矿井安全监测监控系统_程德强
DOI:10.16280/j.videoe.2006.02.020
文章编号：１００２－８６９２（２００６）０２－００７８－０４
矿井安全监测监控系统＊
程德强，李世银，李
鹏，田
隽，庞
平
（中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州２２１００８）
【摘
综述・・
要】介绍目前国内外煤矿安全生产监测监控系统，分析其特点，并展望了我国矿井安全监测监控系统的发展趋势。同时据此
构建了一种基于工业以太网和现场总线的混合网络矿井安全监测监控系统。【关键词】监测；监控；矿井；安全【中图分类号】ＴＰ２７７
【文献标识码】Ａ
ＴｈｅＳａｆｅｔｙＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍｏｆＣｏａｌＭｉｎｅ
ＣＨＥＮＧＤｅ－ｑｉａｎｇ，ＬＩＳｈｉ－ｙｉｎ，ＬＩＰｅｎｇ，ＴＩＡＮＪｕｎ，ＰＡＮＧＰｉｎｇ
（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＭｉｎｉｎｇａｎｄＴｅｃｈ，ＸｕｚｈｏｕＪｉａｎｇｓｕ２２１００８，Ｃｈｉｎａ）
【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｓａｆｅｔｙｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｓｕｓｅｄｉｎｃｏａｌｍｉｎｅｓａｓｗｅｌｌａｓｔｈｅｉｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．
Ｔｈｅｎ，ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｒｅｎｄｏｆｓａｆｅｔｙｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｏｆｃｏａｌｍｉｎｅｓｉｓａｎａｌｙｚｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ａｓａｆｅｔｙｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｓｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｗｈｉｃｈａｄｏｐｔｓｔｈｅｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｏｆＩｎｄｕｓｔｒｙＥｔｈｅｒｎｅｔａｎｄＦｉｅｌｄＢｕｓｔｏｂｕｉｌｄａｈｙｂｒｉｄｃｏｎｔｒｏｌｎｅｔｗｏｒｋ．
【Ｋｅｙｗｏｒｄｓ】ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；ｃｏｎｔｒｏｌ；ｍｉｎｅ；ｓａｆｅｔｙ
１
引言
我国煤矿开采条件复杂，自然灾害严重，煤炭企业生
现系统间的通信和数据共享。这样，矿井的安全监测监控可由原来单一的监测监控向综合自动化方向发展。
本文从介绍目前国内外煤矿安全生产监测监控系统出发，分析我国矿井安全生产监测监控系统的特点和发展趋势，并据此构建了基于工业以太网和现场总线的混合网络监测监控系统。系统基于集散式结构，采用开放性协议的传输网络，可实现与第三方系统和设备接口的数据共享和通信。同时，能根据煤矿监控场所流动性大的特点，适应移动和随机接入的需要。系统具有较高的鲁棒性和冗余措施，可保证矿井在突发事件下的安全可靠运行。
产力水平整体偏低，安全生产基础比较薄弱［１］。在当前煤炭市场需求旺盛的推动下，部分煤矿存在突击生产或盲目超产现象，造成近几年矿井安全事故发生率居高不下。为保障煤矿的安全生产，除进一步加强煤矿安全管理意识外，关键是建立煤矿井下安全监测监控系统，形成煤矿井上／下可靠、高效的安全预警机制和管理决策信息通道。
目前，为煤矿井下安全使用了如下监控系统：工作面综合监测系统、瓦斯等环境参数监测系统、通风监测系统、设备运行参数监控系统、皮带集控系统和束管监测系统等。这些安全生产监测监控系统多为封闭系统，系统中使用的通信协议和信息交换标准都是由厂商自己制定的，严格保密，互不兼容。而且，网络结构和通信模式多样，不同系统间联网困难，难以做到数据共享，造成设备的重复投资，由于每种系统都需要建立自己的通信网络，电缆（光缆）的重复敷设、维修人员的重复设置，造成企业资源配置不合理，并且系统的可扩展性受到限制［２］。
随着网络和通信技术的发展，国外新推出的矿井监测监控系统均采用基于开放系统互连标准模型的集散系统结构［３］。系统由现场测控分站和控制中心主站组成。分站可以脱离主站自动实现就地监测和控制功能；主站主要负责监测数据的收集、存储、显示、报警、处理、分析和报表打印等。系统支持多种互连标准，任何集散测控分站，只要遵循这些规程，就能够与其它分站或其它监测监控系统相连，方便地组成多节点的安全监测监控网络，实
２
矿井监测监控系统现状
井下可用的传输介质较为单一，能适合传输较高信
息速率的介质主要有光纤和漏泄电缆，因此，目前国内、外的矿井监测监控系统多采用此两种传输介质［４］。
２．１漏泄通信综合传输监测系统
矿用漏泄漏泄通信综合传输监测系统如图１所示［５］。
通信监测监控系统在２０世纪末由加拿大矿通等公司生产，代表了当时国际上矿山井下移动通信和综合业务传输和监测的先进水平。系统提供３２路语音／数据通道和
１６路单向模拟视频通道，能够实现煤矿各种信号的综合传输。漏泄系统的中心是前端单元，从前端单元引出４条漏泄电缆，可分别送到井下不同的作业面，也可接地面天线，实现地面移动通信。漏泄电缆上每３５０ｍ需加一中继器。在前端单元中，３２路下行信号经频分复用（ＦＤＭ）调制在１４８～１５９ＭＨｚ频率范围内，送入漏泄电缆下行传输；３２路上行信号占用带宽为１６３～１７４ＭＨｚ，经解复用
＊国家科技型中小企业创新基金资助项目，立项代码：０２Ｃ２６２１３２０００５６；中国矿业大学青年科研基金资助项目，立项代码：０Ｃ４４６４
２００６年第２期（总第２８４期）
后输出给相应的监测、监控系统或电话交换系统。１６路视频信号占据１０～１２０ＭＨｚ频段，单向上行，送给相应的监视器显示。数据信号则通过无线调制解调器将信号馈入漏泄电缆进行传输，漏泄通信系统还具有对井下人员和设备的跟踪能力，利用固定在设备上或人员矿灯中携带的无线信标器和巷道中接收器的组合来实现对目标的跟踪，通过漏泄电缆传输将有关信息传输到地面。利用这些数据，生产调度软件可实现生产的优化调度与管理。
终端匹配单元图２ＫＪ９５型煤矿综合监控系统配置框图
难以做到数据共享，系统的可扩展性受到限制。
目前，监测监控系统信息传输的兼容性已成为装备监控系统的各集团公司、矿井进一步改造和扩充系统功能的制约因素，因此，需要开发、设计具有开放性协议的矿井安全监测监控系统。
图１漏泄通信综合传输监测系统
２．３ＨＩＭＡＳＳ安全监测监控系统
ＨＩＭＡＳＳ系统为国内本世纪初引进的美国Ｈｏｎｅｙ－该系统采用实时的ｗｅｌｌ公司集成的煤矿监测监控系统［６］。
网络化结构，地面为以太网和ＤＨ＋网，井下为ＤＨ＋网，代表了当前矿井安全监测监控的最高水平。其配置结构如图３所示。
目前，国际上使用的这种漏泄通信监测监控系统尚属于频分复用模拟通信系统，数据、语音和视频信号直接调制某个载频后送入漏泄系统进行传输。由于各个通道指定用于固定的设备，因此，频道利用率不高。目前也应用于煤矿井下移动信息的综合监测。
由于采用漏泄电缆作为全矿井的传输通道，则必须使用大量的中继器，不仅增加了系统成本，而且会降低系统可靠性，因此需开发、设计以光纤为主干传输网络的矿井安全监测监控系统和配套设备。
２．２ＫＪ９５煤矿综合监控系统
ＫＪ９５是２０世纪末由常州煤矿自动化研究所研制开发的煤矿综合监控系统，代表了当时国内矿井监测监控的先进水平。ＫＪ９５适合用于煤矿实现井下环境和井上／下生产工况监测，井下通信及工业电视监视等全矿井综合监测监控。图２为ＫＪ９５型综合监控系统总框图。监测和通信是两套相对独立的系统，干线部分采用光纤，监测系统的数据和通信系统语音信号都送到地面光端机，由光端机把电信号转换成光信号在光纤里传输，井下光端机将光信号转换成电信号送井下光端机，再将数据与语音分开。数据信号通过井下光端机的ＲＳ－２３２口送井下传输接口，由传输接口的输出送各种分站。语音信号通过分线盒送各个话机，监测数据和语音可实现双向传输。
图３
ＨＩＭＡＳＳ安全监测监控系统结构图
监控系统地面部分由Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ公司的ＰｌａｎｔＳｃａｐｅ工作站、交换机、集线器、ＳＣＡＤＡ服务器、ＣｏｎｔｒｏｌＬｏｇｉｘ网关以及用于连接各设备的光纤和铜缆组成。为提高系统的可靠性和安全性，系统内服务器、交换机、工作站都采用冗余设置。考虑到系统的以太上层网网节点群之间的距离比较远，主传输光缆采用两条，从而进一步从物理连
ＫＪ９５煤矿综合监控系统主干网络采用光纤传输数据，为矿井监测监控提供了高速的信息传输通道。但是，
ＫＪ９５系统采用专用通信协议，与其它系统间联网困难，
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接上保证了地面所有连接到ＨＩＭＡＳＳ上层网的接口数据，可以在一条主缆瘫痪的情况下，信息仍然顺利传到
化监测，一方面可对数据进行预处理，另一方面可进行设备的自我故障诊断和维护。
ＨＩＭＡＳＳ服务器上。这种网络结构为ＨＩＭＡＳＳ系统能在地面实现对井下运输机的集中控制，矿井各职能部门在以太网交地面直接指挥调度井下生产，提供了可靠保障。换机为通信网络上工作的所有节点提供了１０Ｍｂｐｓ和
３）高速综合自动化系统
由单一的监测监控系统向综合自动化系统发展，并且主干网络可实现数据的高速传输，形成煤矿井上／下可靠、高效的安全预警机制和管理决策信息平台。
１００Ｍｂｐｓ不同速率的网络连接，通常１００Ｍｂｐｓ用于连接服务器和工作站，１０Ｍｂｐｓ用于集线器至其它设备的连接。这充分展示了该系统在实时控制领域传输信息能力的优势，并为矿井日后信息量增加留有余地。
监控系统井下部分采用Ｒｏｃｋｗｅｌｌ公司的ＤＨ＋网。
４基于防爆工业以太网的安全监控系统
为适应国内外矿井安全监测监控的发展趋势，笔者在借鉴ＨＩＭＡＳＳ监测监控系统的基础上，构建了基于防爆工业以太网的安全监控系统，采用防爆工业以太网＋现场总线的模式，形成一种基于防爆工业以太网混合控制的网络结构。本系统中，与底层实时监测监控设备的互联采用现场总线，因为现场总线对协议具有彻底的开放性、分散性和完全可互操作性等特点，可实现兼容多种自动化控制系统和监测设备，为矿井底层监测监控设备数据实时控制提供了重要手段。但由于不同设备、不同现场总线设备的通信协议有很大差异，要实现不同总线产品间的互联非常困难。本监测监控系统采用工业以太网解决该瓶颈，由于各种现场总线设备大多开发出以太网接口，因此采用工业以太网来统一管理现场设备的通信。工业以太网具有开放性好，实时性高和安全性好等特点，为各种监测监控系统的传输提供高速通道，最大限度实现子系统的信息共享，便于系统的扩展。
同时，为了适应国际上煤矿监测监控系统向综合化方向发展的趋势，基于防爆工业以太网的安全监测监控系统设计采用现代控制系统理论，由设备层、控制层以及信息层３部分构成，其网络结构如图４所示。
局级中心站
监测监控主站冗余设备
井筒光缆
防爆工业以太网络交换机
本安型视频服务器防爆工业以太网络交换机
瓦斯监测
防爆工业以太网络交换机
测控装置
通用接入分站
测控装置
光缆
地面交换机
ＣｏｎｔｒｏｌＬｏｇｉｘ网关为Ｒｏｃｋｗｅｌｌ数据高速公路ＤＨ＋和连接至ＳＣＡＤＡ服务器的以太网ＴＣＰ／ＩＰ之间提供数据转换，为模块化机架式结构，可支持多个ＤＨ＋网和以太网模件。
井下ＤＨ＋网为环行结构。主干网以光纤为主，分支则采用铜缆，这样设计既保证了系统安全和数据的准确信息采用时分制传输，又适合井下分站需要移动的特点。
半双工基带传输，速率≥５７．６Ｋｂｐｓ。由ＣｏｎｔｒｏｌＬｏｇｉｘ网关至最远分站的距离可达２５ｋｍ，无需设中继。主干网上各节点（分站）之间为无主工作方式，能实现对等通信。
ＨＩＭＡＳＳ解决了系统扩展性和开放性的问题，提供部分第三方数据接口或标准通信协议，如ＯＰＣ，ＤＤＥ等。并且井下网络采用环网结构，地面主干网络采用双光缆，充分保证了数据的安全可靠传输。但是，其井下采用
ＤＨ＋环网，整体网络传输速率较低，不能同时传输视频信号，因此，对于视频监控信号的传输，还停留在模拟传输阶段，一路图像传输占用一根光纤，使得设备投入和运行成本很高，造成资源浪费。
３
矿井安全监测监控系统的发展趋势
根据国内外矿井安全监测监控系统的现状，参照我
国煤炭行业信息化建设总体规划纲要，其系统发展趋势主要有以下方面：
矿级中心站井上以太控制网井下工业以太环网
１）集散式结构和开放通信模式
系统基于开放式互联模型的主站－分站集散式结构。主站负责数据的处理，各个分站完成数据的采集和简单预处理。各设备间通信采用通用标准协议，兼容多种自动化控制系统。任何设备在符合标准的前提下，可方便组成多节点的安全监测监控网络，使系统实现最大限度的信息共享。并且，可根据煤矿监控场所流动性大的特点，能适应移动和随机接入监测设备的需要，形成兼容性强、有扩展和升级裕量的开放型监测监控系统。
本安型网络
智能分站
ＣＯ２监测
２）系统鲁棒性和设备智能化
系统应具有较高的鲁棒性和冗余措施，可保证矿井突发事件下的安全可靠运行。现场监测设备应实现智能
图４
电缆
基于防爆工业以太网的安全监控系统结构
设备层主要由现场工业总线和监测监控设备组成，
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能够处理实时的、现场的信息，具有协议简单，容错性强，采用智能设备管理系统，对现场设备进行在线监视和诊安全可靠，成本低廉等特征。各种低层的监测监控设备，断、维护管理，使得系统有较高的鲁棒性和冗余措施，可通过本安型网络智能分站或通用接入分站，实现各种不保证突发事件下能安全可靠运行。
同现场协议总线数据和网络标准ＩＰ数据的转换，通过煤矿井下工业以太网，一方面实现与地面监控主站的通信，５
结束语
另一方面也可实现不同总线设备间的通信。
基于防爆工业以太网的安全监控系统设计基于现代
控制层主要由井下防爆工业以太及其网络交换设备控制理论，具有较高的鲁棒性和冗余措施，可保证系统长组成。将现场设备Ｉ／Ｏ网络的功能和对等信息传输网络时间安全运行。它采用了高速的传输控制技术，能快速可结合起来，构建高速数据传输和控制通道。通过工业以太靠地进行远程监测监视和控制，采用开放式的通信协议，网处理大量的、变化的、多样的信息，每个现场设备都可如现场总线和ＴＣＰ／ＩＰ等，以实现与第三方设备接口的通以独享网络带宽，满足矿井不同类型数据（控制数据、监信，具有较强的可扩展性，是煤矿监测监控的发展方向。测数据、语音和视频）高速、综合的特征要求，真正实现交换式的安全监测监控传输控制，不同类型数据传输带宽参考文献
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!
制程序上载等。
在进行基于工业以太网的矿井监测监控系统设计时作者简介：
采用如下措施：通过可靠性设计提高现场设备的可靠性；程德强，博士生，主研宽带网络技术及其数字视频传输。采用环型冗余结构以太网网络以提高系统的可恢复性；
责任编辑：刘伯义
收稿日期：２００５－１２－０６
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８２９１［Ｐ］．２００５－０６－１６．
郭瑞霞（１９７９－），女，硕士生，主研机械自动控制与智能化；［８］ＴＯＭＯＨＩＤＥＩ，ＫＥＮＳＵＫＥＭ，ＳＵＳＵＭＵＯ，ｅｔａｌ．Ｃａｍｅｒａ－ｌｉｎｋｅｄ
吴运新（１９６３－），教授，博导，主研机械结构动力学、机电控制等。责任编辑：张家豪
收稿日期：２００５－１１－３０
Ｎｏ．２２００６（ＳｕｍＮｏ．２８４ＶＩＤＥＯＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ
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