模塊化綜合分站在煤礦井下監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

孫宇　梁士林

摘 要：本文針對(duì)目前煤礦井下監(jiān)控系統(tǒng)相對(duì)分立的特點(diǎn)，隨著礦山綜合信息化系統(tǒng)的推進(jìn)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，本文介紹了一種基于物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架的煤礦綜合信息化系統(tǒng)─iMine系統(tǒng)。該系統(tǒng)將井下鋪設(shè)的多個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)統(tǒng)一建設(shè)在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，從而實(shí)現(xiàn)井下監(jiān)控系統(tǒng)的綜合化、設(shè)備的模塊化、安裝維護(hù)的簡(jiǎn)單化、網(wǎng)絡(luò)管理的智能化。井下模塊化綜合分站作為iMine系統(tǒng)的核心設(shè)備，具有模塊化、可管理性和標(biāo)準(zhǔn)化的特點(diǎn)，對(duì)實(shí)現(xiàn)煤礦綜合信息化系統(tǒng)具有重要的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：煤礦井下；物聯(lián)網(wǎng)；信息化系統(tǒng)；模塊化綜合分站

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

目前，為了解決煤礦井下系統(tǒng)冗余度高、成本高昂、安裝和維護(hù)復(fù)雜等一系列問(wèn)題，一種基于物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架的iMine煤礦綜合信息化系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。iMine系統(tǒng)包括應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和感知層，模塊化綜合分站作為iMine系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層的核心設(shè)備，可以為感知層提供標(biāo)準(zhǔn)化的接口，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展模塊有能力接入各種自動(dòng)化設(shè)備終端，比如各種傳感器等，同時(shí)又能為應(yīng)用層信息處理系統(tǒng)提供統(tǒng)一的傳輸層協(xié)議簇和接口，直接服務(wù)于自動(dòng)化生產(chǎn)、人員安全監(jiān)控和企業(yè)管理系統(tǒng)如ERP和MES等，實(shí)現(xiàn)高效的管理。

一、模塊化綜合分站原理及結(jié)構(gòu)

1 分站原理

井下模塊化綜合分站位于系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層，是整個(gè)系統(tǒng)的核心設(shè)備，是一款平臺(tái)級(jí)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)/傳輸層核心設(shè)備。所謂“平臺(tái)級(jí)”，指的是這個(gè)設(shè)備具備幾乎目前工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的全部有線和無(wú)線傳感器接口，甚至包括部分電信的3G無(wú)線通訊接口，可以對(duì)接幾乎全部標(biāo)準(zhǔn)化的傳感器、終端或者其它標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了一臺(tái)設(shè)備像一個(gè)綜合平臺(tái)一樣的全面連接，一臺(tái)設(shè)備完成全部工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)“網(wǎng)絡(luò)/傳輸層”任務(wù)。

由于分站分散分布，相當(dāng)于在巷道不同地點(diǎn)、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)等部署了以太網(wǎng)、WiFi、ZigBee、485、頻率信號(hào)、電流信號(hào)、語(yǔ)音電話等傳輸接口，其它網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用設(shè)備或終端，如監(jiān)控用的有線無(wú)線攝像頭、廣播終端、傳感器數(shù)據(jù)采集終端、PLC遠(yuǎn)程通信終端等就可以就近接入到iMine分站中，通過(guò)iMine系統(tǒng)平臺(tái)將數(shù)據(jù)、語(yǔ)音、圖像等信息上傳到服務(wù)處理中心。

2 分站結(jié)構(gòu)

分站外部具有13個(gè)喇叭口用于外接信息化終端設(shè)備，另有4個(gè)天線接口。分站內(nèi)部基本配置（如圖1）包括：（1）底板，底板用于給模塊供電，完成模塊間及分站間的數(shù)據(jù)交換；（2）通用模塊插槽，用于固定模塊；（3）電源接入部分，關(guān)聯(lián)隔爆兼本安型電源。分站內(nèi)提供1個(gè)專用插槽形式的光模塊接口；5個(gè)固定插槽形式的10/100/1000Base-TX自適應(yīng)端口，以可插拔方式插入不同的功能模塊，提供各類信號(hào)接入方式。另外還有一個(gè)異形模塊安裝區(qū)域，用于安裝非標(biāo)準(zhǔn)模塊。

二、模塊化綜合分站的特點(diǎn)

1 模塊化——分站采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，各模塊具有獨(dú)立的功能、一致的物理安裝尺寸以及一致的輸入、輸出接口單元。可以根據(jù)實(shí)際需求和預(yù)算，靈活組合配置；具有模塊重用性高、工程安裝復(fù)雜度低、工程質(zhì)量和系統(tǒng)可靠性高等特點(diǎn)。

2 可管理性——分站采用了軟件管理硬件設(shè)備。每臺(tái)設(shè)備和每個(gè)模塊都含一個(gè)多功能中央處理器CPU，從而使所有硬件都實(shí)現(xiàn)了智能化，全部可網(wǎng)絡(luò)化管理，包括現(xiàn)場(chǎng)管理和遠(yuǎn)程管理、云計(jì)算模式管理等。

3 標(biāo)準(zhǔn)化——針對(duì)此分站開(kāi)發(fā)符合OPC標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)放接口API，可以向所有開(kāi)發(fā)應(yīng)用層軟件的單位提供標(biāo)準(zhǔn)的接口，使得應(yīng)用軟件方便且可靠地實(shí)現(xiàn)對(duì)分站本身及那些由分站單獨(dú)或者混合構(gòu)建的傳輸網(wǎng)絡(luò)的訪問(wèn)和控制，以便于各系統(tǒng)集成商的軟件對(duì)本設(shè)備的兼容。

三、模塊化綜合分站設(shè)計(jì)

煤礦井下可以根據(jù)用戶需求靈活配置模塊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能定制。功能模塊配置有以下幾種供設(shè)計(jì)參考：千兆交換管理模塊接口采用全I(xiàn)P協(xié)議棧模型，4個(gè)千百兆自適應(yīng)的光接口通過(guò)光纜連接可直接形成或接入礦井千兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，在總的環(huán)網(wǎng)基礎(chǔ)上還可以形成各中段千百兆子網(wǎng)；光纜傳輸距離10km以上。WiFi模塊具有4個(gè)10/100M自適應(yīng)LAN口，可以應(yīng)用于無(wú)線通信、井下無(wú)線上網(wǎng)、無(wú)線視頻監(jiān)控；同時(shí)配合多余的千百兆自適應(yīng)光口可用于井下IP設(shè)備接入，如有線視頻監(jiān)控、IP廣播等；無(wú)線通信距離大于400m。區(qū)域定位模塊可以應(yīng)用于井下人員、機(jī)車(chē)區(qū)域定位及管控；分站與標(biāo)識(shí)卡通信協(xié)議為ZigBee協(xié)議。精確定位模塊可以應(yīng)用于井下人員、機(jī)車(chē)精確定位及信號(hào)燈匯讓智能管控；精確定位模塊無(wú)線傳輸距離>400m，并發(fā)識(shí)別數(shù)量>80張標(biāo)識(shí)卡，定位精度<±5m。傳感器模塊具有1個(gè)485和4個(gè)頻率型或開(kāi)關(guān)量接口，可應(yīng)用于各類傳感器接入；頻率型接口頻率范圍200Hz～2000Hz；軟件可對(duì)所接傳感器遠(yuǎn)程執(zhí)行斷電、復(fù)位操作。語(yǔ)音接入模塊可接入2個(gè)礦用模擬電話，實(shí)現(xiàn)有線調(diào)度通信功能。

結(jié)語(yǔ)

煤礦井下模塊化綜合分站的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了井下集中監(jiān)測(cè)及所有系統(tǒng)的統(tǒng)一管理和維護(hù)，能夠?qū)崿F(xiàn)高可靠性、低采購(gòu)成本和低維護(hù)成本。系統(tǒng)的建立將加速煤礦井下綜合自動(dòng)化和信息化水平，對(duì)煤礦企業(yè)有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

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