（机械制造及其自动化专业论文）基于工业以太环网的煤矿实时监测系统.pdf

摘要 摘要 近年来，我国煤矿安全事故频频发生，原因有瓦斯突出、透水渗水、非法操作、 监控失效和设备故障等造成，除了人为和突发事件外，设备故障引起的事故也占不 小的比例，因此建立完整的煤矿大型设备实时监测系统非常必要。 首先，本文通过基于煤矿大型设备的监测系统需求分析，针对国有大型煤矿生 产的实际情况，提出了适合于现代大型设备实时监测系统的解决方案。系统基于 m o d b u s 网络协议，主干环型光纤以太网络，通过智能接口和现场各监测分站，网络 视频系统和直通电话系统连接，实现数据网、语音网和视频图像网三网合一。局域 网内访问采用b s 模式，区域内p c 机可当作服务器实现数据共享和站站通讯。 其次，提出了煤矿大型设备的监测及事故排查方法。局域网络硬件设计上满足 工作环境和性能稳定性；视频系统设计基于第三代视频监控系统，利用背投和d l p 拼接墙技术实现大屏显示。语音系统采用华为3 c o m 基于v o i p 技术实现网络电话通 讯。数据采集系统设计中，确定传感器的选型，通过采用先进的s i ( n e t 公司底层 i 0 站的设计实现底层数据采集，并给出了立井和风机的结构图和底层元器件接线 图。 最后，利用“组态王”软件进行系统开发，生动的描绘现场设备并动态模拟设 备工作，实现实时数据显示与存储，历史数据查询打印，超限或低限报警，报警查 询，同时能实现网内权限管理，局域网内直接访问数据等。通过工业以太网络软件 设置和系统防火墙的安装以及高速传输质量能使系统在实时性、安全性和可靠性等 方面满足煤矿实时监测系统应用的要求，该系统可以说是新一代s c a d a 煤矿实时监 测监控系统。 关键词分布式系统；数据采集；远程监控；煤矿安全：工业以太网 a b 引t a c t a b s t r a c t i t lr e s e n ty e a 船，a c c i d e i l t s 血c o a lm i n ch a p p 衄e d 姻u 即n yi no u rc o l l l l n y t h e r ea r em a n y 化船o n ss u c ha st 1 1 eo u t b u r s to fg 船，p e 仃a t 0 w m n g0 p e r a d o n d i 鞠b l e dm o n i t o ra n dm a l 劬c t i o n 仔o mc q u i p m e n t se t c e x c 印tm a n m a d ea n do u t b u r s ta c c i d e n t s ，e q u i p m e n t sm a l f i l 眦6 0 n 组k 髓孕a t p r o p o r t i o 砌e n t t h e r e f o r e ，ac o m p l e t es e c u r i t y 彻dr c a l _ t i m em o n i t o rs y s t e mo f ac o a lm i n eb 船e do n 1 a r g ee q u i p m e n ti su 唱e n tt ob ed e v e l o p m e n tf o r h i 曲丘e q u e n c y0 f r i l i n ea c c i d 拓 f 趣t ly a c c o r d i l l gt o 蛆a l y s i so ft h er e q u 疏to f c 证t yr e a l m m em o i l i t o rs y s t e i no fac o a l m i i l ea i l d 抽e da tp r o d u c t i o nf a c t so fg t a t ec o a lm 妣，w ep u tf o r w a r dac o m p l e t es e c 岫t yr 朗1 - 廿m e m o n i t o rs y s t e mp r o j e c t t h es y s t e m sm a i n h n e ri su do 砸c a lf i b e b 船e dm o d b u sp m t o c 0 1 衄d c o n n e c t e dm a r l ys u b s ) 僵t e m s ，v i d e of e q u e r l c ys y s t 锄a n dd i r e c tt d e p h o n e ，稿aw h o l eo fd i g i t a ln e t ， s o u d dn e t 吼di m a g en 氐n em o d eo f b si su s e dt 0 访8 i t a 矗o nm o d et o 嘲l i 髓d a 诅s h a r e 蛆d c o m m u n i c a 虹o nb e t w e e no n es t a d o na n do 廿l e rs t a 廿0 n s e c o n d l y ，w ec a r r y0 u ts o m em 0 1 1 i t o r 。锄di 1 1 c i d e n ts e a r c hm e a l l s l a nd e s i g nm u s t 蛆d f yw o r k c o n d i d o n 粕ds t a b i l i t y ；“d e 0 舳q u c ys y s t e md 船i 印r o o t s 缸t 1 1 e 也i r dc o n n d ls y 吕t 眦o fv i d e o 丘q u e n c y w h i c ha d o p t sd l pc o i n b m 撕o nt e c h n i q u e 、，o i c es y s t e mr o o t si 1 13 c o mh l l a w 西c o t o r e a l i z ec o m m u n i c a t i o n h lt l l ec o u r s eo f d a t ac 0 1 l e c 石o ns y s t e m ，w ef - 璐tm a l 【ec e r t a i ns e n s o ra n db u i l d l a nb a s e da d 啪c e d m o d u l e s 嬲s 缸t i 丘d ms i 蛆tt oc 0 1 1 e c td 捆，t b 髓西v eh 蹦1 w 眦 w i r i n gd i a 毋a m f i l l a l l y s y s t e ms o r w a r ee x p l o i t l l f ci sb 船e do nk i n g v w6 5 柚dw eu s e dt 1 1 i e _ d i m s i o 衄1 s c u l p tt os i m u l a t el o c a l ee q u i p m e m s 蛐d 咒a l i z e dd ”a m i cs i m u l a 廿o n ，r c a l _ t i m ed i s p l a y 蚰dm e m o 吼 h i s 蜘cq u 哪u p o no ru n d e rp a 姗种e ra l 锄d i s p l a y ，a l a r n lq u e r y 柚d h i s t o r i cr c p 0 i tf b m sp r h l t ， 卸dw ec 蛆r e a l i z ei l l t e m e tm 强a g 锄e n t 锄d “删d i r c c t 】yc t c a c c o r d i i l gt oi n d l l s 扛ye l h c r n e ts 硎n g ， f 班w a l l si n s 协l la n dh i g l l - s p e e dm m s 蚵s s i o ni tc a ns 撕s 母s y s t e m ss e c l l r i 吼c r e d m i l i t y 如dr e a l m m e i nc o a lm i l l ew h i c hi sn e ws c a d as 删e mo f m i n em o n i t o ra i l dc o 订o lw 缸m 缸gs y s t e m k e y w o r d s d i s 仃i b u t e ds y s t e n l ；d a 诅c o u e c t i o n ：瑚l o t em o n i 曲a 1 1 dc o 咖1 ： c o a lm i n es e c 嘶t y ： l i l d u s 仃ye 也e m c t i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 型韭 日期：鲤! ：生! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 繇均聊躲避魄速一 1 1 课题背景 第1 章绪论 我国煤炭资源分布广，我国煤炭资源分布总体格局是北富南贫，西多东少。全 国2 3 0 0 多个县( 市) 中，有1 2 0 0 多个境内有煤炭资源。煤田总体构造在世界上属 于中等偏下，条件较差。我国煤矿特厚煤层少、埋藏深，决定了我国露天煤矿数量 少，这与出露天煤矿为主的美国、澳大利亚相比，我围煤矿的安全生产难度较大， 除了像神华大柳塔、兖州济宁三矿这样自然条件非常好的矿井，但大部分煤矿存在 着地质构造复杂、倾角大、煤层薄、煤层不稳定、灾害严重等这样或那样的问题， 造成我国煤矿中高产高效矿井不足国有重点煤矿总数的1 4 ，国有地方煤矿机械化 程度更低，安全生产难度较人。 我们国家具有丰富的煤矿资源，从9 1 年距离到现在除了2 0 0 0 年和2 0 0 1 年煤 采量低于美国之外，其他每年采煤量都是稳居世界第一，然而煤矿每年的伤亡人数 也一直是稳居世界第一f 1 _ 2 l ，专家同时指出小煤矿还存在小事故的瞒报现象”1 。分 析事故原因，有多种如瓦斯突出，煤层透水，煤尘爆炸，非法操作和设备故障等引 起。2 0 0 5 年1 1 月2 7f 1 黑龙江七台河1 6 2 人遇难7 人失踪的1 1 2 7 事件后，国家安 全生产专家组成员、中国矿业大学博士生导师周心权教授透漏，国有大型煤矿矿难 频繁发生的主要原因是国家在安全设备上欠账达5 0 0 亿元。可见在安全设备上重视 仍然欠缺，需进一步的重视。现在国内自主开发瓦斯监控系统和视频系统已经非常 成熟了，为井下煤矿的安全生产提供了一定的保障。设备监测能为设各安全运行提 供保障，所以设备监控应该提到安全生产日程上来，国内在设备运行监测上还是空 白，在网络和数据采集数据处理技术非常发达的情况下，解决目前煤矿“信息孤岛” 和网络瓶颈现象”，开发基于大型设各实时监测系统迫在眉睫， 1 2 国内外煤矿监测监控系统发展的状况 1 2 1 国外煤矿监控系统发展现状 国外煤矿监控技术5 1 是2 0 世纪6 0 年代开始发展起来的，至今已有四代产品， 基本上5 l o 年更新一代产品。从技术特性来看，主要是从信息传输方式的进步来 划分监控系统发展阶段的。国外最早的煤矿监控系统的信息传输采用空分制来传输 信息。六十年代中期英国煤矿运输控制，日本煤矿都是采用这种，其中最具代表的 信息。六十年代中期英国煤矿运输控制，日本煤矿都是采用这种，其中最具代表的 北京工业大学工学硕士学位论文 是法国c c t 6 3 4 0 煤矿环境监测系统，主要监测瓦斯，一氧化碳，风速和温度等， 最多可测4 0 个点，到7 0 年代末，西欧就安装了1 5 0 多套，后技术沿及波兰c m m 一2 0 系统，可测2 0 个测点，扩展到1 2 8 个点，形成了c m c - l 系统，这是第一代监控系 统。第二代主要的特征是信道频分制技术的应用，大大减少了电缆芯数，其中最具 有代表的是s i e i i l e n s 公司的t s t 系统和f + h 公司的t f 2 0 0 ( 早期是t f 2 4 ) 系统， 采用音频传输。第三代最具代表的是英国煤炭研究院在1 9 7 6 年推出以时分制为基 础m i n o s 煤矿监控系统，达到各种环境的监控，当时在英国大量的推广，还向美 国和印度出售，直到现在国内外各种监控系统在技术上有很大的提高，但后来在整 体结构上都没有太大变化。 随着计算机技术和集成电路，数字通讯的高速发展，m i n o s 监控系统的成功 运用，在英国其他的公司都开始以此为基础开发新的监控系统。后来西德提出的 g e 舢吐a t i c 2 0 0 0 全矿井监控系统的实施计划，此后西门子a e g 等公司也纷纷推出 以时分为基础的煤矿监控系统以满足市场的需要，波兰自行开发的h a d e s 设备工 况监控系统，苏联，日本，美国也将计算机技术，大规模集成电路技术，数据通讯 技术相融合使用于煤矿监控系统中，便产生了第四代产品，具有代表的是美国m s a 公司的d a n 6 4 0 0 监控系统，信息传输方式仍为时分制范畴。特别是现在传感技术 上的提高，为监控系统整体技术上的提高具有不可磨灭的贡献。目前在美国广泛使 用的监控系统为e d a s ( e 山e r n e t d a t aa c q 试s i t i o ns y s t 锄) ，系统基于以太网的工，o 系 统结合智能仪器仪表实现数据高速传输，目前已经广泛的应用于煤矿等地，特别是 可扩充数据采集通道达到1 9 2 个，而且智能i o 模块县有很强的兼容能力，是新一 代的开放式系统。 1 2 2 国内煤矿发展现状【6 我国监测监控技术起步较晚，始于8 0 年代初期，从波兰，法国，德国，英国 和美国等引进了一批安全监控系统，如d a n 6 4 0 0 ，t f 2 0 0 ，m i n o s 和s e 曲】r i o n 2 0 0 ， 装备了部分煤矿。在引进的同时，通过消化，吸收并结合我国煤矿的实际情况，先 后研制了k j 2 、k j 4 、k j 8 、k j l 0 、k j l 3 、x j l 9 、k j 3 8 、k j 6 6 、k j 7 5 、k j 8 0 、k j 9 2 、 a 一1 、a 2 等监控系统，并且相继在一些煤矿已有大量使用。 煤矿的监控监测系统多以子系统运行为主，分为两级管理( 中心站级，分站级) 的集散系统，网络结构多为树型结构，而这种结构为层次管理系统，成本低，但扩 充不方便，涉及传输阻抗难以匹配问题，引起传输质量不稳定。新型的电牵引采煤 机具有建立在微处理机基础上的智能监控、监测和保护系统，可实现交互式人机对 话、广播、远近控制、无线电随机遥控、工况监测及状态显示、数据采集存储及传 输、故障诊断及预警、自动控制等多种功能，以保证采煤机具有最低的维修量和最 第1 章绪论 高的利用率；并可实现采煤机滚筒沿工作面煤层自动调节采高等控制功能。 煤矿监控系统实际也是集散控制系统，它也是本着功能集散、管理集中的思路 开发的，系统根据地面和井下被测控参数的多少和性质的不同，分解成水平的多个 子系统或分站，以及竖直的多层递阶结构( 即数据采集现场、控制层监控，管理层和 综合管理层) 。因此，解决我国监控系统兼容性的明智之举并不是创造一种总线和协 议，而是以满足国际上通用的i s o 的o s i 为依据，借鉴地面分布式集散控制系统互 联的规范化标准，形成适合矿井监控系统的现场总线，这将有效地推动我国矿井监 控技术的发展。 9 0 年代以来开发研制的监控系统一般都考虑了子系统之间的联网，以便形成工 业局域网，k j 6 6 型使用自行开发的x 血e t 适时网络，采用n o v d l 网的硬件煤体， 符合i e e e 8 0 2 的相关标准，可以像一般管网一样，处理文件操作，而且可直接应用 地层协议实现实时数据传送。但如今我们国家检测监控系统的软件，在实时采集， 存储，超限报警及断电，以曲线，图形和报表形式输出的水平，实现了对数据的最 基本处理。这要求花大力气开发智能专家诊断，专家决策系统软件。 我国煤矿的发展水平见表1 1 ： 表l 一1 1 9 9 6 2 0 0 5 年全国煤矿企业j 1 ：伤事故统计表 t 曲1 e1 - lc o l l i e r yw o r k e r sc a s u a l t yi n c i d e l l ts t a d s 廿c s 矗舳1 9 9 6 2 0 0 5 年份 1 9 9 61 9 9 7 1 9 9 8 1 9 9 9 2 0 0 0 2 0 0 12 0 0 22 0 0 32 0 0 4 2 0 0 5 煤矿产量，亿吨 1 3 7 41 3 2 51 2 2 2l o 4 59 8 91 0 8 91 3 9 31 7 - 3 61 9 5 62 0 5 9 死亡人数 6 4 0 46 7 5 36 1 3 45 5 1 85 7 9 85 6 7 06 9 9 55 8 8 76 0 2 75 9 8 6 百万吨死亡率 4 6 75 15 0 25 35 8 65 25 0 24 1 73 0 82 8 8 特别值得一提的就是我们国家从建国到2 0 0 0 年底，全国共发生了2 2 起死亡人 数在1 0 0 人以上的矿难事件，除了瓦斯占有相当大的比例外。 煤矿监控系统的开发还有很大的空间，也是目前国内煤矿值得关注的事情。政 策和技术相结合，实现煤矿安全生产。 目前我国煤矿监测系统主要存在以下几个方面的问题： ( 1 ) 传感器品种较多，实际使用较少，而且时间滞后，监控数据信息不全，不能 完全监控煤矿安全环境参数，因此不能保证其煤矿的安全管理工作，更多的是采用 电话或者手工传递信息。 ( 2 ) “信息的孤岛”现象普遍存在，信息化和自动化脱钩，不能实现统一的在线管 理，外运指导生产计划，辅助决策等目的。 ( 3 ) 视频系统独立性，一般的煤矿是视频监控上专线系统，系统费用不低，没有 很好的实现系统集成化和网络化。 ( 4 ) 监控系统网络化和集成化程度不高，目前实现的多为局域性质，不能直接完 北京工业大学工学硕士学位论文 全实现信息共享，通讯协议不统一，系统不能兼容，同时现在只能仪器仪表也是支 持的通讯协议上有所不同，因此系统在选择通讯仪器仪表时要求过高。 国内国外煤矿监控系统一直在向前发展，关于我i 雪煤矿未来发展趋势”1 ，专家 认为： ( 1 ) 系统不仅能实现监测监控，而且在软件技术上应研究开发能根据被监测环境 地点的参数进行有效的危险性判别、分析和提出专家决策方案，同时系统应用软件 应向网络化发展，按统一的格式向外提供监测数据。 ( 2 ) 针对通信协议不规范和传输设备物理层协议不规范尽，应尽快寻找一种解决 系统兼容性的途径或制定相应的专业技术标准，这对促进矿井靛控技术发展和系统 的推广应用均具有十分重要的意义。 ( 3 ) 制定科学、合理的政策法规，研究提高煤矿安全管理水平的管理技术，使我 国的煤矿安全生产管理从以人治为主，发展到以法治理。 ( 4 ) 智能化，自动化，集成化。科学的网络管理成为趋势，对煤矿安全预警起着 相当大的作用。 1 3 课题的研究内容 煤矿安全问题一直是十分关注的问题，瓦斯监控系统在国内煤矿几乎都已经建 立，煤矿初级网络管理系统也基本形成，本文系统针对国内国有大型煤矿的实际生 产情况，实现了对煤矿大型设备运行状况进行监测。硬件上搭建工业以太环网，采 用北京亚控科技发展有限公司的“组态王髓n g v i e w 6 5 ”工具软件开发在线监测系 统。根据现有的技术和煤矿部门提供的方便，开发集数据采集，状态监控，数据存 储为体的多任务信息处理的网络系统。 本论文主要内容包括： ( 1 ) 数据采集和监钡4 报警系统设计主要是完成煤矿大型设备的运行监测，数据 采集，主要采集的参数为绞车提升机速度，制动油油压，减速器轴瓦温度，主电机 温度，润滑油温度，各区电机电压电流，负压，风机振动量，风量等等参数，对于 具有r s 4 8 5 通讯接口的仪表或设备可通过r s 4 8 5 2 3 2 转换器和p c 机相连；对于不 具有通讯接口且远距离传输的传感器可结合变送器与i ，o 模块连接后传送至p c 机， 达到区数据采集站的数据采集和控制；为了能将数据传送至管理层的上位机中，可 通过控制器和交换机引入到网络中，在领导管理层都能观测到所采集的数据。在上 位机中需建立动态数据库，实现对数据的定期或者手动存储，方便对数据的随时调 用和对历史数据查阅，数据分析等功能。当采集到的数据不在组态王监测监控软件 中设罱参数范围之内，系统实现自动报警，并且将报警结果存储于数据库中，方便 查询。最终实现设备的安全运行，为煤矿安全作业提供保障。 d 第l 章绪论 ( 2 1 视频监控系统设计将各个区采集的视频信号和各区视频服务器相连，进行 数据化处理，将数字信号传输至中央控制室后大屏显示出来，可以直接录像，检索， 回放，恢复等。实现对整个矿井各区现场有了解，以便处理各种突发的事故，方便 煤矿的安全管理。 ( 3 ) 信息语音予系统设计主要通过语音网关，充分利用网络功能，搭建入网电 话，负责现场广播用于各种信息通报，通知警告，语音功能主要负责技术指导和动 作指导，还有人工紧急报警功能，这样同时也能得到现场第一手资料。 1 4 课题的研究意义 随着计算机科学技术的发展，网络的作用愈来愈大，煤矿安全生产必须需要矿 区所有信息进行综合分析，才能实现科学管理。本课题通过开发煤矿大型设备的安 全生产管理系统，对煤矿各区大型设备进行动态模拟，开发可视化友好界面，采集 设备运行信号和各种开关信号，为煤矿的安全生产提供智能决策支持。整个系统是 国内首例对煤矿大型设备实时监测系统的开发，使用工业以太环网技术和现场总线 技术，使整个系统具有开放性，智能化，多样化，最终形成具有安全性和可靠性的 煤矿安全实时监测管理系统。最终达到改变煤矿的“信息孤岛”现象和网络的“瓶 颈现象”，实现网络化管理，为煤矿安全生产提供一定的保障。 1 5 本章小结 本文通过介绍了课题的背景，说明了国内外煤矿整体监测监控系统的发展状 况，同时指出了我国煤矿监测监控系统主要存在的问题和未来煤矿监控系统的发展 趋势。因此确定了本课题研究的对象和内容，并且阐述了课题的意义。 北京工业大学工学硕士学位论文 第2 章煤矿实时监测网络系统方案及论证 煤矿大型固定设备包括提升绞车，主井皮带运输机，主排水泵，空压机和主扇 等承担着矿井的提升运输，排水，压风和通风等任务，是担保矿井安全和生产最重 要的装备和环节叫”。整个煤矿工作分布区域广，信息集中复杂，技术手段比较落 后，因此进行数据采集后集中管理，为煤矿安全生产提供了一定的保障。计算机和 网络的发展引发了远程监测监控领域的技术革新。控制系统结构向网络化，开放性 方向发展竟是控制系统计数发展的潮流【1 “。本系统采用的是工业以太网技术将网 络引领至煤矿的安全生产管理中，实现数据集中管理，信息共享，站站通讯，改变 以前煤矿“信息孤岛”和“网络瓶颈”的现象。 整个矿区分为多个工作区，机运区、副立井绞车房、副斜井绞车房、空压机、 五个通风机区、井下中央泵房、主斜井皮带机、运输大巷皮带机、运销站皮带机等 十六个区，每个区所要采集的数据不一样，因此在实际实时数据采集的过程中需要 对每个地点的数据进行采集，实现对整个煤矿区域内机电设备的运行控制，状态监 测和安全保护。 特别需要指出的是，整个系统工期分为两个工期，在前期工程主要涉及到组网， 采集区域为两个提升机区和五个风机区，后期实现其他区域组网和数据采集。 2 1 煤矿实时监测系统设计目标 针对目前该矿上常常出现数据局域化，领导管理层对下位机数据不清，完全依 赖电话通讯人工传递数据，不能实现资源共享，给煤矿安全管理带来很大的不便。 根据矿上的实际情况和经常出现的一些故障以及相关专家提出来的一些意见，概要 的提出对系统的一些要求： ( 1 ) 将高新技术运用于大型设备的安全运行管理，提高大型设备的自动化管理手 段，全面提升矿井的机电安全管理水平； ( 2 ) 实现对全矿固定设备安全运行状态的实时2 4 小时在线监测，对事故隐患提 前预警； ( 3 ) 实现大型固定设备由被动检修转变为主动检修，真正实现预防性维护和保 养，及时消除事故隐患，确保大型固定设备安全可靠运行； ( 4 ) 实时提供大型设备的运行工况和最佳工况，实现大型设备的高效经济运行； ( 5 ) 实现各大型设备安全运行所有信息通过企业局域网的联网传输，使矿、集团 领导和管理部门随时了解任一台设备运行状态的实时信息或历史信息： 第2 章煤矿监测预警网络系统方案及论证 ( 6 ) 对大型设备机房实现实时监督管理，在现代化管理的基础上，实现阳光化管 理。 2 2 煤矿实时监测系统方案提出及其论证 我国煤矿安全监控系统逐步的走向成熟，但是仍然存在很多问题，需要对在原 来的基础上不断地开发出新的管理系统，以便实现各个不同煤矿的安全管理。最终 实现煤矿管理的自动化，智能化和集成化。下面是基于国内国外的先进监控系统的 基础上提出四种实时监测网络系统方案。 方案一：基于p r o f i b u s 现场总线【1 3 1 数据采集监测系统结构图，如图2 1 所示： 图2 一l 基于p r o f m u s 监测系统结构图 f i g 2 - lm o n i t o rs y s t 朗1s 饥l c t eb a 8 e dp r o 丘b u s p r o f i b u s 是一种国际化，开放式现场总线，广泛使用与自动化，p r o f u s 根据应用特点分为p r o f i b u s d p ( d i s 啊b u t e dp 甜p h e r a l s ) 、p r o f i b u s f m s 、 p r o f m u s p a 三种兼容版本，其中p r o f i b u s 是一种高速( 数据传输速率 9 6 b i 峙1 2 m b i t s ) 的经济设备及网络，主要用于现场控制器与分散i o 之间通讯， 可满足交直流调速系统快速响应的时间要求。上图中分布式i o 模块下的执行器和 传感器连接到现场设备，模块按主从模式向现场设备提供输出数据并向下位机或上 位机输入数据。其中下位机位于控制中心，自动运行程序，读取总线上所有i o 模 块的状态字，控制硬件设备。上位机通过总线接口卡将工控机和现场总线相连，这 样工业p c 机和现场总线就能完成组态，运行操作等功能的完整的控制网络系统。 为了更加的稳定系统采用双机冗余，将另一台工控机通过同样的现场总线接口卡与 总线相连接，以便工控机能继续运行。 方案二：基于c a n 总线分布式数据采集监测系统，如图2 2 所示： j 窳工韭夫学工学硬士擎斑论文 h b m t 图2 - 2 基于总线监测系统结构图 f g 2 - 2m i 宅o fs y s | e ms 拄u c t 暇曲a s e dc a n 转u s c a n 为控制器局域网( c o n 们l l 甜a r e an e 拊o r k ) 的简称 1 3 】。最初由b o s c h 公司为汽车捡溺控翎系统丽设计的。c a n 总线上的主要设备c a n 通讯控制器，主 要用以实现e a n 总线协议鄹通谖处理，c a n 总线彰0 是总线上鲍职能节点，翅以 实现对模拟量或者数据量的输入输出接口。其信号传输介质为双绞线最高通讯速率 可醴达到l m b p s ，4 0 m ，直接传输距离矮远可以达捌l o 融i l ，5 k b p s 。可拄接设备最多 达至l1 0 多个，与其鼹配的没冬缀多，曩懿挺赛上缀多萋名汽车毒造厂翡都憨霞爱 c a n 总线实现汽车内部控制盒的数据通讯。 方案三：基于w o r l d f i p 总线数据采集系统结构图，如图2 3 所示： 图2 - 3 基了：w j r l d f i p 现场总线系统结构图 掰2 - 3m o 照i t o rs y 驰潍s 锄娃疆嚣b 黼醴剿d f 撑 w j r l d f 口是世界工厂仪器协议( w j r l df a c t o r ym 8 帆呲e 1 1 t a t i o np 划 o c a l ) 的简 称，是h o n e y w e l l 公司牵头联合多家公司而制定的标准。其传输介质可为双绞 线或必缆，用双绞线焱远蹬离转簸戆速度 爨扶，茭中当是毙终余囊传埝鼷离胃以这 到4 0 千米，完全可以满足大型煤矿的远距离传输，其传输速度和传输距离关系为： 第2 章煤矿监测预警网络系统方案及论证 当5 0 0 0 米时传输速度可以达到3 1 2 5 脑p s ；1 0 0 0 米时传输速度可以达到1 0 0 0 k b p s ； 5 0 0 米时可以达到2 5 0 0 舢p s 。在w b d d f i p 总线系统中，可以连接传感器，执行器， 现场设备与p l c 或者控制器的网络与控制器件的连接网络使用的是同一协议。但目 前支持该总线协议的仪表不多。 方案四：基于工业以太环网监测系统结构拓扑图n 3 1 ，如图2 4 所示： 图2 - 4 网络监测系统结构图 f i g 2 _ 4m o l l i t o rs y s t e ms 廿1 l c t i l r eb a s e di n d u 啦y1 0 0 pe m e m e t 煤矿网络化管理已经成为一种趋势，因此在设计时考虑到计算机技术和网络技 术的飞速发展，实现煤矿的整体网络化安全管理。矿区分布比较广，现场总线技术 在实际煤矿监控中仍占主体地位，但在管理上还存在相应的一些问题。 以上的四种方案，各有利弊： 方案一：目前来讲是属于比较先进的一种现场总线，使用了i s o ，o s i 通讯标准 中的第一层，第二层( 物理层和数据链路层) 和用户接口层，第三层到第七层未使 用 1 ”，这种结构确保高速数据传输，直接数据链路映像程序( d d l m ) 提供对第二 层的访问。这种高速传输用户数据而优化的p r o f m u s 协议使用于p l c 与现场总 级分散的i o 设备之间的通讯，实时性高于其他局域网，特别适用于工业现场，它 的缺陷是，若向往中增删站点，就要重新初始化整个网络，并对各站重新排序。 方案二：c a n ( c o r l t r o l l e r a r e a n c t ，c a n ) 总线是德国b o c s l l 公司首先宣布开 发成功的，最初是为汽车工业设计的，目前己被国际标准化组织批准为国际标准。 c a n 协议也遵守七层协议中的物理层，链路层与应用层。它的节点没有主从之分， 广播发送信息，在重负载下也有良好的性能。总线上还具有两种互补的逻辑值之： 主控和隐性。在两个单元同时分别发送主控和隐性电平时，总线上的数值将是主控 电平。在总线采用隐性操作方式时，主控电平用逻辑“o 表示，隐性电平是逻辑t - l ”， 当出现严重错误时，c a n 总线具有自动关闭的功能。虽然其价格低，可靠性高，但 北京工业太学工学硬士学位论文 是c a n 总线最大的遗憾是没有防暴功能。在2 0 0 5 年煤矿安企管理规则中指出， 要使弱稼暴静眩气设备指出了l o 释。 方案三：w o r l d f i p 总线是面向工业控制的，其主骚特点可归纳为实时性、l 司步 往、哥靠往。其有离速祷输，每夺隧阪最长海l 千米，攘中继器( r 印e a 嘧) 磊霹 扩展到5 公里，传输类烈如同n 饥l e t ，使用堂彻斯特码传输。它是一种令牌网，网 络壹锌藏器黎蓉干窝户蘩缝液。w 酿琵i p 豹竣诗爨想跫，接一定熬辩瘩，为每令信 息生产者分配一个固定的时段，通过总线仲裁器诸个呼叫每个生产者，如果该生产 蠹已经上稠，废在援定瓣润蠹应答。妇予w 搬露i p 瑗场慧线依照王渡控测系统静 要求，严格定义了通讯协议，也严格定义了符合工业标准的传输介质，接线盒，插 头痤等，在实时毪、阉步蛙、趸余性方嚣独翼特色。速度更褰翡，戳必绎为分震戆 高速网也不断推出。但是就目前来说，支持其总线的公司产晶比较单一，一般会出 现数攥格式不一致，另终在采赡上存在缀大黪惩题。 以上三种方案如p r o f i b u s p 和c a n 总线的煤矿监控系统已经得以开发，但是 在实鼯考察中仍然出瑗画耍凉缝，数掇延时等现象严鬟的影响了煤矿实际安全生产 管理系统。对于第三种方案在仪表选型上存在一定的间题，同时不适合我国的煤矿 实际憾况，近几年我隧在煤矿安全上投资虽又有所回秘，但实际改造髓过程中不能 一次捩新，需骚在原有的基础上进行改造。所以w o 订d f i p 通讯协议缀然已缎形成 标准，但对我网煤矿蛰时还不运台。 因此基于我国煤矿大型设祷监测现状，以及现代网络监测技术的发展，需要开 发薪的监控系统即是方案四。不仅能满足煤矿部门工瑕师和专家们提出来的一些要 求，而且能达到国内领先水平，同时达到美国a s 等监控系统水平，况且从网络 通讯协议，网络信号传输质量，信息实现自动化管理等方面都是都能符合未来煤矿 蓝溺系统发震豹趋势，困诧采塌方案豳其有实际性和前瞻性的意义，瞧是我 f j 选择 第四种方案的一个重要原因。 2 3 煤矿监测网络的系统设计 2 3 1 网络系统设计原则郴m j 稚据对实耩孪签测潮络豹需求，及采用技术静成熟性、可犷充性稳发展空润，网 络监测系统的憋体设计原则如下： 满足工程颁磊对计馨税随络篮测系统静总体要求，符合兼容的系统运行环境要 求；先进性与实用性结合，充分考虑设备的扩充能力，最大限度的保护投资；极大 豹灵滔经帮扩兖睦，潞艇企照抉速溪长静需要；在绦诞系统需求静蓊提下，器盈节 约开支，降低逐营成本；高度的可靠性，网络设备和网络拓扑具有冗余，在连接失 第2 章煤矿监测预警网络系统方案及论证 败时能有迂回路由，并有效地消除单点失效的隐患；高度的安全性。能防止网络的 非法访问，保护系统的安全运行；良好的管理性，简化日常维护工作，增强故障处 理能力，为主机系统、应用系统、数据库系统提供良好的网络平台。 ( 1 ) 网络监测系统设计中的设备高可靠性要求和系统高可用性要求网络应提供 应急设施，并具备自动调整、自动迂回和自动恢复的能力，以避免整个网络的瘫痪。 要求局域网交换机应具有热备份的功能。核心交换机所有关键部件可以实现冗余工 作，可以在线更换( 热插拨) 。多级容错设计基于每个设备高可靠性的基础之上进 一步提高系统的可用性。 ( 2 ) 网络监测系统的高性能要求系统能代表当今的先进水平，而且在技术上非 常成熟，以合理的投资建立一个真正发挥作用的工业实时监测网络系统。网络必须 具有高吞吐量和处理能力，较小的网络延迟，并保证数据的完整性。整个网络设计 应是一个有高度q o s 质量保证的网络，网络应具有数据优先级机制，确保重要的应 用系统能够获得更多的带宽使用量。网络设备应具有参数动态配置能力。 ( 3 ) 网络实时监测设备采用开放技术，支持标准协议实时监测网络建设应遵守 有关国际标准、国家标准、行业标准和规范，保证网络系统的开放性和标准化，保 证与现有网络设备的互连，以及将来的扩展和升级，并且可根据实际情况进行各种 灵活的配置，以适应将来技术发展和业务需求的变化。 ( 4 ) 网络监测系统的可管理性要求系统应易于维护，提供方便的系统维护、测 试和管理的手段。网络中的任何设备均可以通过网络管理平台进行控制，网络的设 备状态，故障报警等都可以通过网管平台进行监控，网管平台应具有友好的、方便 直观的用户界面，通过网络管理平台简化管理工作，提高网络管理的效率。 ( 5 ) 网络设计的可扩展性要求包括硬件和软件在内的网络实时监测系统必须具 备良好的兼容性和可扩充性，包括交换机硬件的扩展能力以及网络实施新应用的能 力。核心交换机应该具备灵活的端口扩充能力，模块扩充能力，满足网络规模的扩 充；同时提高性能，满足更高性能的要求。产品具有支持新应用的技术准备，能够 方便快捷地实施新应用。 ( 6 ) 网络的安全性要求网络的安全措施应是能全方位地针对各种不同的威胁， 这样才能确保网络信息的保密性、完整性和可用性。必须可以有效地控制网络的访 问，灵活地实施网络的安全控制策略。 最终实现的完善的煤矿安全管理系统应综合考虑到安全、生产、通风、机电等 各系统的需求，涵盖矿井安全生产的各个方面，在各个系统之间实现信息的资源共 享，使得不同系统、不同部门及各级领导都可以在系统规定的运行管理机制下，对 各系统的相关资料进行收集、分析和处理，同时根据历史和现有的资料，对矿井的 整体安全性进行预测，实现矿井安全管理由事后管理到事前管理的跨越。 托窳工韭大学工学硕士学位论文 2 3 2 煤矿网络系统捅扑图及特点m ”】 大型圃定设备监测网络系统采用计算机网终、光纡通僚和信息处理等先进技 术，在环境恶劣、人员设备分散、有特殊安装要求的矿井建立具有开放协议的工业 数字阚络系统，传输安全鼗测数据、谮音信怠、褫频鹜象信息，为煤矿豹综舍自动 化撮供可靠的崽速信息平台。系统主干采用工业环型光纤以太网络( e t h e m e t ) ，通 过智能接口与各现场脏测分站、网络视频系统、工业电视系统、直通电话系统等连 接，实嚣数据羽、语音网和税额图豫阑三两合一；矿领导和调度室不仅可敬餐到益 测系统传上来的各种参数翔图表、图形等，还可以交曼式地任意溅察楣应的工业电 视画面。 工篷繇登巍纤戳太弱箕有转输速发商、低耗、易予安装和兼容往好等方舔的优 势，由于它支持几乎所有流行的嘲络协议，所以在嶷业系绞中被广泛采用。近些年来， 随着网络技术的发展和工业控制领域对网络性能要求越来越高，以太网正逐步进入 工数控翻锾蠛，形成了耨鳖豹戮太网控黼溺络技术。这主要是幽予工业自动亿系统商 分布化、镭能化控制方蘧发展，开放的、透明的通讯按议是必然的瑟求。 以太网技术引入工业控制领域，其技术优势非常明显： ( 1 ) 嚣氆锄c t 是全开放、全数字纯静霹络，遵照网络协议不同厂商的设备可以很 容易实现曩联； ( 2 ) 以太网能实现正业控制网络与抢业信息网络的无缝连接，形成企业级管控一 俸他的全开放嗣络； ( 3 ) 软硬件成本低廉，由于以太网技求已经非常成熟，支持鞋太网静软硬传受到 厂商的高度重视和广泛支持，有多种软件开发环境和硬件设备供用户选择； ( 4 ) 通信速率高，涟着企韭信息系统规模的扩大和复杂程波的掇高，对信息量的 霉求也越米越大，有时甚至霪要滢频、视频数据的传竣，晕兹以太网豹遥售遮率必 1 0 m 、1 0 0 m 的快速以太网开始广泛应用，干兆以太网技术也逐渐成熟，1 0 g 以太 两也正在研究，其速率眈疆前的现场总线侠很多。 ( 5 ) 可持续发展潜力大，在这镶息瓣息万变夔8 孝代，众业熬生存与发器垮缀大程 度上依赖于个快速而有效的通信管理网络，信息技术与通信技术的发展将更加迅 速，也更船成熟，由j 胬：保谧了以太两技术不断地持续向前发餍。 工业默太劂技术憝_ i 数塞动化应鼹鲍发展趋势，基予实黩琴形党终分毒熬工竖 以太网络，结合成熟的远程i o 模块和现场总线技术，熊为系统远程数据采集和监 灞握供可靠豹整体解决方案。网络拓扑图如图2 5 所示： 第2 章煤矿监测预警网络系统方案及论证 图2 5 网络蜜时监测系统拓於结构 奠g ，2 5 搬黼i 隧s y s e m 弱争o - s 趣l c 扛eb 斜e d 娩t e 强采湖p 锚v 至g l o n 2 3 3 子网络系统设计 2 0 2 4 在整个瓣络中，系绕要求实现戆凌麓最终实现阚终位懿鬻熬蛰瑾，嚣鼗数据共 享和快速数谣传递至关骥要。子礴络系统设计主要包括语音系统，视频系统酾区域 数据采集系统的设计。备子系统的组网通过工业以太环网交换机作为节点，将各区 的模块连接起来，同时谯节点处还需要安装a n yg a t e w a y 实现英他各种模块秘节点 楚交换秘褪述菝。实凌爨域露瘫多台p e 税豹互联。其中具体浚接将在第强奄硬俘 连接图中一介绍。 整个网络通讯协议为m o d b u s 通讯协议，主要由于其r 1 u 通讯协议适合予传输 数据量大懿系统。两量遴缓该逶谖按议兹铰表滋较磐及，在选耩纹表露毙较方便。 因此农捂建网络时只需要对各区仪表地址设谶，直接访闻或者扫描模块中寄存 器地址就能实现数据的读取。当系统需要添加硬件时也不需要对备区地址专门的地 址设置，网络自动分配缭新添加的设铸仪表i p 地娥。 实瑰各送之菰兹羧攒逶舔主要楚透过秘络访瓣褥蜀，餐不艉实现区帮送之蠲的 控制，实现备区协调控制和控制策略必须由位于调腋室中央控制中心进行控制，或 由各区手动控制。 北京t 业大学工学硕士学位论文 2 4 监测系统实现的功能幢”研 根据系统的目标设计和煤矿领导和工程师提出的煤矿目前存在的问题，及时有 效的解决当前的主要问题，因此利用组态开发软件可实现以下的一些功能，并且按 照以下要求来设计开发软件： ( 1 ) 实现中央主控制室集中的监测各主扇，提升机，风机，空压机，皮带运输机 等大型设备的运行参数，工作状态等： ( 2 1 动态模拟各区大型设备的运行状态，画面清晰； ( 3 ) 实现设备故障报警，模拟量超限或低限报警，实时监测数据，具有实时报表， 历史报表并对所采集的数据进行存储以便查询； ( 4 ) 具有网络语音系统配合阳光化的管理； ( 5 ) 具有网络视频系统，特别是工作要地，必须安装有摄像头，实时监测并对录 像存储，以便事故分析； ( 6 ) 建立数据库，方便管理和对数据分析； ( 7 ) i e 浏览功能：通过系统软件的w 曲s e r v e r 功能，经服务器软件授权的用户可 以通过i e 浏览器查询各大型设备的运行状态和运行参数； ( 8 ) 具有完善的在线帮助系统，操作人员可随时查询帮助文件，解决操作中遇到 的疑难问题： ( 9 ) 可配置打印机