（通信与信息系统专业论文）基于qos的煤矿安全实时监测系统通信协议研究及系统设计.pdf

华东师范大学硕士学位论文 摘要 近年来，我国煤矿安全事故频频发生，造成了惨重的人员伤亡和巨大经济损 失，给我国的煤矿行业的发展敲响了警钟。长期以来，我国煤炭行业走着一条粗 犷式的发展道路，安全信息技术的网络化程度不高，井下安全生产情况不能及时 传到井上生产控制中心，这些都是事故频发的症结所在。因此，建立一套完整的 煤矿安全监控体系迫在眉睫。 本文通过对煤矿安全实时监测系统的需求分析，提出了基于 b s ( b r o w s e r s e r v e r ) 的分布式监控系统解决方案。监控网络分为三层： 1 、在井下设计智能终端，它负责煤矿安全生产数据的采集并向井上传输。 同时智能终端还具有瓦斯超限报警和瓦斯闭锁功能。以智能终端为无线 网络的接入点，采用r f i d ( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g y ) 的技术设计便携式数据采集器，组建井下无线网络。井下有线网络和无 线网络共同构建立体化的数据采集系统。 2 、井上研制井端服务器，由井端服务器将矿井下的有线网络接入i n t e m 吼 网。并提供w e b 页供有权限的用户访问。 3 、地面控制中心由客户终端和后台数据库组成，完成安全生产数据的统计、 预测、分析，并对矿井的安全生产进行全面监控。 在煤矿安全实时监测系统的方案设计和开发过程中，本文重点研究了基于 q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 的煤矿安全实时监测系统的通信协议。在分析系统传输数 据特点、网络结构及其它总线优势的基础上，提出以改进的r s 一4 8 5 组网。通过 对冲撞与避免，帧结构设计，优先权设定，差错控制，校验等技术的研究，提 高网络传输质量，使系统在安全性、可靠性和实时性等方面满足煤矿实时监测 系统应用的要求。 系统在硬件设计中采用了z i l o g 司的z 8 f 6 4 2 3 、z 8 f 0 4 2 a 、e z 8 0 f 9 1 微处 理器芯片研制井下智能终端、便携式数据采集器和井端服务器。最终完成煤矿安 全实时监测系统的方案设计和部分软硬件的开发。 关键词： 分布式系统煤矿安全通信协议q o s 华东师范大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e s e n ty e a r s ，a c c i d e n t si nc o a lm i n e h a p p e n e df r e q u e n t l y i no l i rc o u n t r y , w h i c h o b s t r u c t e di t sp r o g r e s sa n da l s oi m p a c t e dg r e a t l yt op e o p l e sl i f ea n db e l o n g i n g s i n t h e p a s t ，t h er o u g hd e v e l o p i n gm o d e ，l a c k i n g o fn e t w o r k s y s t e m i n s e c u r i t y i n f o r m a t i o ns y s t e mw h i c hc a u s e dw o r k i n gs e c u r i t yi n f o r m a t i o ni nam i n ec a r l tb e t r a n s m i t t e dt oac o n t r o lc e n t e ri nt i m e ，a r et h er o o tc a u s e so ft h e s ec o a l m i n i n g a c c i d e n t s t h e r e f o r e ，ac o m p l e t es e c u r i t ym o n i t o rs y s t e mo fac o a lm i n ei su r g e n tt o b ed e v e l o p e d a c c o r d i n gt o t h ea n a l y s i so ft h er e q u i r e m e n to fas e c u r i t yr e a l t i m em o n i t o r s y s t e mo fac o a lm i n e ，t h i sa r t i c l ep r e s e n t e dt h es o l u t i o no fad i s t r i b u t e dm o n i t o r s y s t e mb a s e d o n b s ( b r o w s e r s e r v e r ) t h em o n i t o r n e t w o r kh a s3l e v e l s ： 1 t h e r ei sa ni n t e l l i g e n tt e r m i n a l w h i c hc a d t u r e st h es e c u r i t yd a t ai nam i n ea n d t r a n s m i t su pa n do u to ft h em i n e m e a n w h i l e ，t h et e r m i n a la l s oh a st h e f u n c t i o n st oa l a n t iw h e n g a so v e r f l o w sa n d t ob l o c kt h eg a s t h e nt h ew i r e l e s s n e t w o r ki nt h em i n ei sm a d eo fa ni n t e l l i g e n tt e r m i n a l w h i c ha c t sa sa p f a c c e s sp o i n t ) a n dap o r t a b l ed a t ac o l l e c t o rb a s e do nr f i d t e c h n o l o g y t h e w i r e dn e t w o r ka n dw i r e l e s sn e t w o r ki nt h em i n ec o n s t r u c tam a l t i d i m e n s i o n a l d a t ac o l l e c t i o n s y s t e m 2 j u s to u t s i d e 也em i n et h e r ei sa s e r v e r , w h i c hb r i n g st h en e t w o r k i nt h em i n et o t h ei n t e m e t 3 t h e g r o u n d c o n t r o l c e n t e r ，w h i c hc o n s i s t s o ft h ec l i e n tt e r m i n a la n d b a c k g r o u n dd a t a b a s e ，m o n i t o r st h ew h i l em i n e t h ep a p e r s e m p h a s i si s 也et e l e c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l b a s e do i lt h eq o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) i nt h ec o a lm i n e ss e c n r i t yr e a l - t i m em o n i t o rs y s t e m r e l i e do n t h ea n a l y s i so ft h es v s t e mc o n a m u n i c a t i o nd a t ac h a r a c t e r i s t i c n e t w o r ks t r u c t u r ea n d o t h e rb u sa d v a n t a g e ，w ec o n s t r u c tt h en e t w o r k su s i n gi m p r o v e dr s 一4 8 5 b ys t u d y i n g t h ec o l l i d i n ga n da v o i d i n g ，f r a m es t r u c t u r ed e s i g n ，p r i o r i t ys e t t i n g ，e r r o rc o n t r o la n d v e r i f i c a t i o nt e c h n o l o g y , w ei m p r o v et h eq u a l i t yo ft h en e t w o r kc o m m u n i c a t i o n ，a n d s a t i s f yac o a lm i n er e a l t i m em o n i t o rs y s t e ma p p l i c a t i o no ns y s t e ms e c u r i t y , r e l i a b i l i t y a n dr e a l - t i m e t h es y s t e mi n v o l v e dz s f 6 4 2 3 z s f 0 4 2 a e z 8 0 f 9 lm c u 矗o mz i l o gf o rt h e i n t e l l i g e n tt e r r a i n a li nt h em i n e t h ep o r t a b l ed a t a c o l l e c t o ra n ds e v e ro u t s i d et h em i n e a 1 lt h ec o a lm i n es e c u r i t yr e a l t i m em o n i t o r s 3 ，s t e ms o l u t i o na n dp a r to ft h eh a r d w a r e a n ds o f t w a r eh a v eb e e n c o m p l e t e d i n 也i sp a p e r k e yw o r d s ：d i s t r i b u t e ds y s t e m ，c o a l m i n e s e c u r i t y , t e l e c o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l ，q o s i i 趔蠢塞硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 沈建国教授华东师范大学主席 应吉康教授华东师范大学 黄昶副教授华东师范大学 本课题受上海市重大科技攻关项目资助 项目名称：煤矿安全实时监测系统研究与应用 项目编号：0 3 2 5 1 2 0 7 5 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经 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 文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：赵! 盘整日期：垒互：7 学位论文使用授权声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保 留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权 将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有 权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要 汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 学位论文作者签名：翱务爨 导师签名 学位论文作者签名：洲缸残 导师签名 日期：日期： o r i g i n a l i t y n o t i c e i np r e s e n t i n gt h i st h e s i si np a r t i a lf u l f i l l m e mo f t h er e q u i r e m e n t sf o rt h em a s t e r s d e g r e ea te a s tc h i n a n o r m a l u n i ，e r s i t y 1w a r r a n t t h a tt h i st h e s i si so r i g i n a la n da n y o ft h et e c h n i q u e sp r e s e n t e di nt h et h e s i sh a v eb e e nf i g u r e do u tb ym e a n yo ft h e r e f e r e n c e st ot h ec o p y r i g h t ，t r a d e m a r k ，p a t e n t ，s t a t u t o r yr i g h t ，o rp r o p r i e t yr i g h to f o t h e r sh a v eb e e ne x p l i c i t l ya c k n o w l e d g e da n di n c l u d e di nt h er e f e r e n c e ss e c t i o na t t h ee n do f t h j st h e s j s s t g 。t u 础趔毫。t e 丝：2 c o p y r i g h t n o t i c e ih e r e i na g r e et h a tt h el i b r a r yo fe c n us h a l lm a k ei t sc o p i e sf r e e l y a v a i l a b l ef o r i n s p e c t i o n if i a r t h e ra g r e et h a te x t e n s i v ec o p y i n g o f t h et h e s i si s a l l o w a b l eo n l yf o rs c h o l a r l y p u r p o s e s ，i np a r t i c u l a r , s t o r i n g t h ec o n t e n to f t h i st h e s i s i n t or e l e v a n td a t a b a s e s ，a sw e l la sc o m p i l i n ga n d p u b l i s h i n gt h et i t l ea n da b s t r a c to f t h i st h e s i s c o n s i s t e n t 、v i 恤”f a i ru s e ”a sp r e s c r i b e di nt h ec o p y r i g h tl a wo f t h e p e o p l e sr e p u b l i co f c h i n a s ；驴。钿n ：垫必腑。：迹：! ：2 华东师范大学硕士学位论文 第一章引言 科技的发展使得信息化的浪潮深入到各行各业中，在许多传统的行业，如 煤矿、电力、水利等行业，信息网络安全监测技术正在使这些行业焕发出新的 生机，在改变原来诸多生产安全隐患的基础上，提高生产效率。随着煤矿企业 对安全生产要求的迫切增加，研究如何将网络技术、控制管理技术融入到传统 行业，研究如何在新的应用环境下，提高网络的可靠性，安全性，实时性等闻 题显得非常有意义。 1 1 论文的研究基础 1 1i 我国煤矿安全的现状与需要 2 0 0 5 年2 月1 4 日1 5 时左右，一场特大瓦斯爆炸惨剧在阜新矿业集团孙家 湾煤矿井下数百米深处瞬间发生，无情地将一个个生命吞噬。至2 2 日零时左 右最后一名遇难者遗体被发现，遇难人数上升至2 1 4 名。而在2 0 0 4 年一年间， 我国煤矿事故死亡的人数共计达到了6 0 2 7 人，也就是说平均每天就有十几个 人死于煤矿安全事故。近几年，随着国民经济对能源的需求增大，煤炭行业的 开始复苏，我国煤炭开采在规模和产量上都逐年扩大，但是通过以上触目惊心 的数据我们却看到煤矿行业安全生产的形势非常严峻。与国外相比，我国煤矿 安全生产现状还存在非常大的差距。国外煤矿多数为露天煤矿，且均采用大型 自动化、机械化、智能化成套机械设备，以及现代化的高科技手段，故事故的 发生率大大降低。而我国煤矿多为井下采掘，而且随着开采深度的不断增加， 开采强度的不断增强，井下情况变得更为复杂，一旦发生事故，救助工作也难 以开展。面对我国煤矿安全生产的严峻形势，用高新技术和先进实用技术改造 传统产业，增加科技含量，促进产品更新换代，提高产品质量和经济效益，是 走新型煤炭工业化道路的必然选择。 华东师范大学硕士学位论文 11 2 网络通信协议研究在煤矿安全监控网络中的应用 瓦斯实时监测技术和煤层瓦斯含量快速测定技术以及网络化技术是改善、 提高煤矿安全生产的几个主要手段【1 ”。通过瓦斯实时监测技术，煤矿管理和技 术人员能够随时从生产控制室里了解到工作面瓦斯浓度的变化。根据这些变 化，他们采取不同的瓦斯控制技术措施，或继续生产，或加强通风，或抽放瓦 斯，甚至停止生产等。实时瓦斯监测技术系统能够监测工作面瓦斯浓度，捕捉 井下局部瓦斯浓度变化，并根据瓦斯浓度采取断电等措施，防止事故的发生。 在网络化技术的推进中，煤矿安全数据传输的可靠性、安全性和实时性成为煤 矿安全实时监测系统中重要的一环，是一个非常重要的研究课题。随着矿井开 采深度增加，系统的扩展，现行网络难以确保重要的安全数据、控制数据和井 下仪表的检测数据不受延迟或丢失。而且井下环境恶劣，电磁干扰强，粉尘大， 湿度高，使得网络的数据可靠性和实时性得不到保证。因此，q o s 网络服务质 量引入煤矿安全网络的设计和规划中有相当重要的意义。 1 2 论文的研究工作 本文的目标为通过对网络通信协议的研究，构建适合矿井下应用环境的煤 矿安全实时监测系统。采用改进的r s 4 8 5 技术，r f i d 技术，构建井下立体 化数据采集系统；在此基础上，进一步完善井上监控软件和煤矿安全信息数据 库，形成全局监控网络。 课题需要完成的工作如下： 1 、煤矿安全实时监测系统的总体设计 按照煤矿安全生产的实际要求，提出需求分析，制定煤矿安全实时监测 系统的功能要求和性能要求。设计系统功能模块和系统的网络层次结 构。 2 、研究各种总线形式，制定改进的r s 4 8 5 总线形式 研究r s 一4 8 5 工业总线以及其他现场总线例如c a n ( c o n t r o l l e ra r e a n e t w o r k ) 总线，基金会总线，包括各个协议层的功能和实现机制。根 据本课题的应用情况，对r s 一4 8 5 工业总线加以改进以适应矿井下数据 华束师范大学硕士学位论文 传输的需求。通过对通信协议的剪裁，研究帧结构设计、冲撞和避免、 优先级设定、差错控制、校验等技术在提高网络服务质量中的应用， 提高煤矿安全实时监测系统中数据传输的安全性，可靠性和实时性。 3 、井下立体数据采集系统的构建 根据系统设计，研制井下智能终端实现井下安全数据采集和汇接。以改 进的r s 一4 8 5 技术组网形成井下有线网络；研制矿工随身携带的便携式 数据采集器，以r f i d 技术，形成以智能终端为汇接点的无线网络。有 线网络和无线网络共同构建井下立体化数据采集系统。研制井端服务 器，将井下采集的安全生产数据接入n t e r n e t 网，并提供w e b 页供地面 控制中心访问。 1 3 本文的安排 本文分为六章对本文的研究工作进行阐述。首先介绍了分布式监测系统的 一些理论知识，阐述了系统的功能目标和性能目标，根据煤矿安全监测系统的 实际情况建立系统结构，网络结构并划分了系统功能模块：然后根据划分的功 能模块给出了详细的分析和设计，并对作者认为是难点的地方做了重点介绍， 最后作者对整个系统的优点和不足做了总结，希望此系统的设计和实现能够为 其他类似的应用提供一个完整和有益的参考。 第一章引言 本章阐述了本文研究工作提出的现实需求、理论基础以及本文的研究目标。 第二章系统设计基础 本章介绍了分布式监控系统和总线形式的一些理论知识，通过对各种总线 技术的分析比较，阐述了采用自行设计的改进的r s 4 8 5 总线技术构建煤矿安 全实时监测系统的优势。同时给出了煤矿安全实时监测系统的总体构架。并对 构建系统的相关技术进行了介绍。 第三章煤矿安全实时监控网络系统设计 本章通过对煤矿安全监测系统的应用与需求分析，制定出适合煤矿安全实 时监测系统的三层网络结构；研制井下智能终端、便携式数据采集器和井端服 务器；分析煤矿安全数据如何在这三层网络之间传递，完成煤矿安全生产的控 华东师范大学硕士学位论文 制和管理。 第四章基于q o s 的分布式监测系统的通信协议研究 本章讨论了对通信协议的剪裁，并根据系统设计的应用情况将网络协议的 研究的重点放在数据链路层。通过研究帧结构设计，冲撞与避免，优先权设定， 差错控制，校验等技术在提高网络服务质量中的应用，提高煤矿安全实时监测 系统的中数据传输的安全性，可靠性和实时性。 第五章煤矿安全系统硬件实现 本章阐述煤矿安全实时监测系统的各个硬件组成，介绍本文设计煤矿安全 监测系统硬件所遵循的原则。分析井下智能终端、便携式数据采集器、井端服 务器的硬件设计。 第六章总结与展望 本章对实现的煤矿安全实时监测系统与硬件模块进行综合分析，并提出进 一步研究的思路。 4 华东师范大学硕士学位论文 第二章系统设计基础 煤矿安全实时监测系统是根据矿井下安全生产的规范和要求，利用数据采 集技术、网络技术和数据库等实现煤矿安全数据的采集、处理和煤矿安全管理 控制为一体的综合信息管理系统，是现代化科学技术与管理密切结合的一项系 统工程。它是煤矿生产企业实现煤矿安全生产管理现代化、决策科学化的一个 重要过程。通过将井下采集的煤矿安全生产数据传送到地面控制中心，并处理 得出瓦斯浓度预测趋势，为矿领导实施生产安全管理提供有力的决策依据和参 考。 本章详细讨论基于b s 的分布式监测系统可行性，在综合各种总线优势的 基础上制定改进的r s 4 8 5 总线，如何构建网络结构层次，以及q o s 在煤矿安 全系统中的应用。 2 1 分布式监控系统 随着计算机及网络技术的发展，工业生产规模的扩大，综合控制与管理要 求的提高，计算机控制系统由单机控制发展到以多台计算机为基础的分布式控 制系统。系统每一部分都具有独立的控制和通信能力，而且具有分散地理位置 的远程监控能力，一般适用于大型工矿企业。 2 11 b s ( b r o w s e r s e r v e r ) 结构模式 随着计算机技术在各个领域的不断深入与发展，以及i n t e m e t 的广泛应用， 原来基于局域网的企业网开始采用i n t r a n e t 技术来构筑和改建自己的企业网。于 是，一种新兴的体系结构b s 应运而生 7 1 。b s 结构模式共有三层体系结构，从 本质上来说，它也是一种c s ( c l i e n t s e r v e r ) 结构，只不过它是一种由传统的 二层c s 结构发展而来的三层c s 结构在w e b 上应用的特例。b s 模式把传统c s 模式中的服务器部分分解为一个数据服务器与一个或多个应用服务器( w e b 服 务器) ，从而构成了一个三层结构的客户服务器体系。这种三层体系结构，如 图2 1 所示： 华东师范大学硕士学位论文 图2 1 三层b s 数据库系统的结构图 f i g u r e 2 - 1t h es c h e m a t i c so f t h r e el a y e r b ss y s t e m 这种结构把原来的c s 结构转变成三层的b s 结构，这样客户机的压力大大 减轻了，把负荷均衡地分配给了w e b 服务器和数据库服务器，因此不仅把客户 机从沉重的负担和不断地提高性能的要求中解放出来，也把技术维护人员从繁 重的维护升级工作中解脱出来。而且这种三层结构层与层之间相互独立，任何 一层的改变不影响其它层的功能。它从根本上改变了传统的二层c s 体系结构 的缺陷，是应用系统体系结构中一次深刻的变革。 基于b s 结构的分布式监控系统，在工业自动化中的典型应用如图2 2 所 图2 2 分布式监控系统示意图 f i g u r e2 - 2t h es c h e m a t i c so f d i s t r i b u t e dm o n i t o rs y s t e m 6 华东师范大学硕士学位论文 最底层为数据采集系统，从现场各类传感器设备中采集数据，执行控制指 令；第二层为实时信息处理系统，由现场采集的数据及其相关信息写入挂接在 这层的w e b 服务器和数据库服务器中，对数据进行统计、分析等处理，将 实时数据，历史数据等以w e b 的形式实时发布；实时发布的信息通过网络同 第三层客户端相连，客户计算机可以通过浏览器直接使用和监测现场采集的数 据，以便进行生产决策。 2 1 2 煤矿安全实时监测系统设计 根据系统设计需要，参照以上分布式监控系统的结构，在本系统设计中将 网络分为三层： 1 、井下以智能终端为中心，改进的r s 4 8 5 技术组网形成的有线网络，再 以每个智能终端为辐射点，以r f i d 的技术构建无线网络。有线网络 和无线网络共同构建立体化的数据采集系统； 2 、井口建立井端服务器，将井下采集的煤矿安全数据汇按，接入i n t e r n e t 网： 3 、地面控制中心则对井下进行全面监控，将煤矿安全数据存储，统计，给 出预测分析，并将控制命令传到矿井下。 其系统结构如图2 3 所示： 地面控制中心是整个系统的核心，集中管理和控制整个监控系统的运行。 地面控制中心由系统管理服务器，监控主机，网络设备等组成。其中，监控主 杌用来运行监控系统软件，同时还可以把多台计算机组成计算机网络，实现数 据共享。在这个体系结构中，各层次分工如下： 客户终端：提供简洁的人机交互界面，完成数据的输入输出； 数据服务器：提供数据的存储服务。一般就是数据库； 井端服务器：提供井下专用网和l n t e r n e t 网的衔接； 井下控制设备：提供数据采集和命令控制。 华东师范大学硕士学位论文 图2 3 煤矿安全监测系统网络结构图 f i g u r e 2 3t h en e t w o r k o f c o a lm i n em o n i t o r s y s t e m 2 2r s - 4 8 5 和各种现场总线 在自动化领域，随着分布式控制系统的发展，迫切需要一种总线能适合远 距离的数字通信。在r s - 4 2 2 标准的基础上，e i a 研究出了一种支持多节点、 远距离和接收高灵敏度的r s 4 8 5 总线标准。当前自动控制系统中常用的网络， 如c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 、p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l db u s ) 等现场 总线的物理层都是基于r s 4 8 5 的总线进行总结和研究的【2 】。 2 2 1r s - 4 8 5 总线 r s 4 8 5 f 9 】串行接口的电气标准实际上是r s 4 2 2 的变型，它属于七层o s i ( o r e l ls y s t e mi n t e r c o n n e e f i o n ，开放系统互连) 模型物理层的协议标准。由于 性能优异、结构简单、组网容易，r s 一4 8 5 总线标准得到了越来越广泛的应用。 r s 一4 8 5 标准采用平衡式发送，差分式接收的数据收发器来驱动总线，具体规格 华东师范大学硕士学位论文 要求： 1 、接收器的输入电阻r n 乏1 2 k q 2 、驱动器能输出：e 7 v 的共模电压 3 、输入端的电容s 5 0 p f 4 、在节点数为3 2 个，配置了1 2 0 f 2 的终端电阻的情况下， 能输出电压1 5 v ( 终端电阻的大小与所用双绞线的参数有关) 5 、接收器的输入灵敏度为2 0 0 m v ( 即( v + ) 一( v - ) 三0 2 v ， ( v + ) ( v - ) 0 2 v ，表示信号“1 ”) 其互连方式如图2 4 所示： t 如 d e 嘞 髓 乡乡 乡乡 驱动器至少还 表示信号0 图2 4 r s 4 8 5 互连示意图 f i g u r e2 - 4s c h e m a t i c so f r s - 4 8 5 r x d 肛 嘞 d e r s 一4 8 5 采用平衡发送和差分接收方式来实现通信：在发送端t x d 将串行口 的1 v r l ( t r a n s i s t o r - t r a n s i s t o rl o g i c ) 电平信号转换成差分信号a 、b 两路输出， 经传输后在接收端将差分信号还原成t t l 电平信号。两条传输线通常使用双绞 线，又是差分传输，因此有极强的抗共模干扰的能力，接收灵敏度也相当高。 同时，最大传输速率和最大传输距离也大大提高。如果以1 0 m b p s 速率传输数据 时传输距离可达1 2 m ，而用1 0 0 k b p s 时传输距离可达1 2 k m 。如果降低波特率， 传输距离还可进一步提高。另 b r s - 4 8 5 实现了多点互连，最多可达3 2 台驱动器 和3 2 台接收器，非常便于多器件的连接。不仅可以实现半双工通信，而且可以 实现全双工通信。 9 华东师范大学硕士学位论文 2 2 2 各种现场总线优势 从2 0 世纪8 0 年代开始，随着工业自动化的蓬勃发展，各种现场总线相继 产生，其中主要的有：基金会现场总线f f ( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 、控制局域 网络c a n ( c o n t r o l l e ra r e a n e t w o r k ) 、局部操作网络l o n w o r k s ( l o c a lo p e r a t i n g n e t w o r k ) 、过程现场总线p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l db u s ) 、c o n t r o l n e t 和 h a r t 【2 j 等等。 以上各个总线，凭借各自的特点，在各个不同的领域有所专长。基金会现 场总线分为h 1 和高速h 2 两种通信速率。h 1 的传输速率为3 1 2 5 k b p s ，通信 距离可达1 , 9 k i n ，可支持总线供电和本质安全防暴环境。c a n 总线最早是由德 国b o s c h 公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信协议。其总 线规范已被i s o 国际标准组织制定为国际标准，并且广泛应用于离散控制领 域。l o n w o r k s 应用范围主要包括楼宇自动化、工业控制等，在组建分布式监 控网络方面有较优越的性能。过程现场总线p r o f i b u s 主要用于过程自动化的 信号采集及控制，p r o f i b u s d p 是制造业自动化主要应用的协议内容，是满足用 户快速通信的最佳方案，传输速度为1 2 m b s 。h a r t 通信可以有点对点或多点 线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡产品，因 而在当前的过渡时期具有较强市场竞争力，在智能仪表市场上占有很大的份 额。 现场总线最大的优点就是控制功能下载到基层，大部分任务由现场仪表来 承担，彻底改变过去控制任务完全由控制室完成的局面，所以有可能组成一个 很强大的开放控制系统，实现设备和信息共享。 2 2 3 改进的r s 一4 8 5 总线 在煤矿安全实时监测系统的开发中，系统结构并不很复杂，并不一定要使 用性能很高的总线标准，这样反而会额外增加智能终端的成本和设计难度。因 此在现有条件下，根据实际需求，我们选择在r s 4 8 5 总线的基础上，通过对 通信协议的研究，将其它总线的优势结合到我们自行设计的改进型r s 一4 8 5 总 线上来，研究出一套适合煤矿安全实时监测系统的r s 4 8 5 专有通信系统。改 进的r s 一4 8 5 总线不但在原有的基础上性能得到提高，能够满足我们煤矿安全 1 0 华东师范大学硕士学位论文 实时监测系统的设计需要，而且经济实用，易于实现。在选用了成熟稳定的总 线结构形式的基础上，我们采用双网冗余容错技术。在智能终端上设计两路 r s - 4 8 5 总线，形成双网结构，即构成网络冗余来实现容错。在此结构中，各个 节点之间通过双网相连，当某个节点需要向其它节点发送消息时，能过双网中 的一个网发送过去，正常情况下，双网可同时传送数据，也可以为主备用方式。 当由于某些原因所造成一个网断开后，另一个网能迅速替代出错网的工作，这 样保证了数据的可靠传输，在很大程度上保证了系统的可靠性。 2 3 网络拓扑结构 网络拓扑结构是指网络中各个节点相互连接的方式。数据通信的网络拓扑 结构有星型、环型、总线型、树型以及几种类型的混合。每种拓扑结构各有优 缺点和适应范围。网络拓扑结构的选择往往和传输介质的选择、介质访问控制 方法的确定等紧密相关。下面就选择拓扑结构时，应该考虑的主要因素进行讨 论并给出本系统选择的网络拓扑结构： 1 、灵活性。在设计网络时，考虑到设备和用户需求的变迁，拓扑结构必须 只有一定的灵活性，能容易地重新配置。此外，还要考虑原有节点的删 除，新节点的加入等问题。从系统结构图中，可以知道系统各部分具有 在地理分布上扩展的特点，特别是考虑到在矿井下，随着掘进面的推进， 网络将随着进行扩展，总线形的网络结构具有良好的扩展性，因此采用 总线型的拓扑结构网。 2 、可靠性。网络中有两类故障：一类是网中个别节点损坏，这只影响局部； 另一类是网络本身无法运行。拓扑结构的选择要使故障的检测和隔离较 为方便。在环形网中可靠性就不够高，因为只要其中任何一个节点出现 故障，整个网络就无法运行，而总线型的拓扑结构，当个别节点出现故 障的时候，并不会影响整个网络。同时，我们采用的网络结构是双网冗 余结构，因此，可靠性得到了进一步的保证。 3 、实时性。在以往的对实时性要求较高的网络中多采用环形令牌网，因为 令牌传递时间以及拥有令牌的节点占用网络控制权的时间都是预先规定 好的，在网络节点数量一定的情况下，每个网络节点的信息发送的时间 华东师范大学硕士学位论文 是可以预先估计出来的，因此，令牌网又称为“确定性”网络。但是通过 对典型的令牌环形网a r c h e r 网络与e t h e m e t 3 0 】在不同网络负荷下的通信 响应性能的研究，结果如图2 5 所示： 一 1 t s i a ，茎 # t m 图2 5a r c n e t 和e t h e m e t 的响应速度曲线 f i g u r e2 - 5t h er e s p o n s er a t eo f a r c n e ta n de t h e r n e t 从图中我们可以看出，在负荷较轻时，e t h e m e t 网络的响应速度明显大于 a r c n e t 网络，但随着负荷的增加e t h e m e t 网络的响应速度就急剧下降，而a r c n e t 网络却下降得非常缓慢。这是因为，当负荷轻时，e t h e m e t 网络的节点发送数 据时发生碰撞的概率很低，几乎可以随时发送，而a r c n e t 网络则必需要有令牌 才能发送，当然没有e t h e m e t 网快。但当负荷很重时，e t h e m e t 网的碰撞概率 急剧增加，这就像一群人乱哄哄的挤一个门，这群人要完全进入门中，得花费 很长的时间。而a r c n e t 则像一群人排队进一个门，其进入速度肯定比前者快。 同时，也可看出，当网络负荷低于2 5 时，e t h e m e t 网的响应速度要比a r c n e t 网要快。在典型的工业控制系统应用中，通信峰值负荷为1 0 me t h e r n e t 的5 ， 1 0 0 me t h e r n e t 网络中的负荷为0 5 。如果通过仔细设计，对系统中的网络节 点数量和通信流量进行控制，使网络负荷低于1 0 ，完全可以采用e t h e m e t 网 来取代a r c n e t 网等令牌网。在煤矿安全实时监测系统中，要传输的数据包括瓦 斯浓度，温度，风速，矿工地理位置信息，数据量不是很大，因此完全可以采 用响应速度更快的总线型网络结构。 华东师范大学硕士学位论文 2 4 本章小结 本章从系统层次结构、系统网络构架、采用总线形式等几个方面讨论了系 统在方案设计中涉及到的理论研究基础。并探讨了如何在这几个方面制定出适 合煤矿安全实时监测系统的方案，以提高的网络传输质量，保证网络的安全性， 可靠性，实时性，为正确决策生产管理和预防煤矿安全事故的发生提供可靠的 依据。 华东师范大学硕士学位论文 第三章：煤矿安全实时监测网络系统设计 煤矿安全实时监测系统是综合了数据采集技术、网络技术和数据库技术为 一体的综合信息管理系统，是现代化科技与管理密切结合的一项系统工程。 3 1 系统总体设计 3 1 1 目标设计 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，同时根据历史的和现有的资料，对 矿井的整体安全性进行预测，实现煤矿安全管理由事后管理到事前管理的跨 越。根据以上需求分析，制定出煤矿安全实时监测系统的目标功能如下： 1 、通防管理的计算机化 管理子系统可以和井下安全监测系统实现资源共享，实时查询日常通风 管理的各项参数，包括各主要地点瓦斯浓度、风速、风压、温度等。对 瓦斯超限地点自动报警；根据所提供的参数，定期准确地了解矿井各主 要区段通风网络的工作状态，对通风系统的改善提供依据。实现通防管 理中的各类参数的查询、统计以及各种报表的生成。 2 、安全管理信息自动化 利用安全业务管理子系统可以实现对安全隐患信息、发生事故信息、 “三违”人员信息、各项指标完成信息等各类信息的查询；实时掌握 井下人员的出勤情况，对各采掘工作面的安全状况进行评价，做到不 安全不生产。 3 、安全管理支持功能 系统不仅应该实现对通风系统安全性的评价，还应该对瓦斯涌出情况、 “三违”人员等进行统计分析，找出其中的规律，对可能出现隐患、 发生事故的地点提前报警，对最容易发生违章的人员做出归类，对各 1 4 华东师范大学硕士学位论文 级干部下井应该检查的重点区域进行重点标注，方便企业决策者的日 常管理。 对于煤矿安全实时监测系统，要实现以上各项目标功能，就要实现从数据 采集、处理到信息发布处理的全过程的自动化，主要包括以下几个方面： 1 、数据采集自动化： 把传感器采集的各项安全生产数据，定时发送到智能终端，在智能终 端汇接，再通过改进的r s 4 8 5 总线送到井上。 2 、数据处理自动化： 把采集的数据根据事先设定的规则由系统自动的转化为需要的形式并 保存。 3 、控制自动化 监测到有事故发生时，能够自动的通过一定的方式自动进行紧急处理。 如出现瓦斯超限，系统能自动报警，并自动打开通风设备或断电，停 止生产，直到瓦斯浓度达到安全值为止。 4 、信息发布自动化： 在地面控制中心，要了解矿井下的安全生产情况，就要了解各项重要 的安全生产数据，这就需要矿井下采集到的数据能够通过一种简单快 捷的方式，安全、可靠、及时地传送到地面控制中心，地面控制中心 根据这些信息做出相应的管理决策。 3 1 2 功能要求和性能要求 根据系统目标设计，对系统的功能要求和性能要求设计如下： 】、根据传感器采集的瓦斯浓度、风速、风压、温度等安全生产数据，智能 终端应能根据预先设定的参数开启瓦斯闭锁； 2 、根据井下的特殊的应用环境，在现行的通信方式和通信协议的基础上， 研究出高可靠性的通信方式，将各种安全数据传输到井上地面控制中心 的数据库中长久存贮； 3 、按照煤矿行业的规范，对采集的原始数据进行计算和统计，形成报表、 统计图等多种方式进行查询，并实现远程查询； 华东师范大学硕士学位论文 4 、系统的可靠性和可恢复性，煤矿安全数据对煤矿安全生产来说非常重要， 因此，对采集的数据要求准确可嚣。在矿井下，电磁干扰强，粉尘大， 浸疫裹，必须采取臻蕤镖涯系绞熬寒可靠毪。爨终，嚣募援蓉统率身并 不可靠，在系统出现故障时或数据丢失时，能够恢复原有的数据。 3 2 系统模块设诗 通过系统结构示意图，可以看出在熬个系统中，主要包括三个网络层次结 构的设计，每一层结构功熊的实现都是个模块的设计，它们分别烂智能终端、 便薅式鼗蠢袋集器、著漆服务器。 3 2 1 智能终端设计 在煤矿安全实时蓝测系统设计中， 它不仅是改进型r s 一4 8 5 网络的节点， 摆；露时还怒劳下无线网终的接入点。 集系统的核心。 3 2 1 ，i 模块功能设计 锷能终端是熬个井下瞬络构建的骨架， 负责向井端服务器传送煤矿安全生产数 翻越智能终端黪设计是并下立体数据聚 智能终端主要提供以下四个功能： l 、井下蜜全生产数搬采集 砖黪游传来戆数攒分为嚣类：翅爨是模叛数援，羲竞送行a d 数摸转 换，如果是数字爨就可以直接邀到