一种数字式煤矿安全监控系统设计.pdf
第 4 3卷 第 2 期 2 0 1 7 年 2月 工矿 自 动化 I n dus t r y an d M i ne Au t oma t i o n Vo 1 . 4 3 No . 2 Fe b.2 0 1 7 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 7 0 2 0 0 1 9 0 5 魏峰. 一种数字式煤矿安全监控系统设计E J ] . DOI 1 0 . 1 3 2 7 2 / j . i s s n . 1 6 7 1 2 5 1 X . 2 0 1 7 . 0 2 . 0 0 5 工矿 自动 化 , 2 0 1 7 , 4 3 2 1 9 2 3 . 一 种数字式煤矿安全监控系统设计 魏 峰 1 . 煤炭 科 学技术 研 究 院有 限公 司 ,北京1 0 0 0 1 3 ; 2 . 北京 市煤 矿安 全工 程技 术研 究 中心 , 北京 1 0 0 0 1 3 ; 3 . 煤炭资源高效开采与洁净利用 国家重点实验室,北京 1 0 0 0 1 3 摘要 针对 目前煤矿安全监控 系统存在的通信 实时性差、 可靠性不高、 易受电磁干扰等问题 , 提 出了一种 数 字式 煤矿安 全 监控 系统 设计 方案盔 介 绍 了 系统 软 、 硬 件设 计 方案 及 关键技 术 。该 系统 基 于 C A N 总 线和 工 业 以太 环 网的双 重 冗余 结构 , 以 AR M 处理 器 L P C 2 2 9 4和 嵌入 式操 作 系统 u c / os I I 为 核 心 。测试 结果 表 明 , 在 1 0 k m C AN 总 线 , 3 2个数 字 分 站 , 2 0 0 台传 感 器 、 执 行 器 规 模 下 , 该 系 统 C AN 总 线 通 信 成 功 率 为 9 9 . 9 7 %, 利用率 为 4 o ~6 o ; 系统 连续 运行 4 0 d , 数 据稳 定, 无 中断、 异 常数 据 产生, 技 术 指标符 合 AQ 6 2 0 1 -- 2 0 0 6 煤矿 安 全监控 系统通 用技 术要 求 。 关 键词 煤矿 安 全监控 ;双 重 冗余 ;C AN 总 线 冗余 ;多主通 信 ; 智 能传 感 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 2 5 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 2 5 . 0 0 5 . h t ml De s i g n o f a di g i t a l c o a l mi n e 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 EI Fe n g , , 。 1 . Ch i n a Co a l Re s e a r c h I n s t i t u t e ,Be i j i n g 1 0 0 0 1 3 ,Ch i n a ;2. B e i j i n g Mi n e S a f e t y En g i n e e r i n g Te c h n o l o g y Re s e a r c h Ce n t e r ,Be i j i n g 1 0 0 0 1 3 ,C h i n a ;3. S t a t e Ke y La b o r a t o r y o f Co a l Re s o u r c e Hi g h E f f i c i e n t Mi n i n g a n d C l e a n Ut i l i z a t i o n ,B e i j i n g 1 0 0 0 1 3 , C h i n a Ab s t r a c t For po o r r e a l t i me c omm u ni c a t i on, s t a b i l i t y a nd a nt i e l e c t r o ma gn e t i c i nt e r f e r e nc e p e r f o r ma n c e o f e x i s t i n g 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 s y s t e m , a d i g i t a l c o a l mi n e s a f e t y m o ni t or i n g a nd c o nt r o l s y s t e m wa s p r o pos e d,a nd ha r d wa r e s c h e m e ,s o f t wa r e s c he m e a nd ke y t e c h no l og i e s o f t he s ys t e m we r e i nt r o d uc e d.Th e s y s t e m a d op t s d ua l r e d un da nc y s t r u c t u r e o f CAN bu s a nd i ndu s t r i a l Et h e r n e t r i n g n e t wo r k,a n d t a k e s LP C2 2 9 4 ARM p r o c e s s o r a n d u c/ os 一 1 1 e mb e d d e d o p e r a t i o n s y s t e m a s c o r e s .Th e t e s t r e s u l t s s h o w t h a t c o mmu n i c a t i o n s u c c e s s r a t e o f CAN b u s i s 9 9 . 9 7 9 / 6 a s we l l a s u t i l i z a t i o n r a t i o i s 4 0 %一 6 0 % o f t h e s y s t e m wi t h 1 0 k m CAN b u s ,3 2 d i g i t a l s u b s t a t i o n s a n d 2 0 0 s e n s o r s a n d a c t ua t or s . The s ys t e m c a n r u n 4 0 d a ys c o nt i n uo us l y wi t h s t a b l e d a t a c omm u ni c a t i on a n d wi t ho ut i n t e r r u p t e d a n d a b n o r ma l d a t a ,a n d t e c h n i q u e i n d e x e s o f t h e s y s t e m me e t r e q u i r e me n t s o f AQ 6 2 0 1 2 0 0 6 Ge n e r a l t e c h n i c a l r e q u i r e me n t s o f 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 s y s t e m . Ke y wo r d s c o a l m i ne s a f e t y mo ni t o r i n g a nd c o nt r ol ;du a l r e du nd a nc y;CAN bu s r e d un da n c y;mu l t i ma s t e r c omm u ni c a t i o n;i nt e l l i g e n t s e ns i n g 收稿 日期 2 0 1 6 1 2 0 2 ; 修回 日期 2 0 1 7 0 1 0 6 ; 责任编辑 李明。 基金项 目 国家重点研发计划资助项 目 2 0 1 6 YF C 0 8 0 1 4 0 5 。 作者简介 魏峰 1 9 8 1 一 , 男 , 山西太原人 , 高级工程师 , 硕士 , 现主要从事煤矿安全监控系统研发工作, E ma i l we i f e n g c e r i s e . c a 。 2 O 工矿 自动化 2 0 1 7年 第 4 3卷 O引言 系统数字化 、 智能化 、 网络化的发展趋势。 自 2 0世 纪 9 O年代 以来 , 中 国煤 矿安 全 监 控 系 统已历经 3代 , 即“ 一对一” 集 中式监控系统 、 集散式 监 控 系统 、 数 字 总线 式 监 控 系 统_ 1 ] 。现 代 化 煤 矿 企 业 管 理离不 开 现代 化 安 全 监控 系统 , 而现 有 的安 全 监控系统往往存在信息传输实时性差 、 易受 电磁干 扰 、 系统 可靠 性 差 等 问 题 。本 文 以 AR M 处 理 器 为 核心 , 采用 工 业 以太 环 网 和 C AN 总线 双 重 冗 余 的 拓扑结构 , 设计 了一种数字式煤矿安全监控系统 , 克 服了传统安全监控 系统 的不足, 符合煤矿安全监控 1 系统双 重 冗余结 构 目前 , 煤矿安全监控 系统的传输平 台大多以单 总线为主 , 一旦总线节点 出现短路或断路情况 , 将造 成井下设备与上位机通信 中断和数据丢失 。而此 时 一 旦发生突发性瓦斯事故 , 将对整个煤矿造成极大 损失 。因此 , 提高系统的冗余性势在必行 。 数字式煤矿安全监控 系统 以工业 以太环 网和 C AN总线为数据传输平 台, 采用 网络层和总线层 的 双重冗余结构 , 如图 1 所示。 图 1 数字式煤矿安全监控系统双重冗余结 构 系统 主要 由地 面监 控 主 机 、 多 链 路 数据 传 输 服 统集 成能 力等 方 面具有 良好 表 现心 ] 。 务器 、 数字分站、 数字传感器、 隔爆兼本质安全型 电 源箱等组成。多链路数据传输服务器是实现双重冗 余及故障监测 的关键设备。 网络冗余 设备采用双网口接入以太环网, 数据 传输不中断 , 误码率为零, 自愈时间短 。 总线冗余 多链路 数据 传输 服务 器 两端 接人 2条总线 , 2个端 口同时监听总线信号 , 传输服务器 可根据数据传输情况, 自动进行 主备端 口切换。在 数据传输过程 中, 一个端 口作 为 主端 口传输 数据 , 另一个端 口作 为备用端 口实时监控传输状态, 主传 输一旦发生错误或中断, 主端 口停止传输数据 , 备用 端 口立即启动 , 在总线正常的状态下传输数据 。 总线冗余设备结合数字分站的实时操作系统 , 使系统在传输距离 、 传输速度 、 可靠性 、 实时性及系 2系统硬 件 设计 数字 式煤 矿安 全监 控 系统 围绕控 制 、 监测 、 通 信 三大任务进行工作 , 以数字分站为系统核心 , 传感器 与分站、 分站与服务器间采用 C AN总线[ 通信 。 基于 C AN总线通信的数字式煤矿安全监控系 统可采用先进的“ 多主通信” 、 “ 主动上传” 数据传输 方式 , 井下传感 器状态发生变 化时 , 无 需上位机 轮 询, 即可在 1 0 S内主动将监控数据传送至地面。基 于该 种 工作 方式 , 分 站 之 间 的异 地 断 电功 能 无 需 上 位机参与, 可直接进行数据交互 , 异地断电时间缩短 至 5 S以内 。 “ 多主通信” 工作方式配合井下工业 以太环网交 换机 , 不必等待巡检周期 , 可将系统监控容量扩充到 2 0 1 7年 第 2期 魏峰 一 种数 字 式煤矿 安全 监控 系统设 计 2 1 2 5 5台分站。 数 字分 站采 用模 块 化设计 , 主处理 器选 用 3 2 位 ARM 处理器 L P C 2 2 9 4 , 通信板选用 L P C 2 1 1 9 , 多个 处理器协同工作 , 同时处理数据采集、 通信 、 控制等 任务 , 极大缩短 了分站的响应 时间。数 字分站硬件 结构 如 图 2 所 示 。 L C D l l 红外遥控 l l 拨码开关 堕 数 字传 匿 -l_ _ } L P C 2 1 1 9 l 图 2数 字 分 站 硬 件 结 构 系统 配接 瓦 斯 、 一 氧 化 碳 、 二 氧 化 碳 、 风 速 等 数 字式模拟量传感器 , 设备开停、 风筒风量、 语音风 门 等数字式开关量传感器及各类数字式断 电器、 电源 箱等 。这些设备负责采集井下环境参数和设备工作 状态参数 , 执行分站发送来 的控制指令 。所有数字 传感器均采用模块化设计 , 主要 由采集 、 显示、 通信 3个模块构成 , 各个模块之 间设置隔离 电路 , 防止干 扰源经 由通信模块影响采集与显示功能。传感器通 过 C AN 总线 与 分 站 进 行 双 向数 据 传 输 , 通 过 特定 的通信协议和校验机制 , 有效避免 了以往频率信号 和电流信号制传感器 因受到干扰而产生的误报警 、 “ 冒大数” 等问题。同时 , 传感器具备类型 自识别、 故 障 自诊断功能 , 可 自主判断故障类型和故障信息 , 并 实时上传到上位机 , 方便安装和维护。多个传感器 可共用 1 条线缆进行数据传输 , 大大降低 了系统布 线成本和线缆维护工作量。 系统 中的 主要设 备 分 站 、 传 感器 、 电源箱 都具 有 抗 电 磁 干 扰 模 块 , 并 且 达 到 了 AQ 6 2 0 1 -- 2 0 0 6 煤矿安全监控系统通用技术要求 中有关设备 电磁 兼容抗扰度要求 的等级[ 4 ] 浪涌 3级 、 静电 3级 、 辐 射电场 2级 、 脉冲群 3级 , 在实际使 用 中减少 了由 雷 电 、 变 频设 备 等对 监控 设备 的影 响 和损坏 , 提 高 了 系统 可 靠 性。系 统抗 电磁 干扰 模 块 电路 如 图 3 所示 。 C AN 总 线 驱 动 器C TM8 2 5 1 的C AN H 、 CAN L引脚 与总线 间加入衰减 电阻 , 防止 其受过 电 流 的冲 击 。C ANH 、 CAN L与 地之 间各并 联 1 个 1 0 0 0 p F 电容 , 以滤 除 总 线 上 的高 频 干 扰 , 并 在一定程度上防止 电磁辐射 。 同时 , 为防止静 电放 图 3 系统抗 电磁干扰模块 电路 电时产生浪涌高压 , 在 C AN H 和 C AN L之间使 用1个 双 向 TVS管 , 减 小 电浪 涌 对分站 的破 坏嘲 。 3系统 软件设 计 系统 软 件 部分 包 括 数 字 分站 嵌 人式 程 序 、 上 位 机监控软件及手机客户端软件。 3 . 1数 字分站 程序 为了满足数字分站工作稳定性 、 实时性要求 , 实 现 软件 在线 升 级 功 能 , 采 用 源 代 码 公 开 , 具 有 内 核 小 、 结构简单、 可移植性和可裁剪性好等优点的 C / O S - I I 操作系统 。选用 AD S对 数字分站程序 进行 编译 和调试 。 将 g C / OS - I I 操作系统移植到 L P C 2 2 9 4需编写 oS CPU. H , OS CPU C. C, OS CPU A. S这 3个 文 件 。完成 C / OS I I 在 L P C 2 2 9 4上 的移 植 后 , 操 作系统的内核便可对任务进行调度和管理。操作系 统按照分站功能要求 , 划分和设计相关任务 , 通过任 务调度函数来调度各任务 , 实现整个分站的功能[ 6 ] 。 数字分站主要执行传感器数据采集 , 风电、 瓦斯 电闭锁 , 数据实时显示 , 数据通信等任务 , 不 同任务 具有不同的优先级。分站上电初始化之后 , 由 C / OS - I I 内核按 照设 定的优先级统一调 度各项任务 , 完成监控功能。分站任务分解如图 4所示 , 优先级 从左到右依次降低。 c / os I I 操作系统 系 统 启 动 任 务 报 警 数 据 主 动 上 传 任 务 传 感 器 数 据 接 收 处 理 任 务 监 控 主 机 命 令 解 析 任 务 实 时 数 据 定 时 上 传 任 务 图 4 数字 分站任务分解 分 站通过 下 载一 段 引导 程 序 B o o t l o a d e r 程 序实 现程 序远 程在 线 修 改 和 升 级 , 以及 大 容量 数 据 就地存储 , 因此, 数字分站与上位机通信 中断后 , 可 实时数据显示任务 2 2 工矿 自动化 2 0 1 7年 第 4 3卷 独 立执 行数 据采 集 、 风 电及 瓦斯 电闭 锁等任 务 。 3 . 2上 位 机 监 控 软 件 上 位机 监 控 软 件 可 运 行 于 Wi n d o ws S e r v e r 及 W i n d o ws 7以上 平 台 。软 件 采 用 B / S架 构 , 在 机 房 设 置 主 、 备 服 务器 , 不 同 的终 端用 户 只需 输 入 I P地 址 或 网址 即可 完 成 数 据 、 图 形 、 报 表 查 阅 和 系统 设 置 , 方便 实用 。 根 据 AQ 6 2 0 1 2 O 0 6 , 上 位 机 监控 软 件 功 能 如 图 5所示 。 煤矿 安全 监控 系统 测点 日 班 报表 -- 1 叫馈电异常臼 班 报表l 叫 监测设备故障V I 班 报表 l 厨 孺 查 垫 堑皇 墨 垫堕 皇 堑 墨 壁 塑 墨 亟亟 超限/ 断线/ 故障报警 l 优先级高的先搔报I 图 5 上 位 机 监控 软 件 功 能 上 位机 监 控 软件 具 备 先进 的 GI S功 能 , 支持 矢 量 图形动 画 、 图形 分层 、 C AD导入 , 可通 过 鼠标 进 行 缩放和拖动。地图数据 与监控数据相结合, 提供对 分站 和传 感 器 的定 位 和数 据查 询功 能 _ 7 】 。 3 . 3 手 机客 户端软 件 传统短信报警通知存在 2个问题 ① 大多数煤 矿 地处 偏 僻地 带 , 手机 信号 比较 弱 , 存 在 接收 延迟 或 收不 到问 题 ; ② 管 理 人 员 接 收 到 短 信后 , 无 法 对 状 态进 行进 一 步查 询 和 分 析 , 也 无 法 直 接将 采 取 的措 施或 决策 及 时反 馈 到 安 全 监 控 系 统 中 。鉴 此 , 开 发 了煤 矿安 全 监 控 系 统 手 机 客 户端 软 件 作 为 预 警 平 台 。手机 客 户端软 件 采 用 MQT T 协 议 实 现 推 送 功能 , 其架 构 如 图 6所示 。 手机 客 户 端 软 件 采 用 E c l i p s e编 辑 器 和 AD T 插 件进 行 开 发 , An d o r i d平 台选 择 4 . 0及 以上 版 本 , 主要 包括 软件 登 录模块 、 事 件 消息及 显示 模块 、 连 接 检 测模 块 、 历史 记 录查 询模 块 、 措 施 处理模 块 。手 机 客户端 软 件实 现 了在报 警事 件 发生后 第一 时 问将 报 fC I I/ L _ J 警信 息发 送 给相 关 管理 人 员 , 同时 提 供 了管理 人 员 及维护 人 员对报 警 及 异 常信 息 的进 一 步查 询 功 能 , 大 大提 高 了煤矿 管理 者应 对井 下各种 紧急 事件 的实 时响应 及处 理能 力 。手机 客户端 软件 登 录及查 询界 a 登录界面 b 查询 界面 网 7 手机客户端软件登录及查询界面 4系统关 键技 术 4 . 1 多主通信技 术 应 用 C AN 总 线数 据 同步技 术 构建 系统 双 重冗 余网络结构 , 有效提高了网络稳定性和可靠性 ; 基于 异步分时复用技术 。 动态分配信道资源 , 提高了总线 信道 的利用 率 ; 结 合 C AN 总线 冲突 仲 裁机 理 , 实 现分站之问多主并发、 对等通信的传输机制, 提高了 系统实 时性 。 4 . 2 先进 的检 测技 术 系统 采用 高浓 度激 光 甲烷 传 感 器【 。 】 。激 光 甲 烷 传感 器 的光源 只 对 甲烷气 体 有 反 应 , 对 水 蒸 气无 反 应 , 抗 湿 能 力显 著 ; 采 用 可调 谐 二 次 谐 波技 术 , 不 受 粉尘 干扰 ; 激 光光 源稳定 性好 , 生命 周期 内不需要 标 定 一般情 况 下 2 a内免 标定 。 系统 采用红 外 二氧化 碳传 感器 。该 传感 器采用 红外光谱吸收技术 , 利用二氧化碳在红外光谱中的 吸收峰 值 , 确 保 检 测 数 值 稳 定 , 检 测 精 度 较 高[ 1 】 。 该 传感器 只对 二 氧 化碳 气体 光 谱 有 反应 , 抗 交叉 干 扰 能 力强 , 稳 定性 好 。 一一一一一一一一一一一一~一一一一 一 置 一 一警 设 一 一报 统 一 一音 系 一 一语 2 0 1 7年 第 2期 魏峰 一种数 字式煤 矿安 全监控 系统设 计 2 3 4 . 3智 能传 感技 术 利用 人 工 神 经 网络 建 立 简 单模 型 , 所有 监 控 设 备 遵 照激励 函数设 计 的逻 辑 策 略 运 行 , 具 有 良好 的 智 能 特性 _ 】 , 具 体表 现 为系 统监 控 设 备具 有 自我 识 别 、 自诊 断 、 自恢 复 等 功 能 。系 统 在 连 续 运 行 情 况 下 , 通 过有 效 的学 习算 法 , 程序 会 自动对 权值进 行 调 整 , 改善 系统 行为 , 实 时诊 断系 统及设 备 当前 的运 行 状 态 与发 展趋 势 ; 当发 生故 障时 , 尝试 利 用针 对某 问 题 设 计 的反馈 型 人 工神 经 网络 找 到 优 化 解 , 以实 现 自恢 复功 能 。 5 系统 测试 在实 验 室 搭 建 模拟 测 试 系 统 , 利 用仿 真线 搭 建 1 0 k m C AN 总 线 . 接 入 3 2个数字 分站 , 挂 接 2 0 0台 各类传感器、 执行器 相当于大中型煤矿监控设备数 量 , 如 图 8所 示 。 CAN H CAN L 霪 曾 H 晶晶 一 采用 C a n s c o p e总 线 分 析 仪 对 总 线 通 信状 态 进 行 监 测分 析 , 进 而测 试 分 站 通 信 性 能 。测 试 结 果 如 图 9所示 。可 看 出共 监测 9 7 0 1 4 0帧 数 据 , 成功 率 为 9 9 .9 7 , 总 线 传 输 质 量 良 好 ; 总 线 利 用 率 为 4 O ~6 0 , 总线留有充足的带宽余量, 能够满足紧 急 情 况下 的数 据传输 要 求 , 不会 发生 总线 拥堵 、 数 据 无 法 上传 到监 控 主机 的情况 。 系统连 续 运行 4 0 d , 数 据 稳 定 , 无 中 断 、 异 常数 据产生 。每 日测试 1次 分站闭锁功能, 各项技术指 标 均符 合 AQ 6 2 0 1 2 O 0 6要 求 。 CAN帧统计 帧类型 次数 百分比 扩展数据帻 9 7 0 1 4 0 1 0 0 , 0 0 数据长度 次数 百分比 8 9 7 O l 4 0 i 0 0 . 0 0 髓煳 类 别 次 数/ 分 } 成 功 9 6 9 8 7 5 \ / 数据场填充错误 2 6 4 0 .0 3 帧 I D填充错误【 4 o 】 1 0 a CAN总线传输情况 b CAN 总线 利用 率 图 9 系统 C AN总线通信测试结果 6 结语 数字式煤矿安全监控 系统结合工业以太环 网、 C AN 总线 的双重 冗 余结 构和嵌 入式 操作 系 统 , 符 合 未 来安 全监 控 系统 数 字 化 、 智 能 化 及 网络 化 的整 体 发 展趋 势 。试验验 证 了 该 系统 具 有 实 时性 好 、 可 靠 性 高等 特点 。 参 考 文 献 温 良. 基于物联网的数字式煤矿安全监测监控技 术研 究E c ] / / 第九届 全 国煤 炭工业 生产 一线 青 年 技术创 新文集. 北京 煤炭工业 出版社 ,2 O 1 4 4 0 7 4 1 3 . 朱小三. 基于 C A N 总线 的煤矿安全 监控 系统的研 究 与实现I- D ] . 两安 西安 电子科技大学 ,2 0 0 7 . 赵 建 贵. 基于 P 8 9 I P C 9 3 6监 控分 站 的研 究 与 设计 [ J ] . 矿业安全 与环保 , 2 0 1 1 . 3 8 2 4 0 4 2 . AQ 6 2 0 l 一2 。 0 6煤 矿 安 全 监 控 系 统 通 用 技 术 要 求E s ] . 张鹏. 智 能井下分站的研究 与实现 E D] . 济南 山东 大 学 。 2 0 0 8 . 杨金壮. 基于 A RM 的煤 矿安 全系统设 计[ D ] . 南京 南京理工大学 , 2 0 0 9 . 孙晓宇. 基于 G I S的煤矿 安全管理 信息系统研究与开 发[ D] . 邯 郸 河北工程大学 , 2 0 1 0 . 刘复源. 基于 MQ TT协 议 的消息推送平 台的设计 与 实现I- D] . 广州 暨南大学 , 2 0 1 5 . 王征. 现场 总线通 信技术 的研 究与 实现[ D ] . 大 庆 大 庆 石 油 学 院 , 2 0 0 4 。 高耀. 煤矿用 全量程 激光 甲烷传感 器 E J ] . 煤矿 安全 , 2 O 1 5, 4 6 增 刊 1 4 8 5 O . 苏明仁 , 李 晓磊 , 孙琪真 , 等. 基于 TD L S的光谱 吸收 型 C O 传感器仿 真与实验研究 [ J ] . 仪表技 术与传感 器 ,2 0 1 6 7 4 - 7 . 覃 光华. 人工神经 网络技术 及其应 用E D] . 成都 四川 大 学 , 2 0 0 3 . ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 U [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [