煤矿安全监测系统方案.docx
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煤矿安全监测系统方案
西安科技大学
文档编号
产品版本
密级
MKJCXT-2005-10-17
V．1．0
内部
产品名称：
煤矿安全监测系统
共页
煤矿安全监测系统
可行性方案分析报告
（仅供开发使用）
文档作者：
___黄健_________日期：
____/____/____
西安科技大学通信学院
版权所有不得复制
1系统概述
煤炭行业是一个特殊的行业。
瓦斯、矿尘、火灾、水灾、顶压等各种安全隐患严重威胁着矿井作业工人的人身安全。
建立煤矿安全信息监控系统实现生产自动化已成为我国煤炭企业迫在眉睫的首要任务。
针对煤矿安全生产监控系统的具体特点，结合矿井的"一通三防"的基本方针，我们设计了煤矿安全生产信息实时监测系统。
该系统采用计算机网络技术、数据库技术、通信技术、自动控制技术、自动检测技术等构成的综合监控系统。
系统能够对各煤矿生产环境中的瓦斯、风速、温度、一氧化碳、烟雾、运行设备等环境数据、工作状态（通过矿井现场传感单元）进行远程监控及报警。
1.1项目背景
能源工业是我们国家经济发展的命脉所在，近年来，随着石油资源的紧张、石油价格的飚升，煤炭行业的重要性和不可替代性也日益凸现。
但中国煤炭行业的安全生产形势却不容乐观，尤其是重、特大伤亡事故屡见报端，据不完全统计，2005年中国煤炭产量占世界产量的35％，可事故伤亡人数却占80％。
在这些事故中，瓦斯爆炸又占绝大多数。
这其中固然有很多因素，但各煤矿生产企业安全监测不完备、管理手段落后也是造成事故频发的重要原因之一。
随着国家对煤矿安全生产工作的日益重视，以及矿务局自身现代化管理的需求，煤矿安全监测系统越来越体现出其重要性。
从技术和管理的角度出发，煤矿系统联网安全监测已是必然趋势。
1.2项目目标
煤炭安全管理部门可根据实时上传的告警信息和实时运行信息，确定各煤矿的施工情况或各种指标超标的地方，为管理人员准确、快速的制定安全防范措施，提供极大的帮助。
这样，既能克服矿井数量多、地域分散、技术薄弱等问题、减少资金投入，又能充分发挥瓦斯监控设备的作用，便于在煤矿推广应用。
2系统总体方案设计
我们设计的安全生产监测系统是在生产、安全及管理方面的一个实时监控系统，对于煤矿的生产运行状况、安全水平、灾害预测预报具有重要的作用。
煤矿安全生产监测系统是个实时调度、指挥系统，通过本系统可以使管理层快速、及时、准确地获取生产相关数据，提高决策科学性，从而避免或减少因决策失误而造成的安全生产事故和经济损失。
2.1系统设计结构
本系统实施共分为两块：
监控中心，矿井现场CAN监控网络。
系统设计结构如图1所示：
图1煤矿安全监测系统结构示意图
2.2系统功能设计
1）数据安全采集：
通过数据采集接口安全地从各分站统读取数据，并且保证数据传输的单向性；
2）检测功能：
中心站主机通过巡检扫描分站来采集数据，并将处理后的数据进行分类存储，同时通过中心站监控管理软件实时显示监测系统动态数据和图形；
在中心站，采集数据的显示具有多种方式：
可按图标显示分站的综合状态,也可按分站显示内部各通道数据和状态，还可以按照自定义页面（动态显示的页面）组织和显示测点；既可以在超限测点窗口查看所有超限测点的情况，也可以在提示信息窗口看到测点状态变化的情况，另外，还可在实时曲线显示窗口查看最多为6个测点数据的实时变化曲线；
提供实时报警故障记录、逐级报警功能，以保证管理人员实时掌握故障、报警信息；
3）控制功能：
①在中心站可以定义由中心站实施控制或由分站实施控制；
②程序控制与手动控制；
③超上限控制与超下限控制；
④当出现断线、负漂和溢出等特殊情况时，用户也可设置是否进行控制；
⑤既可由模拟量数据控制，又可由数字量状态控制。
4）数据处理功能：
本系统的数据采用变值变态记录方式，即当测点数值或状态改变时进行记录。
优点在于：
一方面，当测点数值保持不变或变化范围较小时，不需要重复记录这些相同或基本相同的数值，变值变态记录就使这些重复的记录减少到最低程度；另一方面，当测点数值变化较大、较快时，又可详细记录每一变化的细节。
采集的数据可进行二次处理,包括计时、计数、线形计算等。
5）统计查询功能：
用户可选择某一月内任意时间段内的任意测点进行查看记录、显示曲线的操作，可查看长至一个月、短到一分钟的测点变化趋势，并将处理形成文本文件、图形文件或图像文件保存与硬盘至，以便用户随时调出查看。
用户可同时查看不同时间段、不同测点的曲线，并且可以任意放大和缩小，以便进行比较和分析。
在报表方面，用户可生成形式与内容均可自定义的各类报表。
6）分站集中管理：
通过中心站监控软件的设定各个分站的运行参数（具体要求见分站设计）。
并远程控制分站执行断电动作逻辑。
7）提供关系数据库接口：
通过监控软件的的关系数据库接模块可以将数据写入到关系数据库表中，为管理系统使用相关数据提供方便；
8）分站具有自动具有瓦电闭锁和风电闭锁功能。
当监测到模拟量超限到某个值时要切断工作面电源即实现断电控制，或监测到开关量风机停或风门开时实现断电控制。
2.3系统特点
1）开放性好：
；
2）良好安全性：
3）响应速度快；
4）运行稳定；
5）扩展性强；
2.4系统主要配置
1）研祥工控计算机：
祥锐II-P24D22（P4级别），祥捷II-P10S12（P3级别）
2）分站数据采集控制模块和板卡（型号待定），CAN中继器，CAN主节点（型号待定）
3）数据库服务器
4）打印等其他设备
3系统方案详细设计
3.1系统模块划分
本系统主要分3个模块，1）中心站监控管理软件，2）上位机监控节点，3）分站监控节点。
拓扑结构请参看图1所示。
接下来几个小节就是对这三个模块详细设计说明。
3.2中心站监控管理软件设计
3.2.1监控软件设计要求
1）以Windows操作系统为运行平台。
支持MicrosoftWindows98/2000/XP/2003（中文版）操作系统，采用了先进的全面支持多任务、多线程、多窗体的模块化软件设计思想。
系统软件包括：
主程序、井下工作区图形化设计与显示程序、曲线显示程序、报表管理程序、运行记录浏览程序，各个模块可同时运行、互不干扰。
2）具有丰富的控制功能。
不仅可以定义中心站控制，还可以定义分站控制；不仅可以进行程序控制，还可进行手动控制；不仅能进行超上限控制，还能进行超下限控制；不仅在数据正常情况下可进行控制，在出现断线、负漂和溢出等特殊情况下用户也可设置是否控制；控制测点可以是模拟量，也可以是数字量。
3）具有强大的曲线和报表功能。
用户可选择某一月内任意时间段内的任意测点查看记录、显示历史曲线和实时曲线。
可查看长至一个月，短到一分钟的测点变化趋势。
对于曲线，可将处理结果形成文本文件保存于硬盘中，用户可随时调出查看。
用户最多可同时查看最多6条不同时间段、不同测点的曲线，曲线可任意放大和缩小，以进行比较和分析。
对于报表，用户可生成形式与内容均可自定义的各类报表。
4）具备灵活、方便的井下工作区图形化设计与显示功能。
用户可使用系统提供的基本图形组件，或自行设计自定义组件，方便、迅速地完成井下工作区图形界面。
在图形界面的运行模式下，系统自动以图形化的方式显示各个测点、分站以及其他设备的动态工作情况，并可通过鼠标点击目标图形，查看相应的数据信息。
5）具有数据监视功能。
本软件采用分页显示和按分站显示两种方法监视数据。
6）提供Web数据发布功能。
办公局域网内或介入互联网的授权用户，可提供标准浏览器来查看测点数据。
3.2.2监控软件结构设计
3.2.3监控软件详细监控功能说明
1）巡检功能：
主程序采用巡检方式与分站进行通信。
发送的命令主要有3种：
初始化命令、获取数据命令和控制命令。
其中，控制命令的优先级最高，其次是初始化命令，最后是获取数据命令。
中心站主程序在向某分站发送命令之前，如发现该分站是首次加入巡检队列的，则先向期发送初始化命令，将该分站模拟量传感器的量程、报警上下限、由分站实施的控制定义以及数字量二态、三态的标志都下发给它，使其具备独立工作的能力。
无论初始化是否成功，在第二次巡检分站时都改发获取数据命令，如在初始化时不成功，分站此时会在回送的数据中请求再次初始化。
2）诊断调试功能：
用户可选择连续巡检或间隔巡检两种方式进行分站调试，以便查看分站的通讯情况。
其中主要显示：
当前扫描的分站的通讯状态以及回送数据，统计通讯的次数、中断次数、错误次数，并计算出中断率和错误率，可供安装维护人员在调试分站、传感器或诊断通讯故障时使用。
3）系统控制功能
分为手动控制和程序控制两种控制方式。
手动控制：
是用于特殊情况下的控制手段。
，用户选择需要实施控制的控制量测点号，按下“吸合”、“断开”红火“解除”按钮，程序将在下一次扫描分站是发送控制命令以实现手动控制。
注意，手动控制应在程序退出前解除。
程序控制：
是通过队控制通道的定义，在程序运行中自动判断、自动实现的一种控制手段。
对于不同形式的程序控制其控制逻辑不同。
3.3上位机监控节点设计
上位机监控节点主要负责把分站监控节点采集的数据（CAN数据包）转换成Rs232协议数据，上传给中心站监控主机，并把监控主机下发的命令打包转换为CAN网络数据包，转发给分站监控节点。
3.3.1上位机监控节点设计要求
1）能快速把中心站的控制命令转换成CAN数据包，下发到相应分站节点。
2）能快速把分站节点上传的CAN数据包转换为Rs232协议格式，转发给中心站工控机。
3.3.2上位机监控节点硬件结构设计
上位机监控节点硬件结构比较简单，它只完成协议转换的作用。
结构图如下：
3.3.3上位机监控节点软件设计
上位机监控节点软件主要完成协议转换的作用，功能单一，此处不多详述。
3.4系统分站监控节点设计
安全监测监控系统最终要实现的功能就是监测监控，即瓦电闭锁和风电闭锁。
当监测到模拟量超限到某个值时要切断工作面电源即实现断电控制，或监测到开关量风机停或风门开时实现断电控制。
控制逻辑关系主要分为模拟量控制和开关量控制。
模拟量控制主要分为超上限控制和断线控制，特殊的如风速传感器需要有超下限控制，开关量分为状态控制，这些逻辑关系全部由上位机定义，然后开机初始化分站，今后只要上位机不改变不下发命令，分站始终保持最初的初始化信息。
3.4.1分站设计要求
1）分站必须能够独立完成监测监控的功能，但当与上位机中断通讯时，分站只能实现本台分站的控制关系，而不能实现不同分站之间的控制关系。
不同分站之间的控制即为异地控制。
同一台分站之间的瓦电闭锁和风电闭锁均属于本地控制。
2）传感器的量程设定不固定，由用户在上位机设定，通过通信线路下发给分站。
3）传感器的报警限设定不固定，由用户在上位机设定，通过通信线路下发给分站。
采样值到达报警上限启动蜂鸣器和对应指示灯声光报警。
4）分站的断电控制门限设定不固定，由用户在上位机设定，通过通信线路下发给分站，采样值到达控制门限就启动对应继电器断开。
5）分站开机（或复位）后首先显示分站号，然后依次循环显示8路模拟量或开关量、8路开关量。
6）8路模拟量显示要求：
首先，第一个数码管显示通道号（1~8），第4个显示接入的传感器信号类型，一秒钟后，全屏显示传感器的数值。
显示“dx”表示断线，即传感器信号未与分站连接好或传感器本身不工作
显示“FP”表示负漂，即传感器的测量值低于标定的量程低值
显示“YC”表示溢出，即传感器的测量值高于标定的量程高值
7）在某个通道上如果接入传感器，但是在上位机没有定义该通道是否接入传感器，那么让第一个数码管的小数点点亮表示此通道在上位机未定义。
8）8路开关量显示要求：
若通道接入三态开停传感器，则后三个数码管显示同样的符号表示状态，
0态为：
UUU
1态为：
nnn
断线为：
---（中心线）
若通道接入二态开关量传感器，则后三位数码管显示同样的符号表示状态，
0态为：
UUU
1态为：
nnn
9）控制功能要求：
若某路继电器动作（控制置位）则相应继电器指示灯变亮。
10）其他状态显示要求：
通讯指示灯：
若处于通信状态则通讯灯闪烁，如其它状态长灭。
供电状态指示灯：
若分站电源为电池供电，则分站电源状态灯变亮。
11）键盘可以输入设定传感器的信号类型，传感器通道是否使用，固定查看某通道值，传感器报警上下限（也可以接收上位机下传的设定值），分站CAN地址。
12）分站根据自身保存的默认控制断电上下限值自动动作，上位机也可以手动断电，分站接收上位机下传的断电命令执行相应动作。
13）分站可通过接收上位机下传的量程高低值、报警上下限、断电值，分站保存该下传结果。
14）键盘可设定显示固定某路通道值。
15）显示窗大小:
65mm×40mm。
3.4.2分站硬件结构设计
3.4.3分站软件设计
分站软件的设计主要根据设计要求有以下三个比较重要的部分：
1）分站开机启动流程
分站首次开机后，首先初始化缓冲区和CAN网络接口，提示键盘设定该分站CAN网络ID号码。
显示A00，表示该分站没有设定地址。
键盘设定了该地址后，将重新初始化CAN网络接口，并主动给上位机节点发注册信息，等待中心站软件下发设定参数。
当中心站软件下发设定参数后，分站接收参数并存入Flash，再次初始化。
然后进入正常工作状态。
分站在首次开机并接收了上位机下发的设定参数（报警限，控制限，断电控制逻辑）后，会永久保存Flash中，如果再次断电，那么一开机后，从Flash中读出以前存入的设定值进行初始化，首先显示分站ID号码，AXX，然后直接进入正常工作状态，显示通道号和信号类型，随后显示该通道的数值。
可以手动设定固定显示某通道值。
同时进行报警和断电控制逻辑判定。
2）分站断电控制流程
分站在显示各个通道的采集值的时候，也实时判断每个采集的数值和存入Flash的报警限，控制限比较。
如果到达报警限，则声光报警。
如果超过报警限，达到控制限，则自动根据控制规则启动远动开关（继电器）断开电源。
当上位机下发手动断电命令，则立即根据命名参数执行断电动作。
3）分站通信协议主要命令设定
命令
说明
0x00
返回正确接收应答。
0x10
上传16个整型值，检测到的16路实时数据；
0x20
上位机控制下位机的8个继电器开关值，也可作为初始态继电器状态设置值（正常值）；
0x21
上位机请求下位机ID（CAN地址）及链路检测；或者分站主动上传ID注册信息。
0x30
请求16个整型值（针对8路模拟通道），报警上下限，8个上限，8个下限；
0x40
请求16个整型值（针对8路模拟通道），测量量程上下限，8个上限，8个下限；
0x50
请求16个整型值（针对8路模拟通道），控制继电器动作值，8路个上限，8路下限；
0x60
请求16个整型值（针对8路模拟通道），继电器自动动作门限，8个上限，8个下限；
0x70
请求16个整型值，16路通道信号类型。
信号类型无接入4~20mA0~5mA0~1v0~5vF三态二态
通道控制编号01234567
0x80
请求16个整型值（针对8路模拟通道），显示量程上下限，8个上限，8个下限；
0x90
请求16个整型值（针对8路开关通道两态），控制继电器动作，0状态8个，1状态8个；
0xA0
请求16个整型值（针对8路开关通道三态），控制继电器动作，0状态8个，1状态8个；
0xB0
请求8个整型值（针对8路开关通道三态），控制继电器动作值，2状态8个；
0xC0
预留
4系统设计可行性分析结论
针对当前煤矿安全监测手段落后，缺乏足够的监督手段，我们利用工控计算机（用户监控软件）与自主研发的下位机分站节点相互结合，可以实现煤矿安全生产实时调度监控，不仅可以解决煤炭行业整体技术水平低、管理落后的局面，提高了行业的信息化管理水平，更重要的是可以实时监测各个矿井的安全状况，随时调度指挥生产，避免和减少安全事故的发生，因此煤矿安全生产监测系统的建设，对煤炭企业的安全生产、文明生产、科学生产具有重要的意义。
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