沙曲矿面域系统方案模板

沙曲矿面域系统方案资料内容仅供参考，如有不当或者侵权，请联系本人改正或者删除。华晋焦煤公司沙曲煤矿通风瓦斯面域化全方位实时监测监控与实时预警综合防御系统技术方案沈阳新元信息与测控技术有限公司辽宁工程技术大学数字矿山测控研究院3月目录1、项目目标…………………………11.1项目总体目标…………………11.2煤矿安全监测监控领域存在的重大技术问题………………12、系统总体架构……………………52.1建立煤矿通风可靠测控与生产状态监测系统…………………52.2建立煤矿数据中心网站………………………62.3网络与数据关系………………63、矿级平台应用软件系统组成及功能…………73.1总体架构………………………73.2煤矿安全生产监测监控系统集成方案………83.3煤矿异构监测监控系统集成方案……………93.4煤矿综合集成自动化测控管数据中心网络系统……………93.5煤矿综合集成自动化测控管数据中心硬件系统……………93.6煤矿综合集成自动化测控管数据中心网站系统软件平台…………………93.7煤矿综合集成自动化测控管数据中心网站应用软件平台…………………94、矿级系统新增KJGISⅡN煤矿通风可靠测控与生产状态监测系统…………224.1概述……………224.2KJGISⅡN工业以太网LonWorks现场总线煤矿安全生产综合自动化监测监控系统简介…234.3新增KJGISⅡN煤矿通风可靠测控与生产状态监测系统配置…………335、无线宽带手机异地实时监测监控监管系统………………366、煤矿综合集成自动化扩展应用…………………376.1煤矿异构监测监控系统集成…………………376.2部门级业务办公应用软件平台………………377、工程安装调试与验收……………377.1安装前准备……………………377.2系统安装………………………387.3系统测试………………………387.4系统试运行与初步验收………………………387.5系统总验收……………………398、培训………………398.1培训目标………………………398.2培训内容………………………398.3培训方式与计划安排…………399、工期安排…………………………4010、质量保证………………………4011、技术支持与服务………………40华晋焦煤公司沙曲煤矿通风瓦斯面域化全方位实时监测监控与实时预警综合防御系统技术方案1、项目目标1.1项目总体目标采用先进的监测监控技术,有效解决现阶段煤矿监测监控系统存在的关键技术问题。为煤矿瓦斯防治”通风可靠、抽采达标、监控有效、管理到位”十六字工作体系提供技术支持。为煤矿安全生产综合自动化集成测控提供先进的系统平台,无缝集成通风安全、生产、供电、人员、提升、运输、视频等异构系统。采用综合自动化测控与信息化技术改造生产环节、实现生产过程自动化、设计数字化、采掘生产数据化、物流数字化、管理数字化。实现从局部应用到全面应用的跨越、从独立应用到集成协同应用的跨越,从单纯技术应用到管理应用的跨越。打造异构系统协同工作环境,全面提升企业核心竞争力。1.2煤矿安全监测监控领域存在的重大技术问题近年来,中国发生瓦斯事故的煤矿都装有监测监控系统,为什么还一再发生瓦斯事故?除了管理上的原因外,主要原因是在安全监测监控领域依然存在重大技术问题。众所周知,风、电、瓦斯是发生煤矿瓦斯事故三大要素,现阶段的监测监控技术仅解决了瓦斯超限监测报警与部分断电功能,对三大要素的监测仍存在较大空区和不可靠性。(1)缺少风量监测、风向监测与停风、微风、高可靠性断电状态监控功能煤矿瓦斯爆炸事故几乎都与停风或微风作业有关,AQ6201标准中有微风报警断电的强制性要求。现有煤矿监测系统缺少风量监测功能,因此就无法实现微风报警与断电。缺少风流稳定性或风压监测与控制功能。缺少停风状态的高可靠性监测功能,现有技术条件下的风机开停传感器可靠性低,易受外界干扰失效,常见的主备对旋多风机配备多开停传感器情况下难以可靠判断停风状态。(2)缺少区域性断电与高可靠性断电状态监测功能煤矿瓦斯爆炸引爆源80%以上是电气火花,因此超限后断电尤为重要。但当前大多数监测系统仍为按分站串行巡检方式,即使是以太网CAN总线的新系统仍是如此,分站间的控制必须经过地面中转才能实现,时间长可靠性低,保证不了断电实时性与高可靠性。随着集中化生产趋势的发展,一个工作面往往需要多台分站联合工作,分站间没有控制功能,就相当于整个工作面安全没有控制功能,安全状态难以保证。另外常见的卡在电缆上的馈电传感器不能检测铠装电缆,易于受平行布局的电力线干扰和变频设备干扰,即使发出了断电指令是否断电难以可靠检测。可见落后的集散方式、不可靠的馈电监测和当前单CPU的分站监测技术,是导致难以实现高可靠性区域断电监测的根本原因。(3)缺少抽采达标监测技术煤矿瓦斯抽放是减少瓦斯积聚的有效措施,但现有煤矿瓦斯抽放监测仅是显示基本抽放参数,实际意义不大。缺少按面域监测汇总功能、缺少多点同步计量技术、缺少较高精度的井下抽放流量监测技术、缺少与安全监测系统整合集成监测功能、缺少抽采达标监测功能,因此抽放效果难以动态评价。(4)现行监测监控技术标准是基于传感器测点的标准,而非面域化标准A、全面性不足缺少面域对象所有安全因素的全方位监测功能,如缺少对采掘工作面风量、主扇风量、风向、工作面抽放量、工作面瓦斯涌出量、工作面生产强度、缺少采空区火灾的监测。B、集成性不够缺少与火灾、抽放、供电、运输、生产、机电、人员等多种监测子系统的实时集成功能,监测数据不能共享互补,隐患发生时难以作出科学判断。如采空区束管监测与安全监测系统中的火灾监测各自独立,难以进行实时分析决策。C、可靠性不高当前的监测技术对停微风状态、断电状态、分站间实时断电监测不可靠;无法实现对传感器位置、监测数据误报与人为造假的有效监测。D、关联性不全基于传感器测点的标准没有考虑到监测参数间的相互关系。如没有瓦斯传感器位置之间的关系,造成瓦斯传感器配置越多超限次数越多的怪现象;难以分析瓦斯传感器监测数据间的关系;缺少风量、生产强度、抽放与瓦斯涌出的关系;缺少沿瓦斯流动路线的区域断电监测与控制关系;缺少超限、断电、撤人的关系;缺少瓦斯与突出关系;缺少实时调度处理、监测系统的自诊断功能、作业地点灾害是否正在发生的监测能力。E、共享性不好当前基于传感器测点的标准给监测系统数据共享与应用带来较多问题。如按分站号和传感器号进行唯一标识,不能按标准安装位置进行标识,一旦更换或调换了分站或传感器序号,无法找到原来的监测数据,因此有的煤矿当瓦斯超限后调换传感器安装端口以逃避检查。当前的模式是面向专职监测人员使用的,而不是面向各级安全管理人员使用的。现有矿井规模较大,管理人员无法记得本矿所有的分站和传感器编号,她们关注的是某地点安全状态。再如传感器安装地点描述的随意化也给多级监测监管带来困难。(5)缺少安全状态实时预测预警与调度处理功能现行的监测体系中超限表明已经达到较高的危险程度,按临界值报警或断电,但这是不够的。还应该具有实时预测与预警功能,以便提前采取措施。如能根据预测结果动态调整生产强度,减低瓦斯涌出避免超限,如此即可保证安全又可提高生产效率。现用的煤矿监测监控系统,虽然采集了大量的数据信息,但利用率极低,缺少利用监测数据源实现动态安全评价功能。缺少安全隐患处理实时调度功能,当前层层汇报处理模式往往贻误时机,多起事故教训足以说明必须解决实时调度问题。综合上述,仅就瓦斯灾害三大要素的风、电、瓦斯监测监控而言,其中二大要素存在重大技术问题。现有监测系统功能单一与技术标准的相对落后,难以满足煤矿全方位防治安全事故的要求。先进合理的模式应是煤矿监测系统采用多主并行网络化互联互控现场总线技术,采用以工作面等面域作为监测对象的综合集成全方位测控技术,实现对整个面域所有安全因素及影响关系的综合集成测控。如此可大幅度提升煤矿安全监测监控能力,有效避免或减少安全事故。为了实现上述目标,有效解决煤矿安全监测监控技术领域存在的重大技术问题,山西焦煤集团、西山煤电集团与沈阳新元信息与测控技术有限公司合作,研究开发出《煤矿安全生产面域化全方位实时监测监控与实时预警综合防御系统》,该技术成果于11月经过国家鉴定,鉴定认为研究成果达到国际领先水平,是煤矿安全监测监控技术的重大跨越,对于有效解决煤矿安全问题具有重大意义。该项技术成果能够从根本上改变中国煤矿安装了监测系统但依然发生重大瓦斯事故的技术现状,为通风可靠、抽采达标、监控有效、管理到位提供全面自动化测控技术支持,显著促进企业与企业集团科技进步。2、系统总体架构2.1建立煤矿通风可靠测控与生产状态监测系统鉴于煤矿已经安装了煤矿井下抽放系统,则实施本项目仅需增加通风可靠测控与生产状态监测子系统即可。现有KJ95N监测系统不具备风量、风向、风压监测类型及其量程,不具备建立风压间的链路关系,不具备安标关联关系,因此需要在现有光纤环网基础上增加KJGISⅡN通风可靠监测监控系统子集,包括地面监测主机、相应监测分站与传感器等测控单元。同时KJGISⅡN工业以太网LonWorks网络化现场总线煤矿安全生产综合自动化监测监控又可弥补现有监测监控系统诸多不足,并可作为多级语音广播报警系统与无线窄带手机通讯系统及井下无线物联网的基础网络平台,具有十分广泛的扩展应用空间。2.2建立煤矿《通风瓦斯面域化全方位实时监测监控与实时预警综合防御系统》数据中心网站集成煤矿现有监测监控系统、新增加的通风可靠测控与生产状态监测系统、煤矿瓦斯抽放监测系统,建立《通风瓦斯面域化全方位实时监测监控与实时预警综合防御系统》数据中心网站。还可根据需要集成煤矿人员监测系统、煤矿供电监测系统、煤矿运输监测系统等各类异构系统,建立煤矿全面综合自动化测控管平台。另外,按矿方要求配备无线宽带手机异地实时监测监控监管系统一套。为适应煤矿个性化应用与管理需要,因为某些管理方面的信息资源无须上传到集团公司存储,因此煤矿需要建立具有特色的煤矿安全生产综合自动化集成调度指挥系统。这有利于提升整个系统可靠性,不受其它煤矿及网络影响,网络化分布式存储与应用更高效可靠。解决了全集团信息集中存储量过大的问题,特别是面域化海量实时数据存储与提取效率问题。2.3网络与数据关系建立煤矿数据中心需要新增配置2台服务器与应用软件平台。利用现有煤矿地面局域网与井下光纤环网。煤矿现有监测监控系统数据除了向集团公司传输外,同步向本系统数据中心网站传输。新增加的通风可靠监测监控子系统也要向集团公司和煤矿本系统数据中心网站传输。其关系参见图2-1图2-2。图2-1网络组成关系结构图图2-2矿与集团公司两级数据中心与软件平台关系图图2-2可见,煤矿各类型监测数据首先在本地数据中心存储除,供矿级平台应用软件使用。重要的报警信息还实时向集团公司传输;集团公司级平台应用软件除了提取应用集团公司数据资源外,还可访问煤矿数据中心数据;煤矿安全生产监测监控调度中心与部门级用户可访问本地数据中心网站,也可根据权限访问集团公司网站;集团公司安全生产监测调度中心与部门级用户也可直接访问煤矿网站。3、矿级平台应用软件系统组成及功能3.1总体架构在煤矿建立数字煤矿安全生产数据中心,建立《数字煤矿安全生产综合集成自动化测控管系统平台》网站,作为煤矿安全生产综合集成自动化监测、监控、监管、调度指挥、部门级业务办公等应用的信息化系统平台。本项目《煤矿安全生产面域化全方位实时监测监控与实时预警综合防御系统》作为其核心组成部分,另外可增加《部门级专业化煤矿安全生产综合信息化系统》部分,共同构成《数字煤矿安全生产综合集成自动化测控管系统平台》。系统总体架构分为三个层次,分别为应用层、网络层与煤矿安全生产异构系统实时监测监控系统层。(1)应用层以煤矿安全生产面域化集成实时监测监控、安全实时预测预警、数字矿山地理信息、数字矿山部门业务办公自动化为特点的应用软件系统平台。(2)网络层以先进的工业以太环网、LonWorks网络化互联互控现场总线、集成数据、语音、视频、电话等各种媒体传输,集成地面与井下有线网与无线网,包括最具发展前途的井下WIFI(无线宽带物连网),实现煤矿各种异构系统的高速、高可靠、高效率传输通讯。(3)异构系统实时监测监控系统层包含煤矿安全生产实时监测监控系统、煤矿通风监测系统、煤矿瓦斯抽放监测系统、煤矿火灾监测系统、煤矿机电运输监测系统、煤矿人员监测系统等各种异构监测监控系统。系统总体架构如图3-1所示。图3-1矿井综合自动化集成系统总体框架3.2煤矿安全生产监测监控系统集成方案实现本项目需要在煤矿安全生产监测监控系统上增加风筒风量监测传感器、巷道风量监测传感器、主扇风量监测传感器、风向传感器、绝对风压传感器、井上井下瓦斯抽放监测流量计、抽放管道瓦斯浓度传感器、抽放管道负压传感器、抽放管道温度传感器、采煤机电流传感器、运输机电流传感器、皮带电流传感器等硬件测控单元。煤矿现有监测监控系统所有软硬件系统不变,增加《KJGISⅡN工业以太网LON现场总线煤矿安全生产监测监控系统》作为现有监测监控系统的子集,实现新增通风可靠监测、抽采达标监测等功能。该方式与现有监测监控系统共享光纤环网、共用井下主干网络交换机。对于没有光纤环网的煤矿,可将井下光纤直接接入KJGISⅡN网关即可。同时在地面新上一套监测监控中心站软件。3.3煤矿异构监测监控系统集成方案可集成煤矿现有各种异构监测监控系统,可包括六大系统及其它生产系统,集成接口方式可由沈阳新元公司提供协议,相关厂家编写上传程序,或由沈阳新元公司直接读取数据库实现。可集成以下异构系统:煤矿安全生产监测监控系统;煤矿瓦斯抽放监测系统;煤矿束管火灾监测系统;煤矿人员监测系统;煤矿产量监测系统;煤矿救生仓监测系统;煤矿压风监测系统;煤矿通讯监测系统;煤矿供水与排水监测系统;煤矿运输监测系统;煤矿供电监测系统。3.4煤矿综合集成自动化测控管数据中心网络系统新建或利用现有煤矿企业局域网,包括利用现有网络布局、网络交换机、网络路由器等设备。建议连接服务器的交换机应具有千兆网口。3.5煤矿综合集成自动化测控管数据中心硬件系统配置两台企业级服务器,如HP或IBM;新配或利用现有的UPS,应具有续航能力2小时以上;利用现有或新配网络防火墙;利用现有调度显示与监测终端设备或新增加大屏幕显示系统。3.6煤矿综合集成自动化测控管数据中心网站系统软件平台采用Windows网络操作系统;SQL数据库管理系统;配置或利用现有的网络杀毒系统;采用先进的《CWebGIS网络地理信息系统》平台。3.7煤矿综合集成自动化测控管数据中心网站应用软件平台采用《CWebGIS煤矿安全生产面域化全方位实时监测监控与实时预警综合防御系统》应用软件系统平台。如果需要部门级业务办公自动化部分,如地质测量、生产管理、一通三防管理、机电管理、运输管理等部分,则需要增加《CWebGIS数字矿山综合信息化系统平台》应用软件系统,两个平台可实现无缝集成应用。《CWebGIS煤矿安全生产面域化全方位实时监测监控与实时预警综合防御系统》组成包括包括以下子系统:(1)异构监测监控系统综合集成接口(2)煤矿安全全方位综合集成实时报警监测(3)面域安全状态智能化全面分析与全面监测(4)面域化安全状态集中实时列表监测(5)面域化分组关联区域断电实时监测(6)面域化数字矿图跟踪实时定位监测系统(7)面域安全数字矿图动画跟踪实时定位显示监测状态(8)面域化基于位置的测控单元关联监测与分析系统(9)面域化通风可靠实时监测系统(10)面域抽采达标态实时监测(11)面域火灾状态实时集成监测(12)面域生产状态与生产强度及断电状态检验实时监测系统(13)人员联网集成监测;(14)面域监测系统设置状态实时监测(15)面域监测系统故障实时监测(16)面域监测系统数据可靠性与误报警实时评价(17)面域风量、涌出量、抽放量关系对比实时监测(18)停风微风瓦斯超限断电撤人一体化联动监测系统(19)基于监测数据源的面域安全状态实时评价(20)基于监测数据源的面域安全状态实时预测预警(21)详尽的面域对象安全监测报警信息综合查询(22)详尽的面域安全监测信息综合查询(23)基于面域对象的煤矿安全简报自动创立与自动查询显示系统(24)面域安全报警多级网络自动送达与双向语音调度系统(25)全面满足AQ6201标准的基于测点的综合实时监测(26)煤矿瓦斯抽放管网地理信息系统(27)煤矿瓦斯抽放辅助设计与优化设计数值模拟系统(28)煤层瓦斯区域性综合预测系统(29)隐患断电执行状态自学习监测与查询系统各子系统功能概要如下:(1)异构监测监控系统综合集成接口由于历史与技术原因,一个煤矿往往装有不同类型的监测监控系统,但煤矿工作面等面域测控需要将所有这些测控系统集成,如多个厂家煤矿安全监测监控系统、抽放监测系统、火灾监测系统、人员监测系统等等,这是实现全方位实时测控的基础。为此研究开发出异构系统通用集成接口。本接口能够兼容煤矿各种类型的异构监测监控系统,就如同一个系统一样,为构建综合集成自动化全方位监测监控系统提供了必备基础。(2)煤矿安全全方位综合集成实时报警监测现有的煤矿安全监测监控系统包括集团公司联网监测系统,绝大部分仅仅解决了超限报警和分站内局部断电问题,甚至局扇停风、主扇停风状态都难以判定。为了全面保障煤矿安全,需要开发全方位集成报警监测技术。本项目研究解决了这一关键技术问题,研究成果在原有瓦斯超限报警监测系统基础上,增加了十九项报警监测类型。A、主扇停风状态高可靠性监测识别与报警断电,研究成果提供配套监测装置与专用软件系统,可有效解决主扇停风监测监管问题;B、局扇停风状态高可靠性监测识别与报警断电,研究成果提供配套监测装置与专用软件系统,可有效解决局扇停风监测监管问题;C、采掘工作面、采区、主扇等对象的风量实时监测与微风报警断电,研究成果提供配套监测装置与专用软件系统,可有效解决风量不足或微风停风监测监管问题;D、风向状态改变监测识别与报警断电,提供配套监测装置与专用软件系统,可有效解决风门短路、角联巷道风向变化监测、工作面均压地区风向变化监测需求,提供通风系统可靠性监测技术手段;E、停风、微风、瓦斯超限等隐患发生时未断电状态实时监测。煤矿瓦斯事故绝大部分是未断电电器火花引发,因此隐患发生时的断电监测与断电控制最为重要,以往由于断电状态监测的复杂性。采用特殊技术手段有效解决了停风状态高可靠识别与高可靠断电监测与控制问题。除了能够有效判断本面域范围内是否断电外,能够判断关联下级区域断电状态,能够判断上级区域断电状态,从而全面解决了区域断电监测问题。有效解决了瓦斯超限、主扇停风、局扇停风、微风、风门短路、抽放异常等隐患发生时沿超限风流流经区域的全面断电网络化监测问题;F、抽放异常报警监测,煤矿瓦斯抽放是解决瓦斯超限的重要手段,但抽放过程中管理不当也会产生新的隐患,如爆炸限浓度的干式泵抽放、爆炸限浓度的静电管路、抽放泵停水、抽放泵故障、排瓦斯口浓度超限等等,因此实现抽放异常报警监测有重要意义。本项目研究解决了这一技术需求;G、工作面火灾监测,工作面火灾来自皮带摩擦等外因火灾与自燃发火等内因火灾,其危害性等同煤矿瓦斯爆炸,本项目解决了煤矿监测系统与束管监测系统联合同步按面域对象监测火灾等重大关键技术,可利用面域多因素有效可靠判断工作面火灾及发展趋势,为煤矿火灾监测与防治提供了新的技术手段;H、工作面人员状态监测,超限断电撤人是避免瓦斯事故损失的最重要措施,以往人员监测与安全监测分离,不能实现超限撤人监测,本项目研究首次解决了瓦斯与人员监测联动关键技术,能够在应该撤人而未撤人时发出报警,同时对人员超时工作和进入异常区域给出报警;I、传感器故障与通讯中断监测报警,煤矿工作面多传感器同时故障或多个传感器同时通讯中断往往预示发生了严重的问题,甚至可能发生了事故,因此监测系统故障监测十分重要,本项目解决了以工作面为面域对象的监测系统故障实时监测技术,可在系统运行异常时进行报警;J、监测联网通讯中断报警监测,监测联网已经是煤矿瓦斯防治管理的重要组成部分,因此监测通讯中断状态十分必要,本技术解决了网络中断与数据不传输的分类报警,对于有效管理具有重要意义;K、语音报警与报警历史显示,对上述各种类型报警可实时监测,实时语音或声光报警、可同步显示报警历史信息、可同步查询报警状态、可同步查询显示曲线,可提供对报警信息的同步全面分析;L、隐患报警实时多级网络自动送达与双向语音实时调度,一旦出现异常报警,系统可自动将报警信息同步送达到下级管理部门或煤矿监测计算机屏幕上显示,进入调度处理对话状态,该新技术大大提高了对异常事件响应速度,有效解决了及时调度处理、监督值班、事后追查等技术问题;M、监测报警类型能够有多种设置,包括依据AQ1029标准自动判别、煤矿自定义,甚至提供自定义设置预报警限值,系统自动按上述三种类型自动识别报警状态;N、具有瓦斯报警趋势同步分析显示功能,可在报警的同时显示发展趋势状态;O、具有数字矿图报警位置同步定位显示功能,动画显示功能,按面域或传感器位置定位查询显示与实时图形化监测功能;P、提供综合实时曲线监测、历史曲线分析、数据查询、断电跟踪监测、实时处理调度等全面完善的监测、分析与处理手段;Q、具有对实时监测数据、报警状态的识别与响应技术,与煤矿监测系统报警几乎同步;R、具有对报警次数、持续时间、最大值、断电状态、断电持续时间的全面监测功能,而且能够与煤矿监测系统监测数据保持一致,从而便于分析和考核监管;S、具有对近期报警历史的集成查询显示功能,以防监管人员疏忽遗漏。(3)面域安全状态智能化全面分析与监测与传统的基于测点的监测方式不同,所提供的面域安全状态智能化全面分析监测技术,以工作面等作业点为目标对象,提供对面域对象整体相关安全因素的智能化分析和相关因素关联分析,同时提供对所有测控单元的全面分析,如统计分析、趋势分析、预测分析;提供对面域对象的全面实时监测,如列表监测、图形化监测、动画监测、安全评价、预测预警等。该方式特别适于对重点工作面进行全面分析与实时监测。(4)面域化安全状态集中实时列表监测传统的基于测点的监测难以判断整个工作面的安全状态,特别是集团公司或对煤矿情况不甚了解的用户,如集团公司监测人员从数千个传感器中监测判断出工作面整体安全状态几乎是不可能的。为此开发出按工作面对象进行实时监测模式,有效解决了对工作面整体安全状态的监测需要,采用压缩与自动滚动显示方式,可对全局所有面域进行直观监测,不但提高了监测能力,大大提高了监测效率。(5)面域化分组关联区域断电实时监测煤矿瓦斯爆炸事故80%以上的引爆源是电器火花,因此隐患发生时的断电控制是防止事故的最根本措施。但遗憾的是许多因素造成不断电和不能进行实时监测监管。如大部分矿井的风电闭锁不经过监测系统,而是直接经过开关控制线连接。如果经过风机开停传感器识别,由于多路主备对旋风机,对应多路开停,如何识别停风难以判断,加之永磁电机干扰和铠装电缆导致开停与馈电传感器失效。断电应该是沿超限风流流经区域的区域断电,但现有的绝大部分监测系统异地断电功能很弱,延时时间很长,有的甚至长达几分钟,起不到区域断电的效果;另外随着生产强度提高和集中化生产的实施,工作面供电断电关系日趋复杂,如此诸多因素,导致事实上难以保障隐患发生时的可靠断电。本技术可有效解决区域断电监测问题。除此之外,本技术还能够判断关连下级区域断电状态,判断上级区域断电状态,从而全面解决了区域断电监测问题。有效解决了瓦斯超限、主扇停风、局扇停风、微风、风门短路、抽放异常等隐患发生时沿超限风流流经区域的全面断电网络化监测问题。将基于测点的断电监测提升到停风或微风或超限瓦斯风流流经区域的区域断电监测,提供数字图形化监测与撤人状态联动实时监测技术,确保了断电可靠与及时撤人,从而能够有效切断重大安全事故的源头,避免重大事故的发生。(6)面域化数字矿图跟踪实时定位监测系统基于数字矿图与传感器实际位置的图形化监测,具有直观,便于识别相互关系。能够与通风系统、抽采系统、采掘系统、供电系统、人员监测系统等有机集成,分析相互空间关系与影响、直观分析断电供电连接关系。本研究成果能够直观显示传感器位置和实时监测数据,能够在报警发生时自动定位,能够按工作面名称或按传感器位置灵活查询显示定位。(7)面域化数字矿图动画跟踪实时定位监测状态基于数字矿图上的动画显示,具有形象直观,便于识别工作状态与相互关系。(8)面域化基于位置的测控单元关联监测与分析系统受传统习惯的影响当前绝大多数煤矿安全监测监控依然是基于传感器编号的系统,如都是按某分站某传感器序号显示监测状态与进行查询分析,除非受过专业培训并对系统配置十分熟悉的人员,否则难以得到关注的信息。更为严重的是随着监测系统配置定义的变化按编号显示存储方式,往往造成数据丢失或重复。换言之当前的监测系统显示与查询方式仅适于有限的专业化的操作人员,不适于各级监测管理人员使用。显然这在信息高度共享的信息化时代已经落伍,人们更为关注的是某位置的监测状态,如回风出口、上隅角等等,AQ1029标准也要求按位置布局传感器,因此基于地点位置显示监测状态与按地点位置进行查询是必须解决的技术。另一方面工作面诸多安全影响因素间存在密切的关联关系,如通风与瓦斯涌出关系、抽放与瓦斯涌出关系、超限与断电关系、生产强度与瓦斯涌出关系等等,显然基于测点的监测难以表示这些复杂关系。本技术有效解决了上述关键问题。能够在同一坐标轴的数字矿图上,实时同时同步显示面域对象内所有测控单元的监测状态,所有测控单元相互关系一目了然,如通风与瓦斯涌出关系、抽放与瓦斯涌出关系、超限与是否断电关系、工作面设备开停状态、工作面生产强度状态、瓦斯涌出关系等。如此彻底解决了停风状态有效判断问题,彻底解决了超限或停风或微风状态下是否断电问题,同时用于生产过程调度也十分直观。(9)面域化通风可靠实时监测系统本子系统组成可包括:A、主扇开停、主扇工况、矿井总回风量实时监测系统B、风筒风量、微风、停风、断电实时监测系统C、采掘工作面风量实时监测系统D、角联巷道风速风向集成实时监测系统(选项)E、主扇、局扇、风门工作状态实时监测监管系统F、工作面风量、瓦斯涌出量、抽放量实时联动监测与统计分析系统G、通风可靠信息化综合调度地理信息系统平台(选项)H、煤矿通风网络实时监测与优化辅助设计支持系统(选项)I、煤矿通风网络图自动生成系统(选项)J、煤矿通风系统流动动画与三维显示系统(选项)K、工作面采空区流场流态数字模拟系统(选项)工作面瓦斯积聚绝大部分是因为停风或微风作业,而以往监测技术没有采掘工作面通风风量监测功能,为此本项目创新开发了风机风筒风量监测装置,放置在风筒末端,实时监测风筒风量值,首次解决了中国煤矿局扇风机风筒出口风量监测、微风报警、微风断电、停风报警、停风断电等重大安全技术问题,填补了国内空白。在回采工作面进回风安设风速传感器、经过断面、校验系数,实现了回采工作面实时风量监测。煤矿采掘工作面通风系统能够有多种布置方式,如一进一回、一进一回一尾、Y型通风、H型通风、W型通风、二进一回、掘进工作面单巷掘进、双巷掘进等等,显然采用传统的基于测点的方式由于没有测点位置间关系,因此做不到按工作面进行通风监测,而本技术有效解决了按工作面进行通风监测问题。通风风量、瓦斯涌出量、抽放量同屏幕集成监测。(10)面域化抽采达标实时监测本子系统组成可包括:A、地面瓦斯抽放管路抽放状态实时监测系统B、地面瓦斯抽放泵站工况实时监测系统C、井下采掘工作面瓦斯抽放状态实时监测系D、采掘工作面抽放效果动态分析与实时评价系统E、瓦斯抽放异常实时报警监测系统F、煤矿瓦斯抽放管网地理信息系统G、煤矿瓦斯抽放辅助设计与优化设计数值模拟系统本技术能够将煤矿安全监测监控系统与煤矿瓦斯抽放监测系统实现无缝集成,甚至能够分别是不同厂家的系统,实现了按工作面的面域化抽放监测。这里面域化包含两种类型,其一按抽放组或抽放地点进行监测,如工作面本层抽放、邻近层抽放、采空区抽放等等,解决了抽放参数间的相互关系监测和按地点进行监测计量问题,可直观得到各个地点的抽放状态,如本层抽放量和浓度、采空区抽放量和浓度等等,便于对抽放效果进行监测监管;其二,系统能够按采掘工作面面域对象自动进行抽放量汇总统计,无论涉及到多少个抽放点,自动进行抽放效果评价,能够与工作面通风瓦斯排放量对比分析,及时发现抽采问题和自动进行面域瓦斯平衡计算,将抽放效果与工作面安全状态有机结合,实现了抽采达标的实时监测,真正发挥了抽放监测系统的作用。(11)面域火灾状态实时集成监测煤矿外因与内因火灾是矿井的主要灾害,以往内因火灾监测都是依靠束管等独立系统进行的,但束管系统实时性差,没有温度监测功能,理想模式是将煤矿安全监测监控系统对火灾的监测与束管系统进行无缝集成,如此可充分利用各自数据实现火灾的全面可靠监测。本项目解决了这一关键技术,能够将原来的单传感器CO或温度超限报警监测与束管监测数据全面无缝集成,而且按测定地区为对象进行监测,实现了对测定区域的全面监测和参数间相互关系监测,大大提升了对火灾监测能力。开发了自燃发火实时预测预警系统,为火灾监测提供了新的最先进的技术手段。本项目还能够对面域对象外因火灾集成监测,如胶带运输机组面域对象、各种机电组等,面域化方式能够实现多监测对象的组合监测分析,易于发现是否发生或将要发生火灾,如环境温度、轴温、CO的联合监测,多参数联合监测出现异常能够肯定出现或即将出现事故,这一功能是传统的基于传感器测点方式无法实现的。(12)面域生产状态与生产强度及断电状态检验实时监测系统工作面生产状态与生产强度的监测具有重要意义,能够及时解决生产中的问题,提高生产效率。对于安全而言生产强度与瓦斯涌出存在相关性,持续高强度生产将造成瓦斯涌出增加引起超限,这也是当前控制煤矿产量、以风定产的源头。为了解决工作面生产过程中的瓦斯超限问题,本技术在工作面配置了监测生产强度的传感器,实现了生产强度与瓦斯涌出的同步监测。经过实时监测采煤机或运输机的工作状态,实现生产强度的实时监测,根据生产强度与瓦斯涌出当前状态关系,可及时调整生产强度从而减低瓦斯超限的机率。受多种因素的影响,在超限或停风等隐患发生时工作面作业区域应该断电而未断电的现象时有发生,近年来发生的煤矿瓦斯事故都是未能断电所致。因此工作面隐患发生时的断电监测是十分重要的。按现行AQ6201标准要求,配置馈电传感器进行工作面断电状态的监测,但由于电磁干扰和铠装电缆等原因,往往导致馈电传感器不能正常工作。为了解决这一问题,本技术采用的生产强度监测传感器,即使不生产,但带电,也会有信号输出,如此较好解决了隐患发生时是否在生产及工作面是否带电的监测问题。在工作面采区配电室安装电流传感器,实时监测工作过程中电流的变化情况、用于断电状态监测,生产过程中瓦斯变化趋势数据可显示在瓦斯报警监测界面,完整反映监测设备的运行状态也可反映作业地点超负载能力下的瓦斯超限报警情况。开发出生产强度与瓦斯涌出的同步实时监测技术,能够在同一界面、同一时间、同一坐标上显示生产强度与瓦斯涌出关系曲线。从而能够实时在线调节生产强度,避免瓦斯超限。由于及时控制生产强度,避免超限停产,可大大减少超限停产等待时间,减少了停送电中间环节,有效提高生产效率,实现工作面高产高效平稳生产。面域化的集中监测方式,同时解决了集中生产调度监测需求,可在大屏幕上同步监测全局或全矿所有采掘工作面生产与安全状态,对于促进煤矿安全生产有重大意义。(13)面域人员位置及状态实时监测井下人员监测正日益得到重视,其初衷是用于考勤和一旦出现问题可快速查询各个地点的人员,便于抢险救灾。但在应用中最实际的需求是断电撤人的监测,而这一功能现有人员定位系统并不具备。为解决这一问题,本项目开发了人员位置与状态监测系统,除具有当前人员监测系统功能外,增加了与通风瓦斯监测集成,实现了超限、断电、撤人的联动监测,可自动提示报警未撤人状态;实现了基于数字矿图的人员监测,可直观得到人员的实际位置;实现了井下人员的全局联网监测,大大扩展了系统应用功能。(14)面域监测系统设置状态实时监测监控有效是煤矿瓦斯防治十六字工作体系的组成部分之一,足以表明其重要性。煤矿安全监测监控十分必要,但有的煤矿不按要求配置,未能起到有效监控作用,因此必须对监测系统设置状态进行监测。本项目开发了专项软件系统,能够自动识别监测系统设置问题、自动检查测点设置未定义或定义错误,特别是报警与断电设置的错误。可对工作面监测系统配置的整体状况进行综合评价,为监控有效提供了有效的技术手段。(15)面域监测系统故障实时监测监控系统故障往往遗漏重大安全隐患或预示已经发生了事故,因此监控系统故障监测是必须解决的关键技术,为此开发了传感器故障监测系统。能够实时显示传感器故障类型、地点、故障起始时间、持续时间。能够直观得到如采掘工作面某面域范围内的传感器故障状态,如两个以上传感器同时故障表明工作面可能发生了事故,如爆炸或火灾损坏传感器等等。(16)面域监测系统数据可靠性与误报警实时评价监测数据是否可靠是当前煤矿监控有效的最大问题,一些是系统本身问题,如干扰数据;一些是人为造假,如封堵传感器、往传感器上浇水、移动传感器位置、用新风吹传感器等等;再有就是传感器校验的数据与报警数据混在一起难以识别。为此,本项目开发了专项软件系统,开发出监测数据可靠性实时判别系统、误报警自动识别系统、数据通讯中断自动监测系统。为监控有效提供了又一技术手段。所开发的面域化监测模式,能够判断监测数据可靠性,而基于测点的方式几乎不能实现。(17)面域风量、涌出量、抽放量关系对比实时监测工作面风量、瓦斯涌出量、抽放量是评价工作面安全状态的主要指标,以往基于测点的监测,仅仅能够监测风速或瓦斯浓度,不能监测其风量与涌出量,因而工作面瓦斯分析都是依靠手工进行的,不但耗费大量的资源、效率低,而且缺少实时性指导。面域化测控技术有效解决了工作面整体安全状态的实时监测、动态分析、安全评价。能够监测工作面风量变化、监测并计算工作面瓦斯涌出量变化、监测并汇总统计工作面抽放量的变化,提供多参数分析曲线对比,自动创立安全简报。(18)面域停风微风超限断电撤人一体化联动实时监测煤矿安全规程要求瓦斯超限到一定程度必须停风撤人,但隐患发生时是否撤人以往没有自动监测手段。本技术能够集成安全监测监控与人员监测系统,经过面域化监测方式,实时监测是否达到断电限值及撤人限值,同步监测面域对象人员位置与数量,实时跟踪撤人状态,当未撤人现象发生时进入报警状态,报告人员位置与数量并提供人员相关信息。有效解决了超限、断电、撤人实时监测与报警监测问题,为安全管理提供了十分重要的技术手段。(19)基于监测数据源的面域安全状态实时评价工作面等面域对象的安全状态评价是治理安全隐患的基础前提,以往都是由行业专家依据经验和参考相关标准定期进行,而且仅能够提出宏观上存在的问题,随着煤矿综合自动化测控技术的广泛使用,监测系统获得大量数据资源,这些数据资源是进行安全状态评价十分重要的依据,这些数据可量化,可实时分析、聚类分析、趋势分析、关联分析。为此开发出基于监测系统海量实时数据源的工作面的安全状态实时评价新技术。能够对工作面面域的通风状态、瓦斯超限状态、断电状态、监测系统配置、设备运行、生产效率、生产强度、监测系统数据可靠性、误报警、火灾发展趋势、瓦斯涌出发展趋势进行全面实时评价,为煤矿安全评价提供了新的方式方法。(20)基于监测数据源的面域安全状态实时预测预警随着煤矿对瓦斯防治管理的加强,瓦斯超限日益受到重视,超限就是事故已经是许多煤炭企业日常考核目标。瓦斯超限表明安全状况已经处于接近危险的境地,因此防治瓦斯于超限之前是煤矿本质安全的重要措施。煤矿安全状态的实时预测预警是解决本质安全管理的前提。煤矿瓦斯涌出的影响因素是十分复杂,受煤层赋存、瓦斯赋存、开采条件、开采方式、地质条件、抽放效果、通风状况、生产强度等多种因素影响,准确预测瓦斯涌出量是十分困难的。虽然如此,并不意味着问题不能解决,在一定条件下,如在一个小时间片和局部空间区域内,瓦斯涌出可能仅仅与某一个因素或有限个因素有关,而有限个因素影响往往是叠加关系,而不是相互影响。如回采工作面不割煤时,瓦斯涌出主要是煤壁与采空区瓦斯涌出,落煤时增加了落煤瓦斯涌出,极限情况下可能是抽放效果不佳、局部高瓦斯富积、通风风量不足、工作面超强度生产、采空区老顶垮落等。加之煤层瓦斯赋存属于沉积变化,一般不是突变。因此在一定区域内的一定时间片内基于区间值进行实时预测和动态预测是可行和有效的。基于此本项目开发了专用预测数学模型,开发出实时预测预警应用软件系统,经过实际检验得到较为理想的应用效果,能够对历史数据进行统计、分析、评估,将当前现状与历史数据进行自动对比,以曲线图形和数据图表等形式展现,对于瓦斯涌出较大、变化异常、增量较大的地点给出提示报警报告,根据实时数据变化关系给出预测值和动态预测曲线。开发出工作面瓦斯与一氧化碳涌出连续实时预测预警新技术,能够随着监测系统数据秒级更新,动态更新预测结果。实际预测值与实际测量值具有相当好的一致性,能够满足应用要求。(21)详尽的面域对象安全监测报警信息综合查询无论是煤矿监测监控系统还是集团公司的监测监管系统,对报警、停风、未断电、通讯中断等各种类型异常状况的历史查询、分析、报表都是日常监管最常应用的。但所有的查询、分析报表都是基于传感器测点的,不是面向工作面的,由此带来许多问题。如工作面瓦斯超限问题,当工作面配置较多传感器时,一次超限、工作面报警、机尾报警、回风中部报警、回风出口报警,则会出现多次报警记录,原来一次瓦斯超限则查询报警次数却与传感器数目相关,用于矿井安全考核显然是极不合理的。另外基于分站与传感器序号的记录方式,没有表示传感器安装位置,难以实现按位置查询与分析,也未能表示传感器安装位置监测数据间的相互关系,如风量、瓦斯、断电状态关系,工作面进风瓦斯、工作面瓦斯、工作面回风瓦斯、工作面出口瓦斯间的关系,难以分析其瓦斯来源。因此除了应具有基于测点的监测信息综合查询分析外,还应具有按工作面等面域的报警历史信息综合查询、分析、合报表功能。为此本技术开发出基于面域的报警信息综合查询系统,能够按矿井、按采面组、掘面组、抽放组、火灾监测组、机电组等各种面域类型,按瓦斯超限、主扇停风、局扇停风、未断电、通讯中断、传感器故障等报警类型,进行基于面域的综合报警信息查询、分析与报表,解决了不能按安工作面与按地点进行监管得问题,大大提高了监测监管的科学性。(22)详尽的面域安全监测信息综合查询现有的监测监管系统不能表示传感器安装位置的历史状态,无法实现按位置查询与分析,难以表示传感器安装位置监测数据的相互关系,如设备开停、生产效率、断电传感器状态、风量、瓦斯、断电状态关系,工作面进风瓦斯、工作面瓦斯、工作面回风瓦斯、工作面出口瓦斯间的关系,难以分析其瓦斯来源。因此除了应具有基于测点的信息综合查询分析外,还应具有按工作面等面域的历史信息综合查询、分析、报表功能。为此专门开发了基于面域的综合查询系统,能够按矿井、按采面组、掘面组、抽放组、火灾监测组、机电组等各种面域类型,按传感器安装位置等实现面域信息的综合查询、分析与报表,解决了不能按安工作面与按地点进行监管得问题,大大提高了监测监管的科学性。(23)面域安全监测综合简报本项目开发出监测联网海量实时数据存储与快速提取技术;海量数据后台自动挖掘定时处理技术;按通风、瓦斯、抽放等多种分类的一定时间段内的安全简报自动创立与查询技术;工作面瓦斯涌出量统计计算与历史报告自动生成技术。这些新技术大大提高了监测监管效率。(24)面域安全报警多级网络自动送达与双向语音调度系统煤矿安全监测监控系统与监测联网系统在出现异常时应该自动启动报警提示并进入实时调度状态,然而以往的技术无法能实现这一目标。现行的煤矿安全隐患处理调度与响应方式缺少实时性,层层汇报,延误时间,交互性差,不适应实际需求。为解决这一问题,本技术将调度方式提升到网络自动实时下发、自动送达提示报警、语音广播报警、处理过程信息跟踪。大大缩短了应急处理时间,可有效避免重大事故的发生。(25)全面满足AQ6201标准的基于测点的综合实时监测本项目的面域化综合自动化测控新技术相比原来的技术有极大飞跃,但基于测点的综合自动化监测监管也十分必要,应予保留,本技术有效解决了基于测点的系统与面域系统的有机集成问题,将面域化综合自动化测控管系统与原系统有机融合,无缝兼容。(26)煤矿瓦斯抽放管网地理信息系统本技术提供先进的CWebGIS网络地理信息系统平台与瓦斯抽放管线线型与专用符号,可在采掘工程图上创立抽放系统布局图,进行抽放设计,布局管线附属设施,在抽放系统图上布局监测传感器,直接显示监测效果。(27)煤矿瓦斯抽放辅助设计与优化设计数值模拟系统煤矿瓦斯抽放设计与合理设计参数和抽放参数的选择对于抽放效果影响很大,瓦斯抽采设计直接影响到煤矿工作面接续与采掘平衡,不但影响工作面开采时安全状态,而且直接影响矿井生产效率,因此合理设计对于抽采达标是至关重要的。以往煤矿工作面瓦斯抽采设计多数按经验进行,不一定是最合理的方案,有的受设计人员技术水平限制,可能出现不合理的设计。特别是本煤层抽放如果设计不合理直接影响到预抽时间与抽放效果,但本煤层抽放设计因煤层透气性与瓦斯赋存等因素影响又很难实现优化。为了解决这些问题,本技术将煤炭研究院瓦斯研究所专业化的设计编写为计算机软件系统,提供辅助设计工具,能够得到有用的指导并提高设计效率,将原来试验室专业化的数字模拟技术手段,提供给用户用,节省大量的试验费用。提供的主要功能包括:A、瓦斯参数计算,包括:压力、含量、透气性系数、百米涌出量衰减系数等;B、设计参数计算,包括:瓦斯储量、可抽采储量、瓦斯涌出率、钻孔间距、预抽期、上下邻进层钻孔抽放参数计算;C、抽放参数计算,包括:流量计算;D、本煤层钻孔抽放数字模拟,可模拟不同孔径、不同瓦斯压力、不同瓦斯含量、不同透气性系数、不同煤层赋存、不同抽放时间等条件下的抽放效果与抽放量,给出模拟抽放钻孔曲线图,给出流场抽放状态下的瓦斯压降分布等值线图,可利用模拟手段得到给定煤层瓦斯赋存条件的合理的抽放参数;(鉴于数学模型的限制,具体煤层可能不完全符合达西定律,模拟曲线和实际曲线形态可能有些差别,请注意修正)E、煤层透气性系数分布数值模拟,煤层透气性系数是影响本煤层瓦斯抽放效果的最重要指标,然而得到煤层真实的透气性系数十分困难,本技术经过按已经得到的钻孔涌出量曲线和计算机反算,得到煤层透气性系数。(28)煤层瓦斯区域性综合预测系统本技术提供煤层瓦斯参数分布区域性预测技术,提供分源预测技术,还可参考相邻区域瓦斯赋存与涌出特点,以便提前采用针对性的通风瓦斯措施。区域性预测参数包括瓦斯含量、分源瓦斯涌出量、抽放量等多项指标,给出区域分布等值线图,可与瓦斯地质图共享。(29)隐患断电执行状态自学习监测与查询系统本技术经过采掘联锁区域内主要设备开停信息自动将生产状态、断电状态、隐患状态同步同时段曲线对比,得到真实的断电状态。生产状态监测需要分别连续监测采煤机、掘进机、运输机等负载电流,经过自学习功能得到其生产过程状态,如停电、停产、在生产、生产程度等。4、矿级系统新增KJGISⅡN煤矿通风可靠测控与生产状态监测系统4.1概述对历次煤矿瓦斯事故的原因统计表明,几乎每次瓦斯事故都与停风或微风作业引起瓦斯积聚有关。尽管如此,由于技术和生产等各种条件的限制及管理手段的不足,时至今日无计划停风、风量不足、微风、风流短路现象依然时有发生,由此造成瓦斯超限等重大安全隐患。因此通风可靠监测监控对于防止煤矿瓦斯事故具有十分重要意义。AQ6201标准要求必须具有风电瓦斯闭锁功能,要求当掘进工作面局部通风机停止运转或风筒风量低于规定值时,能自动切断被控设备电源。但由于以往没有风量监测技术,这一规定等于一纸空文,未能得以实施。通风可靠包括足够的风量供给、通风系统的稳定性、通风网络的合理性、通风设施可靠性等诸多方面。就生产矿井而言,由于通风网络、通风系统、通风设施、主扇配置、巷道布局等已基本定型,通风可靠监测主要是风量监测、微风监测、停风监测、通风稳定性或流向的监测、通风阻力监测、主扇运行工况的监测。除了存在风量监测问题外,以往停风状态的监测也存在较大困难,由于主备主扇共存,是否停风取决于主扇组状态,传统的监测方式难以识别主扇组是否停风。局扇停风问题与此类似,但识别更加困难。由于多组对旋局扇对应多个开停传感器,难以分组识别,加之永磁电机干扰与铠装电缆屏蔽等原因造成开停与馈电传感器误报,导致局扇停风状态更加难以识别,许多煤矿为了解决这些问题,不用监测系统控制断电而采用风电闭锁直连方式,如果煤矿未进行风电闭锁连接,则不能停风断电。对于风流稳定性问题,仅能够进行风门开停监测,尚无角联巷道通风流向监测手段。基于解决这些问题,本项目研究开发了《KJGISⅡN煤矿通风可靠实时监测监控系统》该技术当前已经在阳泉矿业集团、西山煤电集团屯兰矿、辽宁阜新市煤炭工业局下属煤矿进行了现场试验,创新解决了掘进工作面风量监测与微风报警断电问题。为了实现《通风瓦斯面域化全方位实时监测监控与实时预警综合防御系统》项目目标,需要新增配置煤矿通风可靠测控与生产状态监测系统。鉴于现有KJ95监测系统不具备风量监测、风向监测、风压监测类型及其量程,不具备建立风压间的链路关系,所增加的通风可靠测控单元无法在现有监测系统上显示,因此需要在现有光纤环网基础上增加KJGISⅡN通风可靠监测监控系统子集,包括地面监测主机、相应监测分站与传感器等测控单元。当前全国仅沈阳新元公司拥有通风可靠监测相关传感器测控单元。KJGISⅡN煤矿通风可靠测控与生产状态监测系统作为《KJGISⅡN工业以太网LonWorks网络化现场总线煤矿安全生产综合自动化监测监控系统》的子集,具有其全部特点。4.2KJGISⅡN工业以太网LonWorks现场总线煤矿安全生产综合自动化监测监控系统简介KJGISⅡN工业以太网LonWorks现场总线煤矿安全生产综合自动化监测监控系统是沈阳新元信息与测控技术有限公司在信息产业部项目资金支持下专为解决中国煤矿安全监测监控系统领域存在重大技术问题而攻关开发的新一代煤矿安全生产综合自动化测控系统。国内首次解决了当前中国煤矿安全监测监控领域存在诸多重大技术问题。(1)本系统所采用的LonWorks现场总线技术特点工业自动化测控领域技术发展可分为以下阶段,从最初的集中式测控到DCS集散式测控到现场总线测控到工业以太网+现场总线测控等几个阶段,当前中国煤矿在用的煤矿安全与生产监测监控系统绝大多数处于DCS阶段。当前中国煤矿绝大多数煤矿安装的监测监控系统测控模式为八十年代的DCS模式,其最大的技术问题是采用主从方式,按分站串行分时巡检,存在不能实时可靠区域性断电、巡检周期长、实时性差、系统容量有限、对安全问题无优先级响应等几乎无法解决的重大技术弊端。而采用以太网为主的方式,由于广播式通讯,易于造成网络堵塞,监测监控实时性与可靠性也难以得到保障。进入九十年代以后,计算机技术突飞猛进,更多新的技术被应用到了DCS之中。现场总线技术在进入九十年代中期以后发展十分迅猛,当前基于现场总线的FCS将取代DCS成为控制系统的主角。现场总线是指测量和控制机器间的数字通讯为主的网络,也称现场网络。也就是将传感器、各种操作终端和控制器间的通讯及控制器之间的通讯进行特化的网络。经过通讯的数字化,使时间分割、多重化、多点化成为可能,从而实现高性能化、高可靠化、保养简便化、节省配线。当前国际上存在多种现场总线技术,譬如LonWorks、CAN、FF、PRIBUS等多种现场总线,其中LonWorks现场总线因其独有的网络化互联互控、高可靠性通讯、高速带宽等诸多先进的功能特点成为当前现场总线技术的优秀代表,当前已经在多个行业自动化测控领域得到广泛应用,特别是中国铁路行业已将其定为行业标准得到最为广泛的应用。本公司独家将此先进技术应用于煤矿安全生产自动化测控领域,相关技术与性能特点概述如下:LonWorks是美国Echelon公司1992年推出的局部操作网络,最初主要用于楼宇自动化,但很快发展到工业现场网,譬如中国高铁几乎全部采用该现场总线技术。LonWorks技术为设计和实现可互操作的控制网络提供了一套完整、开放、成品化的解决途径。

1)LonWorks的神经元芯片

LonWorks技术的核心是神经元芯片(NeuronChip)。该芯片内部装有3个微处理器:MAC处理器完成介质访问控制;网络处理器完成OSI的3～6层网络协议;应用处理器完成用户现场控制应用。它们之间经过公用存储器传递数据。

在控制单元中需要采集和控制功能,为此,神经元芯片特设置11个I/O口。这些I/O口可根据需求不同来灵活配置与外围设备的接口,如RS232、并口、定时/计数、间隔处理、位I/O。

神经元芯片还有一个时间计数器,从而能完成Watchdog、多任务调度和定时功能。神经元芯片支持节电方式,在节电方式下系统时钟和计数器关闭,但状态信息(包括RAM中的信息)不会改变。一旦I/O状态变化或网线上信息有变,系统便会激活。其内部还有一个最高1.25Mbps、独立于介质的收发器。由此可见,一个小小的神经元芯片不但具有强大的通信功能,更集采集、控制于一体。在理想情况下,一个神经元芯片加上几个分离元件便可成为DCS系统中一个独立的控制单元。

2)LonTalk:面向对象的网络通信协议

LonTalk是LonWorks的通信协议,固化在神经元芯片内。LonTalk局部操作网协议是为LonWorks中通信所设的框架,支持ISO组织制定的OSI参考模型的7层协议,并可使简短的控制信息在各种介质中非常可靠地传输。LonTalk协议是直接面向对象的网络协议,具体实现即采用网络变量的形式。又由于硬件芯片的支持,使它实现了实时性和接口的直观、简洁等现场总线的应用要求。

A、LonTalkMAC的特点

介质访问控制(MAC)子层是OSI参考模型的数据链路层的一部分。当前在不同的网络中存在多种介质访问控制协议,其中之一就是大家熟悉的CSMA(载波信号多路侦听)。LonTalk正是使用该协议,但具有自己的特色。

CSMA协议要求一个节点在发送数据前侦听网络是否空闲。一旦监测到线路空闲后,不同的协议动作不同。这样在重负载的情况下,不同协议的执行结果不同。例如,Ethernet采用CSMA/CD协议,一旦检测到碰撞,采用避让算法,这种方法在重负载时导致网络介质传输率变得极低。另一些CSMA协议使用时间片规则去访问介质,使节点在限制的时间片访问介质,这样能够大大减少两个数据报发生碰撞的可能性。P-坚持CSMA和LonTalk的CSMA就是使用时间片去访问介质。

LonTalk协议使用一个改进的CSMA介质访问控制协议,称为预测的P-坚持CSMA。LonTalk协议在保留CSMA协议优点的同时,注意克服它在控制中的不足。当前存在的MAC协议(如IEEE802.2、802.3、802.4、802.5)都不能在重负载下很好地保持网络高效率、支持大网络系统和多通信介质。

如果有很多网络节点等待网络空闲,一旦网络空闲,这些节点都会马上发送报文而产生碰撞。它们产生碰撞后会后退一段时间,假如这段时间相同,就会发生重复碰撞,这将使网络效率大大降低。在预测的P-坚持CSMA中,所有LonWorks节点等待随机时间片间隔访问介质,这就避免了以上情况的发生。在LonWorks中,每个节点发送前随机插入1～16个很小的随机时间片。在空闲网络中,每个节点发送前平均插入8个随机时间片。

在P-坚持CSMA中,当一个节点有信息需要发送时并不立即发送,而是等待一个概率为P的随机时间片。而LonTalk协议可根据网络负载动态调整P值。时间片的增加经过一个N值,插入的随机时间片为N×16,这个N值的取值范围是1～63。LonTalk称N为网络积压的估计值,是对当前发送周期有多少个节点有报文需要发送的估计。LonTalk协议根据网络积压动态地调整介质访问,允许网络在轻负载情况下用较短的时间片,在重负载情况下用较长的响应时间片。

对照实验表明,36个LonWorks节点互联,采用一般P-坚持算法,当每秒要传输的报文达500～1000包时,碰撞率从10%上升到54%;而采用预测的P-坚持算法,在500包以下时碰撞率与前者相当,在500～1000包时稳定在10%。

对所有令牌环网络,LonTalk具有对多介质的支持,但这些介质必须在总线上具有环的结构,令牌在这个环线上轮巡。这对使用电力线和无线电作为介质的网络显然不可行,因为网上所有节点几乎能同时收到令牌。同时,令牌环网络还需增加令牌丢失时的恢复机制、令牌快速应答机制,这些都增加了硬件上的开销,使网络成本增加。对令牌总线网络,LonTalk在令牌中加入网络地址,从而在物理总线上建立一个逻辑环的结构,使令牌在这个逻辑环上轮巡。可是,在低速网络中令牌轮巡时间变得很长。另外,令牌总线在有节点上网或下网时都会发生网络重构。在电池供电的系统中,会因经常休眠和唤醒而导致网络上下网时频繁重构;在恶劣的环境中,常会发生令牌丢失而导致网络重构。这些网络重构会大大降低网络的效率。同时,由于网络地址的限制,每个网络至多只有255个节点。我们常见的CSMA/CD(如Ethernet),在轻负载情况下具有很好的性能;在重负载情况下,过多的碰撞使网络效率变得极低。

当前,在现场总线中还有一种十分流行的网络——CANbus(CAN总线)。它采用无主结构,这一点大大优于Bitbus。其MAC层上的管理很有特色。它也采用CSMA方式,但将网络上的节点分成不同的优先级,采用支配位(0)和避让位(1)、以及总线回读的方法实现非破坏性总线仲裁。即当两个节点同时向网络传递信息时,优先级低的节点主动停止发送,而优先级高的节点可不受影响地继续传输,这能够有效地避免总线碰撞。可是,这要求网络一定要同步,这对多介质的情况显然不适用。另外,对各节点不太需要优先级的网络,由于不得不定义一个优先级,因而当网络通信较繁忙时,有些优先级低的节点可能很长时间不能发送信息。因此,Canbus较适合介质单一、节点数目较少的小网络。

综上所述,Lon的MAC子层具有以下优点:支持多介质的通信,支持低速率的网络,可在重负载情况下保持网络性能,支持大型网络。

B、LonTalk对优先级的支持

在LonWorks网络中,为提高紧急事件的响应时间,提供了一个可选择的优先级机制。该机制允许用户为每个需要优先级的节点分配一个特定的优先级时间片,并保证有且只有一个节点拥有这样的优先级时间片。在发送过程中,优先级数据报将在该时间片内把数据报发送出去。优先级时间片为0～127,0是不需等待立即发送,1是等待1个时间片,2是等待2个时间片,依此类推。低优先级的节点需等待较多的时间片,而高优先级的节点需等待较少的时间片,这个时间片加在P-概率时间片之前。非优先级的节点必须等待优先级时间片都完成后,再等待P-概率时间片后发送。因此,加入优先级的节点总比非优先级的节点有更快的响应时间。

C、LonTalk对多介质的支持

LonTalk协议对各种介质的支持是独立的。Lon的神经元芯片能够容许的通信介质类型非常广泛,如双绞线、电力线、无线电、红外线、同轴电缆、光纤等。

D、LonTalk对多通道的支持

一个通道是指在物理上能独立发送报文(不需要转发)的一段介质。LonTalk规定,一个通道至多有32385个节点,一个网络能够由一个或多个通道组成,通道之间经过路由器来连接。

这样,不但可实现多介质在同一网络上的连接,而且可减轻一个通道的网络信道过于拥挤。E、LonTalk对大网络的支持

网络地址能够有以下三层结构:

第一层结构是域。域的结构能够保证在不同的域中通信彼此独立。例如,不同的应用节点共存在同一通信介质中(如无线电),不同的域的区分能够保证它们的应用完全独立,不会彼此干扰。

第二层结构是子网。每个域最多有255个子网,一个子网能够是一个或多个通道的逻辑分组,有一种子网层的智能路由器产品能够实现子网间的数据交换。

第三层结构是节点。每个子网最多有127个节点,因此一个域最多有255×127=32385个节点。任一节点能够分属一个或两个域,容许一个节点作为两个域之间的网关,也容许一个传感器节点将采集到的数据分别发向两个不同的域。节点也能够被分组,一个分组在一个域中跨越几个子网或通道。在一个域中最多有256个分组,每个分组对需应答服务最多有64个节点,而无应答服务的节点个数不限。一个节点能够分属15个分组去接收数据。分组结构能够使一个报文同时被多个节点接收。

另外,每个神经元芯片有一个独一无二的48位ID地址。这个地址由厂方规定,一般只在网络安装和配置时使用,能够作为产品的序列号。

通道并不影响网络的地址结构,域、子网和分组都能够跨越多个通道。

F、LonTalk的报文服务

LonTalk协议提供了四种类型的报文服务:

应答方式或端对端的应答服务:当一个节点发送报文到另一个节点或分组时,每个接收到报文的节点都分别向发送方应答。如果发送方在应答时间内没有收到全部应答,则重新发送该报文。重发次数和应答时间都是可选的。报文应答服务由网络处理器完成,不必由应用程序来干预。报文ID号确保节点不会收到重复的报文。

请求/响应方式:当一个节点发送报文到另一个节点或分组时,每个接收到报文的节点都分别向发送方响应。如果发送方在响应时间内没有收到全部响应,则重新发送该报文。重发次数和响应时间都是可选的。报文响应服务由应用处理器完成,能够包含数据,是由应用处理器完成的,适合远程过程调用和客户/服务器的应用。

非应答重发方式:当一个节点发送报文到另一个节点或分组时,不需每个接收到报文的节点向发送方应答或响应,而是重复多次发送同一报文,使报文尽量可靠地被接收方收到。这种方式适于节点较多的分组的广播发送,从而避免因节点响应而使网络过载。

非应答方式:当一个节点发送报文到另一个节点或分组时,不需每个接收到报文的节点向发送方应答或响应,也不必重复多次发送同一报文,只发一次即可。这种方式适合对可靠性要求不高,但报文长度较长、需要速度较高的报文。

G、LonTalk网络认证

LonTalk支持报文认证。收发双方在网络安装时约定一个6字节的认证字,接收方在接收时判断报文是否经过发送方认证,只有经过发送方认证的报文方可接收。

H、碰撞检测

Lon支持在通信介质上的硬件碰撞检测(如双绞线)。LonTalk能够将正在发送的碰撞报文自动取消,重新再发。如果没有碰撞检测,若碰撞发生,只有到响应或应答超时时才会重发报文。

3)LonWorks与现场总线

按照国际电工委员会(IEC)的叙述,把低级或底层的工业数据总线定名为现场总线。其基本要求包括:以串行通信的方式取代传统的4～20mA的信号传输,而且一条现场总线可为众多的可寻址的现场设备实现多点连接;支持底层的现场智能设备与高层的系统利用公用介质交换信息;现场总线的协议在物理层和链路层与OSI模型有相同的含义。当前,一些公司、厂商所推出的现场总线产品,其基本要求大致与上述内容类似。从前面对LonWorks的分析介绍能够看出,LonWorks的性能覆盖了IEC关于现场总线的推荐规范,而且应用更加灵活。①神经元芯片是一个很好的低成本的现场总线处理器。它处理现场互联的全部任务,还能处理现场传感器、执行器的动作,以及简单的数字逻辑运算等现场任务。

②以IEEEP1118(ver3.0)制定的现场总线功能要求为例,与LonWorks的性能做一比较:在物理层链路层应用层上都有很大的优化。

③LonTalk是OSI参考模型面向现场对象应用的一个子集。它比现场总线历来推荐的功能覆盖面更广,如支持多介质、大网络。这为工厂制造自动化的测、控、管一体化提供了全局性的解决方案,而且都可经过固化有LonTalk协议的神经元芯片实现,只需用一个神经元和某种网络的专用控制器相连构成的桥接器同生产管理级、厂级互联。另外,它比现场总线以往提供的应用服务更友好、更方便