刘儒晨

(河南煤业化工集团焦煤公司计讯处,河南省焦作市,454000)

TD无线数据采集系统在煤炭行业的应用实践

刘儒晨

(河南煤业化工集团焦煤公司计讯处,河南省焦作市,454000)

对传统数据采集系统在煤矿数据采集系统中的技术现状进行分析,提出了在基于TD无线网络系统覆盖的情况下,采用TD技术与传感器技术相结合的方式组成新型数据采集系统的系统解决方案,并介绍了系统的主要功能。

煤矿安全 数据采集 监控系统 数据分析

1 引言

随着国家对煤矿安全生产的重视,煤炭安全生产已成为人们关注的焦点,国家对煤矿安全生产预警、应急救援通信、信息化以及全程的监控网络也提出了更高的要求。井下通信系统必须既满足井下安全生产的需求,又满足地面生产、指挥、管理等各方面的需求。因此,监测井下瓦斯浓度、矿压等信息,把这些物理信息控制在安全范围内,是避免矿井事故的有效手段。

2 当前数据采集技术现状分析比较

由于煤矿井下环境恶劣,复杂多变,为了能够及时准确地将井下的情况反馈给地面的监控人员,要求数据采集和处理程序有较高的实时性和可靠性。现有的煤矿井下监测体系数据采集主要分为人工抄表、有线数据传输和无线数据传输3种方式。

2.1 人工抄表方式

人工抄表方式是指由人工操作进行煤矿井下的数据监测,它虽然比其他方式简便、直观、可靠、成本低,但是实时性比较差,适用于数据量较小的场合,对于比较危险的环境,会带来一定的安全风险。

2.2 有线传输方式

有线传输方式主要包括CAN总线、RS485等传输方式。它们虽然具有通信可靠、抗干扰性能好和传输距离远等优点,但采集系统大多采用预先布线的方式,扩展性差,布线繁琐,不能动态连接,不能随时改变采集地点。

2.3 无线传输方式

无线传输方式典型的是以Zigbee为代表的自组网传输方式,它虽然具有低功耗和通用性强的优点,但在传输距离和传输速率上有一定的局限性。Zigbee技术在地面上使用时效果较好,但是在井下由于空间狭小且有风门、机车等阻挡体,以及受巷道倾斜、表面粗糙、有拐弯和分支等因素影响,试验结果表明与地面上应用有较大差异,节点之间的传输距离只有地面上的几分之一,使用效果较差。

3 系统总体结构设计

无线传感器网络主要应用在感知战场状态、环境监控、物理安全等方面,可以实现自动状态监控,通过传感器感知环境信息并以TD无线网络传输给控制中心,当环境状态异常时实时上报状态变化,提高监控现场的安全性。

无线传感器网络主要由感知(传感器)模块、微处理器及存储器、无线收发器和供电模块构成。目前,3G技术已经应用至矿井,其覆盖范围可包括矿井内的各个场合。因此,采用先进的TDSCDMA无线传输技术对井下各安全生产指标进行数据采集传输,组成基于TD物联网的无线传感器网络,不仅传输速率快、传输距离远,而且具有维护方便、低功耗、价格合理等优点,非常适合煤炭井下检测系统。

TD无线传感器节点将传感器采集到的数据发送给控制中心,由控制中心进行数据的分析和处理。TD无线传感器主要特点为实现矿井下的环境监控,可以根据需要做大范围的部署和应用。

3.1 系统的主要功能

本系统包括TD无线传感器数据采集系统和数据分析系统两部分。TD无线传感器数据采集系统分为固定式和手持式两种,设备自动将采集到的矿井瓦斯浓度和矿压等数据转变为数字信号并通过TD网络输送给监控设备,设备具有显示瓦斯浓度、矿压值及超限声光报警等功能。

(1)数据本地显示。手持式TD无线传感器具有将采集到的数据本地同步显示的功能,方便直观地查看矿井中的采样值。

334 Effect of culture time of frozen embryo after thawing on clinical pregnancy rate

(2)声光告警。安装在井下固定式TD无线传感器具有本地声光告警功能,当监测到超过预设门限时会产生声光告警。告警门限可以通过监控系统进行远程设置。

(3)供电方式。固定式TD无线传感器采用外部电源直接供电,手持式TD无线传感器采用电池供电。

(4)监控功能。监控中心计算机根据传感器节点上报的传感器数据进行监控,监测矿井安全环境。

3.2 TD无线传感器数据采集系统

数据采集系统由计算机处理单元、TD无线传输单元、传感器接口单元和电源模块4部分组成。数据采集系统结构原理框图如图1所示。

图1 数据采集系统结构原理框图

3.2.1 计算机处理单元

计算机处理单元的功能包括:采集传感器数据,根据传感器的类型转换成对应的测量值,按照通信协议发送至TD无线传输单元;接收控制台的指令,按照指令进行相关处理。计算机处理单元由主处理模块、接口模块及声光告警模块组成。主处理模块选择ARM单片机作为处理CPU,芯片内部包含了FLASH及RAM,外部接口丰富,配置简单,价格低廉,可很好地与外部传感器或传输模块互连。接口模块提供扩展I/O接口和USB接口,方便连接其它外部设备。当检测量超过设定的门限时,声光告警模块通过声音报警电路和指示灯报警电路发出告警,及时告知检测人员做出反应,报警门限可以通过远程进行设置。

3.2.2 TD无线传输单元

TD无线传输单元的主要功能是为数据采集系统提供无线传输通道,将采集的数据信息传输至地面计算机,接收地面计算机(管理系统)发送的相关指令,转发给主处理单元。

联芯公司的LC6311系列模块是一款基于TD-SCDMA&GSM(GPRS)技术的双模无线模块,支持TD-SCDMA与GSM系统间跨网自动无缝切换,通过配置可以设置TD-SCDMA模式。在TD制式下,支持上下行非对称数据传输能力,上下行数据传输速率可分别达到384 kB/s。模块支持UART和USB两种通信接口,使用更为方便和灵活,可以满足不同主控设备的需求。模块采用2.9 mm装配高度的超薄设计,可以方便应用于智能手机和各类数据卡中。模块内部集成TCP/IP协议,可以方便连接互联网。

3.2.3 传感器接口单元

井下传感器可检测出井下压力、氧气浓度、瓦斯浓度等各种物理信息。支持的传感器输出类型包括模拟接口输出和数字接口输出。模拟接口支持标准电压输出类型和电流输出类型,通过隔离转换电路,将模拟电压(电流)信号转换为数字信号与主处理单元连接。数字接口支持RS232接口和RS485/RS422接口,通过隔离电路连接到主处理单元。

3.2.4 电源模块

电源模块提供系统的工作电压,该模块满足煤矿安全生产的要求,同时,在传感器模块没有单独电源的情况下,通过隔离电路对传感器提供工作电压。

3.3 TD无线传感器数据分析系统

在井下终端采集的传感器数据发送至地面计算机后,通过智能数据分析系统来对这些数据进行分析、预测,以及对数据进行查询、报表打印、数据可视化应用等。数据分析系统的功能需求如下:

(1)实时性。系统必须对当时所发生的各种事件做出及时恰当的反应,尤其是对于那些非正常的变化,必须立刻做出防范措施,并记录事件。

(2)可靠性。系统的设计应具有较高的可靠性,保证系统在运行中不发生或极少发生故障。在偶然事故及操作失误时,系统具有较强的自恢复能力,确保数据的准确性、完整性和一致性。

(3)可管理性。系统可以对TD无线传感器进行管理,对传感器工作状态进行监控,并可以远程设置报警门限和远程传感器的标定。

(4)安全性。系统可采取必要的措施保障系统运行的安全稳定,防止服务器被破坏、数据被窃取以及在联网情况下被病毒侵入。

(5)实用性。系统设计围绕着用户的实际需求,以实用、简便、经济、安全的原则来设计系统功能,以方便用户使用为标准,能够统一编码规则、统一界面风格。

数据分析系统采用C/S(客户机/服务器)模式。客户机端的功能是负责管理用户界面、接收用户数据、处理应用逻辑、生成数据库服务请求,然后将用户的这些请求提交给服务器端,再将服务器端返回的结果以特定的形式显示给用户;服务器的任务是接收客户端提出的服务请求,进行相应的处理,再将结果返回给客户端。客户端向服务器发送各种请求,服务器端根据发送的请求经过一系列的数据分析、处理后,向客户端反馈有用的信息,并在客户端以图形或文字的方式显示出来。该系统分为3部分,数据分析系统结构示意图如图2所示。

图2 数据分析系统结构示意图

3.3.1 系统客户端

系统客户端是TD无线数据采集系统的操作平台,客户端从数据库中提取有效信息,在操作界面上显示井下传感器信息,包括实时压力信息、瓦斯浓度信息和氧气浓度信息等,并对一些基本信息进行有效处理和分析。系统客户端基于Windows XP操作系统,使用Visual C++作为开发平台,采用C++语言进行系统开发。

3.3.2 数据库服务器

后台数据库使用SQL Server 2000,这是一种关系数据库管理系统,数据库服务器中存储着系统所需要的各种有效信息。系统客户端向数据库服务器发送SQL请求,数据库对发送的SQL请求进行处理后反馈数据及结果。3.3.3 数据通信服务器

数据通信服务器是TD无线数据采集系统的数据来源,负责收集与发送井下信息。本系统的数据通信是由TD-SCDMA模块来实现的,它与高可靠性工业控制计算机集成在一起,实时接收传感器检测到的相关数据,并通过网络传输到数据库服务器。系统也可以通过防火墙连接互联网,支持通过远程方式访问数据库信息。

3.4 系统的主要优势

井下各种数据采集可自动完成,无需人员现场参与及监控;数据支持自动采集、实时回传,并可实现统计、分析报表的自动输出;支持对无线传感器节点的集中监控和管理;数据的分析更加全面、准确,同时可以连接专家系统,为安全生产决策提供技术支持。

4 结语

本文提出的系统经过在河南某煤矿1年多的使用,系统运行稳定可靠,可以连接不同类型的测量传感器,便于企业组成统一的安全生产信息平台,统一对测量数据进行管理。

该系统不仅满足了井下各种数据的采集要求,而且设计的系统具有结构简单,易于维护,通信距离远、通信质量高等特点,免去了一般矿井检测系统大量布线或架设多个无线基站的繁重工作。采集的实时数据通过计算机网络集中管理分析,分析效率高,结果显示直观,并且可以连接专家系统。该系统是对现有煤炭井下检测系统的创新,也是新一代通信技术在煤炭行业应用的成功案例,随着煤炭行业无线通信系统的升级更新,该系统市场前景广阔。

[1] 李世鹤.TD-SCDMA第三代移动通信系统标准[M].北京:人民邮电出版社,2003

[2] 程丽平,王进野,刘瑞国.基于CAN总线技术的煤矿数据采集系统的设计[J].工矿自动化,2007(4)

[3] 张横云.基于ZigBee的煤矿数据采集系统设计与实现[J].网络安全技术与应用,2010(8)

[4] 邵舒渊,卢选民.基于无线传感器网络技术的煤矿安全监测系统研究与开发术[J].电子技术应用,2008(6)

Application of TD Wireless Data Acquisition System in coal industry

Liu Ruchen
(Jiaozuo Coal Mining Company,Henan Coal Chemical Group,Jiaozuo,Henan 454000,China)

The paper analyzes the technical condition of applying traditional data acquisition system in coal mine data acquisition systems,and proposes a systematic solution plan,which is to apply a new type of data acquisition system combined by TD and transducer technology under the condition covered by TD wireless network system.The paper also introduces the main function of the system.

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TD655.3

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刘儒晨(1966-),男,吉林省长春市人,河南煤业化工集团焦煤公司计讯处副处长,工程师。

(责任编辑 路 强)