模塊化綜合分站在煤礦井下監控系統的設計

孫宇　梁士林

摘 要：本文針對目前煤礦井下監控系統相對分立的特點，隨著礦山綜合信息化系統的推進和物聯網技術的發展，本文介紹了一種基于物聯網構架的煤礦綜合信息化系統─iMine系統。該系統將井下鋪設的多個獨立的系統統一建設在一個標準的網絡系統中，從而實現井下監控系統的綜合化、設備的模塊化、安裝維護的簡單化、網絡管理的智能化。井下模塊化綜合分站作為iMine系統的核心設備，具有模塊化、可管理性和標準化的特點，對實現煤礦綜合信息化系統具有重要的參考價值。

關鍵詞：煤礦井下；物聯網；信息化系統；模塊化綜合分站

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A

目前，為了解決煤礦井下系統冗余度高、成本高昂、安裝和維護復雜等一系列問題，一種基于物聯網構架的iMine煤礦綜合信息化系統應運而生。iMine系統包括應用層、網絡層和感知層，模塊化綜合分站作為iMine系統網絡層的核心設備，可以為感知層提供標準化的接口，通過標準擴展模塊有能力接入各種自動化設備終端，比如各種傳感器等，同時又能為應用層信息處理系統提供統一的傳輸層協議簇和接口，直接服務于自動化生產、人員安全監控和企業管理系統如ERP和MES等，實現高效的管理。

一、模塊化綜合分站原理及結構

1 分站原理

井下模塊化綜合分站位于系統的網絡層，是整個系統的核心設備，是一款平臺級工業物聯網網絡/傳輸層核心設備。所謂“平臺級”，指的是這個設備具備幾乎目前工業生產領域的全部有線和無線傳感器接口，甚至包括部分電信的3G無線通訊接口，可以對接幾乎全部標準化的傳感器、終端或者其它標準工業以太網設備，實現了一臺設備像一個綜合平臺一樣的全面連接，一臺設備完成全部工業物聯網“網絡/傳輸層”任務。

由于分站分散分布，相當于在巷道不同地點、生產現場等部署了以太網、WiFi、ZigBee、485、頻率信號、電流信號、語音電話等傳輸接口，其它網絡應用設備或終端，如監控用的有線無線攝像頭、廣播終端、傳感器數據采集終端、PLC遠程通信終端等就可以就近接入到iMine分站中，通過iMine系統平臺將數據、語音、圖像等信息上傳到服務處理中心。

2 分站結構

分站外部具有13個喇叭口用于外接信息化終端設備，另有4個天線接口。分站內部基本配置（如圖1）包括：（1）底板，底板用于給模塊供電，完成模塊間及分站間的數據交換；（2）通用模塊插槽，用于固定模塊；（3）電源接入部分，關聯隔爆兼本安型電源。分站內提供1個專用插槽形式的光模塊接口；5個固定插槽形式的10/100/1000Base-TX自適應端口，以可插拔方式插入不同的功能模塊，提供各類信號接入方式。另外還有一個異形模塊安裝區域，用于安裝非標準模塊。

二、模塊化綜合分站的特點

1 模塊化——分站采用模塊化結構設計，各模塊具有獨立的功能、一致的物理安裝尺寸以及一致的輸入、輸出接口單元。可以根據實際需求和預算，靈活組合配置；具有模塊重用性高、工程安裝復雜度低、工程質量和系統可靠性高等特點。

2 可管理性——分站采用了軟件管理硬件設備。每臺設備和每個模塊都含一個多功能中央處理器CPU，從而使所有硬件都實現了智能化，全部可網絡化管理，包括現場管理和遠程管理、云計算模式管理等。

3 標準化——針對此分站開發符合OPC標準的開放接口API，可以向所有開發應用層軟件的單位提供標準的接口，使得應用軟件方便且可靠地實現對分站本身及那些由分站單獨或者混合構建的傳輸網絡的訪問和控制，以便于各系統集成商的軟件對本設備的兼容。

三、模塊化綜合分站設計

煤礦井下可以根據用戶需求靈活配置模塊，實現系統功能定制。功能模塊配置有以下幾種供設計參考：千兆交換管理模塊接口采用全IP協議棧模型，4個千百兆自適應的光接口通過光纜連接可直接形成或接入礦井千兆工業以太環網，在總的環網基礎上還可以形成各中段千百兆子網；光纜傳輸距離10km以上。WiFi模塊具有4個10/100M自適應LAN口，可以應用于無線通信、井下無線上網、無線視頻監控；同時配合多余的千百兆自適應光口可用于井下IP設備接入，如有線視頻監控、IP廣播等；無線通信距離大于400m。區域定位模塊可以應用于井下人員、機車區域定位及管控；分站與標識卡通信協議為ZigBee協議。精確定位模塊可以應用于井下人員、機車精確定位及信號燈匯讓智能管控；精確定位模塊無線傳輸距離>400m，并發識別數量>80張標識卡，定位精度<±5m。傳感器模塊具有1個485和4個頻率型或開關量接口，可應用于各類傳感器接入；頻率型接口頻率范圍200Hz～2000Hz；軟件可對所接傳感器遠程執行斷電、復位操作。語音接入模塊可接入2個礦用模擬電話，實現有線調度通信功能。

結語

煤礦井下模塊化綜合分站的應用，實現了井下集中監測及所有系統的統一管理和維護，能夠實現高可靠性、低采購成本和低維護成本。系統的建立將加速煤礦井下綜合自動化和信息化水平，對煤礦企業有顯著的經濟效益。

參考文獻

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