（计算机应用技术专业论文）多参数水文实时监测智能预警系统.pdf

论文题目：多参数水文实时监测智能预警系统 专业：计算机应用技术 硕士生：王齐峰( 签名) 指导教师：秋兴国( 签名) 摘要 杀彳 随着我国经济的快速发展，对煤炭的需求也越来越大。而煤炭行业是诸多能源行业 当中的高危行业，其开采一直受到很多条件的限制，其中地下水是威胁煤矿安全生产的 重要因素。最近，多起重大、特大煤矿突水事件不时见于报端，给人民的生命财产造成 了极大的危害。因此，研究煤矿地下水实时监测智能预警系统有重要的工程应用价值。 多参数水文实时监测智能预警系统对地下水的监测分为地面水文长观孔的监测和 煤矿井下长期观测点的监测两种方式，它们分别通过g s m 无线网和矿井安全监测系统工 业控制网或通过在矿井下安装智能分站的方法单独构建通讯线路来进行数据传输，将地 面和井下的水文数据通过不同的网络传输到地面水文数据中心，并通过数据处理软件来 进行对水文数据的处理以达到对煤矿安全监控的目的。 本系统在设计时重点考虑了水文参数监测的多样化、水文数据监测的实时性、对煤 矿安全监督管理在事前预警、事中生产、事后处理的智能性。 本文针对多参数水文实时监测智能预警系统在主站软硬件、数据通讯方案、系统数 据采集分站的电路设计及智能传感器等关键部件展开研究，采用了移频键控( f s k ) 、r 8 4 8 5 现场总线、g s m 短消息通讯等技术。 本系统完成了一套具有精度高、实时性强、运行安全可靠、自动化程度高、能够连 续长期测量并利用计算机分析和辅助决策的多参数水文实时监测智能预警系统。其具有 较高的社会推广价值 关键词：多参数；水文；实时监测；g s m ；智能预警；数据集成 研究类型：应用研究 s u b j e c t：m u l t i p a r a m e t e r sh y d r o l o g yr e a l - t i m em o n i t o r i n gi n t e l l i g e n c e p r e - w a r n i n gs y s t e m s p e c i a r y ：c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y n a m e ：w a n gq i f e n g1(signature i n s t r u c t o r ：q i ux i u g g u o ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t a l o n g w i t hr a p i de c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，t h ed e m a n df o rc o a li sa l s og r o w i n 舀a n dt h e c o a li n d n s t yi sal o to fe n e r g yi nt h eh i g h - m ki n d u s t r ys e c t o r s ，瑚j n i n gi ss u b j e c tt om a n y c o n d i t i o n s ，i n c l u d i n gt h r e a t st oc o a lm i n es a f e t yp r o d u c t i o ng r o u n d w a t e ri sa l li m p o r t a n t f a c t o r i n e n ty e a r s , s e v e r a lm a j o ra n dc a t a t r o p h i cc v c i i t sc o a lt h r o u g hw a t e rt ot h ep e o p l e s l i v e sa n dp r o p e r t yc a u s e de n o r l n o n sl o s s e s t h e r e f o r e ，r e a l - t i m em o n i t o r i n ga n dr e s e a r c hm i n e g r o u n d w a t e rh y d r o l o g i c a li n f o r m a t i o nn e t w o r kd y n a m i c sh a v ei s s u e di m p o r t a n tp r a c t i c a l v a l u e m u l t i - p a r a m e t e r sh y d r o l o g i c a lr e a l - t i m em o n i t o r i n gi n t e l l i g a 蹴p r o - w a r n i n gs y s t e mf o r t h em o n i t o r i n go f g r o u n d w a t e rh y d r o l o g yi n t ol o n g - t e r mg r o u n do b s e r v a t i o nk o n gg e o l o g i c a l m o n i t o r i n ga n dw o r k i n gt w ow a y so fm o n i t o r i n gl o n g - t e r mo b s e r v a t i o np o i n t s , r e s p e c t i v e l y , l h r o u g ht h e i rg s mw i r e l e s sn e t w o r k sa n dm i n es a f e t ym o n i t o r i n gs y s t e mf o ri n d u s t r i a l n t r o ln e t w o r ko ru s ei n t e l l i g e n c es u b s t a t i o nt h r o l l g ha l o n ec o n s l n l c t st h ec o m m u n i c a t i o n l i n e sv a h - t i e so nt h ed a t at r a n s m i s s i o n t h em a i nc o n t e n to ft h er e s e a r c hi s0 1 2t h eg r o u n da n d w o r k i n gt h r o u g ht h ed i f f e r e n tn e t w o r k sa n d t r a n s m i s s i o no f h y d r o l o g i c a ld a t at ot h ec e n t e ro f m a s t e rs t 撕o l lo nt h eg r o u n d h o wc a r r i e so nt h el o g a r i t h mt h r o u g hm a s t e rs t a t i o ns o r w a r e a c c o r d i n g t op r o c e s s i n ga c h i e v e st ot h ec o a lm i n e i n t e l f i g e n tm o n i t o rc o n t r 0 1 t h i ss y s t e mw h e nd e s i g nc o n s i d e r e dw i t he m p h a s i sm o n i t o rh y d r o l o g yp a r a m e t e r d i v e r s i f i c a t i o n 、h y d r o l o g yd a t am o n i t o rt i m e l i n e s s 、t h ec o a lm i n es a f e t ys m e i l l u n c em a n a g e s i n t e l l i g e n c eb e f o r e h a n df o r e w a r n s 、i nt h em a t t e rp m d u c e s 、a f t e r w a r d sp r o c e s s e s t h i sa r t i c l ei nv i e wo ft h em u l t i - p a r a m e t e r sh y d r o l o g yr e n l - t i m em o n i t o ri n t e l l i g e n c e p r e - w a m i n gs y s t e mi nt h em a s t e rs t a i i o ns o i r w i l r a n dh a r d w a r e 、t h ed a t ac o m m u n i c a t i o n p l a n 、s y s t e md a t aa c q u i s i t i o ns u b s t a t i o nc i r c u i td e s i g na n di n t e l l i g e n ts e n s o ra n ds oo nk e y c o m p o n e n tl a u n c h e st h er e s e a r c h ，h a su s e dt h ef z e q e n c ys h i f ik e y i n g 、r s 4 8 5f i e l db u s 、g s m s h o r tn e w sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n ds oo i l t h i ss y s t e mw h o ab e i n gc o m p l e t e ds h o u l db ea l li n t e l l i g e n tm o n i t o rs y s t e mw h i c hi s i n c l u d i n gc o m p u t e rt e c h n o l o g y , d a t ac o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , e l e c t r o n i ct h n o l o g ya n d s o o n r sa p r e c i s i o nh i g h ；t i m e l i n e s si ss t r o n g , s a f er e l i a b l ei n t e l l i g e n c ep r e - w a m i n gs y s t e m i t h a sah i g h e rs o c i e t yp r o m o t e dv a l u e k e yw o r d s ：m u l t i - p a r a m e t e r s h y d r o l o g i c a l r e a l - t i m em o n i t o r i n gg s m i n t e l l i g e n c ea n dp r e - w a r n i n g d a t ai n t e g r a t i o n 西妻料技大学 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 其他人或集体己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傲了明确的说明并表示了谢意 靴敝储獬。醐卜刀 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： 职疡 指导教师签 q 如 吻p 每广 氢 ，y 1 绪论 1 绪论 本章对课题的背景、研究意义，目的、任务、内容及国内外研究现状等进行介绍， 并对该论文的主要研究内容进行了安捧。 1 1 选题的背景及研究的意义 能源问题向来是国民经济发展的支撑。随着我国国民经济的快速发展，对传统能源 一煤炭、石油、水利的需求也越来越大。但其开采开发一直不尽如人意，尤其是在煤炭 行业，随着煤矿开采深度的加大，地下水成为威胁煤矿安全生产的重要因素。最近几年 的多起煤矿重大、特大安全事故表明，对地下水的有效开采和合理利用已显得刻不容缓 i l l 。 煤矿地下水监测作为煤矿水文工作的一项常规任务，为地下水动态分析和灌捧管理 等工作提供着重要的基础资料和历史参考依据。但多年来，对煤矿地下水的监测工作一 直沿用比较传统和落后的运作模式，随着时代的进步和科技的发展，已越来越不能适应 新时期地下水工作发展的需要，其存在的弊端和不足也日益严重的显现出来：首先，对 煤矿地下水进行监测的手段比较落后，监测参数比较单一；其次，煤矿地下水文监测信息 传输不及时，时效性差，无法做到信息共享；第三，没有更好的利用现代高科技对煤矿井 下的水文参数进行监测预警，从而造成了水文地质工作者对存在的安全隐患和已经发生 的事故，不能做出及时的判断并进行有效的处理。 本课题就是针对上述不足而提出的一种集电子技术、计算机技术、数据通信技术于 一体；具有精度高、实时性强、运行安全可靠、自动化程度高、能够连续长期测量并利 用计算机分析辅助决策的水文监测系统。本系统对于保护水资源及供水设施、科学的分 配和利用水资源、及时处理水害，保障煤矿的正常安全生产具有重要的现实意义。 1 2 水文监测系统的国内外研究现状 水资源对我国来说成为关系到国计民生的问题，特别是北方地区缺水非常严重，许 多城市出现了水慌，直接影响了国民经济的正常发展和人民的正常生活。国家颁布了“水 法实施南水北调工程，就是为了解决水资源短缺问题。另外，对水资源的盲目开采和不合 理利用也造成了水资源及供水设施的破坏和浪费，从而加速了水资源的进一步紧张。 我国在水位观测领域遥测系统的应用是从城市供水开始的，八十年代初，上海电子五厂 在热电厂供水水源采用了测控系统，随后西北电讯工程学院远动公司在这一方面也推出 了相应产品，在煤炭行业煤炭科学研究总院西安分院推出了水位遥测系统。八十年代美 国水文仪器中心生产出了r 2 0 0 水位遥测系统，0 y o 公司推出d s c 水位观测系统等1 2 , 川。 西安科技大学硕士学位论文 煤炭行业由于煤田赋存条件的不同，矿井水害成为煤矿开采的重大安全隐患和制约 因素。为了预防水害的发生，对开采层位地下水位( 水压) 的长期观测是这些煤矿目前 普遍采用的手段之一 对于水文状态的自动监测，虽然国际国内都有不同的产品，但由于监测的参数比较 单一( 多限于水位监测) ，特别是未能从地下水资源的开采和补给机理上进行研究，仍 然依靠人的经验进行决策，所以不能从根本上解决水资源的合理开采与利用问题。 目前煤矿上对地下水水位( 水压) 的观测主要有三种监测方法【4 ，习： ( 1 ) 手工方法。该方法是煤矿工作人员使用类似于测绳的测量工具，到观测地点，对 长期观测孔的地下水位进行测量，手工记录下当时的水位。这种方式往往由于煤矿的矿 区较大，长期观测孔分散，测量工具不精确，测量条件受到限制，导致测量的数据不准 确、实时性差，工作人员任务量大、效率很低。 但) 自动记录。该方法的出现是随着电子技术和测量技术的不断发展而得到发展的。 其实先是在长期观测孔中安装自动记录的仪器，一定的时间间隔后对水位进行自动记 录，将数据存储在仪器中。工作人员每隔一定的时间到观测地点，打开仪器，转存所记 录的地下水位的数据，而后通过计算机的串口，导入计算机中。 自动记录方式由主站和分站构成，如图1 1 所示。主站完成数据的处理，分站完成 数据的采集。分站采集的数据，暂存于仪器内部( 掉电不丢失) ，定期通过人工方式利 用数据收发装置的中转将分站内数据取出并回传给主站，由主站完成数据的处理。 图1 1 自动记录方式系统结构组成 该方法与手工方法相比，是一个很大的改进，减轻了工作人员的劳动强度，提高了 测量精度，然而浪费了大量的人力和物力却无法保证数据的准确性和及时性，不利于水 文工作者就地下水的变化及时地制定相应的决策。 ( 3 ) 实时监测。该方法的出现是随着通信技术的不断发展而得以发展的。它的实现是 监测手段的又一大进步。目前大多通过有线方式来传输数据，该系统可以按照工作人员 的要求，随时随地的采集长期观测孔的地下水位数据，而不需要工作人员亲临现场，这 极大地减轻了工作人员的劳动强度，提高了劳动效率，实现了真正的实时。但是有线方 2 l 绪论 式的实现要通过有线网络，架设专线，提供专用的供电方式，而这些对于长期观测孔较 为分散、地理环境较为恶劣的煤矿来说，无疑是一种浪费或者是不可能的。 虽然随着通信技术的不断发展出现了实时的监测方式，很多科研单位也研究并开发 了相应的水文监测系统，但是还没有出现一个集成了网络技术、数据库技术、通讯技术 和数据采集技术于一体的多参数水文实时监测智能预警系统。同时通过大量的调查和比 较发现这些以往的监测软件，大多功能单一，这就使得水文工作人员要想了解地下水的 变化情况就不得不使用不同的软件，并且要通过专业人员具体匹配不同的文件格式，这 增加了使用的难度；另外无法实现信息共享，不能很好地满足煤矿安全生产的需要；同 时由于采用有线数据通讯传输方式，从而导致了一方面对于有的地理位置偏僻或观测孔 分散的地区而难以实现有线连网或有效的通过网络来实现数据的传输，从而造成数据的 不完全，监测数据的实时性较差等问题；另外一方面就是由于地理位置不集中从而造成 了采用有线网络而花费的成本大大提高，给企事业或国家带来了无形的金钱损失；最后 就是可视性差，水文地质工作者难以操作和使用，不能发挥应有的作用。 本论文多参数水文实时监测智能预警系统就是在此背景下应运而生的。本系统 突出强调以下几点：监测参数的多样化( 水位、温度、压力、流量) ；实时性强( 通过 g s m 网络进行实时水文数据传输) ；智能性强( 通过软件设计智能决策模块来辅助水文 工作者对煤矿在事前、事中、事后的处理) ；预警性强( 通过对煤矿水文参数进行警界 值设置，当煤矿在事故发生前通过语音或弹出菜单的形式给予及时报警，便于水文工作 者及时预防处理水害) 。该系统的研发和应用对于保障煤矿安全生产具有重要的意义。 1 3 研究的目的和任务 在煤矿生产发生的多起重大、特大突水事件中，问题的根源是没有合理地利用和管 理煤矿地下水、对描述地下水多种参数的变化情况，煤矿安全监管部门不能及时的了解 和制定相应的决策，从而给煤矿安全生产和事后救援工作带来了很大的难度。因此如何 对地下水的变化情况进行实时监测智能预警和有效管理就成为避免突水事件发生、避免 煤矿水灾发生的关键。该问题的解决对于煤矿事前预测、事中生产、事后救援工作都起 到了参考作用，对煤矿地下水的变化情况能有全面的认识和了解，对后继工作的展开和 领导层的决策起到指导性作用。本课题提出了一种集数据采集、实时传输监测、智能预 警和数据处理等多种功能于一体的多参数水文实时监测智能预警系统。 本课题研究的目的就是要使用目前流行的部分软硬件工具，采用先进的系统分析技 术、通信技术、计算机网络技术、面向对象编程技术、分布式计算等，实现对煤矿地下 水的实时监控和数据处理，通过先进的网络技术，工控技术，实现对井下重要的参数数 据进行相关的智能预警设计从而实现实时的智能监控，并通过相应的参数设置值进行相 应的预警处理，这样使得煤矿相关的职能部门能够全面、及时的了解到煤矿地下水的变 3 西安科技大学硕士学位论文 化状况和参数信息，从而及时的制定决策方案来处理水害，保障煤矿的正常安全生产。 本课题是软件和硬件相结合的系统，是通过对目前市场已有各种水文仪器的综合分 析研究，结合现代计算机科学发展水平，研制的一套监测多水文参数的自动记录与遥测 相结合的监测智能预警系统。该系统主要是由子站和主站两部分组成。主站既具有自动 记录仪的功能，又具有遥测子站的功能，数据通讯既可采用有线方式，也可采用无线方 式，也可采用数据收发装置，这样便可满足现场各种环境的使用。子站主要是实现数据 采集，数据暂存，井上子站通过g s m 网将数据传输到主站微机，井下子站将数据通过 信号线传输到数据通讯分站等功能。 本人在本课题中主要承担以下几方面内容的研究： ( 1 ) 矿用传感器的研究( 温度、流量、压力、水位等) ( 2 ) 数据采集子站的研究 ( 3 ) 数据处理主站的研究 “) 数据通讯系统的研究 ( 5 ) 地面工控中心站的研究 ( 6 ) k j 4 - 2 0 0 0 井下智能监测分站的研究 ( 7 ) r s 4 8 5 总线方式的研究 ( 8 ) 各部件性能测试、试验 2 多参数水文实时监测智能预警系统需求分析及总体设计 2 多参数水文实时监测智能预警系统需求分析及总体设计 本章主要目的是通过对现有的煤矿安全监控系统进行考察分析，然后根据本课题自 身特点的具体实际应用需求出发，制定本系统的需求分析及总体设计方案。 2 1 系统需求分析 按照煤矿部门实现地下水管理现代化、决策科学化的要求作为设计依据，结合本系 统自身要求数据监测实时化、数据采集自动化、数据采集参数多样化、数据处理智能化 的特点需求，我们决定从系统功能、系统主要参数技术指标、系统性能三个方面来完成 本系统的需求分析。 2 1 1 系统功能需求 在系统功能方面的实现，我们决定采用由以下四大功能模块来完成： ( 1 ) 主站功能 通过通讯设备向分站发送命令或接受数据 将数据整理保存到磁盘。 完成数据的显示、查询、编辑。 对数据进行处理，生成各种报表并打印输出。 绘制水压( 水位) 、温度、流量变化趋势曲线、直方等各种图形。 对实时水文数据参数进行智能预警。 ( 2 ) 子站功能 数据采集 数据暂存 数据显示 井上子站通过g s m 网将数据传输到主站微机 井下数据通过并下智能分站，采用移频键控( f s k ) 通讯方式传输到井上地面工 控中心站，然后再转发到主站微机。 ( 3 ) 分站的功能 采集井下各种矿用传感器监测的安全生产信息。 经过分站监控软件分析处理井下水文数据，发送给地面工控中心站。 接收地面工控中心站发送的各种命令，并根据命令格式回送信息或对井下相关设 备进行控制与回送信息。 “) 数据通讯系统功能 西安科技大学硕士学位论文 矿用井下智能分站接收水文数据采集子站传送的数据 矿用井下智能分站经过编码后通过通讯线路传送到地面通讯工控中心站。 地面工控站接收到井下智能分站传送的数据后，通过串行接口发送到主站微机。 井上数据监测通过在水文长观孔中放置远程遥测监测分站，分站上挂接水位、温 度一体化传感器，采集到的数据经g s m 通讯网络传输到水文多参数监测系统中心， 水文多参数监测系统主站通过串口采集这些数据，最后存储到水文数据库服务器。 整体采用r s 4 8 5 总线方式来进行网络数据通讯。 主站微机接收到数据后，进行运算处理，将数据保存到水文数据库。 2 1 2 系统相关参数主要技术指标 在煤矿监测系统中，一般对相关参数设计的要求比较高，比如水文参数测量精度及 系统通讯方面都有较苛刻的要求，本系统中，我们本着系统通用性强、精度高、实时性 强、运行可靠稳定、自动化程度高等几个方面来进行相关参数技术指标的设计。 ( 1 ) 测量参数：4 道( 水位、水压、水温、流量) ； ( 2 ) 水位测量范围：0 - 6 0 0 米分辨率：0 5 c m精度：0 1 e s ； ( 3 ) 水压测量范围：0 m p a 1 0m p a分辨率；0 0 1 m p a 精度：0 i e s ； ( 4 ) 温度测量范围：0 - - 7 0 分辨率：0 1 2 精度：士o 5 1 2 ； ( 5 ) 明渠流量测量范围：3 5 - 1 0 0 0m 3 h 分辨率：0 0 0 1m 3 h精度：5 ； ( 6 ) 管道流量测量范围：3 5 - , - 5 0 0m 3 1 1 分辨率：0 , 0 0 1m 3 h精度：2 ； ( 7 ) 测量时间间隔：1 分钟2 4 小时任意设置； ( 8 ) 数据存储容量：6 0 0 0 0b y t e ( 7 2 7 2 组数据) ； ( 9 ) 仪器工作温度：一2 0 6 0 ； ( 1 0 ) 井下电源防爆形式：隔爆兼本安型；， ( 1 1 ) 主站平台：w i n d o w s 9 8 、； ( 1 2 ) 通讯接口；r s - 2 3 2 r s 4 8 5 ； ( 1 3 ) 通讯速率：3 0 0 b s j ) 6 0 0 b s ； ( 1 4 ) 系统总线：采用4 8 5 通讯总线方式； ( 1 5 ) 数据通讯距离：地面采用g s m 无线方式，通讯距离不受限制，井下通讯采用移 频键控( e s k ) 方式进行串行通讯传输，通讯距离地面工控中心站到井下黼2 0 k m ， 井下分站到传感器的距离5 2 k i n ： ( 1 6 ) 数据处理软件操作模式：汉字菜单式； ( 1 7 ) 主站监控软件具有循环检测、单点追踪、定时检测等各种检测手段，提供数据的 查、改、删等编辑功能，图形处理、报表处理等分析手段，且具有水位超限报警、传感 器露出水面报警等系统安全运行报警功能。 6 2 多参数水文卖时监测智能预警系统需求分析及总体设计 2 1 3 系统性能需求 在本系统中，性能的需求从以下四方面来完成： ( 1 ) 实时性 要求系统能实时地采集现场数据，而不需要人工现场干预。通过有线或无线网络系 统应能够把采集到的数据实时的传输到网络中心数据库服务器。 ( 2 ) 可靠性和可恢复性 由于地下水文参数信息对于煤矿部f - j t 常重要，因此对采集到的数据需要准确可 靠，并且，对于采集到的原始数据以及经过处理的统计数据均需长期保存。由于计算机 系统本身并不可靠，因此需要采取措施，在系统出现故障或者数据丢失时，能够恢复原 有的数据。 ( 3 ) 安全性 系统的安全性主要是要实现系统不被非法用户访问，同时系统中的数据发布和信息 查询需要用到计算机网络。数据在网络中传输时，也需要相应的安全措施，以防止非法 用户篡改信息。另外就是井下安全监测系统的安全性，考虑到系统稳定性及接口兼容性， 要求不与别的设备相连。 ( 4 ) 稳定性 由于该系统运行于煤矿等水文监测部门，考虑到其运行环境的特殊性，所以在软、 硬件设计的时候着重考虑了其系统的稳定性。 2 2 系统总体设计方案 2 2 1 系统组成的拓扑结构 本系统分为矿井井上和井下两部分，采用树状星型网络拓扑结构。 井上监测采用在地面建立水文长观孔的形式，由于安装地点一般在野外，所以在水 文长观孔中放置远程遥测监测分站，分站上挂接水位、温度一体化的传感器，采集到的 数据经g s m 网络传输到煤矿水文多参数监测系统中心，水文多参数监测系统主站通过 串口采集这些数据，最后存储到水文数据库服务器中。 、 对于井下监测，鉴于现在煤矿都安装上了安全监测系统比如常州自动化研究所开发 的1 0 9 5 、北京仙岛新技术有限公司开发的k 1 6 6 等监控系统，因此井下监测我们有两种 方式来实现数据传输通讯 ( 1 ) 通过煤矿安全监测系统实现数据传输 通过煤矿安全监测系统的通讯线路将数据传输到地面安全监测系统中心站，再通过 局域网将数据发送到水文监测系统主站。具体方法是采用在安全监测系统井下分站上安 7 西安科技大学硕士学位论文 转子站的办法，如图2 1 所示。子站上挂接瓦斯、气体等传感器。井下子站利用煤矿安 全监测系统的通讯线路将采集到的井下瓦斯、气体等模拟量数据( 传输这些信号是借助 于2 0 0 h z - - 1 0 0 0 h z 频率) 随同井下其他监测数据一起传送到安全监测系统主站上，再 通过企业内部网( i n t r a n e t ) 将水文数据传送到水文监测主站，并存储到水文数据库服务 器中。这种方法好处是减少了旋工工作量，节省了通讯电缆，降低了系统造价。但缺点 是：煤矿安全监测系统只能监测井下瓦斯、气体等模拟量，而不能监测井下压力、流 量等水文参数；有些煤矿出于对自身系统安全的考虑，或是由于井下安监系统接口不 兼容等原因，要求不让别的监测设备或子站传感器等与其安全监测系统相挂接。 大多煤矿需要及时了解井下水位、压力、温度等相关水文参数信息，并且对这些水 文数据的精确性要求很高，对于上述方法显然不能满足需求，这也是该方法的局限性。 c 2 ) 单独构建通讯线路 。 单独构建通讯线路，需增加地面通讯工控中心站一台和矿用井下智能分站一台或多 台，通过在其上转接水文子站，水文子站上挂接压力、温度、流量等传感器来实现对煤 矿井下水文数据的采集。另外需要从地面架设通讯电缆到井下。由于我们选用的井下智 能分站采用的是移频控制( e s k ) 的通讯方式，其在数据通讯传输线路上要求从地面工 控站到井下分站之间的距离在2 0 k m 之内，从井下智能分站到井下水文子站之间的距离 在2 k m 之内，这个距离完全满足一般煤矿系统的需求而且数据不失真。该方法的优点 是适用于任何煤矿对井下水文参数的采集，在功能上弥补了方法一的不足，与其形成了 鲜明的对比与互补性。 根据本系统的需求，采用以上两种方式相结合的方法，既可以把井下模拟量数据通 过煤矿安全监测系统网络传输到地面监测系统中心，也可以通过我们单独构建的通讯线 路，将井下水文子站采集的数据传输到地面。这样可以满足不同煤矿客户的需求。下图 2 2 是单独构建通讯线路结构示意图。 图2 1 井下子站的安装示意图图2 2 单独构建通讯线路结构图 0 2 多参数水文实时监测智能预警系统需求分析及总体设计 2 2 2 系统的组成 多参数水文实时监测智能预警系统从功能上划分为数据处理主站，数据通讯系统、 数据采集分站和地面工控中心站四部分。以下是各部分的组成。 ( 1 ) 数据处理主站 微机系统 打印机 数据处理软件系统 ( 2 ) 数据通讯系统 井下数据通讯是由煤矿安全监测系统内网、专用通讯线缆、k c t l 调制解调器组成， 井上是由g s m 无线通讯设备和有线通讯电缆组成。配备有r s 4 8 5 、r s 2 3 2 、调制解调 器等。 ( 3 ) 各种数据采集分站 地面水位( 水压) 水温遥测自动记录混合分站 x ( y ) 多功能监测仪 水位、温度传感器 锂离子电池组 l g s m 网络数据通讯设备 传感器专用电缆 矿井下水压、水温有线遥测自动记录混合分站 x v - n ( y ) 多功能监测仪 压力、温度一体化传感器 数据通讯设备( 内置) 防盗保护罩 井下管道流量、压力、水温有线遥测自动记录混合分站 x v - t t ( l ) 多功能监测仪 管道流量传感器 水位、水温一体化传感器 数据通讯设备( 内置) 工艺管道 防盗保护罩 k j 4 - 2 0 0 0 井下智能分站 ( ! ) k j 2 0 0 7 g 1 ( 频率型) 本安型分站 隔爆兼本安型电源箱a p 2 b 9 西安科技大擘硕士学位论文 继电控制器矿用本质安全型控制回路 通讯电缆p u y v 3 9 1 或p u y v p - 4 。 调制解调器l k 玎l ( 4 ) 地面工控中心站 装有p c i 0 4 板卡的工控计算机系统 数据处理软件 2 2 3 系统整体结构说明 整个系统覆盖的范围包括：分布于井下的采集点和井上偏远地区的采集点、安全监 测系统中心主机和井下分站、矿用井下智能分站、地面中心中控站、煤矿网络中心数据 库服务器。煤矿安全监测系统分站和矿用井下智能分站主要负责将井下采集到的数据实 时的发送到地面水文多参数遥测系统中心控制站；遥测系统主站则作为整个系统的中心 站点，负责将井下和井上各个测点的数据集中起来存放到数据库中，并进行数据统计处 理。下图2 3 是本系统整体结构图。 图2 3 系统整体结构图 2 2 4 数据采集通讯方案及系统采用的总线方式 ( 1 ) 数据采集方案 2 多参数水文实时监测智能预警系统需求分析及总体设计 目前，对分部于多个测点的数据采集和远程监控，要获得数据一般有两种方式进行 通信，一种是测点发起的通信，即由管理员事先对测点的终端机进行设置，由终端机定 时或者在某些事件发生时，就发起到中心站的连接，向中心站提交数据或报告事件的发 生。其优点就是对事件的响应及时，这对于实时监控应用是非常适合的，其缺点在于如 果通信需要建立连接信道的话，当测点较多时，如果某些测点终端机同时向中心站发起 连接的话，则会发生冲突，效率显然不高。另一种方式恰好相反，就是由中心站发起连 接，而各个测点终端机均被动等待连接，一般是由中心站每隔一定的时间就对各个终端 机轮询一次进行数据采集，如果发现有异常事件出现，就采取相应措施进行处理。当然， 在需要的时候，中心站也可马上与终端机连接并采集数据。这种集中式的方法被广泛应 用到各种数据采集应用中，其优点及缺点和前述的由终端机发起的连接恰好相反，对于 终端机的事件响应不够及时，但是由于其集中式的特点，管理比较方便，如果不是对异 常事件非常敏感的应用，一般可以采取这种方式 6 1 。 本系统井上数据采集方案采用集中式采集方式：即中心站按照设置的时问间隔分别 连接测点终端机进行数据采集，而测点终端机则一直等待中心站的连接。中心站能够向 终端机发送各种命令，并且终端机也可以识别这些命令并根据这些命令进行相应操作， 从而保证数据采集以及管理员的一些远程操作的顺利进行。 系统井下的数据采集方案采用分布式的采集方式：即由测点发起的通信，在井下通 过安全监测系统和安装井下智能分站相结合的方法，分别将井下瓦斯、气体等模拟量， 通过安全监测系统网络将数据传输到地面安全监控中心或通过井下智能分站利用单独 构建的通讯线缆按要求主动将水位自动记录仪器( 即子站) 采集的数据向地面工控中心 站提交，这里在井下智能分站的通讯中，采用的是信号载波调制方式中的移频键控 ( f s k ) 方式。 ( 2 ) 数据采集通讯方式的选择 由于使用遥测方式进行数据采集的各个测点一般分布在比较偏僻的地区，交通和通 信业务均不是很发达，通信距离也比较遥远，因此通信方式的选用有很大的限制。一般 说来，目前有以下几种通信方式可以采用1 7 闱： 利用p s t n ( p u b l i cs w i t c h e dt e l e p h o n en e t w o r k ，公用交换电话网) 建立点到点连接： p s t n 公共电话网是目前使用最广泛的网络系统，它的优点是覆盖区域广、技术成熟、 价格较低，缺点是网络线路质量较差、通信质量受线路影响较大、传输速率较低、对地 理位置适应性不好。 利用g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ) 网络建立点到点连接：从开 发来说，其建立连接的机制与p s t n 一致，但其优点在它是无线的，对地域的限制较少， 缺点在于连接速度较低、最高只有9 6 k b p s 、开发成本和维护费用高。 利用g s m 网络的短消息( s h o r tm e s s a g e ) 业务传输：该方式的突出优点在于短消息 西安科技大学硕士学位论文 的传输不需要建立连接、不占用传输信道、一直在线，且维护费用低，因而采集的速度 相对于要建立连接的前面两种方式来说要快很多，但是其无连接的特点亦是其缺点，数 据传输的时延不好控制，因为在g s m 网络中有时短消息可能会在短消息中心滞留较长 时间。另外短消息每次发送的长度只有1 4 0 字节，也限制了数据帧的长度。 目前无线g s m 调制解调器基本上都支持数据和短消息业务，即上述的后两种方式。 从技术上讲，采用无线g s m 调制解调器的短消息业务来进行数据传输，是比较好的方 案，因为本系统中每次数据的传输量不大，每条短消息1 4 0 字节的传输已经能够满足需 要，而且其对地理位置的限制比较少，不像有线传输那样对线路的传输质量比较敏感。 因此，最终我们采用了使用g s m 短消息业务的方式进行传输，在中心站端采集工 作站使用外置的g s m 网络数据通讯设备，在终端机内使用嵌入式g s m 调制解调器芯 片，均使用a t 命令对其进行通信过程进行控制。 井下数据采集通讯方式是这样设计的：井下子站可以利用煤矿安全监测系统分站内 部网络将井下瓦斯、气体等模拟量数据或利用矿用井下智能分站的通讯线路将采集的流 量、压力、温度等数据传送到地面煤矿安全监测系统主站或地面中控站，再通过企业内 部网( i n u a n e t ) 将数据传送到遥测系统主站。 0 ) 现场总线方式的选取 所谓现场总线，是指安装在制造或过程区域的现场装置之间、以及现场装置与控制 室内的自动控制装置之间的开放式、数字化、串行和多点通信的数据总线。 作为连接生产现场的仪表、控制器等自动化装置的通信网络，现场总线是2 0 世纪9 0 年代国际上兴起的新一代全分布式控制系统的核心技术。它作为工厂数字通信网络的基 础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。采用现 场总线技术可以促进现场仪表智能化、控制功能分散化、控制系统开放化，符合现代工 业控制系统领域的技术发展趋势。 在本系统中，由于要考虑把多个分站采集到的数据归集到主站后，然后再转发到相 关的多个矿务局，以便实现水文数据的共享，使相关部门及时的了解水文数据的变化情 况。我们通过对目前比较流行的各种现场总线进行分析，最后采用了r s 4 8 5 总线方式。 该总线方式的特点是支持多节点、远距离的数字通信。 2 3 本章小结 本章主要是从系统的功能和性能需求方面入手，介绍了本课题的总体设计方案。其 中着重介绍了系统的组成结构、系统数据采集与通讯方式、数据处理方式以及系统所采 用的现场总线方式。通过本章的学习，使我们对本课题的整体结构有了规划了解，为以 后的具体实现设计作了前述性的铺垫。 3 系统数据处理主站与数据采集子站的设计 3 系统数据处理主站与数据采集子站的设计 一般水文监控系统都包括两大部分，即一个数据处理主站与一个或多个数据采集子 站。其中水文监控系统数据处理主站是煤矿环境安全和生产工况监控系统的地面主要数 据处理中心，用于完成煤矿监控系统的信息采集、处理、存储、显示和打印功能。必要 时还可对局部分站或生产设备环节发出控制指令和信号。主站由主控计算机及其外围设 备和监控系统软件组成。数据采集子站由传感器、单片机模块，g s m 通信模块及接口电 路等组成，完成现场数据的采集、存储、处理和传输。通过g s m 无线网络与主站进行短 消息传输。数据采集子站把传感器实测的电压信号经过v 佰变换后得到的频率值通过 g s m 网络上传到水文多参数监控系统数据处理主站，再由主站上的数据处理软件进行数 据接收，并根据通信协议对接收到的数据解释、处理、入库。处理软件可以根据用户的 需要生成报表、图形、曲线以供工作人员参考。 3 1 系统数据处理主站与数据采集子站间硬件结构关系 在本课题中，系统数据处理主站与采集子站之间的硬件结构关系如图3 1 所示。 子站 图3 1 主站与子站结构关系图 数据处理主站既具有自动记录仪的功能，又具有遥测子站的功能。数据处理主站完 成对子站传来的地下水文数据的整理保存，并利用主站监控软件进行相应的处理，以达 到对地下水的实时监测。数据采集子站完成对地下水文数据的实时采集保存，对地下水 文数据进行实时上传，并接受数据处理主站发来的命令，做出相应的处理。 3 2 系统数据处理主站设计 3 2 1 系统数据处理主站结构组成 系统数据处理主站结构组成如图3 2 所示。 系统数据处理主站由主控计算机、煤矿安全监控中心站、g s m 数据通讯设备、监控 西安科技大学硕士学位论文 系统软件四大部分构成。对于主控计算机，一般选用工作可靠的工业控制微机或质量有 保证的商业用微机。对于煤矿安全监控中心站，我们主要从以下几个方面来考虑：中央 处理器( c p u ) 的选型及其电路设计、外部存储器的设计、输出电路的设计及串行通讯 电路的设计。对于g s m 数据通讯设备主要从g s m 模块的选型及其功耗来介绍。对于 监控系统软件主要从其完成的功能方面设计，其具体介绍见后面章节。 图3 2 系统数据处理主站结构组成图 3 2 2 系统数据处理主站多路信号输出硬件设计 本课题在设计时，考虑要从主站上转发2 0 路频率信号到2 0 个分站所对应的矿务局 以及各矿务局内部要实现信息共享，其相互之间通过r s 4 8 5 总线来实现，下面是系统输 出2 0 路频率信号的硬件结构，如图3 3 所示。 p o e t o 0 9 c 5 5 o 一i 丽 2 5 4 a t e c l k o u t 5 4 a t ec l k o u t 1 p l l ，3 ，4 路 8 ，r j o u t l 4 。1 5 ，1 6 路 o u t l7 1 8 。1 9 路 e p - o u t 2 0 n 图3 3 输出多路信号结构框图 上图中, - p 0 口输出8 根数据总线p 2i = 1 与6 个8 2 5 4 连接的是8 根地址线。用于8 2 5 4 的片 3 系统数据处理主站与数据采集子站的设计 选线和读写控制线等。a l e 脚输出的是单片机固定频率的六分之一，本设计中用的是 1 1 0 5 9 2 m h z 晶振频率。所以从a l e 脚输出的是固定的