基于漏泄通信的矿井空气质量监控系统应用研究
2016-10-13周占怀张小全
周占怀, 张小全
(1. 苏州健雄职业技术学院，江苏 苏州 215400， 2. 苏州迪芬德物联网科技有限公司，江苏 苏州 215411)
基于漏泄通信的矿井空气质量监控系统应用研究
周占怀1, 张小全2
(1. 苏州健雄职业技术学院，江苏苏州215400， 2. 苏州迪芬德物联网科技有限公司，江苏苏州215411)
研究利用漏泄通信电缆构建用于矿井空气质量监控的无线传感网络、实现远程采集与监控的方法。将各种传感器所采集的信号由GPRS RTU进行转发，然后借助于井下原有的漏泄通信系统传输至基站，经基站处理后通过以太网上传至服务器进行数据备份与处理；同时，将由服务器平台下发的控制信号反向下达给执行装置，对通风设备进行控制。
漏泄通信；无线测控终端；上位机组态软件；矿井；监控系统
0 引 言
对于矿井、隧道等特殊场所，由于普通的无线通信系统在信号绕射与穿透能力受特殊地形影响(狭长、起伏、弯道、表面吸收等)而不能保证有效的覆盖距离及信号质量，而且出于安全考虑，无法通过增大基站功率来提高信号覆盖范围及通信质量。而漏泄通信主要是采用漏泄电缆代替传统的同轴电缆与天线，实现信号传输与覆盖。由于无线电磁波信号与电缆内导体传导的电流信号可以通过漏泄电缆外导体上的泄漏通道，借助辐射与感应进行双向交互，使得电缆沿线无线信号覆盖均匀稳定，而具备一定柔性的漏泄电缆可以根据地形的变化进行铺设，因此，漏泄通讯比较适合在铁路、地铁、矿井、隧道等所进行无线覆盖[1]。
将井下通风监视与控制系统的数据植附于井下原有语音调度的漏泄通信系统进行传输，并通过互联网与用户终端进行实时交互，通过这种高效传感网络，实现对通风系统的运行数据监控，现已成功应用于内蒙境内一铜矿内，其可靠性与稳定性已经得到实际得到应用的验证，并将得到有效推广。
1 系统构建
1.1系统功能要求
用户对系统所提出的功能要求包括：系统管理与配置、监控服务界面、告警服务等功能。
(1) 系统管理与配置功能：提供用户管理(角色、权限管理)；设备配置与管理(增加、减少设备、网络配置、传感器配置等)；系统维护管理(数据管理、配置管理等)。
(2) 监控服务界面功能：提供图形显示界面，对各个作业层面检测分站的有害气体(CO、NO2)数据；检测分站的风量、风速数据进行实时检测和动态显示；控制风机关停信号的输出窗口界面。
(3) 告警服务功能：提供检测点数据的维护界面，用户可以自定义检测数据(CO、NO2、风量、风速)的正常范围及阀值，当数据超过阀值时，可以提供声光报警、手机短信告警等服务。
1.2系统网络结构设计
网络的拓补结构如图1所示。
图1 网络结构设计
本系统数据的上行通道是将由传感器采集的井下有害气体及通风监控系统的数据，根据采集点与漏缆的距离远近，经数据采集中端进行协议转换，由GPRS模块直接发射并侵入漏缆，或通过光缆传输后再由GPRS模块发射侵入漏缆。通过漏缆传送至基站，再通过路由器、光纤交换机与机房内的服务器进行通信[2]。
数据下行通道是将用于现场风机设备的关停信号由监控电脑的组态界面输入，并同步到服务器，再由光缆通过交换机、路由器、漏缆等逆向传输到井下现场，由GPRS终端接收后给出继电器控制信号，实现对现场风机的启停控制。根据客户的要求，系统除能进行多点终端监控功能外，还要能以短信的方式，将井下有害气体的报警信息实时传送到相关责任人的手机上。
2 系统硬件选配
2.1实际系统分布
所在铜矿共需设置18个检测点，即设计18个监测分站，分布于井下 800、850、900、950和1 050中段等五个区域，监测分站分三种接入模式，如图2所示。GPRS与漏缆不在有效的通讯范围内时，可选用模式一或模式三，系统主要采用模式二接入信号。
对于信号采集点距离漏缆较远时的采用模式一，增加一段光缆传输，所用的GPRS模块仅实现协议转换及无线发射与接收，数据采集与控制命令发出的功能由其前级分站控制器完成；而模式二是主要的接入方式，其中的GPRS RTU终端还兼有传感器信号的接入与继电器控制信号输出的功能；模式三为少量漏缆未铺及区域，而将信号接入原有视频光缆的方式。
图2 系统结构分布
2.2主要硬件配置
本系统核心传输通道-泄漏电缆为原有井下语音通信和视频监控系统的组成部分，由于有害气体监控用的数据量不大，故可集成在原通道中传输。新增硬件主要包括，用于数据采集和风机控制用的传感器，用于无线发射的GPRS模块，连接用光缆，井上调度中心。其中，与原视频及人员定位系统相对独立的井上调度中心包括专用的服务器、监视器、交换机及光纤传输设备、路由器及短信收发终端等。其中：
(1) 传感器：主要包括超声波风速风量传感器，一氧化碳传感器、NO2传感器、风机开停传感器等四种，由于是井下使用出于安全考虑，要采用Ex d IIC T6防爆等级，IP65以上防护等级[3]。
(2) GPRS RTU：采用集成了模拟信号采集、过程 IO控制和无线数据通信于一体的RS6021G高性能测控终端，其功能之一就是通过GPRS网络建立监控中心，并可以直接接入流行的组态软件。使用前必须对其进行SIM卡和外部传感器信号的配置，以及必要的参数设置后，上位机才可实现对其远程数据进行召测和控制远程继电器的功能。
(3) MAS：移动代理服务器(MAS)通过组态软件后台的手机短信功能，当满足触发条件时将组态好的相关报警信息，发送给指定用户手机。
3 系统软件设计
系统的软件部分主要是指上位机组态软件的设计，由于客户需要多点网络监控，故可采用易控INSPEC构架在.NET平台上的C/S网络结构，或可进行Web发布与浏览的B/S网络结构，它们与Windows 7操作系统完全兼容。C/S结构在应用时需要对服务器和客户端节点分别进行网络配置后才可以访问，而且只能限于局域网内。而Web发布方式只需在服务器中进行配置，常用的有文件访问方式和本地IIS方式。本系统的上位机组态采用本地IIS Web发布方式，监控端浏览器不需要了解组态软件，比较适合非技术性管理人员使用[4]。
图3 GPRS_1终端所定义的数据库变量
图4 GPRS_4 终端的通道变量设置
3.1通信参数组态
(1) 数据库变量的定义根据工程功能的需要，在变量设置窗口中对每一个终端需要使用的变量进行定义变量的名称、类型、初始值以及是否需要保存等相关信息，在组态过程中还可以根据需要随时添加。如1#GPRS终端的数据库变量定义如图3所示。此变量表中包含内部及外部变量。
(2) 外部变量的关联在IO通信设置窗口中，将数据库中根据工程功能需要定义的外部变量及终端的状态变量，与终端的寄存器通道进行关联，实现数据库变量值跟随现场数据的变化而实时更新。本系统中主要使用用于监测风速、NO2和CO浓度、风机并停状态的模拟量通道(AnalogData)和控制风机启停的继电器信号(RelayOneOpe)，和表示终端是否在线(IsOnline)和数据召测(IsRead)的开关型状态寄存器。4#GPRS终端需要关联的通道最多，具体设置如图4所示。
系统能正常使用的通道变量数取决于向软件代理商购买的授权等级，必须保证你所组态的通道变量数小于授权的最大通道数量，软件才可以正常运行，否则，只能在规定的时间内试运行。
3.2监控软件设计
监控系统的主要功能就是能时刻掌握系统的运行状态，当出现异常状况时能以各种方式进行提示与报警，此外，还包括实时数据显示、历史数据的记录与查询、参数配置以及用户管理等。本系统主要以报警记录显示查询、文字报警信息显示、声音报警和通过短信方式进行实时消息传送等多种方式，以确保系统异常时的报警渠道绝对通畅、有效避免安全事故的发生。
各种方法都先要在“报警”中对报警区、报警变量和报警记录进行配置，再根据不同的方式进行相应组态[4]。
(1) 报警记录显示查询通过在相应画面中调用“报警窗”工具面实现的，运行时报警出现时会自动显示相关报警信息，同时可按照报警级别、报警区、报警类型等进行报警记录查询。
(2) 报警信息在指定文本框中输出由脚本控制的报警信息，可通过“用户程序”--“工程程序”进行报警信息输出的脚本设计，1#GPRS的风速报警信息控制脚本如下，其余类同。
if(GPRS_1.风速 { GPRS_1.报警信息="风速太低"; } else if(AlarmManager2.GPRS_1_风速.LoLoLimit<=GPRS_1.风速&GPRS_1.风速 { GPRS_1.报警信息="风速较低"; } else { GPRS_1.报警信息="--";//无报警 } (3) 声音报警在报警配置的声音标签下进行声音类型与来源的配置。由于软件的功能限制，此报警声音只能在服务器上通过扬声器发出，而不能从远程的监控端输出。 (4) 短信报警通过“报警”--“配置”--“手机短信”对发送设备类型、短信中心和手机号码及报警相关信息等进行配置，并连接相关硬件后即可实现；实际应用中用户由于管理的需要，会对信息发送的号码和报警信息分配进行动态管理，可通过一个按钮打开短信组态画面进行重新配置。按钮的控制脚本为： Alarm.EditMobileInformation(); 通过现场联机调试，发现下列因素对通信质量产生影响，使用中需加以注意。 (1) 通过测试，本工程中GPRS与漏缆的有效通信距离因环境及安装条件而不同，大约在300 m～450 m之间，更远的距离可能导致通信异常。 (2) 漏缆的工作频率在75 m～2 800 m范围内，由于漏缆在设计时可通过槽孔的形状、尺寸与数量选择漏缆的辐射的强弱与频率，故一条漏缆可以做成多频段。用于本系统的监控信号频段应牌漏缆的频段范围内，以减少接收时的耦合损耗，且尽量与原通信频段错开，以减少二者的干扰，提高通信质量[5]。 (3) GPRS终端的安装位置应该尽量接近漏缆的源端。由于漏缆存在传输衰减，使得其沿线场强分布逐渐减弱，故越接近源端，GPRS能接收到的信号也越强。 (4) 由于漏缆辐射的电磁能量具有方向性，且大多与漏缆轴线平行，而漏缆在井下一般是水平敷设，故GPRS的天线也应该调整为接近水平方向，否则会影响接收效果，严重时导致监控丢失或更新不及时。 利用漏泄通信技术进行矿井有害气体监控系统的数据传输，通过在内蒙某铜矿近一年的应用实践，是一种节约高效的应用方案，对相近应用环境的使用具有一定的推广价值。 [1] 顾义东. 基于漏泄通信的井下CDMA无线覆盖技术[J].工矿自动化，2012,40(8)：1-4. [2] 王波，杨永明，汪金刚,等. 基于PSoC的无线传感器网络节点设计[J].传感技术学报，2009，29(3)：413-416. [3] GB3836.1-2010 爆炸性环境 第1部分：设备通用要求[S].国家标准化管理委员会，2011. [4] 张贝克，尉龙，杨林. 组态软件基础与工程应用(易控INSPEC)[M].北京，机械工业出版社，2011. [5] 周剑玲，李鹏.煤矿漏泄通信系统中漏泄电缆的选择与配置[J].华北科技学院学报，2007,9(3)：29-31. A Study on the Application of the Monitoring System for Mine Air Quality Based on Leakage Communication ZHOU Zhan-huai1, ZHANG Xiao-quan2 (1. Suzhou Chien-shiung Vocational Technical Institute, Suzhou Jiangsu 215400. China; 2. Suzhou Defend Internet of Things Technology Co., Ltd., Suzhou Jiangsu 215411,China) This paper discusses how to set up a wireless sensor network for monitoring mine air quality by means of leakage communication cables to realize remote acquisition and monitoring. Signals acquired through all kinds of sensors are relayed through GPRS RTU, and then transmitted by the existing leakage communication system in the pit to the base station. The processed signals are uploaded via Ethernet to the server for data backup and further processing. In the meantime, the control signal sent from the server platform is distributed to the executive device in the reverse direction for the purpose of controlling the ventilating device. leakage communication; wireless measurement and control terminal; IPC configuration software;mine; monitoring system 该课题为江苏省2012年江苏省科技型企业技术创新资金项目(BC2012150) 10.3969/j.issn.1000-3886.2016.01.031 TP277 A 1000-3886(2016)01-0097-03 周占怀(1968-)，男，江苏淮安人，副教授，主要研究方向为电气自动化技术及应用。张小全(1978-)，男，内蒙古呼和浩特人，高级工程师，主要研究方向为通信及物联网技术。 定稿日期: 2015-06-274 应用结果分析
5 结束语
