煤矿多监控系统并网运行协议的设计

孙彦明，宋正杰

（贵州大学贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室， 贵州贵阳 550003）

煤矿多监控系统并网运行协议的设计

孙彦明，宋正杰

（贵州大学贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室， 贵州贵阳 550003）

现有煤矿井很多安全监控系统与人员定位系统互不兼容，造成了资金和设备的浪费，且不利于矿井数字化的建设。针对该问题，提出了多监控系统的并网运行。主要采用了通信服务器作为主机与分机的连接枢纽，来协调各个主机与井下分机的通信顺序，从而达到并网运行的目的。

煤矿安全；多监控系统；并网运行；通信协议

为了保证我国煤矿的安全生产，加强安全监控势在必行。然而目前矿井现有的每个监控系统的协议均互不兼容，由此造成各个监控系统互不联系，都存在独自的一套主机与分机的通信线路，进而造成煤矿大量资金和设备的浪费，且使煤矿的监控效率大大降低，影响工人的安全。因此，建立综合安全的监控系统，实现多监控系统并网运行是提高我国采煤安全的必然趋势。本文主要讨论通过关键部件“网关”的使用，使得多个监控系统的主机可以对总线进行分时复用，进而实现多监控系统的并网运行。

1 并网运行的方案研究

1.1 并网运行的原理

煤矿存在很多种监控系统，每个监控系统都有独立的主机与分机通信线路。如果通过一个通信服务器，将各个监控系统的主机与分机的通信线路统一，使其主机调取分机数据时可以共用一套通信线路，即解决了并网的问题，使煤矿监控系统多元化、简单化。多元化是指在煤矿可以安装更多的监控设备，而无需单独铺设主机与分机的通信线路；简单化是指多监控系统统一在一块，使设备更加简单、操作更加简单。

1.2 并网运行方案设计

1.2.1 方案综述

要使所有主机共用一套通信线路，从而达到主机与分机的自由通信，关键在于如何解决所有监控系统相互之间协议的不兼容问题，即当所有的主机同时要求与分机进行通信时，由于通信线路的限制，只有一定的主机能够与分机进行通信，这时就要限制主机与分机的通信数量，采取主机之间互相协调的方法，按照请求到达的时间、交替的顺序或任务的重要程度等原则，使主机之间分时通信、分步通信。本文采用合用通信网关的方案。

1.2.2 方案设计

该方案的通信网关可理解为一个公共服务器，通过它把所有监控系统的主机与分站连接起来，从而控制各个主机之间的通信顺序。如图1所示，主机1与分站进行通信时，可以把主机1的命令通过服务器传给相应的分站，类似，分站也可以通过服务器把相应的数据传给主机1。主机2与主机1的通信过程相似。该过程中，各个主机之间要按照上面提到的相应原则进行通讯，以避免所有主机都进行通信时导致的通信线路阻塞，从而给煤矿安全带来隐患。

由上面的分析可知，主机通信要事先向通用服务器进行申请，这时，通信服务器就处于被动的地位，要制定相应的被动控制协议。与之相反，当通用服务器处于主动地位时，就是服务器主动发送提供服务的信号给各个主机，然后各个主机再按照一定的原则通过通信服务器与分机进行通信，这时要制定的协议就是主动控制协议。

图1 合用通信网关结构

（1）主动控制协议。服务器分别给人员定位和安全监控2个主机发送服务器空闲的信号（令牌），当收到其中的一个服务请求时，就转而给相应的主机提供服务，服务结束，就重新发送服务器空闲的信号。在这个过程中，服务器可以提供一定的缓冲区，当正在执行一项任务时，其他要求执行的命令可以在缓冲区内暂时排队等待，这其中既包括上次没有执行的命令，也包括主机新发送过来的命令。协议的具体制定中，为了控制总线上的协议收发，可以采用一种简单可靠的方法，就是令牌协议，从而实现无碰撞的双向通信，在较低的硬件成本下提高系统的通信性能。

（2）被动控制协议。当人员定位与安全监控2个主机要求与分机进行通信时，就发送服务请求信号给通信服务器。服务器按照先前提到的原则，转而为相应的主机进行服务。在这个过程中，服务器处于一种被动状态，2个主机处于主动状态。类似主动控制协议，在这里也应该提供队列缓冲区。

在被动控制的协议制定中，可以采用主机请求，通信服务器应答的方式，类似ACK报文的方式，实现无碰撞的双向通信。在这个过程中，如果服务器是在主机的请求后立即应答，但过一会才会发数据给主机，这个过程中通信线路一直畅通，处于非阻塞式。相反的，通信服务器不立即应答主机的请求，而是在完成主机要求的数据发送后，才应答，这个过程中线路一直为1个主机服务，处于阻塞的状态，可以称为阻塞式。

2 并网运行通信协议初步设计

实现并网运行的方式是：每隔一段时间，通信服务器都要向主机发送服务器空闲的信号，然后需要服务的主机就按照要求与服务器取得联系，建立连接，实现与分机的通信。由此知，可以采取现实中经常采用的令牌协议，各个主机谁取得令牌，谁就可以实现与分机的通信。

2.1 主动控制协议帧结构

帧结构如图2所示。

图2 主动控制协议帧结构

（1）起始标志：SOH。这个是数据传输的起始标志，代表新的数据开始传输。

（2）1：命令字。帧包括数据帧和控制帧，这里通过命令字的改变来达到数据帧和控制帧的转变。现设置命令字为0时，上面帧传送的是数据，命令字为1时，是通信服务器传给主机的令牌帧，命令字为2时，通信服务器强制收回令牌的控制字，命令字为3时，主机交出令牌帧。

（3）2：源地址。这里主要是显示令牌发出的地址，当主机重新收到令牌后，发现源地址与自己的地址一样，就收下令牌中的数据，从而实现与分机的通信。

（4）3：目的地址。主要是主机发送令牌所要到达的分机的地址。当分机收到令牌后，与自己的地址进行比较，如果一致，收下令牌，按照要求把相应的数据添加的数据栏，然后发送给主机。如果不一致，发送给下一个分机。

（5）4：数据。主要是添加所要发送的数据。这里的字节长度可以变化，以实现最优的发送效率。

（6）5：校验位。主要是实现最大的无差错发送。可以采用多种校验方式，比如数据长度，循环冗余检验等等。

（7）6：结束标志EOT。表示数据传输已经结束。

主动控制协议实现过程为：通信服务器把命令字设为1，然后把令牌传给主机。主机收到后，把命令字改为0，构建校验方式，然后传给通信服务器。通信服务器收到主机发送来的令牌，按照令牌上的目的地址发送给相应的分机，这个过程中通信服务器不对令牌数据栏中的数据进行解析，以实现透明传输。当分机收到令牌以后，将目的地址与自己的地址进行比较，当目的地址与自己的地址一致时，就按照要求把相应的数据添加的数据栏，重新发送给主机。当地址不一致时，分机就把令牌发送给下一个分机。与此相类似，通信服务器把令牌传给相应的主机，主机收到令牌后进行校验，如果验证正确，就收下数据，然后把命令字改为3，最后把令牌发送给通信服务器。当然，由于多种原因，数据在传输过程中也可能出错，如果主机在收到令牌后发现校验位错误，就可以把数据扔掉，并按原来的步骤重新发送令牌，要求分机重新发送数据。

这样就实现了总线的分时复用，一方面可降低对管理设备的压力，另外当一些设备出现故障时，可以使网络自行修复。通过自行设计的协议，也可以根据工作环境对网络参数进行修改使其更适合实际情况。

2.2 被动控制协议帧结构

可以采用类似UDP协议，通信之前，主机把命令发送给通信服务器，通信服务器如果进行服务，就给主机返还ACK，如果不进行服务就返还NACK。当进行服务时，主机过一段时间收到分机返还的采集数据后，才会把数据传给主机。

被动控制协议帧结构如图3所示。

图3 被动控制协议帧结构

3：序号，代表主机传出数据的第一个字节的序号，以利于分机确认，实现无差错传输。

4：确认号，ACK／NACK。主机只有在收到通信服务器传回的确认信号ACK之后才可以传输数据，这时候通信服务器发现确认号是ACK，就把主机的命令传给分机，发现确认号是NACK时，通信服务器就禁止该命令的传输。

其余同主动控制协议帧结构。

被动控制协议实现过程为：在非阻塞式协议中，通信之前，主机把命令发送给通信服务器，然后通信服务器按照相应的原则给某个主机发送ACK同意信号。这其中有一个很重要的问题是，当通信服务器发送ACK信号后，并不立即把相应的数据传给主机，而是在分机把数据传过来后才发送给主机，在这个过程中，其他的主机仍然可以发送服务请求信号。因此此时线路并不是专为某一个主机服务，始终处于非阻塞的状态，从而可以最大限度地实现线路的利用，提高设备的利用率。

3 结 论

为了提高我国煤矿的采煤安全，加强安全监控势在必行。现在很多煤矿大都安装了多套监控系统，如人员定位系统、安全监控系统等，如何更好地融合这么多系统，使其能够同时更高更安全地运行，是现在亟需解决的重要问题。本文大体介绍了并网运行的主要思想以及部分通信协议的设计，重点提出了通信协议的设计，认为其是并网运行的重中之重。

［1］张 凯，尹洪胜.基于CORBA的煤矿监控系统集成研究［J］.煤炭科学技术，2008（2）：71－73.

［2］华 钢，杨 佳，李锦涛.煤矿安全监控系统统一通信协议［J］.煤炭科学技术，2006（7）：20－22.

［3］王红尧，华 钢.煤矿监控系统接入网关的研究［J］.工矿自动化，2006（1）：24－26.

［4］刘西青.论国内煤矿瓦斯监测监控系统现状与发展［J］.山西焦煤科技，2006（3）：37－40.

［5］张 鹏.智能井下分站的实现［D］.济南：山东大学，2008：35－37.

［6］贾建华，罗 勇.煤矿监控系统组态软件的开发［J］.煤矿安全，2009（12）：71－74.

［7］安吉宇，张 彤，张国伟.基于GPRS的无线煤矿监控系统的设计［J］.工矿自动化，2009（2）：54－56.

2011－08－29）

孙彦明（1987－），男，安徽宿州人，在读硕士研究生，从事矿业系统工程方面的研究，Email：xiaobaocumt＠163.com。