低 了系统建设及维护成本 。 融合 分 图 8 数据级融合软件流程 ． 站已完成实验室环境下 的测试 ， 能够同时接入安全 监控 、 人员定位、 矿压监测、 瓦斯抽放监测等系统， 实 现多 个 系统 间的数 据共 享 。 参考文献 杨通禄 ， 高艳芬 ， 贾 明涛 ， 等． 论矿 山安全避 险“ 六 大系 统” 在安 全 生 产 中 的作 用 [ J ] ． 采 矿 技 术 ， 2 0 1 3 2 3 5 - 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