综合安全监控研究技术成果报告1.docx
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综合安全监控研究技术成果报告1
煤矿综合安全监控系统项目
效应情况说明及研究成果报告
北京阳光金力科技发展有限公司
2013年03月
目录
1.概述3
1.1项目概述3
1.2研究工作的必要性3
1.3项目的研究意义4
2.研究目标及技术关键4
2.1总体方案概述4
2.1.1产品功能模块:
6
2.1.2技术实现思路:
6
2.2项目主要研究内容7
2.3设计工艺流程9
2.4生产工艺流程9
2.5项目技术实现依据10
2.5.1设计思想依据10
2.5.2关键技术实现的依据11
(一)平台层,即综合监控分站技术实现依据12
(二)应用层和拓展层的技术实现14
2.1煤矿安全综合自动化平台网络结构14
2.2煤矿综合安全自动化系统架构15
2.3关键功能需求15
2.4煤矿综合安全自动化系统软件接口16
2.4.1软件接口16
2.4.2统一信息描述17
2.5煤矿综合安全自动化系统基础功能17
2.5.1信息综合功能17
2.5.2WEB浏览功能17
2.5.3数据分级管理22
2.5.4报表打印功能23
2.5.5事件记录功能23
2.5.6扩展功能23
2.5.7安全认证功能23
2.5.7短信报警24
2.6煤矿综合安全自动化系统的增值功能24
3.项目研究成果和技术创新25
3.1强大的综合分站性能25
3.2更加精确的授时系统25
3.3分站主板和各模块间采用同步以太网连接26
3.4使用多通道实时技术,无需巡检即刻报警26
4.人才培养26
5.资金使用情况27
6.研究项目的效应情况27
6.1社会效益27
6.2.经济效益28
7.2013年项目总结28
1.概述
1.1项目概述
矿井监控系统是煤炭企业高产、高效、安全生产的重要保证。
煤矿井下是一个特殊的工作环境,有瓦斯等易燃、易爆气体,有硫化氢等腐蚀性气体,有水温、温度等环境参数及设备的运行状态需要监测;还要对井下的非安本性设备进行控制。
目前而言,从系统集成的角度来看,煤矿生产、管理的自动化与信息化水平相对不高,特别是煤矿安全生产监测监控系统尚没有行业标准、各厂家都是自行制定传输协议和接口标准,系统之间不能互通和兼容,存在“信息孤岛”现象。
信息资源难于共享,监测系统、控制系统和管理系统不能实现联动
阳光金力的的综合安全监控系统,是基于其自主研发的MCTP多通道工业以太环网产品架构的煤矿安全生产监控系统,它采用先进、成熟的光纤传输技术和优化的工业以太网数据交换技术,为煤矿井下综合自动化系统建设提供“三网合一”综合信息传输平台,实现话音、数据、以太网和视频等业务的灵活接入。
煤矿综合安全监控系统是各矿在生产、安全及管理方面的一个实时监测监控系统,对于煤矿的生产运行状况、安全水平、预测预报具有重要的作用。
为了加强对公司下辖各矿的安全生产进行管理,利用现有网络了解各矿的安全生产情况,将各矿的各种监测数据、各矿调度信息以及各矿的调度信息系统成在公司调度室,组建为一监控子网,使公司各个部门及领导可在网上浏览各自所需的信息。
并将各矿的安全监测信息系统与管理信息系统有机结合,加强企业内部协作与通信,提高生产和管理效率,增强企业的市场竞争力,使煤矿企业的信息化进程实质性的跨上一个新台阶。
项目经过一年的开发,已经完成基本架构的设计与验证,并取得了KDW660/21隔爆兼本安电源,KJ100N(A)-F矿用本安型安全监控分站,KJ100N(A)煤矿安全监控系统三个产品的煤安认证,实现了批量生产。
1.2研究工作的必要性
随着科学技术的不断发展,建设安全高产、高效的自动化、信息化管理为一体的现代化矿井已成为煤矿发展的必然趋势,然而,多数煤矿目前使用的监控等其他系统处于封闭状态,形成了多个系统信息的孤岛,各个系统之间各自为政,相互兼容性差已成为矿井发展的瓶颈问题。
随着矿井年龄的增长,信息传输系统老化陈旧,接入复杂,系统传输压力加大,先进的监控系统相互之间不能兼容等问题极为明显。
随着安全形势及矿井发展的需要,增加的子系统越来越多,各子系统在井下巷道中重复布置线缆情况日益突出,不但增加了资金的投入、加大了系统的维护工作量,也极不利于矿井安全生产的需要。
现有监控系统的体系结构、信息传输方式、系统反应速度等方面的技术瓶颈日益突出,难以满足我矿现代化、信息化发展的需要,制约了矿井现代化管理水平的提升。
在煤矿安全体系中,行之有效的安全预警系统,是保障煤矿安全生产和矿工生命安全最重要的环节。
如果安全系统不能迅速发现井下危险,数据无法及时、快速传输,将会对矿工的健康、安全构成巨大威胁,为煤矿的安全生产埋下隐患。
为此,一个可以传输不同数据、反映迅速的,可以将各自为政的安全系统形成体系的技术研发迫在眉睫,为煤矿生产过程中更为可靠、快速地传递信息,预警事故发生,延长预警时间,应为当前的安全系统进行升级,保障安全生产。
1.3项目的研究意义
通过该系统的研究成果可以实现:
(1)煤矿安全的信息化促进全矿的管理信息化,大量的安全生产监测数据是管理信息化的基础,通过对监测数据进行转换、整理、挖掘,管理系统对全矿的安全生产状况进行综合性动态分析,为领导科学决策提供依据。
(2)安全综合自动化控制系统与管理信息系统有机结合,可加强企业内部协作与通信,提高生产和管理效率,增强企业的市场竞争力,使煤矿企业的信息化进程实质性的跨上一个新台阶。
(3)使管理人员从繁杂的手工事务性劳动中解脱出来,以便从事更高水平的管理工作。
(4)能够有效的实现生产、安全管理和综合查询等功能,使其成为一个综合性的信息化网络。
通过以上系统,综合建立一个高速、可靠、传输信息量大的安全检测网络,实现前端处理数字化、传输系统化、系统构造集成化、远程控制自动化。
能够实现瓦斯浓度、风速、负压、温度、一氧化碳浓度、风门开关状态、风筒开关状态、煤仓煤位、井下水仓水位等主要安全环境参数的实时监测,以及电力、通风、压风、排水、采煤、运输、提升等生产、安全系统的实时监测与集中控制。
实现企业的经营、安全、生产管理和设备控制、生产决策等信息的有机集成。
应用信息化技术,实现经营管理科学化,生产计划、生产安全调度、生产过程控制最优化。
保证煤矿生产安全,提高产量和质量,提高企业经济效益和竞争能力。
2.研究目标及技术关键
2.1总体方案概述
综合安全监控系统的组网如图所示:
如上图所示,本系统由煤矿环境监测系统、生产设备检测系统、生产人员监测管理系统、煤矿现场管理安全排查系统组成,其中煤矿环境监测系统包含:
瓦斯监控、顶板监测(离层、压力)、火灾监测(CH4、氧气、烃类、烯类、温度),水位监测。
生产设备检测系统包含:
胶带温度监测、电缆温度监测、设备振动监测。
生产人员监测管理系统包含:
人员定位系统等系统。
煤矿现场管理安全排查系统包含:
无线视频、无线电话、无线PDA。
2.1.1产品功能模块:
下图是综合安全监控系统的技术架构
基础层和执行层是综合安全监控系统要检测和控制的设备,包括各类传感器、断电器、PLC、调度电话、工业摄像头、无线终端、人员识别卡、读卡器等设备,这些不再系统的开发范围。
综合安全监控系统是由平台层(监控分站和通讯服务器)、应用层(各专业监控平台)和拓展层(综合监控平台)组成
2.1.2技术实现思路:
1)使用百兆以太网接口作为成帧器,实现64个分站与地面通讯控制器组成光纤自愈环网。
环网保护倒换条件参照SDH的保护原理,故障恢复时间在50ms之内。
2)分站间的通讯,采用定时的以太网帧,使得传统的TDM业务同IP/以太网数据的转换方便可靠,并使传统的TDM业务与IP/以太网业务可以在一个统一的平台上传输和交叉连接,实现监控数据、工业视频、调度电话综合传输
3)设计通用背板总线,实现语音、视频、数据采集和检测控制各模块的自由组合。
4)设计精准的授时系统,使授时精度达到1ms,系统的同步信号精度为15.6us,可实现检测数据大范围的同步采集
5)分站及传感器全面实现了智能化和红外遥控调校、设置。
分站模拟量和开关量端口可任意互换,并支持多种信号制,有实时数据存储能力。
6)具有自检功能,可对分站、电源、传感器、电缆等设备进行诊断,能报警和记录并自动切断故障支路。
有完善的多级口令保护功能。
7)系统可监测瓦斯、风速、一氧化碳、烟雾、温度、风门开关等环境参数,也可监测煤仓煤位、水仓水位、压风机风压、箕斗计数、各种机电设备开停等生产参数和电压、电流、功率、电度等电量参数,以及胶带跑偏、胶带速度、轴承温度、机头堆煤等各种机电设备的运行情况。
8)传输系统故障时,井下分站可继续独立工作,并可以保存12小时监测数据,等传输通道恢复后,再将历史数据上传
9)以上核心技术采用FPGA,CPLD等大规模可编程器件,自主开发实现。
系统CPU由ARM9完成。
10)业务接口(语音,低速数据,Mpeg2图像编解码,以太网)采用成熟器件。
2.2项目主要研究内容
1、煤矿综合安全监控系统由灾害预警综合信息平台,专用监控平台、64台综合分站系统组成,综合分站系统由分站和隔爆兼本安电源电池箱组成
2、综合分站进一步包含分站主板
3、综合分站进一步包含电话调度子系统
4、综合分站进一步包含视频监控子系统
5、综合分站进一步包含工业现场总线子系统
6、综合分站进一步包含光工业以太网子系统
7、综合分站进一步包含数据采集子系统
8、综合分站进一步包含WiFi通讯子系统
9、综合分站进一步包含人员定位子系统
10、隔爆兼本安电源电池箱
11、隔爆兼本安电源电池箱进一步包含电源管理模块
12、隔爆兼本安电源电池箱进一步包含电源管理模块
13、隔爆兼本安电源电池箱进一步包含电池充电管理模块
14、隔爆兼本安电源电池箱进一步包含12V本安电源模块
15、隔爆兼本安电源电池箱进一步包含21V本安电源模块
16、专用监控平台进一步包含瓦斯监控平台
17、专用监控平台进一步包含顶板检测平台
18、专用监控平台进一步包含火灾检测
19、专用监控平台进一步包含水位检测
20、专用监控平台进一步包含胶带、电缆温度检测
21、专用监控平台进一步包含设备震动检测
22、专用监控平台进一步包含人员定位系统
23、专用监控平台进一步包含无线通讯平台
24、灾害预警综合信息平台包含系统联动预案处理、事故抢修、应急指挥、预警预案研究和事件评估
2.3设计工艺流程
综合安全监控系统设计工艺流程如图所示:
2.4生产工艺流程
综合安全生产工艺流程如图所示:
2.5项目技术实现依据
2.5.1设计思想依据
本项目的设计思想主要基于以下几个方面:
公司大部分研发人员具有传输、交换、接入、煤矿安全监控产品的研发经验,其中有六名人员有十年以上的相关开发经历。
熟知矿山安全生产的市场需求。
汲取了国内外各类矿山环境监控系统、生产设备监控系统、生产人员监测管理系统的优缺点,在公司特有的MCTP多通道工业以太网的架构上设计煤矿综合安全监控系统,其关键技术在以往研发的MCTP设备中和KJF45安全监控分站中得到验证。
煤矿安全生产是矿山行业关注的热点,也伴随着新技术、新标准的出现和新产品的不断完善。
项目产品的成功研制和应用为煤矿安全生产设备提供了新的思路,尤其为我国矿山安全生产提供一种高性价比的应用方案。
本项目方案有多项技术创新,在整个设计过程中主要参照或引用的标准有:
GB3836.1-2000爆炸性气体环境用电气设备第1部分:
通用要求,GB3836.2-2000爆炸性气体环境用电气设备第2部分:
隔爆型“d”,GB3836.4-2000爆炸性气体环境用电气设备第4部分:
本质安全型“i”,GB4208-1993外壳防护等级(IP代码),GB6388-86运输包装收发货标志,GB10111-88利用随机数骰子进行随机抽样的方法,GB/T14048.1-2000低压开关设备和控制设备总则,MT209-90煤矿通信、检测、控制用电工电子产品通用技术要求,MT210-90煤矿通信、检测、控制用电工电子产品基本试验方法,MT211-90煤矿通信、检测、控制用电工电子产品质量检验规则,MT289-92煤矿本质安全型供电、自动电话机通用技术条件,MT290-92煤矿本质安全型供电、自动电话机主要性能测试方法,MT406-1995煤矿通信井下汇接装置通用技术条件,MT/T899-2000煤矿用信息传输装置,GB/T2423.1-2001电工电子产品环境试验第2部分:
试验方法试验A:
低温,GB/T2423.2-2001电工电子产品环境试验第2部分:
试验方法试验B:
高温,GB/T2423.4-1993电工电子产品基本环境试验规程试验Db:
交变湿热试验方法,GB/T2423.5-1995电工电子产品环境试验,《ITU-X.87城域网多业务环(MSR)标准》,《基于SDH的多业务传送节点技术要求》[1];《基于SDH的多业务传送节点测试方法》[2];《基于SDH的多业务传送节点(MSTP)技术要求——内嵌RPR功能部分》[3];《基于SDH的多业务传送节点(MSTP)测试方法——内嵌RPR功能部分》[4];和ITU-TG.703、G.704、G.823、G.824、ITU-TG.707、IEEE802.x、YDN065-1997、YDN099-1998、YD/T877-1996YD/T1022-1999、YD/T1238-2002
2.5.2关键技术实现的依据
本系统的关键技术分两方面:
硬件和软件。
软件核心技术有双机热备技术、大型关系数据库技术、向量图形技术、瓦斯预警分析技术和海量数据同步采集技术。
以上技术需在高性能服务器和C#架构下完成。
硬件核心技术采用定时以太网帧、线路时钟同步,同步精准授时,隧道控制,VLAN控制,大位数数模转换和异地告警控制等。
采用大规模集成电路芯片(FPGA,EPLD)和嵌入式CPU(ARM9)完成。
下图是综合安全监控系统的技术架构
基础层和执行层是综合安全监控系统要检测和控制的设备,包括各类传感器、断电器、PLC、调度电话、工业摄像头、无线终端、人员识别卡、读卡器等设备,这些不再系统的开发范围。
综合安全监控系统是由平台层(监控分站和通讯服务器)、应用层(各专业监控平台)和拓展层(综合监控平台)组成
(一)平台层,即综合监控分站技术实现依据
组成如下图所示
分站主板完成:
实现以太网信号、视频信号、音频信号、数据信号和1000Mb/s线路帧之间的复接和分复接;实现以太网数据的插入,终结,和排序功能;实现异步数据和话音电路的交叉连接,视频数据的交叉连接;实现设备的网元管理。
如上图所示通过大规模逻辑期间FPGA实现复分接,与系统配置CPU配合完成物理带宽的控制、环网的检测、切换和其他逻辑控制。
该电路板上实现多项关键技术或创新技术,如:
●分站线路保护,保护时间在50ms之内。
●实现定时的百兆网的帧结构,使得传统的TDM业务和以太网数据在统一平台上可靠传输。
●分站时钟同步,使用弹性缓存调整时钟的原理,创造性的使用异步fifo,测算本地时钟和光环网时钟的偏差,来调整本地发送时钟。
●分站数据采集,具有甲烷浓度、风速、风压、一氧化碳浓度、温度等模拟量采集、显示及报警功能。
具有馈电状态、风机开停、风筒状态、风门开关、烟雾等开关量采集、显示及报警功能。
具有瓦斯抽采(放)量监测、显示功能。
●分站控制,控制现场设备完成甲烷浓度超限声光报警和断电/复电控制功能。
控制现场设备完成甲烷风电闭锁功能。
完成地面中心站手动遥控断电/复电功能,并具有操作权限管理和操作记录功能。
具有异地断电/复电功能。
另外综合分站还提供多种业务板,业务板所用的技术已在公司MCTP产品中应用。
其技术依据简述如下。
目前在MCTP产品上有应用的业务板有:
(1).以太网接口模块:
分四路以太网光接口和四路以太网电接口两种模块。
以太网交换采用Reltek公司的交换芯片。
(2).数据接口模块:
每块板提供4路可选的RS232/RS485/CAN数据接口,接口速率为57.6Kb/s以下自适应。
根据过采样原理,速率自适应,数据接口类型包括RS232,RS485和CAN总线接口。
(3).电话用户模块:
每块板提供4路电话用户电路接口。
使用AMD公司的套片。
(4).电话环路模块功能:
每块板提供4路环路用户接口,使用香港亚讯电信的套片。
(5).视频编码模块功能:
每块板提供2路H.264视频编码,速率4Mb/s。
(6).视频解码模块功能:
每块板提供2路H.264视频解码,速率4Mb/s。
(7).数据采集板功能:
4路模拟量或开关量的采集和2路数字量输出。
可根据软件定义模拟量或开关量,模拟量还可定义为电流型或频率型,最后一路可通过跳线选择为累计量输入;
(二)应用层和拓展层的技术实现
2.1煤矿安全综合自动化平台网络结构
2.2煤矿综合安全自动化系统架构
2.3关键功能需求
软件系统的开发平台为微软公司VisualStudio.NET。
Microsoft.NET战略将互联网本身作为构建新一代操作系统的基础,并对互联网和操作系统的设计思想进行合理延伸,在不同的网站之间建立起协定,促使网站之间协同合作,实现信息的自动交换,使用户在任何时间,任何地点通过任何系统都可以获取想要的信息。
在其上开发出的应用程序功能强大,可移植性强,可以运行在各种平台之上,可以轻松实现互联网连接。
涉及到Asp.Net、Ado.Net、Activex以及XML等新技术
2.4煤矿综合安全自动化系统软件接口
2.4.1软件接口
软件接口及标准的信息协议是软件整合能否实现的关键,对于各现场控制单元(子系统),接入组件支持业界普遍认同的一些标准接口接入。
OPC接口
OPC(OLEforProcessControl)是被工控领域广泛遵循的一种标准,它规范了应用程序与现场设备或数据源之间数据存取的接口协议,它是基于微软的组件技术(COM/DCOM)设计,采用客户/服务器体系结构。
它既可存取本地OPC服务器数据,又可存取分布在网上其它节点的OPC服务器,并且具有高效、安全的特点。
它是目前存取现场数据最理想的方法。
DDE/NetDDE接口
NetDDE是基于网络的动态数据交换(DDE)技术解决应用程序之间数据的动态交换。
也采用客户/服务器体系结构。
它既可存取本地DDE服务器数据,又可存取分布在网上其它节点的DDE服务器,它比OPC在速度和安全性方面要逊色。
但对一些动态刷新系统它仍不失为一种简单有效的方法。
ODBC接口
现场控制单元(子系统)可将一些对实时性要求不高(如统计等)信息周期性地通过数据接口写入指定的共享数据库(如MSAccess或MSSQL等)的表中,综合自动化系统通过数据库接口获取相关信息。
FTP传送
现场控制单元(子系统)将实时数据周期性地写入指定的文件中,文件的结构符合统一的信息描述,子系统通过FTP上传至管控服务器设置好的FTP服务器。
2.4.2统一信息描述
信息协议是软件标准接口数据的具体描述。
它包括以下几类:
系统配置信息组;数据信息组;控制命令信息组。
2.5煤矿综合安全自动化系统基础功能
2.5.1信息综合功能
为保证综合自动化系统中监控信息的有序流动以及对其进行管理,系统中的接入组件负责与各子系统以标准的软件接口和信息协议交换信息。
系统对各子系统进行综合分析、分类处理。
形成监控信息数据中心。
2.5.2WEB浏览功能
●实时动态图形
系统可将各子系统显示的各类实时动态图形转换为HTML或XML。
供客户通过IE浏览。
包括:
井下皮带集控系统实时监控图、井下电机车信集闭系统实时监控图、井下供电监控系统实时监控图、井下排水自动控制系统实时监控图、四大运转自动控制系统实时监控图、工业电视监控系统实时监控图、选煤厂集控系统实时监控图、安全生产监测监控系统实时监控图、井下人员定位系统实时监控图、核子称系统实时监控图、综采支架综保监测系统图等;参考图例如下:
●实时数据表格
可以通过网页浏览各个子系统的监测数据,在网页上访问当前数据和任意时间的历史数据,报警数据用红色显示,能够声音报警,异常(负漂、溢出等)数据也用醒目的其他颜色区别显示;支持循环显示、多屏幕显示。
如下图:
可显示各子系统的报警信息、故障信息,并可按单位、类型、持续时间、间隔和日期等进行组合查询。
首页报警故障统计,统计出昨日、当日、当前的报警记录。
点击相应的个数可以查看详细信息,单击相应的列可以按相应的列进行排序。
历史报警查询:
可按不同子系统、报警类别、报警等级、起始日期、结束日期、艘持续时间大于某个值来查询。
历史报警日统计:
可按不同子系统、日期、级别(可选项)来统计当天报警记录。
●开停与故障统计
在图形中右键可以查看对应设备的开停统计、故障统计等信息
●趋势曲线
可在工作站上通过IE浏览器浏览系统趋势曲线,可以在一个坐标内显示多条曲线;可以放大曲线显示;可以打印曲线;鼠标跟踪显示曲线上每一点的数值和时间;可以用表格方式显示曲线的相应监测数据记录;显示最大、最小和平均值曲线。
如下图(安全监测曲线图):
2.5.3数据分级管理
将数据分为矿级数据和局级数据,实现分级管理,实现安全监测数据、设备运行数据及其他安全信息的分类管理。
对超限报警、开关报警数据通过GPRS技术,实现对报警信息的逐级短信报警。
2.5.4报表打印功能
具有报表打印功能,可以按测点·时间(段)·矿·班次·报警·异常等各种方式查询各种表格数据,提供打印预览及打印功能。
2.5.5事件记录功能
对所有涉及系统配置操作,对子系统实施控制的操作及一些重要的操作,系统都进行完整的记录,包括:
操作时间、操作者、操作码及描述、节点名等。
为系统的事故追忆及重演提供了重要的信息。
2.5.6扩展功能
系统采用统一、标准的数据接口采集各生产单位监测监控系统的数据,保证采集数据的准确性。
接口数据具有实时性与可扩展性,满足实时数据的要求,当监测数据有增、减等变动时,应自动反映到系统中。
同时,可将本矿监测系统的数据进行专业级后处理,作为上一级信息网的信息源。
2.5.7安全认证功能
系统健壮、抗干扰能力强、容错性好,具有优良的安全验证体系,支持系统的安全性恢复,支持数据备份,保证系统安全可靠。
网页的访问必须通过口令,没有授权的用户不能查看网页。
如图:
2.5.7短信报警
监测信息网络系统是煤矿在生产、安全及管理方面的一个实时监测监控系统,对于煤矿的生产运行状况、安全水平、预测预报具有重要的作用。
为了加强对煤矿的安全生产进行管理,利用现有网络了解各矿的安全生产情况,拟建立一套GPRS短信报警系统,自动将监测报警信息通过GPRS发送到相关人员手机上,便于领导及时了解安全生产情况,制定相关决策,保证安全生产。
短信报警是基于SMS短消息协议,采用PDU编码方式,计算机通过自动发送短信来传递测点故障报警信息的功能。
当测点有故障、报警时,监控中心会自动将故障、报警的详细内容以短信的形式发送到预设的手机上。
2.6煤矿综合安全自动化系统的增值功能
综合自动化管理软件是建立在综合数据平台基础之上,通过对统一的数据仓库提取数据后再进行多方面的分析,如:
经济分析、设备优化分析、区域环境分析、设备寿命分析、通风安全分析等。
经过对矿井机电设备数据地分析,使
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