煤礦遠程監控礦端數據適配器的研究與應用

李逸　楊百順　凌志遷　吳強　高俊

(四川省安全科學技術研究院,四川成都　610045）

煤礦遠程監控礦端數據適配器的研究與應用

李逸楊百順凌志遷吳強高俊

(四川省安全科學技術研究院,四川成都610045）

針對煤礦瓦斯監控數據鏈路層提取實時數據以及上傳數據技術和管理的不足,提出了新型的監控方式和數據保存上傳方式,統一了監控平臺的接口,研發了新型的煤礦遠程監控礦端數據適配器,新系統具有以下特點:(1）從煤礦瓦斯監控單井系統的數據鏈路層提取瓦斯等基礎實時數據,直接上傳到煤礦遠程綜合監控平臺,防止單井系統主機對基礎數據進行修改。(2）為各類煤礦瓦斯監控單井系統提供了與煤礦遠程綜合監控平臺的統一接口。(3)具有在單井系統數據鏈路故障后仍能上傳基礎數據的功能,能在煤礦掉線后,保存一小時實時數據,并在掉線恢復后把歷史數據直接上傳到煤礦遠程綜合監控平臺,實現掉電數據的還原。

數據適配器環境測試單井系統傳輸FPGA高帶寬

煤礦生產中的瓦斯突出和爆炸事故，傷亡數量大，國家和人民的生命和財產遭受重大損失，社會影響嚴重。

煤礦井下的生產特點主要是作業面長、井下人員、采掘設備分布散、流動性強，一條巷道短則幾百米，長則幾千米，管理難度很大，分布狀況難以及時掌握，而且瓦斯災害、水災、火災和頂板冒落等四類重大災害時有發生。通過對我國統配煤礦近幾年49起重大瓦斯事故的分析，瓦斯爆炸發生地點分布為;煤巷掘進工作面30起，占61%;采煤工作面14起，占29%;其他5起，占10%。因此，煤礦生產中的安全監測尤其是對瓦斯的監測是至關重要的，國內煤礦瓦斯監測已經逐步由各類監測系統來完成[1-5]。

隨著煤礦生產規模的擴大，加強對瓦斯的監測對預防重大事故的發生顯得非常迫切。

1　監控聯網系統

1.1問題提出

圖1　最大工作濕度試驗設備運行記錄

圖2　振動試驗圖譜

系統經過近幾年的運行維護，各項功能已經能比較好的支持各級監控平臺對其所管轄區域內各個煤礦的日常監控工作，但目前系統在基礎數據的提取上還存在比較大的問題，在2011年3月至5月三個月的時間內，全省各個監控平臺反饋過來的由于接口數據不正確導致的系統問題就有24條之多，其中，誤報警12條、傳感器類型錯誤5條、數據不能正常上傳7條。目前已經面臨解決系統基礎數據提取的準確性和穩定性問題，只有保證了基礎數據的實時不間斷性和真實性，煤礦遠程監控綜合管理系統才能發揮其安全監控的作用，為各級監管部門提供有力的監控手段和數據挖掘平臺，為各地煤礦的安全生產提供強有力的支撐。

目前，國內外所有煤礦瓦斯監控聯網系統所采取的聯網方式都是通過有線或無線網絡，以軟件收發的方式實現數據的上傳，針對多樣化的煤礦瓦斯監控單井系統(以下簡稱“單井系統”），煤礦瓦斯監控聯網系統直接使用各個單井系統所提供的接口來提取單井系統中的各項數據，這就需要各個單井系統必須按照統一的接口協議來實現系統接口。而利用各個單井系統提供的接口，必須滿足以下幾個前提:(1）接口協議必須統一，且必須符合瓦斯監控聯網系統的標準;(2）必須保證接口所提供的數據時真實有效的，且單井系統使用者不能對接口所提供的數據實施控制。

圖3　縱向軸正方向沖擊試驗圖譜

圖4　縱向軸負方向沖擊試驗圖譜

而目前煤礦瓦斯監控聯網系統的現狀是:(1）單井系統種類繁多，而同個型號的單井系統的軟件版本也比較混亂;(2）部分單井系統廠家已經不提供售后服務;(3）部分單井系統軟件具有對接口數據實施控制的功能。

這就導致了煤礦瓦斯監控聯網系統目前運行的諸多問題:(1）具有統一的接口協議，但大部分單井系統都沒有完全符合接口協議;(2）聯網系統和單井系統在數據一致性上存在部分問題;(3）單井系統接口問題不能得到及時解決。

1.2新系統的改進

通過分析以上已經存在的問題，以及通過合理的現場試驗，該系統直接從單井系統數據鏈路層提取基礎數據上傳到遠程綜合監控平臺，從而解決從根本上解決數據的一致性問題，提高煤礦瓦斯監控聯網系統的可靠性，為各級監管部門提供有效監管手段和數據挖掘平臺，為煤礦的安全生產提供支撐。

主要對KJ90等煤礦瓦斯監控單井系統中的各類傳感器輸出信號進行了煤礦現場調研和深入分析，包括甲烷傳感器、溫度傳感器等，了解了各類傳感器的輸出特性，信號傳輸方式，采集方式，各類信號的特點等;以及對該系統中的分站/基站、數據接口的輸出與輸入信號進行了分析，通過多次現場測試、數據比對等方式，研究并確定了其傳輸協議;以及通過對煤礦瓦斯監控單井系統數據傳輸協議的分析，采用嵌入式技術，研發了煤礦遠程監控礦端數據適配器，實現了對單井系統鏈路數據的實時監聽，并上傳到遠程監控平臺;并且還設計兼容各個單井系統的接口軟件，根本上解決了歷史遺留問題[6-7]。

在技術層面上主要做了如下工作:(1）煤礦瓦斯監控單井系統協議解析:本項目產品利用FPGA高帶寬、并行處理的特點，融合嵌入式設計技術，對單井系統傳輸數據進行多任務算法運算，實現了多路數據的實時解析。(2）參數遠程配置:利用h ttp技術，可通過Internet遠程對適配器的各項參數進行配置，包括地址、煤礦編號、數據上傳周期等，配置完成后，產品自動重啟，生效新的配置。(3）掉線數據保存及恢復:在產品運行過程中，如果出現監控平臺服務器故障等原因導致單井系統掉線等情況，產品仍可以繼續按設定的時間間隔截取通信信號中的有效字段，并存儲到自帶非易失性存儲空間中，完成長達1個小時的數據存儲，在網絡恢復正常后，優先上歷史數據到監控平臺，實現掉線數據的還原。

2　新型遠程數據適配器的可靠性分析

2.1煤礦遠程監控礦端數據適配器環境測試分組

考慮到以后良好的推廣，因此對于煤礦遠程監控礦端數據適配器進行環境測試，分組情況如下:(1）恒定濕熱試驗測試;(2）掃頻振動試驗測試;(3）沖擊試驗測試。

2.2環境測試試驗

2.2.1恒定濕熱試驗測試報告

試驗要求:讓試驗樣品處于不包裝、不通電、“準備使用”狀態下，按其正常位置放入試驗箱內，然后對試驗樣品進行加電，使其處于正常通電工作狀態，然后以≤1℃/m in的溫度變化率將箱溫調節至40℃，當樣品打到溫度穩定后，再加溫至相對87～92%，將樣品放置48小時，期間觀測試驗樣品通電工作情況進行觀測。將試驗箱內的相對濕度在0.5h內降低至75±3%，再以≤1℃/m in的溫度變化率將試驗箱內溫度降至常溫后對試驗樣品進行觀測(圖2）。

試驗結果各項數據均為正常。

2.2.2掃頻振動試驗測試報告

試驗要求:將不包裝、不通電的試驗樣品按其正常工作位置安裝在振動設備上，按10Hz～150Hz，振幅:0.15mm，掃頻速率:1倍頻程/m in，單方向振動:5次的要求進行振動試驗，完成后進行觀測。試驗結果各項數據均為正常。

2.2.3沖擊試驗測試報告

試驗要求:將不包裝、不通電的試驗樣品按其正常工作位置安裝在試驗設備上，按峰值加速:300m/s2，脈沖持續時間11m s的要求進行試驗進行觀測（圖3、圖4）。

試驗結果各項數據均為正常。

綜上所述，該新型煤礦遠程監控礦端數據適配器環境測試均合格，具有能夠適應各種地下艱苦環境以及應對緊急情況的能力。

3　新型遠程數據適配器的試用

由于煤礦安全生產形勢嚴峻，四川省安監局針對安全生產事故頻發和安全監管監察技術支撐能力不足的情況，于2011年對“煤礦遠程監控礦端數據適配器”展開轉向支持。此設備符合國家安全生產“十二五”規劃和煤礦安全生產“十二五”規劃對“安全生產監督監察和管理”的要求。

經過一年多的技術攻關及測試工作，2012年10月由四川省安全科學技術研究院研制、四川九洲電器集團(國有軍工企業）產業化的JZ-DA 01“煤礦遠程監控礦端數據適配器”正式發布。

經四川省樂山市犍為縣安監局和四川省瀘州市瀘縣安監局的積極協調，由四川省安全科學技術研究院、四川九洲電器集團共同參與實施了“煤礦遠程監控礦端數據適配器”在犍為縣滴水巖煤礦和瀘縣錦運煤礦的試用工作。截止2013年3月31日，經過6個月的試用，“煤礦遠程監控礦端數據適配器”各項指標正常，能準確解析傳輸接口數據，極大提高了煤礦單井基礎數據提取的準確性和可靠性，為單井基礎數據傳輸的時間不間斷性和真實性提供了一種技術可能，并能夠對煤礦基礎數據的災備提供有效的技術支持。

經使用，兩個煤礦的“煤礦遠程監控礦端數據適配器”能較好支持相關政府部門對煤礦的監管工作。

4　結語

(1）分析對比了新老兩代遠程監控系統的不同之處，指出新型煤礦遠程監控礦端數據適配器的優勢和創新之處:

項目應用創新性體現在:①兼容現有煤礦遠程監控綜合監管平臺。②1U機箱設計，適合多種機柜放置。③優化的電路設計，以降低設備功耗，良好的散熱結構設計，可以確保設備穩定工作。④支持遠程參數配置和維護，從而降低設備維護工作量，提高生產效率。

項目技術創新性體現在:①直接從單井系統數據鏈路上采集數據，不會對現有單井系統產生任何影響。②具備掉線數據備份和恢復功能，能夠在煤礦掉線后自動保存數據，并在網絡恢復時自動將監視數據上傳到遠程監管平臺，確保了煤礦基礎數據的完整性，便于災后數據分析，事故查找。③在設備總體方案設計時充分考慮今后可能升級的功能和新業務支持，選用了CPU+FPGA的架構，便于系統擴展。

(2）通過三種工況的環境測試分析，適配器分別在恒定濕熱試驗測試、掃頻振動試驗測試、沖擊試驗測試中都取得了合格的測試成績，證明了該適配器能夠應付大多數的惡劣條件。并且在實際試用上也取得了較好的效果回饋。

(3）本項目在研發上取得了成功，產品經過現場試用，穩定可靠，但要進行批量推廣還存在如下問題:

①產品雖經過多個煤礦試用，但試用面還不全面，后繼需爭取協調一個縣或市作為試點，以全面驗證產品適應性。②兼容協議還不夠全面，需要進一步兼容更多的協議，以覆蓋四川全境煤礦單井系統，如果本項目前期推廣順利，后繼再行立項開發。

[1]梁飛.煤礦井下瓦斯數據現場總線傳輸技術研究[J].太原科技, 2007,11;89－90.

[2]廖平.基于CAN總線的煤礦井下風機監控系統實現[J].現代電子技術,2007,27(4);177－180.

[3]徐釗.礦井綜合業務數字網匯接適配器的研究[J].中國礦業大學學報,1998,22(3);386－389.

[4]汪俊琦.EXCELL2000G測井系統與PC機的數據快速傳輸[J].石油和化工設備,2010(1);57－58.

[5]詹林.煤礦井下隔爆開關CAN總線接入的設計及實現[J].煤礦機械,2006,27(1);100－102.

[6]陸賓禮.智能數據適配器的研究與應用[D].浙江工業大學碩士學位論文,2013.

[7]金蓉.基于 GIS 的嵌入式煤礦安全監測及調度系統的研究[D].西安科技大學碩士學位論文,201 0.

李逸(1988—）,男,重慶銅梁人,重慶大學資源及環境科學學院采礦工程碩士。