（检测技术与自动化装置专业论文）煤矿安全监控系统数据集成方式研究.pdf

论文题目： 专业： 硕士生： 指导老师： 煤矿安全监控系统数据集成方式研究 检测技术与自动化装置 张保奎 郭秀才 摘要 ( 签名) 盗堡玺 ( 签名) 煤炭是我国的重要能源，煤炭的安全生产一直受到人们的普遍关注。随着科学技术 的发展，煤炭企业的信息化势在必行。现阶段，我国煤炭企业信息化表现为煤矿安全生 产监控系统、自动化控制系统与企业管理信息系统的高度集成。然而由于煤矿安全生产 监控系统在数据处理方式上的差异，限制了这些的信息共享程度，阻碍了煤炭企业的信 息化进程。 本论文讨论了我国煤炭生产安全状况和煤矿安全监控系统的发展状况，分析了煤矿 安全监控系统在数据集成和信息共享方面存在的问题。针对这种情况，从分析现阶段煤 矿监控系统广泛采用的网络结构入手，探讨其集成策略，接着探讨了该分布式网络的信 息计算模式。讨论了现阶段煤矿系统数据交互所采用的各种技术，包括各种数据库访问 技术、文件交换方式、动态数据交换技术、网络w i n s o c k 技术和嵌入式过程控制技术。 详细分析了o p c 技术的基本原理和规范，设计了实现现场设备、d c s 、f c s 、p l c 及数 据库等按照统一形式进行数据访问的o p c 数据访问组件。开发实现了基于o p cd a 规 范的实时数据访问的服务器组件和客户端组件，在局域网环境下进行测试时表现了稳定 的性能。最后提出了基于o p c 技术的煤矿监控网络方案。 本论文着重探讨了o p c 技术在煤矿监控系统数据集成实现过程中的可行性和优越 性，在实现煤矿企业信息化过程中的重要意义。 关键词：监控系统；信息化；数据集成；数据交换；o p c 技术 研究类型：应用研究 弛 s u b j c c t ：t h er e s e a r c ho f d a t ai n t e g r a t i o nb a s e do nc o a lm i n e s a f e t y m o n i t o r i n gs y s t e m s p e c i a l t y ：d e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n da u t o m a t i ce q u i p m e n t n a m e ：z h a n g b a o k u i i n s t r u c t o r ：g a ox i u c a i ( s i g n a t u r e ) i ；垒型堕丝! ( s i g n a t u r e ) f 弛丛丝型 a b s t r a c t t h ec o a li st h ei m p o r t a n te n e r g yi no u rc o u n t r y m e a n w h i l e ，t h ec o a lm i n es a f e t yh a s b e e nb e i n gc o n c e mw i d e s p r e a d l yb yt h ep e o p l e w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y ，t h ec o a lm i n ee n t e r p r i s e si n f o r m a t i o n a l i z a t i o nb e c o m e si m p e r a t i v ei n c r e a s i n g l y c u r r e n t l y ，t h et r e n do fc o a lm i n ee n t e r p r i s e si n f o r m a t i o n a l i z a t i o ni np r o g r e s s i sh i g h l y i n t e g r a t et h r e ep a r t s ，w h i c hi st h ec o a lm i n es y n t h e t i c a ls a f e t y - m o n i t o r i n gs y s t e m ，a u t o m a t i c c o n t r o l l i n gs y s t e ma n dt h em a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e mo fe n t e r p r i s e s h o w e v e r ， m u l t i t u d i n o u sc o a lm i n es a f e t y m o n i t o r i n gs y s t e m sa r ec o m p l e t e l yo rp a r t i a l l yi r r e l e v a n t ，a n d u n a b l et oc o n l m u n i c a t ea n ds h a r et h en o n s t r u c t u r ei n f o r m a t i o nd u et ov a r i a n td a t af o r r n a t a s ar e s u l t ，t h ep r o g r e s so f t h ec o a lm i n e si n f o m l a t i o n a l i z a t i o nh a sb e e nh o l db a c k t h i sd i s s e r t a t i o nd i s c u s s e ss a f e t ys i t u a t i o no fc o a lp r o d u c t i o na n dt h es t a t u so fc o a lm i n e s a f e t y m o n i t o r i n gs y s t e ma tp r e s e n t i nt h eb e g i n n i n g ，t h ep r o b l e mo fd a t ai n t e g r a t i o na n d s h a r i n gi n f o r m a t i o ni nv a r i o u se x i s t i n gs a f e t y m o n i t o r i n gs y s t e m sh a sa n a l y s e d a i m e da tt h i s e m b a r r a s s m e n t ，t h ef r a m e w o r ko f m o n i t o r i n gs y s t e mn e t w o r ka n dt h ec o m p u t em o d eo f d a t a a n di n f o r m a t i o ni nd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mn e t w o r kh a ss t u d i e d t h en u m e r o u st e c h n i q u e s o fd a t ae x c h a n g ei nc o a lm i n es a f e t y m o n i t o r i n gs y s t e mh a sd i s c u s s e d ，a n dt h e s et e c h n i q u e s c o n c e mi na c c e s s i n gd i f f e r e n tg e n r e sd a t a b a s e ，e x c h a n g i n gs h a r i n gd a t am a t e r i a l ，u t i l i z i n g t h et e c h n i q u eo fd y n a m i cd a t ae x c h a n g e ，d e p e n d i n go nn e t w o r kw i n s o c kc o m m u n i c a t i o n s a n di n t r o d u c i n go l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 m o r e o v e r ，t h ep r a c t i c eo ft e c h n i q u e sw a sb r i n g f o r w a r di nb r i e f n e s s t h i sd i s s e r t a t i o ni np a r t i c u l a ra d d r e s s e si t s e l ft ot h eo p cf u n d a m e n t a l s a n d s p e c i f i c a t i o n s ，a c c o r d i n g a st h eo p cd a t aa c c e s sc u s t o mi n t e r f a c es t a n d a r d s p e c i f i c a t i o n ，d e s i g n sa n di m p l e m e n t st h eo p cs e r v e rc o m p o n e n ta n do p cc l i e n t c o m p o n e n t ，w h i c hc a ne n s u eu n i f o r md a t aa c c e s sm o d ea m o n gd e v i c e si ns c e n e ，d i s t r i b u t e d c o n t r o ls y s t e m ，f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ，p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ，d a t a b a s ee t c t h et w oc o m p o n e n t s st e s t i n gi sc a r r i e do u ti nl o c a la r e an e t w o r k ，a n ds u p e re f f e c t i v e n e s s a n ds t a b i l ep e r f o r m a n c ed i s p l a y e du l t i m a t e l y f u r t h e r m o r e ，t h ec o a lm i n es a f e t y m o n i t o r i n g s y s t e mn e t w o r kb a s e do no p ct e c h n i q u eh a sp u tf o r w a r d i nc o n c l u s i o n ，t h ed a t ai n t e g r a t i o na n di n f o r m a t i z a t i o ns h a r i n go fm o d e r n i z a t i o n sc o a l e n t e r p r i s eh a sb e e nr e a l i z e d t h er e s u l t so ft e s t i n gi nl o c a la r e an e t w o r ks h o wp e r f e c t e f f e c t i v e n e s sa n dp e r f o r m a n c eo f t h ec o m p o n e n t s k e y w o r d s ：m o n i t o r i n gs y s t e m i n f o r m a t i o n i z a t i o nd a t ai n t e g r a t i o n d a t ae x c h a n g eo p c t e c h n i q u e t h e s i s ： a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 要错技女擎 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：彳1 知笨在日期：7 j o - o b 6 易 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：狼样受指导教师签名：季9 弘膨易年 易彳 石月莎日 1 绪论 1 绪论 煤炭是我国的重要能源，是我国经济建设的重要支柱! 煤炭生产的安全状况受到人 们的普遍关注，进步加强煤炭安全生产是我国能源建设过程中的重要课题。本章分析 了煤炭生产安全状况和矿井监控系统的发展状况，指出了煤炭企业在信息化过程中存在 的问题。说明了本课题研究的内容和意义，以及本论文的主要工作。 1 1 煤矿安全与煤矿安全监控系统的现状 煤矿安全是煤炭行业的共同话题。由于我国煤炭成形的自然条件和地质条件的多 变，生产条件复杂，自然灾害较为严重。在我国众多的行业产业中，煤炭行业事故所占 比重最大，占工业死亡总人数的6 0 以上。目前，全国煤矿百万吨死亡率高达3 左右， 其中以瓦斯煤尘爆炸恶性死亡事故为最。进入新世纪以来，煤矿安全生产形势虽然有所 好转，但形势依然严峻。据统计，2 0 0 1 年，全国共发生煤矿事故2 3 8 4 起，死亡6 0 7 8 人；2 0 0 2 年，全国共发生煤矿事故3 1 1 2 起，死亡6 5 2 8 人：2 0 0 3 年，全国共发生煤矿 事故4 1 4 3 起，死亡6 4 2 4 人；2 0 0 4 年，全国共发生煤矿事故3 8 5 3 起，死亡6 0 2 7 人；2 0 0 5 年全国共发生煤矿事故3 3 4 1 起，死亡5 9 8 6 人【i 】【2 j 。这些数字足以说明煤矿安全事故给 人民生命带来的巨大伤害，给煤炭工作人员的家庭造成的极大痛苦，给国家建设造成的 巨大经济损失，产生了恶劣的社会影响和极为严重的后果。在“先抽后采、监测监控、 以风定产”方针的指引下，我国科研人员和煤矿职工在自力更生、艰苦奋斗基础之上， 共同努力，不断学习国外先进经验，取长补短，使我国煤炭安全生产技术和信息化程度 有了长足的进展和提高。其中，煤矿安全的内涵也在不断的丰富和扩展，包括劳动者心 理健康安全、环境卫生安全、劳动条件安全、机器设备安全、管理保障安全、生产系统 安全意识等在内的大安全概念也正在形成。 2 0 世纪8 0 年代初，我国依据实际情况先后研制出一系列适合我国煤矿具体隋况的 监控系统，并在国内已经广泛使用。实践表明，安全监控系统为安全生产和管理起到了 十分重要的作用。随着科技的进步和企业发展的需要，国内又相继推出了k j 9 0 、k j 9 5 、 k j l 0 1 、k j f 2 0 0 0 、k j 4 j 2 0 0 0 和k j g 2 0 0 0 等一系列监控系统，以及矿山安全监测系统、 基于i n t e r n e t 的地理信息系统等煤矿安全综合化和数字化网络监钡4 管理系统。各级管理 部门对各煤矿安全生产和装备矿井监控系统也作出了相应规定。网络技术的发展促使监 控系统的结构更加合理。地理信息系统应用到煤矿安全生产中，使各矿井分布位置以任 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。2 0 0 4 年，由我国 科研单位提出的基于第五代g i s 数据库技术的煤矿安全远程监测监控信息系统解决方 案进一步提出了远程实时数据采集终端、数据库存储、组态控制、大型门户集成平台、 西安科技大学硕士学位论文 超常延时免充后备电源系统等全套解决方案【3 j 。这些技术方案使实时采集煤矿井下传感 器上的原始数据，动态监控瓦斯超限、风机开停状态及风量、在线提供远程报警地理信 息，初步达到了危险源在线监测和事故隐患的动态跟踪水平。这种对各类煤矿的远程动 态监控，有效地消除了很多事故隐患，在一定程度上有效的控制了瓦斯爆炸事故的数量。 同时，数字化网络技术的w e b g i s 项目建立了实时监测与监管系统，可以实现省局、市 局、煤矿安全监察办事处、集团公司或县局、煤矿等5 级远程联腰j 1 4 1 。 国外煤矿监控系统的开发应用早于我国，技术也较我国成熟。加之法律法规的完善， 安全状况优于我国。2 0 0 4 年度中国煤炭百万吨死亡率为3 0 8 ，美国为o 0 3 9 ，印度为o 4 2 ， 俄罗斯为0 3 4 ，南非为0 1 3 ，中等发达国家大致为0 4 【5 】。例如矿业安全在德国不仅包含 矿井防火、防水、防爆，而且员工的交通安全也属其中，同时还有职工的劳动保健。在 技术上采用先进的煤矿安全实时监控系统，在井下通过各种高级传感器取得现场各种数 据，利用数码摄像头将采掘现场的实时画面通过网络传到总控制室，并以各种形式显示。 利用现代化手段使指挥中心与现场保持密切联系，任何事故的苗头都可以在监控中心找 到并进行相应的处理【6 j 。美国不断加强煤矿安全立法、执法和各种教育工作，同时加大 了对新技术的采用，最终使煤炭产量大幅度增长，劳动生产率成倍提高，安全状况大为 改善，生产成本明显降低，工效水平明显提高，煤矿从业人员逐年减少，人均年煤炭产 量逐年增加。美国矿业安全状况的改善得益于新技术的开发与应用 7 1 。英国设立了矿山 安全的监查机构，对政府负责，同时加大对新技术和新设备的推广，使用和加强各种层 次的安全培训。2 0 世纪9 0 年代以来，煤矿已经很少发生事故。英国的煤矿安全的发展 对世界许多国家的煤矿的健康发展都起到了积极的作用【8 】。 近年来，国外在不断完善现场监控跟踪预测的基础上，开展了研究瓦斯突出的动态 预测技术和突出危险区域预测技术【9 j 【。俄罗斯已经建立了区域预测预报专家系统，将 突出煤层划分为突出危险区和非突出危险区，从而解放了一大片煤层，降低了突防工程 量。德国一直都很重视煤矿安全技术的研发，一种完全改变井下矿工工作方式的“超越 现实”的高安全性通讯技术使得井下信息完全如实的反映在专家和技术人员面前，在有 安全隐患或可疑之处让计算机参预作出判断，极大的降低了危险概率，缩短了停工时间， 提高了工作效率。将这些问题和解决方法都存储在知识数据库里，为新技术的革新作了 大量的储备，并将在未来几年会全面投入使用。另外，一些国家将声发射技术应用于工 作面突出监测，以达到实用化、自动化方向发展。这些国家针对不同的突出煤层研究了 相应的配套防瓦斯突出措施及装备，俄罗斯利用声发射监测系统对采掘工艺进行了随机 控制，实现了工作面作业的自我保护。波兰和法国对煤层突出危险进行了分级，实现了 科学管理。 1 绪论 1 2 煤炭企业信息化存在的问题 我国的煤炭企业虽然在数据集成和信息化研究实践中取得了一定成就，但是不可否 认各级煤矿监控网络系统和煤炭企业中仍然存在许多问题。煤炭企业信息化是指将煤炭 企业的产品开发、生产、成本、库存、销售、运输、财务、事务处理、现金流动、客户 交互、人力资源等业务过程数字化，通过各种网络化信息系统加工生成企业所需的各项 信息资源并提供给各层管理者使管理者能够及时掌握业务中的一切信息，从而做出有利 于生产要素组合优化的决策；使企业资源更加合理配置，从而取得最大的经济效益【l ”。 然而现阶段，早期的监控系统的独立开发使得其底层信息传输设备物理接口协议的相对 独立，只能进行同类型的水平扩展，所以产品补套和系统功能扩充面临严峻挑战。不仅 如此，与监控系统相关的水文、地质、矿物等数据只在自己的系统被利用，而无法与其 它数据消费者共享，将大量的数据没有充分利用，同时这些冗余度较大的数据给本系统 的运行效率和安全性带来了负担。同时，由于过去的客观条件所限制，煤炭企业所使用 的大部分信息系统是分散开发或引进的，大多面向具体业务和部门，很少统一考虑数据 标准或信息共享问题。有些企业、有些部门在信息化建设中有了总体规划，制订了一些 代码信息标准，取得了一定成绩。但却缺乏整个企业层面信息化建设的总体规划，缺乏 整体性和系统性考虑，造成信息化低水平重复开发现象严重。由于数据平台的不统一， 同样的一个数据项多次录入，在不同的平台之间保存，因而不能确保数据的完整性。各 部门间、各系统间信息不畅通，自成体系，各自为政，没有统筹兼顾，信息无法实现有 效共享。最终各部门已建成的信息系统之间形成了若干大大小小的“信息孤岛”，企业 管理便陷在信息难以全面流动的“信息孤岛”之问。美国信息资源管理学家霍顿和马钱 德等人在2 0 世纪8 0 年代初指出，信息资源与人、财、物资源同样重要。应该像管理其 它资源那样管理信息资源；要使每个部门内部、部门之间、部门与外部单位的频繁、复 杂的信息流畅通，充分发挥信息资源的作用，不进行统一的、全面的规划是不可能的。 因此，从某种意义上说，只有站在企业全面信息化和与外系统全面兼容的高度和立场进 行信息资源规划才能从根本上解决“信息孤岛”问题；才能从根本上改变长期以来一直 无法解决的计算机应用系统跟不上管理变化的被动局面 l “。 本论文针对煤矿和局级系统的数据利用情况，因此信息孤立现象主要体现在以下几 个方面： 1 对于一些煤矿，各个职能部门都有自己的信息系统。如采煤工作面有工作面生产 监控系统；通风有通风监控系统；运输有运输监控系统；生产有工业电视现场监控系统； 井上有瓦斯分析系统等等。这些系统可能由于不同的数据库管理系统而产生数据库系统 的数据异构，或者说在同一个矿区信息不能共享。 2 对于矿务局，其所管辖的各煤矿装有符合自身特点和要求的监控系统。各系统开 西安科技大学硕士学位论文 发方法不同，通信协议的不一致造成相互不兼容。这些监控系统自身的实时、历史数据 库也不尽相同。还有一些如监控系统软件升级等特殊情况，形成了数据库系统上的差异。 3 对矿务局所辖的煤矿，其监控系统有各种形式，有单机版、网络版，网络版中有 c s 模式、b s 模式等，这种不同的体系结构也为监控系统数据集成产生了一定的障碍。 1 3 课题研究的内容 面对国内矿级、局级监控系统的数据利用情况，进一步构建矿务局、全市、全省、 乃至全国的网络化煤矿综合监控信息系统，特别是在煤矿安全形势较为严峻的情况下， 研究煤矿数据的集成技术以促进各系统之间的信息共享程度和煤炭企业的信息化有着 极为重要的意义。 本课题主要研究煤炭企业信息化过程中异构数据的交换与共享问题。本论文的研 究内容主要有：第一章，分析煤矿安全生产状况和煤矿安全监控系统的发展情况，指出 煤炭企业信息化过程中所存在的问题。第二章，分析煤矿安全监控系统普遍采用的网络 结构和这种分布式网络环境下的数据信息访问计算模式。第三章，从系统论角度推出煤 矿监控系统数据集成原理，探讨现行煤炭企业和矿井监控系统中的各种数据通信技术， 并简单指出其应用实现情况；分析监控系统中数据库访问的o d b c 、r d o 、d a o 、o l e d b 、a d o 技术的原理及实现方法；分析监控系统中数据交互的文件交换方式、w i n s o c k 技术、d d e n e t d d e 技术、o p c 技术等：提出广义的煤炭企业数据交互方案。第四章， 研究o p c 技术的基本原理和核心结构，主要包括o p c 组件对象模型，o p c 的结构、接 口和技术规范；设计实现现场设备、d c s 、f c s 、p l c 及数据库等之间进行通信的o p c 组件：开发实现数据访问o p c 服务器组件和客户端组件，并在局域网环境下进行测试。 第五章，提出基于o p c 技术的煤矿监控系统网络方案。第六章对论文的工作进行总结， 并对以后的工作进行展望。 1 4 课题研究的意义 本课题研究有利于煤矿监控系统网络的信息集成，煤矿企业的信息化，推动我国煤 矿安全监测监控系统进步，进而为我国煤炭行业信息化奠定一定的基础。也要明确实施 信息化是改变我国传统煤炭工业劳动效率低、技术装备落后、安全状况差的现状，规范 企业内部管理，建立健全先进的管理手段和制度，提高企业竞争能力，实现长远发展的 必要手段和基本保证。原国家经贸委在用高新技术和先进适用技术改造提升传统产业 的实施意见中指出，煤炭行业有三个重点，其中之一就是推广应用信息技术。因此本 课题对煤炭企业信息化建设，以先进的管理思想为指导，以成本控制为核心，以信息技 术为支撑，实现煤炭企业数字化的生产经营管理模式，实现企业经营运作的高效率和高 效益的都有十分重要的意义。 2 煤矿安全监控系统的网络结构 i i i i i ；i i i i i ；i i ；j ；i ；i i ；i i i i ；j i i ；i i i i ；i i i i i i i i i ；i i i ；i i i i ；i i i i ；i ；i 2 煤矿安全监控系统的网络结构 认识煤矿监控系统的网络结构是进行系统集成的出发点。煤炭行业信息的广域网、 矿务局监控网络、煤炭企业的信息网络和各矿井的各种监控系统共同构成了煤炭行业的 分布式网络系统。现阶段，煤矿监控系统网络大致由矿务局监控系统和矿级监控系统组 成。大部分煤矿监控系统为集散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，d c s ) ，成熟的d c s 技术在煤矿安全中发挥了巨大作用。伴随着新技术的发展，现场总线控制系统( f i e l d b u s c o n t r o ls y s t e m ，f c s ) 表现出更好的控制特性和网络集成性能，因此部分监控系统采用 了此种结构。在信息处理上，以客户机朋务器( c l i e n t s e r v e r ，c s ) 结构的计算模式较多， 同时为加快煤矿企业信息化的步伐，实现与信息系统网络的结合，浏览器服务器 ( b r o w s e r s e r e r ，b s ) 的计算模式也逐渐成为强大的技术力量，表现出了极大优势。本章 对现阶段煤矿监控系统的网络结构和信息计算模式进行探讨，以寻求最佳集成策略。 2 1 煤矿监控系统网络结构的应用状况 控制系统网络主要用于完成自动化控制任务，煤矿监控网络系统中包括各种功能的 计算机、工作站、智能仪表、通用分站、各种闭锁分站、执行器、本安电源、传感器、 断电仪、报警设备、传输线缆、数据传输接口装置等设备，以完成数据存储、超限报警、 输出控制、显示和打印报表、曲线和图形等功能，连续监测矿井环境和生产状况参数， 汇接管理监控子系统，同时还要完成系统自检和测试等功能。 2 1 1d c s 结构 d c s 诞生于1 9 7 5 年，并于8 0 年代后期逐步占据了控制系统的主导地位，并在工业 控制领域仍然显示了强大的生命力。其核心思想可以概括为集中管理、分散控制，实现 了管理与控制的分离。上位机用于实现对现场设备的集中监视管理，各种形式的下位机 被分散下放到现场实现各自的分布式控制，上下位机之间通过控制网络互连而实现相互 之间的信息传递。随着计算机技术、微电子技术和管理信息技术的高速发展，d c s 也推 崇出新，出现了第四代d c s 系统。第四代d c s 系统提供的信息平台可以集成整个企业、 整个过程的信息，可以从最底层的信号直接采集到各种装置的物理量信息，到整个企业 的综合分析、质量监控、计划调度等管理信息，到企业集团的资源计划、战略规划以及 电子商务信息，支持开放的数据库接口和多种流行标准网络接口，因此可以方便的集成 第三方的e r p 、s c m 、c r m 等软件，完成全方位信息化的解决方案【1 ”。d c s 的集成化 主要体现在两个方面：功能的集成和产品的集成。第四代d c s 开发商突破了原来d c s 厂商开发自主系统的局限，而是更多强调集成性和方案能力。第四代d c s 除了保留传 西安科技大学硕士学位论文 统d c s 的控制功能外，还集成了p l c 、r t u 、f c s 、各种多回路调节器、各种智能采集 或控制单元等。第四代d c s 厂商不再把组态软件开发或制造各种硬件单元视为核心技 术，而是把d c s 各个组成部分采用第三方集成方式或o e m 方式。所有的第四代d c s 都包含了各种形式的现场总线接口，可以支持多种标准的现场总线仪表、执行机构等。 同时其现场处理部件具有小型化、开放化、智能化、低成本等特点【1 。 我国煤矿监控系统中常见的k j 4 、u 1 0 、k j 9 5 、9 0 、k j 6 6 、k j l 0 1 、k j 2 0 0 0 等型 系统都为d c s 结构，采用“主机一分站一传感器”的体系结构设计，中心主机采用 w i n d o w s 操作系统，在此基础之上进行扩展，以满足监控系统的监控功能、通信功能、 信息处理功能、网络功能，并实现“一防三通”功能，其典型结构如图2 1 。 矿级网 远程终端 集 线 器 h u b 上一级局域 删即局级网 远程工作站 矿长工作站 工工rr 网络i | 信息综台管 作站 i 终端i 理挟策站 c 斯抽放l1 灭火管束1 】洗煤厂| 1 工业图像监 工作站ll 工件站fl 工作站ll 控工作站 模拟盘h 里重量h 监控主机 丽而h 絮? _ 【丽 心站 7 i 竺竺二二竺 井下分站 安全栅 亟蚓学 一 宴时全 屏显示 地面 井下分站1| l井下分站2 l 井下分站6 “1 2 8 用传感器。 。矿用传感器 。矿用传感器 图2 1 我国常见d c s 结构煤矿监控系统网络结构 中心站主机不断轮询与各分站进行通信，分站接到主机询问后，立即将接收到的测 点信息传给主机，主机将处理后的数据通过网络发送到各级领导办公室及各部门使用的 视频或监控终端。分站由本安电源供电，又不停地对所接收到的各传感器信号进行变换 和处理，时刻等待主机的询问，以便把检测的参数送到地面。从系统的集成特性来看， 这些监控系统出现较早，为不同生产商生产，又由于受到我国煤炭行业本身发展的影响 和技术因素的制约，只提供了本身的数据通信方式和数据管理方式，因此具有相对的独 立性和封闭性，根本不具备第四代d c s 的完备性能，系统集成时大多为并行化扩展。 6 2 煤矿簧全监控系统的网络结构 但是在我国的有些煤矿，由于企业建设和发展的需求，针对具体情况对监控系统作了改 进，因此又具有一定开放性。同时，伴随第四代d c s 信息化的影响，部分生产商也将 技术核心转移到第三方集成方式和o e m 方式上。目前，o p c 技术成为工控领域第三方 集成技术的代表，受到人们的普遍关注，k j 9 5 型煤矿安全监控系统提供了此接口。总 之，完备的d c s 技术和d c s 信息化趋势促进了煤矿监控系统的信息化步伐，也在我国 的矿井监控中发挥了巨大作用。 2 1 2 f c s 结构 f c s 诞生于突破d c s 的相对封闭性，是开放系统网络，是一种全分布式控制系统。 f c s 由开放的、具有可互操作性的网络将现场各控制器及仪表设备互连而构成，将控制 功能彻底下放到现场，降低了成本。f c s 作为智能设备的联系纽带，把连接在总线上作 为网络节点的智能设备连接为网络系统，并进一步构成为自动化系统，实现基本控制、 补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化和管控一体化的综合自动化功能。这是 一项以智能传感器、控制、计算机、数字通信和网络为主要内容的综合技术。 f c s 作为新型的自动化系统，是低带宽的底层控制网络，并可与i n t r a n e t i n t e r n e t 信 息网络相连。f c s 作为网络系统最显着的特征是具有开放统一的通信协议，肩负着在线 运行与在线测量控制的特殊任务。它与现场设备直接连接，一方面将现场运行的各种信 息设备互连为通信网络，实现不同网段、不同现场通信设备间的信息共享；又将现场运 行的各种信息传送到远离现场的控制室，并进一步实现与操作终端、上层管理网络的连 接和信息共享。现场总线具有自己的特点，要求信息传输的实时性强、可靠性高，且多 为短帧传送。由于f c s 适应了工业控制系统向分散化、网络化和智能化发展的方向，因 此一经产生便受到工控界的普遍关注。 国外已经有几家公司开发了f c s 结构的煤矿安全监控系统，在实际运行中表现了良 好的性能。我国研发的k j 3 1 煤矿安全监控系统就采用了f c s 结构，在系统的开放性、 互操作性、拓扑结构的灵活性、对环境适应程度等方面的确超过了我国现有的d c s 结 构的安全监控系统，也表现了比d c s 较低的成本优势。早期的k j 3 1 监控系统中心主机 使用d o s 操作系统，并负责数据处理，巡回监控等基本工作，使用d o s 系统大大增强 了系统的稳定性和安全性，基本上没有遭受攻击和病毒的危险，而动态图形等高级软件 在w i n d o w s 下运行的，d o s 与w i n d o w s 终端采用串口通讯方式。改进的k j 3 1 系统开 发了一个基于u n i f a c e 的系统，由它来负责巡回监控和数据处理，并采用a c c 、c n 2 、 m o d b u s 协议等多种通讯方式。u n i f a c e 作为一种具有跨平台性的开发工具，其开发过程 贯穿了“部件”这个概念。u n i f a e e 不仅支持自己开发的组件，还支持标准的d c o m 和 c o r b a 组件，甚至j a v ab e a n ，并且很容易在构造业务逻辑上将c s 部署变为b s 。因 此从某种程度上可以说，k j 3 1 监控系统是国内最先进的矿井监控系统。 西安科技大学硕士学位论文 2 1 3d c s 与f c s 的集成策略 纵观控制系统的发展，真真推动f c s 发展的仍然是几家d c s 厂商，同时第四代d c s 的信息化趋势，使得f c s 与d c s 变的难解难分，而且d c s 会包容f c s 以实现真正的 d c s ( 分布式控制) 。因此，实现d c s 和f c s 结构上的集成有时似乎也显得无力。然而 在现阶段，比较成功的d c s 和f c s 集成和互联有以下三种【i 。 ( 1 ) 现场总线与d c s 输入输出总线的集成 d c s 控制站由控制单元和输入输出单元组成，这两个单元通过i o 总线连接。控制 单元的功能主要有：通过i o 总线与输入输出单元通信，建立i o 数据库；实现运 算和控制功能，完成用户组态的控制策略；和d c s 网络通信，与工程师站、操作员 站、监控计算机站等构成d c s 系统。 输入输出单元的i o 总线上挂接了各类i o 模板，常见的有模拟量输入、数字量输 入、数字量输出、模拟量输出模板。通过这些模板与生产过程建立i o 信号联系。在i o 总线上挂接现场总线接口板或接口单元。现场设备或现场仪表通过现场总线与现场总线 接口单元通信，这样便实现了现场总线与d c s 输入输出总线的集成，如图2 2 。 图2 2 现场总线与d c s 输入输出总线的集成 这种集成方式具有以下特点：除了安装现场总线接口或现场总线接口单元外，不用 对d c s 再作其它变更；充分利用d c s 控制站的运算和控制功能块，因为初期开发的现 场总线仪表中的功能块数量和种类有限：利用已有d c s 的技术和资源，投资少、见效 快，便于推广现场总线。 ( 2 ) 现场总线与d c s 网络的集成 在d c s 控制站的i o 总线上集成现场总线是一种最基本的初级集成技术，还可以在 d c s 的更高一层集成，即在d c s 网络上集成现场总线，如图2 3 。将现场总线服务器挂 接在d c s 网络上，现场总线服务器是一台完整的计算机，并安装了现场总线接口卡和 d c s 网络接口卡。现场设备或现场仪表通过现场总线与其接口卡通信，现场仪表中的输 入、输出、控制和运算等功能块可以在现场总线上独立构成回路，而不必借用d c s 控 2 煤矿安全监控系统的网络结构 制站的功能。现场总线服务器通过其d c s 网络接口卡与d c s 网络通信，也可以将现场 总线服务器看作d c s 网络上的一个节点或d c s 的一台设备。这样，在现场总线服务器 和d c s 之间可以互连共享资源。现场总线服务器可以不配操作员站或工程师站，而直 接借用d c s 的操作员站或工程师站。 图2 3 现场总线与d c s 网络的集成 这种集成方式具有以下特点：除了安装现场总线服务器外，不用对d c s 再作其它 变更；在现场总线上可以独立构成控制回路，实现彻底的分散控制；现场总线服务器中 有一些高级功能块，可以与现场仪表中的基本功能块进行统一组态，构成复杂回路；利 用已有d c s 的部分资源，投资少、见效快，便于推广现场总线。 ( 3 ) 现场总线与d c s 的集成 以上两种集成方式中，现场总线借用了d c s 的部分资源，即现场总线不能自立， 现在可以直接将现场总线网络通过网关与d c s 网络集成，在各自网络上直接交换信息， 如图2 4 。或者将f c s 和d c s 分别挂接在i n t e r a c t 上，通过i n t e r a c t 间接交换信息。 图2 4 现场总线与d c s 的集成 这种集成方式具有以下特点：独立安装f c s ，对d c s 几乎不作任何变更，只需要 在d c s 上接一台网关；f c s 作为一个完整的系统，不必借用d c s 的资源；既利于f c s 的发展和推广，又有利于充分利用现有d c s 的资源；系统投资较大，适用于新建装置。 通过以上分析可以看出，d c s 成熟的技术优势和其广泛采用，在未来一段时间仍将 西安科技大学硕士学位论文 为我国的煤炭事业作出贡献。f c s 虽具有灵活性、造价低、集成性强、更加智能化、适 应性好、更加本质安全等一系列优点，但要使煤炭企业完全抛弃原有系统而采用具有 f c s 结构的监控系统显然有很大难度，一方面是第四代d c s 的发展与d c s 对f c s 功能 的扩展，另一方面还涉及整个煤炭企业运营成本和经济效益问题，只有在旧有系统完全 没有使用的必要性或确定为系统安装全新的系统时才会从整体的角度出发考虑这个问 题，并希望实现较高的自动化、智能化。所以，d c s 和f c s 两种结构并存的局面会在 较长一段时间内存在。这两种结构的集成方式有三种，具体的通信技术也有多种形式， 本课题研究采用第三方集成的o p c 技术，开发数据访问的通用组件，详细实现见第四 毒。 2 2 信息的工作模式 2 2 1c sa 莫式 c s 出现于2 0 世纪9 0 年代初，其实质是将数据存取和应用程序分离，数据服务器 执行数据操作，客户端执行应用程序。用户在客户端通过网络访问服务器，客户端包括 用户界面和企业逻辑，网络上传送的数据主要是客户端向服务器发出的请求以及服务器 发送给客户端的响应结果和出错信息。c s 显著地减少了局域网内数据量的传输、降低 了数据控制的难度，提供了多用户开发特性，保障了用户投资。 直至目前，c s 结构广泛应用于煤矿监控网络系统。作为使用数据的客户端，必须 有客户端软件，即客户端应用程序。客户端应用程序完成终端的数据查阅和相应的数据 库连接程序。矿井的超限报警、输出控制、显示和打印报表、曲线和图形等多种功能， 都由客户端完成和实现。因此，客户端是应用开发的关键。而作为数据提供者的服务器 端，根据客户端软件的请求将结果返回给客户端。其典型模型如图2 5 所示。 漤口 | o p c s e n 旷l ( i n p r o c ，l o c a l ， v 删i s u a l 。b 痂a s i 。c | m _ p f r m2t h i s ； mp v i e w = n u l l ； n a m eo f o p cs e r v e r ms t r s v r n a m e 。”x x x o p c s e r v e r ； d e s c r i p t i o no fo p c s e r v e r ms t r s v r d e s c2 ”x x x o p c s e r v e r ”； | a c t i v ey o u rp r o d u c t r e g i s t e r e du s e ro n l y k o s a c t i v e ( ”n a m e ”，”c o d e ”) ； x x xo p cs e r v e ri n i t i a l i z a t i o n 西安科技大学硕士学位论文 k o s i n i t ( c l s i d - s v r ，10 0 ) ； s e td e l i m i t e r c h a r a c t e rf o rh i e a r c h i a ln a m e s p a c e | id e f a u l t e h a r c t e ri s j ! k o s s e t a d d r e s s d e l i m i t e r ( - ) ； s e t t i n gw r i t ec a l l b a c kp r o c e d u r e k o s s e t c l i e n t w r