數字化瓦斯遠程監控網絡設計

韓　寧,燕　飛,杜廣微,闞江明

(北京林業大學工學院,北京100083)

摘　要:針對目前使用的煤礦瓦斯監測係統存在的種種問題,設計了一種礦井瓦斯遠程多級監控監管網絡係統構架平台。該平台集成了上層數據管理網絡與下層現場監控網絡,具有遠程監控、監管、維護、故障診斷和02manbetx.com 預警與決策功能。其中基於嵌入式係統技術的井上監控終端提高了係統的可靠性,基於曆史數據和專家經驗知識的決策支持係統能夠實現對瓦斯02manbetx.com 的預警與預報。

關鍵詞:瓦斯;遠程監控;嵌入式技術;決策支持係統

中圖分類號:TD76　　　　　文獻標識碼:A　　　文章編號: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　瓦斯監控係統發展現狀及存在的問題

隨著計算機技術、通信技術和微電子技術的發展,科技工作者在煤礦瓦斯災害的治理上做了大量細致的工作,越來越多的研究成果(國內的KJ係列、AI係列、FDM係列、CMM、CMC係列等)被廣泛應用到煤礦現場,對預防煤礦瓦斯02manbetx.com 的發生起到了重要的作用[1-4]。但是大多數瓦斯監控係統在目前的實際使用過程中存在極大安全隱患,主要表現在:①多數瓦斯監控係統局限於監測方麵,缺少監控能力,更無監管功能;②係統控管計算機多采用集中式或集散式係統,係統風險高度集中,可靠性及容錯性差;③網絡監控係統大多沒有采用國際標準的控製網絡通信協議,係統擴展和升級能力差;④係統不具備遠程故障診斷和遠程維護功能,常常由於維護滯後使係統不能正常工作;⑤係統不具備礦端設備免維護功能,使其成為整個係統的瓶頸;⑥礦端監控設備缺乏黑匣子功能,不能對02manbetx.com 起因03manbetx 提供有效依據;⑦一些係統缺乏聯動和閉鎖功能;⑧瓦斯監控係統不具備瓦斯事故決策支持係統的功能,無法對瓦斯事故進行預報、預警及向用戶提供避免事故的對策和方案。

2　數字化瓦斯遠程監控網絡係統的總體結構設計

數字化瓦斯遠程監控網絡係統的研究,綜合考慮了監控網絡的開放性、可靠性、實時測控、數據共享、遠程監控、遠程維護和診斷、係統的可裁減性及兼容性等要素,全麵提高了瓦斯監控係統的監控監管能力及煤礦安全保障能力[5-6]。數字化瓦斯遠程監控網絡係統的總體框架結構如圖1所示。從該係統的結構框圖可以看出,整個係統的硬件部分由現場監控層、信息傳輸層和信息管理層3部分組成。

2.1　現場控製層

現場監控層主要完成煤礦井下現場環境參數和圖像信息等現場數據的采集、現場設備的控製、瓦斯風電的聯鎖控製和在井上監控室現場參數以及報警信號的顯示。現場監控層主要包括井下分站、井上監控終端、Internet服務器、攝像機、視頻編碼器、網絡交換機、不間斷電源、Lon/485網關和通訊電纜等設備,其中主要設備特性、功能如下:

(1) 井下分站:是一個采用LonWorks技術、符合LonMark國際標準的現場智能控製設備,內設神經元微控製器和數據處理程序,是整個管理係統的核心。它完成現場環境參數和報警信息采集、局部通風機等設備的聯動控製,通過雙絞線或者電力線通訊介質與上級網絡相聯,向上傳輸參數信息和報警信息,同時從上級網絡接收相關控製指令。分站具有“黑匣子”功能,當意外斷電或被損壞時能存儲24 h數據和報警信息。

(2)井上監控終端。是一個以嵌入式技術為基礎,具有圖像顯示/觸摸控製功能的免維護/少維護、體積小、低功耗、低成本的用於顯示現場參數和報警信息終端設備。其圖像屏幕可以以動畫方式顯示現場參數及其趨勢圖形、現場報警信息等;設備免維護或者少維護,不需要現場管理人員具有很高的計算機專業技能,避過去PC機作為監控終端時,因出現計算機係統故障而影響生產及生產安全的情況發生。

圖1　遠程監控網絡係統結構圖

(3)Internet服務器。是一個由LonWorks分布式控製網絡技術發明者美國Echelon公司和世界著名網絡設備供應商美國Cisco公司共同研製的一種網絡接口設備。它可以將LonWorks分布式控製網絡無縫地接入TCP/IP信息網絡中,支持係統的控製程序遠程下載和係統故障的遠程診斷。它的外部端口提供了少量的開關量輸入輸出和脈衝輸入端口,支持開關量信息的采集和控製。通過其內置的簡單的Web服務器,可通過瀏覽器訪問井下的參數信息和報警信息。另外它也支持數據記錄、數據報警和時序調度功能。

(4)Lon/485網關。將LonWorks網絡數據包和其它網絡協議(如RS485)數據包相互轉換,使用戶原有基於RS485技術的監測監控網絡能夠納入整個監控管理係統中來,有效地保護了用戶的投資。

(5)其它設備。攝像機、視頻編碼器、網絡交換機、不間斷電源和通訊電纜與常規網絡中對應設備的特性、功能相似,在此不進行詳細說明。

2.2　信息傳輸層

信息傳輸層主要完成現場參數信息、報警信息和圖像信息的上傳,或者上級管理部門控製指令、配置參數和係統應用程序的下傳,以及其它類型的服務數據傳輸。信息傳輸層可以采用基於TCP/IP協議、符合IEEE802標準的光纖網和專用無線網,或GSM/GPRS網等寬頻網絡。在特殊情況下,也可以采用電話線載波網絡,其優點是不需要重新建設網絡,缺點是由於帶寬有限,僅能傳輸參數信息和報警信息等少量數據。各種網絡對比如下:

(1)光纖網。光纖信息傳輸網絡的優點是:通訊距離遠、網絡帶寬寬、可傳輸控製、圖像、語音等多種數據信息;但其缺點是:重新鋪設網絡的工程量大,許多煤礦的地理位置都比較偏僻,係統造價高。

(2)專用無線網。通過在煤礦安裝無線微波發射機站,在上級監控中心安裝無線微波接收機站即可實現煤礦安全管理係統的信息傳輸,其優點是:與光纖網絡相比,網絡建設的工程量較小,不會因煤礦的地理位置偏僻而增大網絡建設的難度;其缺點是:網絡帶寬較光纖網絡較小,能達到 10 M 左右。

(3)GSM/GPRS網。GSM/GPRS網絡與專用無線信息傳輸網絡相比,隻需要在煤礦和上級監控中心的信息網絡接口處安裝GSM/GPRS通訊模塊。其優點是:不需要建設專用通訊網絡,係統前期投資小,幾乎不受煤礦地理位置的限製;其缺點是:網絡帶寬小,帶寬不足 1 M ,僅能傳輸參數和報警信息等小容量數據,係統運行期間需要一定的額外運行成本。

數字化瓦斯遠程監控網絡係統的信息傳輸層可以根據煤礦所在地理位置、網絡接口的提供與否及其類型、要傳輸信息的容量大小、用戶的建設成本和運行成本等情況設計為不同的方案,甚至在某一種方案基礎之上根據用戶的需求進行適當的裁減,最大程度地滿足用戶的需求,保護用戶的投資。

2.3　信息管理層

信息管理層主要完成對井下安全生產相關數據的采集、存儲、計算、統計、03manbetx 、報表,對報警信息的多媒體顯示及處理,對現場設備的遠程維護和遠程診斷等功能,通常包括數據庫服務器、Web服務器、本地監控工作站和遠程監控工作站等硬件設備和係統監控軟件。

(1)數據庫服務器。是一台擁有大容量硬盤的計算機,具有很高的可靠性和穩定性,是信息管理層的核心。它完成井下安全生產相關數據的采集、存儲,是Web服務器和監控工作站的數據源設備。

(2)Web服務器。向本地監控工作站和遠程監控工作站提供Web服務。服務器上配置防火牆係統,防止網絡用戶的惡意訪問。

(3)監控工作站。分為本地監控工作站和遠程監控工作站。在本地監控工作站上不僅能夠瀏覽生產現場的數據信息、圖像信息和報警信息,而且能夠根據報警信息作出相應的控製決策。遠程工作站用戶登錄後僅能瀏覽生產現場的數據信息和報警信息。

(4)監控軟件。是監控係統中各煤礦生產信息的軟件平台,它融入了人性化設計理念,具有簡易的操作方法和友好中文界麵。便於操作的儀表盤方式人機界麵、直觀動態顯示畫麵和聲音報警提示。

(5)瓦斯事故決策支持係統[7]。構建瓦斯事故決策支持係統是利用行業專家的經驗知識,根據來自現場的監控數據、行業專家推理和判斷的過程,決策出發生瓦斯事故的可能性以及應該采取的應急方案,以實現對瓦斯事故的預報、預警及向用戶提供避免事故的途徑和方法,這對於防止瓦斯事故的發生以及減少事故損失是非常重要的。決策支持係統結構框圖如圖2所示。

圖2　決策支持係統框圖

3　係統特點

上述構建的數字化瓦斯遠程監控網絡係統具有以下特點:①開放性:網絡采用標準的控製網絡通訊協議,遵照國際標準化組織的規定,來自不同廠家符合該標準的設備可以方便互連,此外還可以通過網關與其他類型網絡連接;②井下各點實時測控:各井下分站安裝於生產現場,進行實時數據采集和處理,就地實施控製,同時將一些重要信息送到上級監控計算機進行處理,也可以和網絡中其他分站通信;③各分站和井上監控終端具有免維護或少維護特點,即插即用,不需調試;④網絡數據共享:底層監控網絡中的任何分站所采集的數據和運算處理的信息都可以為網絡共享,可以互相調用;⑤底層監控網絡可以采用多種傳輸介質和使用多種拓撲結構;⑥係統具有非常高的實時性、準確性、可靠性、性價比和兼容性;⑦遠程監控、維護和診斷:除可在井下分站、井上監控終端和監控中心計算機上了解生產現場信息外,在任何能連接到Internet的地方通過瀏覽器可以了解現場信息,上級管理人員可通過網絡完成現場設備的維護和診斷;⑧係統功能可裁剪:整個係統采用了模塊化設計方法,實際係統要實現的功能可以從原型係統功能中任意選擇,充分滿足用戶需求,降低用戶投資。

4　結束語

數字化瓦斯遠程監控網絡係統適應於各種規模的煤礦安全生產的應用,為煤礦自身安全管理部門和各級監管部門提供實時狀態信息檢測及決策。數字化瓦斯遠程監控網絡係統的研究與推廣,將為提高我國煤礦安全生產的管理水平作出貢獻。同時低功耗分布式井下分站、基於嵌入式係統技術的井上監控終端和用於瓦斯事故預警預報的決策支持係統等遠程監控網絡係統的關鍵技術仍待進一步深入研究。

參考文獻:

[1]　王耀才,盧文海,許誌芳.基於Intranet的瓦斯實時監測信息係統集成[J].計算機工程與應用,2002(19):236-237.

[2]　邵良杉,付　華.計算機煤礦瓦斯監測係統[J].計算機應用研究,1996(1):69-70.

[3]　王衍生,尹經梅,劉　平.監測監控係統在礦井瓦斯管理中的應用[J].礦井安全與環保,2006(6):71-72.

[4]　鄭　捷.波蘭瓦斯監測係統的現狀與發展[J].煤礦自動化,1994(3):20-21.

[5]　相桂生.中小型礦井主扇和瓦斯無線遠程監控係統的研究[J].中國安全科學學報,2003,13(5):24-25.

[6]　王平津.煤礦瓦斯安全多級監管中的信息技術[J].煤炭科學技術,2004,32(4):21-25.

[7]　張海源,郭　煒,薑麗華.設備狀態監測及故障診斷專家係統[J].冶金設備,2005(1):56-58.

　　作者簡介:韓　寧(1956- ),女,北京林業大學工學院教授,研究方向為係統集成、控製網絡技術、智能控製理論及其應用等方麵。

(收稿日期: 2005-10-11 ;責任編輯:金麗華)