（测试计量技术及仪器专业论文）oplc在云南省煤矿安全远程监测系统的设计应用.pdf

摘要 煤矿安全生产是关系煤炭工业持续健康发展的头等大事，对煤矿安 全的生产参数如瓦斯、负压等进行监测，了解矿山的实时状况，便于煤 矿管理人员协调安全防护、生产指挥、计划管理。本文以云南省煤矿安 全远程监测系统为模型，阐明o p l c 在该系统中的设计技术。全文的主要 内容如下： 本文在综述了常用的远程监测技术及国内煤矿企业监测技术发展的 基础上，针对目前云南省煤矿安全监测系统不能远程监测、计算机不能 正常运行的问题，介绍以o p l c 为核心控制器，以s m s ( s h or tm es s a g e s ervic e ) 短消息服务为通信方式实现远程监测的设计方案。文中重点论 述了v isil o glc 软件平台的编程技术及本系统中o p l c 的主要予程序。 o p l c 的主要子程序包括数据采集和数据解析子程序，设置分站信息、删 除分站子程序、数据处理子程序、s m s 予程序、查看分站子程序。 s m s 是当前最流行的一种通讯技术，一创建就被确定为g s m 全球通无 线移动通讯系统( gio b ais y s t e mf orm o biiec o m m u nic a tio n s ) 的标准。 通过它，移动电话之间可以互相收发短消息，短消息的内容可以是文本、 数字或二进制非文本数据。g s m 标准中定义的点一点短消息服务使得短消 息能在移动台和短消息服务中心之间传递。一则s m s 信息最多可达16 0 个字节( 大约7 0 个汉字) ，与大约1 秒钟的语音呼叫所占用的空间相当， 故而其通讯费用十分低廉。s m s 是g s m 中唯一不要求建立端一端业务路径 的业务，即使移动台已处于完全电路通信情况下仍可进行短消息传输， 故其通讯可靠。 以色列u nlt r o n ic s 公司生产的0 p l c ( 0 p er a t 0r p a n eia n d pr o gra m m a beio g icc o n tr 0i | er ) 将控制面板和可编程控制器结合起来， 易于编程也易于操作。这种p l c + h ml 的设计观念节省了配线、输入输出 点及程序设计时间。o p l c 内置的p s t n 、g s m 、g p r s 、c d m am o d e l 驱动功 能，可实现数据远程传输。 本系统利用s m s 具有随时在线、覆盖范围广的特点，很好地实现了 煤矿安全远程监测功能，在煤矿安全的监控中心可以随时了解矿山的实 i 时情况：利用0 p l c 集显示界面为一体的功能，可在矿山现场直接查看实 时情况，设置报警上下限、报警时间限及其他相关参数。本系统尚在试 用中，反应良好。该系统的投用有望为云南省煤矿安全监测体系打开新 的局面。 关键词：o p l c ，s m s ，远程监测，煤矿，v isll o gio i i a b s t r a c t t h ec o a ls a f e t yi 1 3p r o d u c t i o ni sam a t t ero f t h eu t m o s tc o n c err l b e i n gr e i a t e d t ot h e h e a i t h yd e v e l o g m e n t o ft h e c o a ii n dl i s tr y c o n t i n g m i n gt ogr o w m o n i t or i n gt h em a l 3 u f a c t ur i n gp a i a m e t e r ss l j c ha s g a sa n dk n o w i n gt h e c o n d i t i o no ft h er e a it i m ei nt h em i n e s ，t h e m a n a g e r sar e e a s yt o a s s or tw i t hs a f e t ypr o t e c t i o n ，d ir e c tpr o d u c t i o n a n dd ot h e pr o j e c tm a n g e m e n t b a s e dt h em o d e io f t h es y s t e mo f r e m o t es l i p er v i s i or y o ft h ec o e i i s a f e t y i n y u n n a n ，t h ep a p e r i i i u m i h a t e st h ed e s i g no ft h et e c h n o l o g yo f0 p l ci nt h es y s t e m w e f i n i s h e d8 0 m ew or k sa sf o l l o w i n g ： a f t err e v i e w i n gt h et e c h n o l o g yo ft h eu s u a lr e m o t es u p er v i s i o nr ya 1 3 d t h ed e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g yo ft h em o b i t o r i n g i nt h en a t i o n a i c o a li n d h s t r y d ir e c t i n ga tt h eq u e s t i o n so ft h ea c t u a im o l l i t or i n gs y s t e m o ft h es a f e t yi 1 3y u n n a nc o a i t h ep a p eri n tr o d u ( 3 e st h es c h e m e 0 p l c i sa st h ec e n tr a ic o n tr o i i er s m sa st h ec o m m l i n i c a t i 0 1 3c o d ei nt h s c h e m e w ec a nr e a l i z er e m o t es u p e r v i s or yb yt h es y s t e m t h ea c t u a i s y s t e mc a r ln o tr e a l i z et h ef u n c t i o n 1 1 3a d d i t o nt o ，t h ec o m p u t erc a l 3n o t u s u a i l yo p e r a t en o r m a l l y t h ep a p e rpr e s e n t si m p or t a n t l yt h epr o gr a m t e c h n i q u eo f t h es o f t w a r e p l a t f or mv i s i l o g i ca n dt h ei m p o r t a n t s u br o u t i n e so f0 p l ci nt h es y s t e m ，i n c l u d i n gt h es 1 , 1 br o u t i n eo ft h ed a t a a c q u i s i t i o n t h e o r l eo ft h ed a t aa n a t y s i s 。t h e0 1 3 0o ft h es e t t i n gt h e d e v i c e s t h e0 1 3 eo ft h ed e l e t i n gt h ed e v i c e s ，t h eoneo ft h e d a t a pr o c e s s i n g ，t h eo neo fs m sa n dt h eoneo fi o o k i n go v e rt h ed e v i c e s s m si st h em o s tp o p u i arc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yn o w s l n c ei ti s g e n er a t e d ，i ti su s e da st h es t a n d ar d o fg s m t h em o b i l et e l e p h o n e s c a nr e c e i v ea n ds e n dm e s s a g e se a c ho t h erb yi t t h em e s s a g e sc a n i n c l u d et e x t 1 3 u m b er i corb i n ar yt e x t t h es e r v i c eo fp o i n t p o i n ti 1 3s m s d e f i n e db yt h es t a n d ar do fg s mm a k et h em e s s a g e str a l 3 s f e rb e t w e e n t h em o b i l es t a t i o n sa n dt h es m s c o n ep i e c eo fs m sm o s s l g ei 1 3 c l u d e s 16 0b y t e sm a x a b o u t7 0c h i n e s e t h em e m o r yi sa b o u te q u a lw i t hv i o c e l i l c a i i n g s o t h ee x p e n s eo fc o m m u n i c a t i o ni sv e r yc h e a p s m s i st h e e x c l u s i v eb u s i n e s sw h i c hd o e sn o tn e e dt oe s t a b l i s ht h ep a t ho f e x tr e m i t y - e x tr e m i t y e v e ni ft h em o b i i es t a t i o n sh a sb e e nk e e p e di n t h ec o m m u n i c a t i o no ft h ef u i ic ir c u i ts ot h e r e l i a b i i i t y o f c o m m u n i c a t i o ni s h i g h t h e c o m p a n y o fu n i t r o n i c si ni sr a e lh a v e d e v e l o p e d t h e pr o d u c t s o p l c o p l c m a k e s o p er a t o r p a n l e i n t e gr a t e w i t h p r o gr a m m a b l el o g i cc o n tr o l i er ，w h i c hi se a s yt ob e e npr o gr a m m e da n d o p er a t e d t h ei d e ao fd e s i g ns a v e st h ew ir e so fd i s t r i b u t i n g ，t h e q u a n t i t y o f i n p u ta n do u t p u ta n dt h et i m eo fpr o gr a m m i n g b e c a u s e o p l ch a st h e f u n o t i o n o f dr i v er i n gt h em o d e lo f p s t n ，g s m ，g p r s ，c d m a ，w ec a nr e a i i z er e m o t ed a t at r a n s m i s s i o n w em a k eu s eo ft h es m sc h ar a c t er i s t i co f0 n - i n ea tm o m e n t sn o t i c e a n dc o v e r i n g aw i d ef i e i di nt h es y s t e m w ec a nr e a l i z eb i t t er l yt h e f u n c t i o no fr e m o t e s u p er v i s or y i n t h es a f e t yo fc o a i s ，k n o wt h e c o n d i t i o no fr e a it i m eo fm i n e si nt h em o n i t o r i n gc e n t r a io ft h es a f e t yo f c o a ia ta n yt i m e w em a k eu s eo ft h ef u n c t i o no p l cm a k i n go p er a t or p a n i ei n t e gr a t i n gw i t hp r o gr a m m a b l el o g i cc o n t r o l l er w ec a nl o o k o v e rd i r e c t l yt h ec o n d i t o no fr e a lt i m ei nt h esceneo fm i n e s ，s e tt h e u p p e rori o w eri i m i ta n dt h et i m ei i m i tt oa l a r ma n do t h erc or r e i a t i v e p ar a m e t er s t h es y s t e mi ss t i l lt e s t i n ga n dt h er e a c t i o ni sf a v or a b l e w eh o p et h a tan e ws i t u a t i o no ft h es y s t e mo fm o n i t o r i n gs a f e t y i n y u n n a nc o a i si s0 p e n e du p k e yw o r d s ：0 p l c ，s m s ，r e m o t es u p e r v i s or y ，c o a t ，v i s i l o g i c 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下( 或 我个人) 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内 容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：j 蔚氧壬盔 日期：劲。耳年 2 月加日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、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，学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守) 导师签名：呈垫论文作者签名：邀惑塑 日 期：曼! ! 生生些目兰翌旦 昆明理工大学硕十论文 第一章绪论 1 1 本课题的提出及意义 煤矿安全生产是关系煤炭工业持续健康发展的头等大事。在党和吲家 的关怀下，全国煤矿安全生产自8 0 年代以来，出现了逐步好转的趋势。 以死亡率为例，“六五”全国煤矿为7 5 5 ，“七五”为6 8 9 ，“八 五”为5 13 ，“九五”为5 1 0 。但是，由于许多方面的问题还未得到 很好解决，煤矿事故多、伤亡大、职业病严重的状况尚未得到根本好转， 我国煤矿的百万吨死亡率仍远远高予世界一些发达国家。以1 9 9 6 年为倒， 美同百万吨死亡率为o 0 3 9 ，俄罗斯o 7 ，南非o 2 3 ，而我国则高达4 6 7 ， 是美国的i 2 0 倍，南非的2 0 倍。每年由于事故和职业病带来的经济损失 仍然卜分惊人。 据统计，近几年全国煤矿每年死亡人数一直徘徊在6 千人左右，约 占全国矿山企业死亡人数的8 0 以上，占全国工业企业死亡人数的6 0 。 安全问题成为煤炭行业的重中之重，而瓦斯爆炸堪称是煤矿安全生产的 头号“杀手”。据分析，瓦斯积聚的主要原因就是主扇或局扇的停电、停 风。统计分析，瓦斯爆炸事故中由于停电、停风引起的事故次数和死亡 人数所占比例分别是4 9 6 i n4 6 2 ”1 。 煤矿具有生产环节多、大型机电设备多、环境条件恶劣等特点，特 别是井下作业远离地面，地形复杂，容易存在安全隐患。目前国有煤矿 已进入多水平开采阶段，瓦斯等级也逐年增高。建立实时监测监控系统， 实时采用煤矿井下传感器上的原始数据，动态监控瓦斯超限，风机开停 状态及风量，在线提供报警信息，初步实动态跟踪，已是形势所需。 从2 0 0 1 年至2 0 0 3 年，国家投入4 0 亿国债资金用于煤矿安全牛产技 术的改造。另外，刚刚从煤炭工业通信信息中心获知：到2 0 0 3 年底，全 国7 0 0 多个国有重点煤矿，必须全部建立安全生产监测监控系统，而地 方煤矿也将陆续建立安全生产监测监控系统，否则停发生产许可证和安 全生产许可证。2 0 0 4 年，国家还将继续投入2 2 亿资金现危险源的在线峪 测和事故隐患的用于“一通三防”等其他安全生产技术的改造，这当中 1 昆明理工大学硕士论文 还1 ；包括企业自身在安全生产上的投入。未来数年内，煤炭企业将大幅 度采购与安全生产息息相关的设备和系统软件”1 。 为了能尽快实现云南省煤矿安全监控系统的数字化管理，康德尔公 t d 庄云南省煤矿安全监察局的统一指导下，引进使用世界领先的高新技 术采用o p l c 从根本上解决计算机在矿山上不能正常运行的难题，同时 采用最新通讯手段，以无线短信通信方式实现煤矿安全监测数据信息的 及时可靠的传输，为云南省煤矿企业协调安全防护、生产指挥、计划管 理、故障排除等工作提供重要的技术手段，也是实现矿井高产高效的一 种重要物质保证”1 。 本课题属于煤矿环境安全监测，主要是完成云南煤矿安全远程监测 监控系统的监测站的功能。 1 2 煤矿监测监控技术的国内外动态 1 2 。1 监测监控技术的发展h 1 我国监测监控技术起步较晚，8 0 年代初，从波兰、法国、德国、英 国和美困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 0 s 和 s e n tu 1 - i o i l 一2 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，先后研制出k j 2 、k j 4 、k j 8 、k j l 0 、k j l3 、k j l 9 、 k j 3 8 、k j 6 6 、k j 7 5 、k j 8 0 、k j 9 2 、a l 、a 2 等监控系统，在我国煤矿已大 蕈使用。 随着电子技术、计算机软件硬件技术的迅猛发展和企业自身发展的 需要，国内各主要科研单位和生产厂家又相继推出了k j 9 0 、k j 9 5 、k j l 0 1 、 k j f 2 0 0 0 、k j g 2 0 0 0 等监控系统，以及m s n m 、w e b g i s 等煤矿安全综合化和 数字化网络监测管理系统。 矿区监测监控技术从人工监测发展到自动监测与监控，充分利用了 现代信号检测技术、信号传输技术和计算机信息处理及控制技术。 1 2 2 信号传输方式的发展 5 0 年代以前，由于当时的生产规模较小，检测控制仪表尚处于发 展的初级阶段，所采用的仅仅是安装在生产设备现场、只具备简单测控 昆明理工：= 学硕士论文 功能的基地式气动仪表，其信号仅在本仪表内起作用，一般不能传送给 别的仪表或系统，即各洲控点只能成为封闭状态，无法与外界沟通信息， 操作人员只能通过生产现场的巡视，了解生产过程的状况。 五六十年代，煤矿井上、井下的监测监控信号是通过专用电缆线、 通过定的低电压，在被控设备上利用空触点作为传感器，在地i 面控制 室装e 小灯泡或电动式的模拟动作物件，来显示设备的开停，计时用闹 钟人工记录，计数多采用机械传动式的一部组合式的计数器。 七十年代在此基础卜发展为利用动力线载波或电话线载波，此举。竹 约了专刚电缆，应用半导体器件，技术有所发展。由于受当时的技术水 甲、生产t 艺、元器件质量的限制，不仅很难做到与载体设施的有效距 离，而且严重干扰载体设施的可靠性与正常运行，因此，没有得到生存 与发展。 八十年代，利用低频正弦波传输弱电信号，频率大约从几百赫兹到 l 于赫兹，把传感器采集到的信号变成不同频率的电信号，可以共同加 在对线或几对线上传输。由于其传输速度较慢，没有得到广泛的应用。 八十年代末，由于微处理器技术的发展，直接用计算机之间的串行通信 口来完成井下到井上的数据传输，但最远不会超过1 k m ，否则矩形方波会 变形，产生严重的误差。因此，在实际应用中，必须在中间每千米加一 个中继放大器，给安装和维护带走麻烦，增加了系统造价，降低了数据 传输的质量。 怎样利用两台计算机的串行通信口，不增加中继站进行远距离通 讯? 调制解调方式给出了答案。把方波变成正弦波某个变量的过程叫发 送调制。把正弦波载量还原成方波信号过程叫接受调制。其对应的产品 就是在各类监测监控系统中得到广泛应用的调制解调器。 进入九十年代，我国流动通信业相继开发了漏泄通信，也引进了南 非s c 2 0 0 0 中频通信系统，已在主要产煤矿井投入使用，服务于架线机车 与矿里主要领导及班组长。但初期投资费用较高，通话不方便，有待改 进。近几年来，光纤通信以其频带宽，衰耗小，抗电磁干扰，体积小， 重量轻等一系列的优点得到迅速发展和大规模的应用。 ” 总的说来，煤矿通信网建设取得长足发展，5 3 的矿区与公网实现全 自动联网，网络拥有1 1 0 万线交换机容量和十万线生产调度交换机。矿 区传输网络改造普遍采用光纤传输通路，一般均为计算机网络和电视广 昆明理工大学硕士论文 搔系统预留信道。如淮北矿业集团矿区通信网，全网电话设备门数4 5 门，由二二个汇接局和2 8 个交换局组成，主干传输网络达6 2 2 m ，并与淮北 电信联网。新汶煤业集团交换设备实现了全数字化，传输设备实现了光 纤化，光端机采用了先进的s d h 传输设备，矿区专用网内、专用网与邮 电公网信令全部采用了七号信令。多年以来，煤炭行业由于自身经济效 益方面的原因，在信息化方面的投入力度并不很大，但是未来几年，煤 矿生产自动控制和安全生产监测监控系统、煤矿矿区井上、井下有线 无线通信系统、企业管理信息系统建设将成为煤炭企业信息化建设的投 入热点。能实现远距离通信的g s m g p r s 网络的出现和普及，为煤矿安全 系统实现远程数据采集和控制提供了有力的手段。目前在煤矿企业中还 没有得到推广使用，但代表了一种发展方向“1 。 1 2 3 监控系统的一般情况 矿井监测系统集计算机技术、通讯技术、控制技术和编程技术为一 体，是一种自动化采集数据，处理数据并进行控制的系统，主要用于煤 矿安全监测和实时控制。由各式各样传感器采集的全矿井环境参数和各 种生产设备工作状态参数的数据，通过传输系统送到地面中央控制室， 由计算机进行加工处理，能根据程序设定或地面中心站主机控制，对矿 井采掘：亡作面、机电硐室、进回风巷和其它作业场所的环境参数及设备 设施的工作状态进行连续自动地监测，并自动报警及断电：能对煤矿井 下环境、安全、状态参数等安全生产信息进行实时采集和数据处理，实 现划工业现场的闭环控制。可以通过预先定义被测参数的正常值、超限 值范围、控制对象和内容。当现场监测参数超过预定值时，软件实现中 心站报警、打印和记录，并在分站实现声光报警和断电控制；也呵以在 传输前由井下分站进行一次处理；根据处理结果，对超过规定值的参数 给予预报警显示。对故障进行自动调整处理；还可以进行人工干预，由 调度员通过指令实现遥控。 近二十年来，矿井监测监控系统在我国大中小型煤矿得到普遍推广 戍剧，但缺乏整体上的流程监控，各监控的应用各自为战，如选煤厂就 刈球蘑机进行监控，水泵_ r 。只是对所属的几台水泵进行监控等。国外矿 山引算机自动监控系统已经应用到企业生产的各个过程当中，形成了系 统化和全局化“。 4 昆明理工大学硕士论文 根据煤炭工业部拟定的煤炭工业重点科研发展规划中“全矿井监控和 通讯综合技术的研究”课题，要求在今后煤炭行业中要研究监控和通讯 一体化的系统。在煤矿地面监控和通讯综合技术已有了应f l | = j 典范，如l 【j 西大同矿务局的崎控通讯计算机网。但在煤矿井下监控和通讯技术还没 育成熟，仍没有一个综合网将其贯穿起来。这也是制约全煤矿井监控和 通讯技术发展的关键。 总线技术、m o d b u s 网络技术、工业以太网技术等现代通信技术的发 展为远程监测和集中控制创造了必要的条件，为实现煤矿监测监控提供 了新的方案。数字化远程监控网络系统是当前煤矿安全信息化建设的重 要内容。在这方面，黑龙江各个煤矿已经实现数字化远程监控，如外上 风机实现远程监控，井下瓦斯连网监控。黑龙江省重点煤矿高突矿井全 部安装瓦斯监测监控系统，并且实现企业集团内的联网。以七台河矿业 精煤集团为例，他们目前已经全部实现了“数字化矿山安全”监控信息 网络系统，现有瓦斯监测点5 6 3 个，监测率达到1 0 0 ，在地区办公室的 网络终端上可以查询各矿瓦斯、通风实时数据及井巷道风流、风速、风 量实时数据，系统还提供瓦斯综合报表、瓦斯变化趋势分析曲线、井下 传感器动态示意图、地质图形查询图、煤田巷道分布三维立体图，建立 电视电话会议系统、多媒体会议室和瓦斯通风监测屏幕墙，以及辐射全 公司9 大矿的基于数据、音频、视频于一体的煤矿信息化网络系统，初 步实现安全监控、生产、经营、综合业务信息化管理功能。在煤矿企业 内连网的基础上，黑龙江省监控中心建立全省重点煤矿瓦斯集中嗡控网 络系统，实现高瓦斯矿井的瓦斯监控系统联网，及时发现和制止瓦斯超 限作、i k 。 系统由早期的单微机监测监控已发展成为网络化监测监控以及不同 监测监控系统的联网监测。其主要由监测终端、监控中心站、通信接口 装置、井下分站、传感器组成。结构图如图1 “1 。 ( 1 ) 环境监测 环境监测。主要监测煤矿井下各种有毒有害气体及工作面的作业条 件，如高浓度甲烷气体、低浓度甲烷气体、一氧化碳、氧气浓度、风速、 负压、温度、岩煤温度、顶板压力、烟雾等。 生产监控。主要监控井上、下主要生产环节的各种生产参数和重要设备 的运行状态参数，如煤仓煤位、水仓水位、供电电压、供电电流、功率 昆明理工大学硕士论文 等模拟量；水泵、提升机、局扇、主扇、胶带机、采煤机、开关、磁力 起动器运行状态和参数等。 图i 联网监测系统 ( 2 ) 中心软件 对于中心站软件来说，一般要具有以下功能： 具有测点定义功能； 具有显示测量参数、数据报表、曲线显示、图形生成、数据存储、故 障统计和报表、报告打印功能。 其中部分系统可实现局域网络连接功能，并采用国际通用的t c p i p 嘲络协议实现局域网络终端与中心站之间实时通信和实时数据查询。随 着计算机软件技术日新月异的发展，目前，各厂家的系统应用软件正不 断更新版本，如k j f 2 0 0 0 系统中心站应用软件版本2 4 0 和m s n m 局域网 络终端应用软件版本1 1 的操作界面全部实现了可视化和图形化功能，而 且具备矿井采空区火灾早期预测预报和专家决策分析功能；具备皮带运 输机全线火灾监测功能；具备井下瓦斯抽放监控功能。 ( 3 ) 局域网络 昆明理工大学硕上论文 网络系统应用软件。抚顺分院开发率先开发的w e b g i s 数字化矿山 安全监测监管网络系统应用软件版本1 1 0 ，采用人性化设计，利用w e b g 1 s 技术使得大到省煤矿安全生产监督管理局、矿业集团公司所辖各矿井 分布位置，小到各矿采区工作面实际尺寸及设备实际使用位置，以任意 无级缩小或无级放大图形的形式达到图形和数据的无缝集成和浏览；提 供完备的安全监测与安全信息管理和监管功能；建立煤矿基础数据库、 对1 ：要图纸( 通风系统劁、采掘工程甲丽图、井下运输系统、抽排水符 路最统图、电气系统布线图等) 实现动态浏览；实现安全信息的共享和 设备隐患排奁；安全信息的网上公开( 公司内部) ；安全隐患排查及信息 发布( 如对各矿下达整改通知) 等。与w e b g i s 安全监测系统相配合， 可实现对矿井通风系统安全性分析、诊断、评价、管理及通风网络凋整 的科学决策。其网络结构如图2 。 图2 联网监测系统的网络结构 “) 分站 尽管各厂家的监控系统井下分站形式多样，但基本上具备了如下功能： 开机自检和本机初始化功能 通信测试功能 分站设程控功能( 实现断点仪功能、风电瓦斯闭锁功能、瓦斯管 昆明理工大学硕士论文 道监测功能和一般的环境监测功能等) 死机自复位功能且通知中心站 接收地面中心站初始化本分站参数设置功能( 如传感器配接通道 号、量程、断电点、断电点、报警上限和报警下限等) 分站自动识别配接传感器类型( 电压型、电流型或频率型等) 分站本身具备超限报警功能 接收中心站对本分站指定通道输出控制继电器实施手控操作功能 和异地断电功能。 ( 5 ) 系统配接的各种传感器控制器 传感器的稳定性和可靠性是煤矿监测监控系统能正确反映被测环境和 设备参数的关键技术和产品。目前国内生产和用于煤矿监测髓控系统的传 感器主要有瓦斯、一氧化碳、风速、负压、温度、煤仓煤位、水仓水位、 电流、电压和有功功率等模拟量传感器，以及机电设备开停、机电设备馈 电状态、风门开关状态等开关量传感器，以上传感器的开发和应用基本满 足了煤矿安全生产监测监控的需要，但国产传感器在使用寿命、调校周期、 稳定性和可靠性方面与国外同类产品相比还有很大差距，某些传感器( 如 瓦斯传感器) 的稳定性还不能满足用户的需要。 1 3 本课题的难点与创新 本课题属于煤矿安全监测，主要监测煤矿井下各种有害有毒气体及工 作面的作业条件，如高浓度甲烷气体、低浓度甲烷气体、一氧化碳、二氧 化碳、风速、负压、温度、烟雾、风门开闭等。本课题采用o p l c 作为核心 摔制器，采用最新通讯手段，以无线短信方式实现安全监测数据信息的及 时可靠的传输，为煤矿在安全监测领域的发展开拓一条新的道路。 本课题的难点在于该系统的扩展性、兼容性及数据及时可靠上报各级 别的实现。从长远考虑，该系统必须具有很好的扩展性、兼容性。根据煤 矿实际情况，一台o p l c 要求最多可接6 4 个分站，分站可是小分站也可是 中分站、大分站。小分站可接4 个传感器，中分站可接8 个传感器，大分 站u j 接1 6 个传感器。而上报级别最多包括县级、地级、办事处、省级四个 级刹。做数据传输时，既要考虑端口的冲突性又要保证数据传输的及时性 和ir j 靠性。 昆明理= ：】_ _ 大学龋士论义 第二章远程监测技术 2 1 远程监测技术简介 远程监控是指通过电话线路或专t ；| 线路，由相关人员通过服务器对分 布在各地的现场进行远程的实时监测和控制。远程临控系统实际上是项 综合运用工业控制技术、计算机网络技术、多媒体技术、图象压缩处理技 术及现代通讯技术而设计的先进的监控系统。 般而言，现有的远程监控系统，大都符合“控制中心一监测站”的构 建模式。控制中心是整个系统运作的核心，负责收集各监测站 传的监测 信息，发送各种操作命令来控制监测站的运作。监测站分布在远离控制中 心的齐监测点处，负责完成信息的采集和响应控制中心发出的摔制命令。 对于煤矿安全监测系统来说，煤矿监控中心邯位控制中心，各分站为监测 站。 2 2 通讯方式 远程峨拄系统的突出优点在于距离。根据系统的实际要求和本身的经 济承受能力，从现有的产品和通信系统中选择合适的通讯方式，是构建远 程监控系统的首要任务。要实现通讯，总的来说，有三种方式：一利用现 有的通信网络( g s m g p r s ，p s t n 等) 和相应的通信产品：一，：通过无线收发 设备，如无线m o d e m ，无线网桥等专门的无线局域网；三利用收发集成芯r 在监测站端实现电路扳级与监控中心的无线通讯。 2 2 1 利用现有网络实现的无线通信 设计无线远程监控系统可以借用的无线网络主要有：全球数字移动 电话系统( g s m ) 、通用分组无线业务( g p i s ) 、采用码分多址( c d m a ) 技 术的移动网。 g s i 全球通无线移动通讯系统( g 1 0 b e ms ys t e l i lf o rm o b 儿e ) 是全球 避丰要的2 g 标准，能够在低服务成本、低终端成本条件下提供较高的通 信质最。就其业务而言，6 s m 是一个能够提供多种业务的移动is t ? n ( i n te g r a te ds e f v ic esd i g i t a ln e t w o r k ，综合、l k 务数字网络) 。 g p r s 通用分组无线业务( g er le r a lp a c k e t p a c k e tr a d ios e tv ic e ) 在现有的g s m 网络基础上增加一些硬件设备和软件升级，形成个新的 网络逻辑实体。它以分组交换技术为基础，采用i p 数据网络协议，提高 网络逻辑实体。它以分组交换技术为基础，采用i p 数据网络协议，提高 昆明理工大学硕士论文 第二章远程监测技术 2 1 远程监测技术简介 远程监控是指通过电话线路或专用线路，由相关人员通过服务器对分 布在各地的现场进行远程的实时监测和控制。远程监控系统实际上是 项 综合运用工业控制技术、计算机网络技术、多媒体技术、图象压缩处理技 术及现代通讯技术而设计的先进的监控系统。 一般而言，现有的远程监控系统，大都符合“控制中心一龉测站”的构 建模式。控制中心是整个系统运作的核心，负责收集各监测站卜传的监测 信息，发送各种操作命令来控制监测站的运作。监测站分布在远离控制中 心的各监测点处，负责完成信息的采集和响应控制中心发出的控制命令。 对于煤矿安全监测系统来说，煤矿监控中心即位控制中心，各分站为监测 站。 2 。2 通讯方式 远程监控系统的突出优点在于距离。根据系统的实际要求和本身的经 济承受能力，从现有的产品和通信系统中选择合适的通讯方式，是构建远 程监控系统的首要任务。要实现通讯，总的来说，有三种方式：一利用现 有的通信网络( g s m g p r s ，p s t n 等) 和相应的通信产品；二通过无线收发 设备，如无线m o d e m ，无线网桥等专门的无线局域网；三利用收发集成芯片 在躲测站端实现电路板级与监控中心的无线通讯。 2 2 1 利用现有网络实现的无线通信 设计无线远程监控系统可以借用的无线网络主要有：全球数字移动 电话系统( g s m ) 、通用分组无线业务( g p r s ) 、采用码分多址( c d m a ) 技 术的移动网。 g s m 全球通无线移动通讯系统( g 1 0 b e ms y s t e mf o rm o b i le ) 是全球 最丰要的2 g 标准，能够在低服务成本、低终端成本条件下提供较高的通 信质量。就其业务而言，g s m 是一个能够提供多种业务的移动i s d n ( i n te g r a te ds e r v ice sd ig i t a ln e t w o r k ，综合业务数字网络) ”1 。 g p r s 通用分组无线业务( g e n e r a lp a c k e tp a c k e tr a d i 0s e r v i ce ) 征现有的g s m 网络基础上增加一些硬件设备和软件升级，形成一个新的 网络逻辑实体。它以分组交换技术为基础，采用i p 数据网络协议，提高 昆明理工大学硕士论文 ，现有的g s m 网的数据业务传输速率，最高可达17 0 k b s 。g p r s 把分组 交换技术引入现有g s m 系统，使得移动通信和数据网络合二为一，具有 “极速传送”、“永远在线”、“价格实惠”等特点” 。 c d m a 码分多址( c 0 d ed i v i s i o nm u l t i p lea c c ess ) 网络采用扩展频 谱技术，使用多种分集接收方式，使其具有容量大、通信质量好、保密 件高和抗干扰能力强等特点”。 对使监控中心与监测站间的无线通信能利用现有的网络，对于特定 的无线网需用相应的接入设备。这类设备市面上有现成的产品可供选择。 接入g s m 网络的通信模块有西门子的s i e m e n st c 3 5 i ，接入g p r s 可用两 门f 的 f c 3 5 g p r s 模块，接入c d m a 网络的有华立h l l 0c d m a 模块和a n y d a t a 公司的c d m am o d e m ( d t s 一8 0 0 1 8 0 0 ) 。 利用现有的网络组建无线远程监控系统，网络连接如图3 所示。其 中无线接入模块产品一般都提供有r s 2 3 2 作为外通信接口，有些天线是 内置的。利用现有的网络覆盖面广和可漫游等特点，使监测站和控制中 心的位置不受距离的限制；但由于利用公网，安全性会有所降低。 网络组建无线远程监控系统 2 2 2 通过专用无线收发设备建立无线局域网 这种设计实现方式结构简单，且无须向网络运营商付费；利用专网， 安全性高。无线传输以微波作传输媒体，根据调制方式的不同，可分为 扩展频谱方式和窄带调制方式两种。扩展频谱方式系统的抗干扰能力和 安拿- 陛高，对其它电子设备的干扰小。窄带调制方式占用频带少，频带 利剧率高；通常选择专用频段，需要申请；相邻频道问影响大，通信质 量、通信可靠性无法保障。 无线收发设备包括无线m o d e m 和无线网桥等。无线m o d e m 与监测站 1 0 融明理工大学硕士论文 和控制中心之间采用r s 2 3 2 通信，如图4 。若采用网桥为网络组建设备 网络拓扑结构将更为灵活，如图5 。 匝过蒌登 专 v 图4 利用无线m o d e l 实现无线通信模块 脚中嘲 图5 利用无线刚桥实现的无线通信模块 2 2 3 利用收发集成芯片在监测站端实现的无线通信 前两种组网方式的一个特点是采用现有的网络系统和产品，无线通信 部分不须专门开发，实现较为容易。但由于所购买的产品均是独立器件， 使整个系统特别是监测站一端结构复杂、体积庞大，往往在系统推广时会 带来不利，且外购产品会增加系统的成本。若能将外购产品的功能与监测 站集成在一起，在电路板级实现，将可以避免上述不利因素；但这会增加 系统开发的难度，延长研制周期。须权衡利弊，根据项目组的开发实力昶l 系统生命周期作最有利的选择。 2 。3 监测站的设计 监测站的设计与实现是整个无线远程监控系统研制开发的重点，监测 站列信息数据处理的能力和精度将影响整个系统的最终性能。根据整个无 线远程监控系统所要实现的功能，和对数据处理与对传感器控制能力的要 求， | i _ 测站设计的复杂程度和采用的具体技术是不一样的。 2 3 1 基于单片机的设计方式 基于单片机的设计方案一般适用予数据处理要求不高，运算量不大的 远程监控系统。根据需要，单片机可以选用较为低端的4 位机或8 位机， 如8 0 5 1 等，也可选用功能较强的专用芯片，如m s p 4 3 0 f e 4 2 x 系列。单片机 主要用于监测站端的系统控制，通信接口实现相对较为复杂。监测站软件 “ 昆明理工大学硕士论文 ，j 直接通过c 5 1 或汇编语言实现。 2 3 2 基于d s p 的设计实现方式 d s p 的数字处理方面能力较强，技术已经很成熟，能处理各种运算的 通用、专用芯片也很多。以d s p 为核心设计开发的监测站，可以完成高速 率数据处理，保证系统实时方面的要求。 这类设计方案一般适用于数据处理运算量比较大，实时性要求高而对 控制能力相对较低的监控系统。 2 3 3 基于m p u 的设计方式 与工业控制计算机相比，m p u 嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成 本低、可靠性高等优点；同时，该领域技术成熟、产品类型多、选择空间 大，满足各种性能需求的处理器比较容易获得。但是，由于在设计监测站 时，电路板上必须包括r o m 、r a m 、总线接口和各种外设等器件，系统的可 靠性将有所下降，技术保密性差，实现难度也较大。 2 4g s n s m s 技术 随着g s m 标准被越来越多的国家和地区采用，移动网络的商务应用和 工程应用越来越受到重视。人们希望能够通过g s m 网络传输话音信息之外 的更多信息。s m s ( s h o r tm e s8 a g i n gs e r v i c e ，短消息服务) 是一种使得 移动设备可以发送和接收文本信息的技术。 2 4 1s m s 原理1 s m s 是当前最流行的一种通讯技术，一创建就被确定为g s m 的标准， 通过它，移动电话之间可以互相收发短消息，短消息的内容可以是文本、 数字或一：进制非文本数据。g s m 标准中定义的点一点短消息服务使得短消 息能在移动台和短消息服务中心之间传递。这些服务中心是通过称为 s m s 、一g m s c 的特定m s c 同g s m 网络联系韵。涉及s m s 管理的协议如图6 所 j i ： 昆明理工大学硕士论文 罔6s m s 管理的协议 图解： s 瓣：s h o r tm ess a g i n ge n t i t y ，短消息实体。它可以接收或改善短消息， 位于固定系统、移动基站或其他服务中心内； s j 蠹罨 s h o r tm e ss a g es e r