煤矿远程监控矿端数据适配器的研究与应用

李逸　杨百顺　凌志迁　吴强　高俊

(四川省安全科学技术研究院,四川成都　610045）

煤矿远程监控矿端数据适配器的研究与应用

李逸杨百顺凌志迁吴强高俊

(四川省安全科学技术研究院,四川成都610045）

针对煤矿瓦斯监控数据链路层提取实时数据以及上传数据技术和管理的不足,提出了新型的监控方式和数据保存上传方式,统一了监控平台的接口,研发了新型的煤矿远程监控矿端数据适配器,新系统具有以下特点:(1）从煤矿瓦斯监控单井系统的数据链路层提取瓦斯等基础实时数据,直接上传到煤矿远程综合监控平台,防止单井系统主机对基础数据进行修改。(2）为各类煤矿瓦斯监控单井系统提供了与煤矿远程综合监控平台的统一接口。(3)具有在单井系统数据链路故障后仍能上传基础数据的功能,能在煤矿掉线后,保存一小时实时数据,并在掉线恢复后把历史数据直接上传到煤矿远程综合监控平台,实现掉电数据的还原。

数据适配器环境测试单井系统传输FPGA高带宽

煤矿生产中的瓦斯突出和爆炸事故，伤亡数量大，国家和人民的生命和财产遭受重大损失，社会影响严重。

煤矿井下的生产特点主要是作业面长、井下人员、采掘设备分布散、流动性强，一条巷道短则几百米，长则几千米，管理难度很大，分布状况难以及时掌握，而且瓦斯灾害、水灾、火灾和顶板冒落等四类重大灾害时有发生。通过对我国统配煤矿近几年49起重大瓦斯事故的分析，瓦斯爆炸发生地点分布为;煤巷掘进工作面30起，占61%;采煤工作面14起，占29%;其他5起，占10%。因此，煤矿生产中的安全监测尤其是对瓦斯的监测是至关重要的，国内煤矿瓦斯监测已经逐步由各类监测系统来完成[1-5]。

随着煤矿生产规模的扩大，加强对瓦斯的监测对预防重大事故的发生显得非常迫切。

1　监控联网系统

1.1问题提出

图1　最大工作湿度试验设备运行记录

图2　振动试验图谱

系统经过近几年的运行维护，各项功能已经能比较好的支持各级监控平台对其所管辖区域内各个煤矿的日常监控工作，但目前系统在基础数据的提取上还存在比较大的问题，在2011年3月至5月三个月的时间内，全省各个监控平台反馈过来的由于接口数据不正确导致的系统问题就有24条之多，其中，误报警12条、传感器类型错误5条、数据不能正常上传7条。目前已经面临解决系统基础数据提取的准确性和稳定性问题，只有保证了基础数据的实时不间断性和真实性，煤矿远程监控综合管理系统才能发挥其安全监控的作用，为各级监管部门提供有力的监控手段和数据挖掘平台，为各地煤矿的安全生产提供强有力的支撑。

目前，国内外所有煤矿瓦斯监控联网系统所采取的联网方式都是通过有线或无线网络，以软件收发的方式实现数据的上传，针对多样化的煤矿瓦斯监控单井系统(以下简称“单井系统”），煤矿瓦斯监控联网系统直接使用各个单井系统所提供的接口来提取单井系统中的各项数据，这就需要各个单井系统必须按照统一的接口协议来实现系统接口。而利用各个单井系统提供的接口，必须满足以下几个前提:(1）接口协议必须统一，且必须符合瓦斯监控联网系统的标准;(2）必须保证接口所提供的数据时真实有效的，且单井系统使用者不能对接口所提供的数据实施控制。

图3　纵向轴正方向冲击试验图谱

图4　纵向轴负方向冲击试验图谱

而目前煤矿瓦斯监控联网系统的现状是:(1）单井系统种类繁多，而同个型号的单井系统的软件版本也比较混乱;(2）部分单井系统厂家已经不提供售后服务;(3）部分单井系统软件具有对接口数据实施控制的功能。

这就导致了煤矿瓦斯监控联网系统目前运行的诸多问题:(1）具有统一的接口协议，但大部分单井系统都没有完全符合接口协议;(2）联网系统和单井系统在数据一致性上存在部分问题;(3）单井系统接口问题不能得到及时解决。

1.2新系统的改进

通过分析以上已经存在的问题，以及通过合理的现场试验，该系统直接从单井系统数据链路层提取基础数据上传到远程综合监控平台，从而解决从根本上解决数据的一致性问题，提高煤矿瓦斯监控联网系统的可靠性，为各级监管部门提供有效监管手段和数据挖掘平台，为煤矿的安全生产提供支撑。

主要对KJ90等煤矿瓦斯监控单井系统中的各类传感器输出信号进行了煤矿现场调研和深入分析，包括甲烷传感器、温度传感器等，了解了各类传感器的输出特性，信号传输方式，采集方式，各类信号的特点等;以及对该系统中的分站/基站、数据接口的输出与输入信号进行了分析，通过多次现场测试、数据比对等方式，研究并确定了其传输协议;以及通过对煤矿瓦斯监控单井系统数据传输协议的分析，采用嵌入式技术，研发了煤矿远程监控矿端数据适配器，实现了对单井系统链路数据的实时监听，并上传到远程监控平台;并且还设计兼容各个单井系统的接口软件，根本上解决了历史遗留问题[6-7]。

在技术层面上主要做了如下工作:(1）煤矿瓦斯监控单井系统协议解析:本项目产品利用FPGA高带宽、并行处理的特点，融合嵌入式设计技术，对单井系统传输数据进行多任务算法运算，实现了多路数据的实时解析。(2）参数远程配置:利用h ttp技术，可通过Internet远程对适配器的各项参数进行配置，包括地址、煤矿编号、数据上传周期等，配置完成后，产品自动重启，生效新的配置。(3）掉线数据保存及恢复:在产品运行过程中，如果出现监控平台服务器故障等原因导致单井系统掉线等情况，产品仍可以继续按设定的时间间隔截取通信信号中的有效字段，并存储到自带非易失性存储空间中，完成长达1个小时的数据存储，在网络恢复正常后，优先上历史数据到监控平台，实现掉线数据的还原。

2　新型远程数据适配器的可靠性分析

2.1煤矿远程监控矿端数据适配器环境测试分组

考虑到以后良好的推广，因此对于煤矿远程监控矿端数据适配器进行环境测试，分组情况如下:(1）恒定湿热试验测试;(2）扫频振动试验测试;(3）冲击试验测试。

2.2环境测试试验

2.2.1恒定湿热试验测试报告

试验要求:让试验样品处于不包装、不通电、“准备使用”状态下，按其正常位置放入试验箱内，然后对试验样品进行加电，使其处于正常通电工作状态，然后以≤1℃/m in的温度变化率将箱温调节至40℃，当样品打到温度稳定后，再加温至相对87～92%，将样品放置48小时，期间观测试验样品通电工作情况进行观测。将试验箱内的相对湿度在0.5h内降低至75±3%，再以≤1℃/m in的温度变化率将试验箱内温度降至常温后对试验样品进行观测(图2）。

试验结果各项数据均为正常。

2.2.2扫频振动试验测试报告

试验要求:将不包装、不通电的试验样品按其正常工作位置安装在振动设备上，按10Hz～150Hz，振幅:0.15mm，扫频速率:1倍频程/m in，单方向振动:5次的要求进行振动试验，完成后进行观测。试验结果各项数据均为正常。

2.2.3冲击试验测试报告

试验要求:将不包装、不通电的试验样品按其正常工作位置安装在试验设备上，按峰值加速:300m/s2，脉冲持续时间11m s的要求进行试验进行观测（图3、图4）。

试验结果各项数据均为正常。

综上所述，该新型煤矿远程监控矿端数据适配器环境测试均合格，具有能够适应各种地下艰苦环境以及应对紧急情况的能力。

3　新型远程数据适配器的试用

由于煤矿安全生产形势严峻，四川省安监局针对安全生产事故频发和安全监管监察技术支撑能力不足的情况，于2011年对“煤矿远程监控矿端数据适配器”展开转向支持。此设备符合国家安全生产“十二五”规划和煤矿安全生产“十二五”规划对“安全生产监督监察和管理”的要求。

经过一年多的技术攻关及测试工作，2012年10月由四川省安全科学技术研究院研制、四川九洲电器集团(国有军工企业）产业化的JZ-DA 01“煤矿远程监控矿端数据适配器”正式发布。

经四川省乐山市犍为县安监局和四川省泸州市泸县安监局的积极协调，由四川省安全科学技术研究院、四川九洲电器集团共同参与实施了“煤矿远程监控矿端数据适配器”在犍为县滴水岩煤矿和泸县锦运煤矿的试用工作。截止2013年3月31日，经过6个月的试用，“煤矿远程监控矿端数据适配器”各项指标正常，能准确解析传输接口数据，极大提高了煤矿单井基础数据提取的准确性和可靠性，为单井基础数据传输的时间不间断性和真实性提供了一种技术可能，并能够对煤矿基础数据的灾备提供有效的技术支持。

经使用，两个煤矿的“煤矿远程监控矿端数据适配器”能较好支持相关政府部门对煤矿的监管工作。

4　结语

(1）分析对比了新老两代远程监控系统的不同之处，指出新型煤矿远程监控矿端数据适配器的优势和创新之处:

项目应用创新性体现在:①兼容现有煤矿远程监控综合监管平台。②1U机箱设计，适合多种机柜放置。③优化的电路设计，以降低设备功耗，良好的散热结构设计，可以确保设备稳定工作。④支持远程参数配置和维护，从而降低设备维护工作量，提高生产效率。

项目技术创新性体现在:①直接从单井系统数据链路上采集数据，不会对现有单井系统产生任何影响。②具备掉线数据备份和恢复功能，能够在煤矿掉线后自动保存数据，并在网络恢复时自动将监视数据上传到远程监管平台，确保了煤矿基础数据的完整性，便于灾后数据分析，事故查找。③在设备总体方案设计时充分考虑今后可能升级的功能和新业务支持，选用了CPU+FPGA的架构，便于系统扩展。

(2）通过三种工况的环境测试分析，适配器分别在恒定湿热试验测试、扫频振动试验测试、冲击试验测试中都取得了合格的测试成绩，证明了该适配器能够应付大多数的恶劣条件。并且在实际试用上也取得了较好的效果回馈。

(3）本项目在研发上取得了成功，产品经过现场试用，稳定可靠，但要进行批量推广还存在如下问题:

①产品虽经过多个煤矿试用，但试用面还不全面，后继需争取协调一个县或市作为试点，以全面验证产品适应性。②兼容协议还不够全面，需要进一步兼容更多的协议，以覆盖四川全境煤矿单井系统，如果本项目前期推广顺利，后继再行立项开发。

[1]梁飞.煤矿井下瓦斯数据现场总线传输技术研究[J].太原科技, 2007,11;89－90.

[2]廖平.基于CAN总线的煤矿井下风机监控系统实现[J].现代电子技术,2007,27(4);177－180.

[3]徐钊.矿井综合业务数字网汇接适配器的研究[J].中国矿业大学学报,1998,22(3);386－389.

[4]汪俊琦.EXCELL2000G测井系统与PC机的数据快速传输[J].石油和化工设备,2010(1);57－58.

[5]詹林.煤矿井下隔爆开关CAN总线接入的设计及实现[J].煤矿机械,2006,27(1);100－102.

[6]陆宾礼.智能数据适配器的研究与应用[D].浙江工业大学硕士学位论文,2013.

[7]金蓉.基于 GIS 的嵌入式煤矿安全监测及调度系统的研究[D].西安科技大学硕士学位论文,201 0.

李逸(1988—）,男,重庆铜梁人,重庆大学资源及环境科学学院采矿工程硕士。