關(guān)于礦井綜合自動化系統(tǒng)的設(shè)計研究

趙 蕾

（山西省煤炭規(guī)劃設(shè)計院，山西 太原 030045）

引言

隨著信息時代的不斷發(fā)展，工業(yè)經(jīng)濟(jì)開始朝著信息經(jīng)濟(jì)、知識經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)變，國家相關(guān)部門也逐步提高了對企業(yè)信息化的重視程度。為了符合國家安全監(jiān)測監(jiān)控的要求，企業(yè)正逐步建立并完善監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)。而要想推動我國煤炭事業(yè)的發(fā)展則需要安全的生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控，網(wǎng)絡(luò)化、智能化和自動化是煤礦生產(chǎn)過程中的主要要求，要進(jìn)行數(shù)字化礦井的建設(shè)，在煤礦企業(yè)的各個層次切實(shí)構(gòu)建起綜合自動化系統(tǒng)，從而提高煤礦企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

1 煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控的現(xiàn)狀

我國煤炭行業(yè)可謂是不可替代的能源產(chǎn)業(yè)之一，但其安全生產(chǎn)形勢卻不容樂觀，且一旦發(fā)生事故往往損失重大，工作人員的人身安全也會受到極大的威脅。自2000年來，為了提高煤礦企業(yè)的生產(chǎn)安全性，我國各大礦井開始裝備監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)。安全監(jiān)控系統(tǒng)在煤礦的安全生產(chǎn)和管理方面起著中流砥柱的作用，但由于我國監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用較晚，早期引進(jìn)的是其他國家的安全監(jiān)控系統(tǒng)，并結(jié)合我國煤礦的實(shí)際情況進(jìn)行了研發(fā)使用，但相當(dāng)一部分的監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)水平低、性能差，導(dǎo)致近年來很多礦井無法正常進(jìn)行監(jiān)測監(jiān)控，由此加大了生產(chǎn)風(fēng)險。因此，對安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行研究刻不容緩。

隨著電子信息技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)如今國內(nèi)煤礦監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)呈現(xiàn)出新的發(fā)展趨勢，監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)正向集散化結(jié)構(gòu)發(fā)展，并逐漸開放化、通用化和智能化，實(shí)現(xiàn)綜合性的全面發(fā)展，進(jìn)一步提高了礦井監(jiān)測的自動化水平。目前主要的煤礦監(jiān)控系統(tǒng)之一就是數(shù)字視頻遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，具有較強(qiáng)的實(shí)時性和同步性，通過實(shí)時傳輸協(xié)議RTP實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時性傳輸，但數(shù)字化視頻監(jiān)控仍僅限于煤礦地面系統(tǒng)。數(shù)字化視頻監(jiān)控可以在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上傳輸圖像數(shù)據(jù)，在圖像的品質(zhì)和穩(wěn)定性提高方面非常有效，同時計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)網(wǎng)的利用省去了重復(fù)的布線，進(jìn)而促進(jìn)了數(shù)字化存儲的實(shí)現(xiàn)，尤為方便及快捷。從總體上來看，煤礦井下的監(jiān)測監(jiān)控及自動化系統(tǒng)主要有井下人員跟蹤定位系統(tǒng)、礦井供電自動化監(jiān)控系統(tǒng)、主副井提升自動化控制系統(tǒng)等［1］。

2 礦井綜合自動化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 通信技術(shù)的設(shè)計

煤礦綜合業(yè)務(wù)通信網(wǎng)中的信息流向不均勻，能機(jī)動地移動和隨機(jī)接入，可以變化結(jié)構(gòu)和布置。同時，其各種信息源的信息速率跨度大，兼有傳輸與交換功能，各監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)之間有較強(qiáng)的獨(dú)立性，由于其設(shè)備的核心是單片機(jī)或微處理器而缺乏強(qiáng)大的聯(lián)網(wǎng)能力和能廣泛應(yīng)用的協(xié)議。國內(nèi)采用的礦用綜合監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)多采用礦用現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場總線技術(shù)是以數(shù)字信號替代模擬信號，實(shí)現(xiàn)信息傳輸?shù)募夹g(shù)，并且必須符合現(xiàn)場總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)——IEC61158，包含了國際上八類主要的現(xiàn)場總線協(xié)議。以太網(wǎng)在OSI／ISO七層協(xié)議中為了形成一套完整的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議只定義了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，使用的是TCP／IP協(xié)議，因此在現(xiàn)場總線協(xié)議中，通過將IP地址加入到數(shù)據(jù)包前以實(shí)現(xiàn)與以太網(wǎng)的融合，通過TCP進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，以此提高了傳輸效率。隨著信息時代的快速發(fā)展，廣大用戶早已接受TCP／IP，并把以太網(wǎng)作為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。以太網(wǎng)發(fā)展至今，其通信速率不斷提高，減輕了網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，提高其確定性；交換技術(shù)的快速發(fā)展也解決了控制領(lǐng)域的問題。毫無疑問，工業(yè)以太網(wǎng)是礦井多媒體綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的最佳選擇，設(shè)計用于煤礦井下應(yīng)用的一個單元網(wǎng)絡(luò)，連接井下各自動化系統(tǒng)，為煤礦地面提供通訊，實(shí)現(xiàn)范圍廣泛的開放式網(wǎng)絡(luò)。礦用工業(yè)以太網(wǎng)具有靈活性高、連接簡單、應(yīng)用性高、應(yīng)用領(lǐng)域廣、通訊能力強(qiáng)以及兼容性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。

2.2 結(jié)構(gòu)的設(shè)計

礦井綜合自動化網(wǎng)主要傳輸井上下各環(huán)節(jié)設(shè)備的視頻圖像及數(shù)據(jù)信息，將各種檢測系統(tǒng)可處理數(shù)據(jù)、語言、視頻、圖形等各種多媒體信息連接起來。設(shè)備層、控制層和信息層是礦井綜合自動化網(wǎng)的三個主要網(wǎng)絡(luò)層次；設(shè)備層采用接口裝備，實(shí)現(xiàn)快速故障診斷，在煤礦井下的各種控制器上直接聯(lián)上底層的設(shè)備；控制層實(shí)現(xiàn)I／0控制、閉鎖和報文傳送，保證信息的確定性和實(shí)時性，也可傳輸非實(shí)時關(guān)鍵數(shù)據(jù)；信息層，通過TCP／IP協(xié)議，在企業(yè)信息系統(tǒng)上連接控制軟件、網(wǎng)關(guān)等，便于以太網(wǎng)訪問井下傳感器的數(shù)據(jù)。

2.3 協(xié)議的設(shè)計

礦井綜合自動化網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男畔⒉痪鶆颍闲行畔⒚黠@比下行信息多，因此上行線路需要占用頻帶較寬，下行線路傳輸窄帶控制信號，形成雙向不對稱信道網(wǎng)絡(luò)。下行信息優(yōu)先是信心傳輸采用的原則，而上行信息是對圖像和語音信息的數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)先［2］。單播、廣播、多播是網(wǎng)絡(luò)信息的多種傳播形式，在綜合考慮礦井自動化網(wǎng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上應(yīng)選擇多播方式。

煤礦井下與地面之間所有媒體成分?jǐn)?shù)據(jù)的有效傳輸可以通過礦井綜合自動化網(wǎng)絡(luò)通信來實(shí)現(xiàn)，多種成分?jǐn)?shù)據(jù)的多媒體為礦井多媒體系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)更高的要求，因此，新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議即RSVP需要用來應(yīng)對不同類型的傳輸需求，通過實(shí)時媒體流，預(yù)留相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)資源能夠有效地將礦井多媒體綜合業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)，將傳輸資源中的預(yù)留信息作為IP數(shù)據(jù)包發(fā)出，RSVP即是利用預(yù)留信息控制IP分組進(jìn)行傳輸。RSVP同樣具有多播能力，簡單有效地實(shí)現(xiàn)帶寬等資源共享，提高了資源利用率，多播方式采用多播地址，降低了通信處理時間，又改善了礦井多媒體綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)的額外管理開銷，可以說是一種信息在發(fā)送端點(diǎn)與接收端點(diǎn)之間傳輸?shù)闹匾夹g(shù)。

RSVP的預(yù)約模式有兩部分組成，流規(guī)范和過濾規(guī)則。

依靠準(zhǔn)入控制機(jī)制、轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制和數(shù)據(jù)包分類機(jī)制來實(shí)現(xiàn)礦井綜合自動化網(wǎng)中的RSVP協(xié)議，在建立控制通路、維護(hù)并釋放資源預(yù)留通路的基礎(chǔ)上對數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，進(jìn)而達(dá)到完成QoS保證的目標(biāo)。RSVP在控制通路的過程中為了建立資源預(yù)留通路，主要通過發(fā)送PATH類信令和RESV類信令來實(shí)現(xiàn)，而數(shù)據(jù)通路沿著控制通路建立的資源預(yù)留鏈路實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送。相應(yīng)的，RSVP軟件實(shí)現(xiàn)由控制平面和數(shù)據(jù)平面組成，控制平面主要負(fù)責(zé)建立、維護(hù)和刪除不同數(shù)據(jù)流資源預(yù)留，數(shù)據(jù)平面實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸［3］。

發(fā)送者在發(fā)送Path報文的過程中和接收者建立了一個傳輸路徑，數(shù)據(jù)流標(biāo)識符（ID）和其他控制信息存在于Path報文中。流標(biāo)識符在沿途的路由器1、路由器2、路由器3中被記錄下來，進(jìn)而做好資源的儲備。相同的流標(biāo)識符在接收者收到以后被用來回送一個RSVP報文進(jìn)行應(yīng)答。沿著相同的路徑將RSVP報文傳送給發(fā)送者，Path報文在經(jīng)過各個路由器的過程中被確認(rèn)。通過這條路徑可以實(shí)現(xiàn)發(fā)送者和接收者之間的數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)分組所使用路徑的逆向路徑作為這些消息的傳送路徑，相關(guān)數(shù)據(jù)資源在由沿途路由器保存的基礎(chǔ)上按所協(xié)商的QOS提供轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)。

3 結(jié)語

總而言之，礦井安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、信息管理系統(tǒng)等是礦井綜合自動化系統(tǒng)的主要組成部分，通過礦井自動化網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的特點(diǎn)及現(xiàn)場總線布置，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的設(shè)計及RSVP協(xié)議的深入研究，實(shí)現(xiàn)對礦井綜合自動化系統(tǒng)進(jìn)行不斷優(yōu)化與改良，真正做到對煤礦井下作業(yè)的全方位安全監(jiān)測監(jiān)控。同時，運(yùn)用礦井綜合自動化系統(tǒng)，將各自獨(dú)立的系統(tǒng)統(tǒng)一管理協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、文字、語音、視頻圖像的共享，使煤礦生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)化、智能化和自動化，在各個層次均構(gòu)建綜合自動化系統(tǒng)，大幅度提高煤礦企業(yè)效益，從而推動我國煤炭事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

［1］ 劉振宇.礦井綜合自動化系統(tǒng)的設(shè)計研究［J］.科技信息，2012（17）：420；437.

［2］ 蘇淑陽.礦井綜合自動化系統(tǒng)設(shè)計方案［J］.內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟(jì)，2014（1）：207；212.

［3］ 董聚輝.礦井綜合自動化系統(tǒng)在煤礦的建設(shè)與應(yīng)用［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2012（31）：85－86.