矿井安全监测监控系统_程德强

７９ Ｎｏ．２ ２００６（ Ｓｕｍ Ｎｏ．２８４ ） ＶＩＤＥＯ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ
视频技术应用与工程
接 上 保 证 了 地 面 所 有 连 接 到 ＨＩＭＡＳＳ 上 层 网 的 接 口 数 据， 可以在一条主缆瘫痪的情况下， 信息仍然顺利传到 ＨＩＭＡＳＳ 服务器上。这种网络结构为 ＨＩＭＡＳＳ 系统能在 地面实现对井下运输机的集中控制， 矿井各职能部门在 地面直接指挥调度井下生产， 提供了可靠保障。以太网交 换 机 为 通 信 网 络 上 工 作 的 所 有 节 点 提 供 了 １０ Ｍｂｐｓ 和 １００ Ｍｂｐｓ 不同速率的网络连接， 通常 １００ Ｍｂｐｓ 用于连接 服 务 器 和 工 作 站 ， １０ Ｍｂｐｓ 用 于 集 线 器 至 其 它 设 备 的 连 接。这充分展示了该系统在实时控制领域传输信息能力 的优势， 并为矿井日后信息量增加留有余地。
ＨＩＭＡＳＳ 解决了系统扩展性和开放性的问题， 提供 部分第三方数据接口或标准通信协议， 如 ＯＰＣ， ＤＤＥ 等。 并且井下网络采用环网结构， 地面主干网络采用双光缆， 充分保证了数据的安全可靠传输。但是， 其井下采用 ＤＨ＋环网， 整体网络传输速率较低， 不能同时传输视频信 号， 因此， 对于视频监控信号的传输， 还停留在模拟传输 阶段， 一路图像传输占用一根光纤， 使得设备投入和运行 成本很高， 造成资源浪费。
地面
ＫＴＧ１ 光端机
井下
ＫＪＪ６ 传输接口
语音分站 通用分站 … 风电瓦斯
图 ２ ＫＪ９５ 型煤矿综合监控系统配置框图
难以做到数据共享， 系统的可扩展性受到限制。 目前， 监测监控系统信息传输的兼容性已成为装备
监控系统的各集团公司、矿井进一步改造和扩充系统功 能的制约因素， 因此， 需要开发、设计具有开放性协议的 矿井安全监测监控系统。 ２．３ ＨＩＭＡＳＳ 安全监测监控系统
１ 引言
我国煤矿开采条件复杂， 自然灾害严重， 煤炭企业生 产力水平整体偏低， 安全生产基础比较薄弱［１］。在当前煤炭 市场需求旺盛的推动下， 部分煤矿存在突击生产或盲目 超产现象， 造成近几年矿井安全事故发生率居高不下。为 保障煤矿的安全生产， 除进一步加强煤矿安全管理意识 外， 关键是建立煤矿井下安全监测监控系统， 形成煤矿井 上／下可靠、高效的安全预警机制和管理决策信息通道。
现系统间的通信和数据共享。这样， 矿井的安全监测监控 可由原来单一的监测监控向综合自动化方向发展。
本文从介绍目前国内外煤矿安全生产监测监控系统 出发， 分析我国矿井安全生产监测监控系统的特点和发 展趋势， 并据此构建了基于工业以太网和现场总线的混 合网络监测监控系统。系统基于集散式结构， 采用开放性 协议的传输网络， 可实现与第三方系统和设备接口的数 据共享和通信。同时， 能根据煤矿监控场所流动性大的特 点， 适应移动和随机接入的需要。系统具有较高的鲁棒性 和冗余措施， 可保证矿井在突发事件下的安全可靠运行。
【摘 要】介绍目前国内外煤矿安全生产监测监控系统， 分析其特点， 并展望了我国矿井安全监测监控系统的发展趋势。同时据此
构建了一种基于工业以太网和现场总线的混合网络矿井安全监测监控系统。
【关键词】监测； 监控； 矿井； 安全
【中 图 分 类 号 】 ＴＰ２７７
【文献标识码】Ａ
Ｔｈｅ Ｓａｆｅｔｙ Ｍｏｎｉｔｏｒ ｉｎｇ Ｃｏｎｔｒ ｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅ
由于采用漏泄电缆作为全矿井的传输通道， 则必须 使用大量的中继器， 不仅增加了系统成本， 而且会降低系 统可靠性， 因此需开发、设计以光纤为主干传输网络的矿 井安全监测监控系统和配套设备。 ２．２ ＫＪ ９５ 煤矿综合监控系统
ＫＪ９５ 是 ２０ 世纪末由常州煤矿自动化研究所研制开 发的煤矿综合监控系统， 代表了当时国内矿井监测监控 的先进水平。ＫＪ９５ 适合用于煤矿实现井下环境和井上／ 下生产工况监测， 井下通信及工业电视监视等全矿井综 合监测监控。图 ２ 为 ＫＪ９５ 型综合监控系统总框图。监测 和通信是两套相对独立的系统， 干线部分采用光纤， 监测 系统的数据和通信系统语音信号都送到地面光端机， 由 光端机把电信号转换成光信号在光纤里传输， 井下光端 机将光信号转换成电信号送井下光端机， 再将数据与语 音分开。数据信号通过井下光端机的 ＲＳ－ ２３２ 口送井下 传输接口， 由传输接口的输出送各种分站。语音信号通 过分线盒送各个话机， 监测数据和语音可实现双向传输。
…
冗余设备 本地工作站
线
器
１０／１００ Ｍｂｐｓ Ｅｔｈｅｒｎｅｔ
地面监控中心
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
ＳＣＡＤＡ服 务 器
ＣｏｎｔｒｏｌＬｏｇｉｘ网 关
光端机
井上以太控制网
阻燃光缆
光端机
井下 ＤＨ＋环网
视频分站
通用分站
语音分站
风电监测
瓦斯分站
图 ３ ＨＩＭＡＳＳ 安全监测监控系统结构图
监 控 系 统 地 面 部 分 由 Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ 公 司 的 ＰｌａｎｔＳｃａｐｅ ＳＣＡＤＡ 服务器、工作站、交换机、集线器、ＣｏｎｔｒｏｌＬｏｇｉｘ 网 关以及用于连接各设备的光纤和铜缆组成。为提高系统 的可靠性和安全性， 系统内服务器、交换机、工 作站都采 用冗余设置。考虑到系统的以太上层网网节点群之间的 距离比较远， 主传输光缆采用两条， 从而进一步从物理连
ＫＪ９５ 煤矿 综 合 监 控 系 统 主 干 网 络 采 用 光 纤 传 输 数 据， 为矿井监测监控提供了高速的信息传输通道。但是， ＫＪ９５ 系统采用专用通信协议， 与其它系统间联网困难，
局级中心站 矿级中心站
模拟盘 地 面 显示 中 心 打印机 站
地面分站
监测主机 分配器
调试电话主机
ＫＴＧ１ 光端机
【Ａｂｓｔｒ ａｃｔ】 Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ， ｓａｆｅｔｙ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ｃｏａｌ ｍｉｎｅｓ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅｉｒ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ． Ｔｈｅｎ， ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｔｒｅｎｄ ｏｆ ｓａｆｅｔｙ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｃｏａｌ ｍｉｎｅｓ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｆｉｎａｌｌｙ， ａ ｓａｆｅｔｙ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍｓ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ， ｗｈｉｃｈ ａｄｏｐｔｓ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｏｆ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｅｔｈｅｒｎｅｔ ａｎｄ Ｆｉｅｌｄ Ｂｕｓ ｔｏ ｂｕｉｌｄ ａ ｈｙｂｒｉｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｎｅｔｗｏｒｋ． 【Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ】ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ； ｃｏｎｔｒｏｌ； ｍｉｎｅ； ｓａｆｅｔｙ
监 控 系 统 井 下 部 分 采 用 Ｒｏｃｋｗｅｌｌ 公 司 的 ＤＨ＋网 。 ＣｏｎｔｒｏｌＬｏｇｉｘ 网 关 为 Ｒｏｃｋｗｅｌｌ 数 据 高 速 公 路 ＤＨ＋和 连 接 至 ＳＣＡＤＡ 服务器的以太网 ＴＣＰ／ＩＰ 之 间 提 供 数 据 转 换 ， 为模块化机架式结构， 可支持多个 ＤＨ＋网和以太网模件。
＊ 国家科技型中小企业创新基金资助项目， 立项代码： ０２Ｃ２６２１３２０００５６； 中国矿业大学青年科研基金资助项目， 立项代码： ０Ｃ４４６４
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２００６ 年第 ２ 期（ 总第 ２８４ 期）
Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ＆ ｐｒ ｏｊｅｃｔ ｏｆ ｖｉｄｅｏ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ
后输出给相应的监测、监控系统或电话交换系统。１６ 路 视频信号占据 １０～１２０ ＭＨｚ 频段， 单向上行， 送给相应的 监视器显示。数据信号则通过无线调制解调器将信号馈 入漏泄电缆进行传输， 漏泄通信系统还具有对井下人员 和设备的跟踪能力， 利用固定在设备上或人员矿灯中携 带的无线信标器和巷道中接收器的组合来实现对目标的 跟踪， 通过漏泄电缆传输将有关信息传输到地面。利用这 些数据， 生产调度软件可实现生产的优化调度与管理。
２ 矿井监测监控系统现状
井下可用的传输介质较为单一， 能适合传输较高信 息速率的介质主要有光纤和漏泄电缆， 因此， 目前国内、 外 的 矿 井 监 测 监 控 系 统 多 采 用 此 两 种 传 输 介 质［４］。 ２．１ 漏泄通信综合传输监测系统
漏泄通信综合传输监测系统如图 １ 所示［５］。矿用漏泄 通信监测监控系统在 ２０ 世纪末由加拿大矿通等 公司生 产， 代表了当时国际上矿山井下移动通信和综合业务传 输和监测的先进水平。系统提供 ３２ 路语音／数据通道和 １６ 路单向模拟视频通道， 能够实现煤矿各种信号的综合 传输。漏泄系统的中心是前端单元， 从前端单元引出 ４ 条 漏泄电缆， 可分别送到井下不同的作业面， 也可接地面天 线， 实现地面移动通信。漏泄电缆上每 ３５０ ｍ 需加一中继 器。在前端单元中， ３２ 路下行信号经频分复用（ ＦＤＭ） 调 制 在 １４８～１５９ ＭＨｚ 频 率 范 围 内 ， 送 入 漏 泄 电 缆 下 行 传 输； ３２ 路上行信号占用带宽为 １６３～１７４ ＭＨｚ， 经解复用
ＨＩＭＡＳＳ 系 统 为 国 内 本 世 纪 初 引 进 的 美 国 Ｈｏｎｅｙ－ ｗｅｌｌ 公司集成的煤矿监测监控系统［６］。该系统采用实时的 网络化结构， 地面为以太网和 ＤＨ＋网， 井下为 ＤＨ＋网 ， 代 表了当前矿井安全监测监控的最高水平。其配置结构如 图 ３ 所示。
局级中心站
矿级中心站
分控监控中心 集
DOI:10.16280/j.videoe.2006.02.020
视频技术应用与工程
文章编号： １００２－ ８６９２（ ２００６） ０２－ ００７８－ ０４
矿井安全监测监控系统 ＊
·综述·
程德强， 李世银， 李 鹏， 田 隽， 庞 平 （ 中国矿业大学 信息与电气工程学院， 江苏 徐州 ２２１００８）
ＣＨＥＮＧ Ｄｅ－ ｑｉａｎｇ， ＬＩ Ｓｈｉ－ ｙｉｎ， ＬＩ Ｐｅｎｇ， ＴＩＡＮ Ｊｕｎ， ＰＡＮＧ Ｐｉｎｇ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｃｈ， Ｘｕｚｈｏｕ Ｊｉａｎｇｓｕ ２２１００８， Ｃｈｉｎａ）
随着网络和通信技术的发展， 国外新推出的矿井监 测监控系统均采用基于开放系统互连标准模型的集散系 统 结 构［３］。系 统 由 现 场 测 控 分 站 和 控 制 中 心 主 站 组 成 。分 站可以脱离主站自动实现就地监测和控制功能； 主站主 要 负 责 监 测 数 据 的 收 集 、存 储 、显 示 、报 警 、处 理 、分 析 和 报表打印等。系统支持多种互连标准， 任何集散测控分 站， 只要遵循这些规程， 就能够与其它分站或其它监测监 控系统相连， 方便地组成多节点的安全监测监控网络， 实
目前， 为煤矿井下安全使用了如下监控系统： 工作面 综合监测系统、瓦斯等环境参数监测系统、通风监测系 统 、设 备 运 行 参 数 监 控 系 统 、皮 带 集 控 系 统 和 束 管 监 测 系 统等。这些安全生产监测监控系统多为封闭系统， 系统中 使用的通信协议和信息交换标准都是由厂商自己制定 的， 严格保密， 互不兼容。而且， 网络结构和通信模式多 样， 不同系统间联网困难， 难以做到数据共享， 造成设备 的重复投资， 由于每种系统都需要建立自己的通信网络， 电缆（ 光缆） 的重复敷设、维修人员的重复设置， 造成企业 资源配置不合理， 并且系统的可扩展性受到限制［２］。
程控 交换机
数据接 收单元
视频 监控
地面天线
前 端 单 元
复用 解复用 解复用
１４８￣１５９ ＭＨｚ １６３￣１７４ ＭＨｚ １０￣１２０ ＭＨｚ
安 全 栅
接 收 模 块
漏泄电缆
地面
分支器 井下
中继
终端匹配单元
图 １ 漏泄通信综合传输监测系统
目前， 国际上使用的这种漏泄通信监测监控系统尚 属于频分复用模拟通信系统， 数据、语音和视频信号直接 调制某个载频后送入漏泄系统进行传输。由于各个通道 指定用于固定的设备， 因此， 频道利用率不高。目前也应 用于煤矿井下移动信息的综合监测。
井下 ＤＨ＋网为环行结构。主干网以光纤为主， 分支 则采用铜缆， 这样设计既保证了系统安全和数据的准确 传输， 又适合井下分站需要移动的特点。信息采用时分制 半双工基带传输， 速率≥５７．６ Ｋｂｐｓ。由 ＣｏｎｔｒｏｌＬｏｇｉｘ 网关 至最远分站的距离可达 ２５ ｋｍ， 无需设中继。主干网上各 节点（ 分站） 之间为无主工作方式， 能实现对等通信。