关于矿井综合自动化系统的设计研究

赵 蕾

（山西省煤炭规划设计院，山西 太原 030045）

引言

随着信息时代的不断发展，工业经济开始朝着信息经济、知识经济转变，国家相关部门也逐步提高了对企业信息化的重视程度。为了符合国家安全监测监控的要求，企业正逐步建立并完善监测监控系统。而要想推动我国煤炭事业的发展则需要安全的生产监测监控，网络化、智能化和自动化是煤矿生产过程中的主要要求，要进行数字化矿井的建设，在煤矿企业的各个层次切实构建起综合自动化系统，从而提高煤矿企业的经济效益。

1 煤矿安全监测监控的现状

我国煤炭行业可谓是不可替代的能源产业之一，但其安全生产形势却不容乐观，且一旦发生事故往往损失重大，工作人员的人身安全也会受到极大的威胁。自2000年来，为了提高煤矿企业的生产安全性，我国各大矿井开始装备监测监控系统。安全监控系统在煤矿的安全生产和管理方面起着中流砥柱的作用，但由于我国监测监控技术应用较晚，早期引进的是其他国家的安全监控系统，并结合我国煤矿的实际情况进行了研发使用，但相当一部分的监控系统技术水平低、性能差，导致近年来很多矿井无法正常进行监测监控，由此加大了生产风险。因此，对安全监测监控系统进行研究刻不容缓。

随着电子信息技术的快速发展，现如今国内煤矿监测监控系统呈现出新的发展趋势，监测监控系统正向集散化结构发展，并逐渐开放化、通用化和智能化，实现综合性的全面发展，进一步提高了矿井监测的自动化水平。目前主要的煤矿监控系统之一就是数字视频远程监控系统，具有较强的实时性和同步性，通过实时传输协议RTP实现了数据的实时性传输，但数字化视频监控仍仅限于煤矿地面系统。数字化视频监控可以在计算机网络上传输图像数据，在图像的品质和稳定性提高方面非常有效，同时计算机网络联网的利用省去了重复的布线，进而促进了数字化存储的实现，尤为方便及快捷。从总体上来看，煤矿井下的监测监控及自动化系统主要有井下人员跟踪定位系统、矿井供电自动化监控系统、主副井提升自动化控制系统等［1］。

2 矿井综合自动化网络系统的设计

2.1 通信技术的设计

煤矿综合业务通信网中的信息流向不均匀，能机动地移动和随机接入，可以变化结构和布置。同时，其各种信息源的信息速率跨度大，兼有传输与交换功能，各监测监控系统之间有较强的独立性，由于其设备的核心是单片机或微处理器而缺乏强大的联网能力和能广泛应用的协议。国内采用的矿用综合监测监控系统多采用矿用现场总线结构，现场总线技术是以数字信号替代模拟信号，实现信息传输的技术，并且必须符合现场总线协议标准——IEC61158，包含了国际上八类主要的现场总线协议。以太网在OSI／ISO七层协议中为了形成一套完整的网络传输协议只定义了物理层和数据链路层，使用的是TCP／IP协议，因此在现场总线协议中，通过将IP地址加入到数据包前以实现与以太网的融合，通过TCP进行数据传递，以此提高了传输效率。随着信息时代的快速发展，广大用户早已接受TCP／IP，并把以太网作为工业标准。以太网发展至今，其通信速率不断提高，减轻了网络负荷，提高其确定性；交换技术的快速发展也解决了控制领域的问题。毫无疑问，工业以太网是矿井多媒体综合业务网络系统的最佳选择，设计用于煤矿井下应用的一个单元网络，连接井下各自动化系统，为煤矿地面提供通讯，实现范围广泛的开放式网络。矿用工业以太网具有灵活性高、连接简单、应用性高、应用领域广、通讯能力强以及兼容性强等诸多优点。

2.2 结构的设计

矿井综合自动化网主要传输井上下各环节设备的视频图像及数据信息，将各种检测系统可处理数据、语言、视频、图形等各种多媒体信息连接起来。设备层、控制层和信息层是矿井综合自动化网的三个主要网络层次；设备层采用接口装备，实现快速故障诊断，在煤矿井下的各种控制器上直接联上底层的设备；控制层实现I／0控制、闭锁和报文传送，保证信息的确定性和实时性，也可传输非实时关键数据；信息层，通过TCP／IP协议，在企业信息系统上连接控制软件、网关等，便于以太网访问井下传感器的数据。

2.3 协议的设计

矿井综合自动化网络传输的信息不均匀，上行信息明显比下行信息多，因此上行线路需要占用频带较宽，下行线路传输窄带控制信号，形成双向不对称信道网络。下行信息优先是信心传输采用的原则，而上行信息是对图像和语音信息的数据传输优先［2］。单播、广播、多播是网络信息的多种传播形式，在综合考虑矿井自动化网特点的基础上应选择多播方式。

煤矿井下与地面之间所有媒体成分数据的有效传输可以通过矿井综合自动化网络通信来实现，多种成分数据的多媒体为矿井多媒体系统和网络更高的要求，因此，新的网络协议即RSVP需要用来应对不同类型的传输需求，通过实时媒体流，预留相应的网络资源能够有效地将矿井多媒体综合业务实现，将传输资源中的预留信息作为IP数据包发出，RSVP即是利用预留信息控制IP分组进行传输。RSVP同样具有多播能力，简单有效地实现带宽等资源共享，提高了资源利用率，多播方式采用多播地址，降低了通信处理时间，又改善了矿井多媒体综合业务网的额外管理开销，可以说是一种信息在发送端点与接收端点之间传输的重要技术。

RSVP的预约模式有两部分组成，流规范和过滤规则。

依靠准入控制机制、转发机制和数据包分类机制来实现矿井综合自动化网中的RSVP协议，在建立控制通路、维护并释放资源预留通路的基础上对数据进行传输，进而达到完成QoS保证的目标。RSVP在控制通路的过程中为了建立资源预留通路，主要通过发送PATH类信令和RESV类信令来实现，而数据通路沿着控制通路建立的资源预留链路实现数据的传送。相应的，RSVP软件实现由控制平面和数据平面组成，控制平面主要负责建立、维护和删除不同数据流资源预留，数据平面实现数据传输［3］。

发送者在发送Path报文的过程中和接收者建立了一个传输路径，数据流标识符（ID）和其他控制信息存在于Path报文中。流标识符在沿途的路由器1、路由器2、路由器3中被记录下来，进而做好资源的储备。相同的流标识符在接收者收到以后被用来回送一个RSVP报文进行应答。沿着相同的路径将RSVP报文传送给发送者，Path报文在经过各个路由器的过程中被确认。通过这条路径可以实现发送者和接收者之间的数据传输，数据分组所使用路径的逆向路径作为这些消息的传送路径，相关数据资源在由沿途路由器保存的基础上按所协商的QOS提供转发服务。

3 结语

总而言之，矿井安全生产监测监控系统、信息管理系统等是矿井综合自动化系统的主要组成部分，通过矿井自动化网络通信技术的特点及现场总线布置，工业以太网技术的设计及RSVP协议的深入研究，实现对矿井综合自动化系统进行不断优化与改良，真正做到对煤矿井下作业的全方位安全监测监控。同时，运用矿井综合自动化系统，将各自独立的系统统一管理协调，实现数据、文字、语音、视频图像的共享，使煤矿生产网络化、智能化和自动化，在各个层次均构建综合自动化系统，大幅度提高煤矿企业效益，从而推动我国煤炭事业的可持续发展。

［1］ 刘振宇.矿井综合自动化系统的设计研究［J］.科技信息，2012（17）：420；437.

［2］ 苏淑阳.矿井综合自动化系统设计方案［J］.内蒙古煤炭经济，2014（1）：207；212.

［3］ 董聚辉.矿井综合自动化系统在煤矿的建设与应用［J］.科技创新导报，2012（31）：85－86.