以太网下的煤矿安全监控系统

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摘要：针对现阶段煤矿安全监控系统中存在的主要问题进行详细论述，进而探讨基于以太网的煤矿安全监控系统所具有的积极现实意义，并重点阐述了基于光纤传输介质的工业以太环网所应具备的基本架构及相应的整体设计。引入以太网来完成对煤矿的安全监控系统的升级和优化，是解决井下安全监控系统数据传输问题的有效途径。

关键词：以太网；光纤；煤矿安全；监控系统；架构及组成

引言

在智慧矿山建设发展需求的指引下，我国煤炭行业的信息化水平在持续完善中，以先进的传感监测设备和信息通讯网络为基础的安全监控系统作为煤炭开采生产过程中重要的实时监控与管理方式，在提高生产效率、预警安全隐患等方面的积极作用不容置疑。然而由于缺乏统一的行业标准以及纷乱的监控子系统网络布局等因素的影响，目前大多数煤矿的安全监控系统面临子系统间信息无法共享、兼容性差、预警和应急联动有效性欠佳、系统维护难度大等突出问题。根据2020年开始实行的最新版《煤矿安全监控系统通用技术要求》（以下简称为《技术要求》）中的规定，安全监控系统应能够动态显示实时数据，且数据应实现融合联动，从而达到多系统的融合[1]。基于以上要求，引入以太网来完成对煤矿的安全监控系统的升级和优化可以有效地帮助安全监控系统实现易扩展、实时性强等特点，保障其安全有序地运行。

1.现阶段煤矿安全监控系统中存在的主要问题

目前，通过对国内煤矿所采用监控系统进行汇总分析可知，其所采用的主流架构为集散型控制结构，时分制通讯为主流技术，主要是由井下监控分站将传感器及执行器采集的信息通过阻燃通信线缆传输到数据传输接口，并由地面的监控主机通过主从式地逐个巡检来开展数据交换。井上监控中心最终只有一台监控主机利用现场总线形式与井下监控分站实现双向数据传输，其余均为监控备用机。现有的煤矿安全监控系统组成图如图1所示，常见的通讯模式有RS485、FSK总线形架构等。分析该种通讯架构可以清晰地看出，现阶段煤矿安全监控系统中存在的主要问题有：（1）随着《技术要求》中对矿井监控内容的日益细化，信息采集设备逐渐多样化和规模化，安全监控系统的反应速度已随之出现明显的降低趋势，即串口轮巡周期在不断增长，不符合最新版的《技术要求》中对巡检时间所做出的相关规定。（2）伴随着煤炭生产企业生产规模和采掘范围的扩大，井下巷道环境也愈发纷乱，对数据传输技术的稳定性以及传输速率等方面的要求也日益严格，现阶段的煤矿安全监控系统架构无法有效实现传输速率的提升，且其使用的传输电缆在井下的恶劣环境下，不仅极易遭受损坏，而且其抗干扰能力较弱，容易出现误报警的现象，数据传输的稳定性欠佳。（3）现阶段的煤矿安全监控系统架构在冗余设计方面存有较大的缺陷，数据传输的主干线路一旦出现故障，将直接造成监控系统的失效，数据传输的可靠性受到了很大限制。（4）由于缺乏一致的通讯技术协议，多类监测子系统的数据孤立，数据、语音、图像等的集成程度欠佳，不利于综合分析和应急联动的开展，系统的兼容性差，不符合《技术要求》中要求实现多网、多系统融合的设计理念，且各自分立的系统会导致矿井里的网络布局出现混乱，系统维护成本有所增加。

2.于以太网的安全监控系统的意义

工业以太网在数据传输速度、稳定性以及抗干扰性等方面的显著优势，是基于TCP/IP的一种符合IEEE802.3标准的开放式高性能网络，基于其可建立互联性强与兼容性高的通讯网络[2]。由于煤炭生产企业的安全监控目标分散且井下监控布局复杂，工业以太网可在恶劣环境中实现高传输、远距离状况下的便捷远程数据访问。针对目前采用集散型控制结构的安全监控系统所存有的缺点，构建基于以太网的安全监控系统将会在数据传输稳定性以及监控子系统的数据综合集成方面拥有较大的改进和完善。虽然工业以太网在现场通信方面会表现出实时性不强的劣势，但是以工业以太网为主体架构并使用光纤作为传输介质可有效弥补其在数据传输方面的不足。光纤通讯凭借其通信容量大、传输距离远、传输质量佳等优点，可帮助光纤以太网传输系统更快地实现与井下监控分站的数据交换，从而帮助地面的监控中心实时掌握井下各类监控设备的实际运行情况。构建基于以太网的安全监控系统，对提高矿山的信息化管理水平以及安全生产能力有着重大意义。

3.于以太网的煤矿监控系统

(1)基于以太网安全监控系统的构架及组成将工业以太网应用于煤矿安全监控系统中，主要是以以太环网为通信平台，并以阻燃传输光缆作为通讯介质，从而实现各监控分站就近连接相应的环网交换机以便开展数据传输，其系统架构图如图2所示，其基本架构可划分为3个层次，即地面层、控制层和设备层。地面层是监控系统的核心，由监控主机、监控备用机与2台冗余设计的核心环网交换机一起完成对井下监控设备真实情况的实时查看、统计分析，从而为安全管理决策提供数据支持。控制层要基于以太环网接受井下设备所传输的信息和地面控制中心所下达的指令，并对数据进行预处理及通讯操作。设备层是由各类承担着数据采集和信息监控的基础设备组成。图2所示的基于以太网的安全监控系统架构拥有以下几点优势：①以光纤为传输介质，以以太环网为通讯平台，可防止引发传输系统链接故障，同时为提高监控数据传输速率和实时性提供了基本保障，有利于实现多串口并发巡检从而有效降低巡检周期。②该架构可提供冗余链路，如图3所示，在环网线路出现故障时，该架构可直接调整到用备份链路进行数据传输，有效地实现冗余恢复，进而保障了线路的稳定性和传输的连续性。③该架构下若调整各类子监控系统的通讯协议遵守TCP/IP，则有利于各类子监控系统的集成及信息共享，从而提高安全监控系统的开放性[3]。(2)基于以太网的安全监控系统的整体设计基于以太网的安全监控系统采用多层分布式体系，各层的含义如表1所示。其中表示层为与人员的交互层，主要为信息的显示和输入等，但不能在该层面对数据库服务器进行直接访问。业务逻辑层主要是根据业务逻辑来加工处理相应数据[4]。数据层是将以太网络传输的数据按照一定格式保存于数据库中。传输层主要进行数据的双向传输。物理层则代表各项数据采集和传输装置的总和。

4.结语

基于以太网的煤矿安全监控系统对提高矿山的信息化管理水平以及安全生产能力有着积极的促进作用，有助于改进目前主流安全监控系统所面临的串口轮巡周期在不断增长、数据传输稳定性欠佳、冗余设计不完善、子系统间信息无法共享、兼容性差、系统维护难度大等突出问题，为煤炭生产企业的信息化建设提供了可靠的传输平台。

参考文献

[1]AQ6201-2019.煤矿安全监控系统通用技术要求[S].

[2]鲁远祥,樊荣.煤矿安全监控系统体系架构技术的发展[J].矿业安全与环保,2009,36(S1):177-179.

[3]刘旭.浅析工业以太环网在煤矿安全监控系统中的应用[J].企业科技与发展,2018(09):162-163.

[4]中国煤炭教育协会职业教育教材编审委员会.煤矿安全监测监控技术[M].北京:煤炭工业出版社,2011.

作者：于霞 单位：同煤集团四台矿电气队