工業以太網技術在煤礦集中監測監控管理系統中的應用

張大勇

【摘要】本文針對國內煤礦安全生產管理系統通訊協議和信息交換標準不統一、與其他系統聯網困難、無法做到數據共享的缺點，提出一種基于工業以太網技術的煤礦安全生產集中監測監控管理系統方案，構建一個具有分散性、實時性、可靠性、開放性和互操作性特點，符合礦井安全要求的生產與管理信息傳輸平臺。

【關鍵詞】安全生產；工業以太環網；集中監測監控管理系統；核心交換機；網絡安全

一、引言

目前我國大部分煤礦均已不同程度地建立或準備建立安全生產監測監控系統，但從系統集成的角度來看，有關生產、管理的自動化與信息化水平相對較低，特別是煤礦安全生產監測監控系統尚沒有行業標準，各廠家都是自行制定傳輸協議和接口標準，各分（子）系統之間不能互通和兼容，存在著信息孤島現象，信息資源難于共享，監測系統、控制系統和管理系統不能實現聯動；從產業的角度看，目前煤礦行業安全生產軟硬件研發和服務保障系統相對落后，研發力量薄弱，適合煤礦行業特點和需求的軟硬件和電子專用設備、儀器目前仍比較缺乏，還難以滿足煤礦安全生產的需求和技術升級的需要。

本文結合山西潞安溫莊煤業有限責任公司礦井生產和安全監控系統集成工程建設，采用最新的計算機網絡、光纖通信和工業以太網技術進行安全生產監控網的設計，構建一個符合礦井安全要求的礦井生產與管理信息綜合系統的傳輸平臺。

二、設計原則

根據該礦目前的實際情況，煤礦的生產與管理信息綜合集成系統包括井下煤炭安全生產自動監控監視系統以及管理信息系統兩大方面。本系統是為煤炭行業、大中型煤礦企業實現管理科學化而設計開發的，旨在為煤礦生產節約成本、強化生產安全管理、提高工作效率，能確保安全監察業務準確、實時、快速的運行，保證搶險救災、安全救護的高效運作，對煤炭開采各生產成本指標作出科學、全面的統計分析，并提供全面系統的決策資料，是對煤礦管理做出科學決策的最佳助手。

系統設計本著先進性、開放性、可擴充性、可維護性的原則，根據目前業務實際，并充分考慮今后業務發展需要，采用瀏覽器/服務器體系結構與客戶機/服務器體系結構相結合的多層應用結構，使用當前先進的系統平臺、面向對象的開發方法、可視化的開發工具，設計出一套較為完善的適用于煤礦實際的管理科學化、安全生產自動化的綜合信息化解決方案。本方案設計主要注重：先進性和成熟性：采用目前比較成熟的先進技術和產品，以國內現有的綜合信息集成系統軟件為基礎，不必重新開發綜合系統。開放性和標準性：采用有關的國際標準、國家標準和行業規范。實效性和共享性：能夠及時、準確、動態地更新煤礦信息。并提供信息資源高度共享。傳遞性和安全性：實現數據庫三層結構安全管理，支持多級權限管理，使系統安全性有穩固的保障；從操作系統、數據庫、應用軟件等多層次設置安全屏障，有效保證數據安全，保證了客戶數據不被篡改，保證網絡信息的安全性、完整性。

三、設計目標

1、建立煤礦安全生產所必須的測控系統，覆蓋企業安全生產所涉及的各個環節。要設計或改造的生產自動監控系統包括：

（1）井下通風監控子系統（2）皮帶運輸監控子系統（3）自動排水監控子系統（4）電網監控子系統（5）環境監測子系統（6）人員定位與考勤子系統（7）提升監控子系統（8）自動乘人子系統（9）工業電視監控子系統其中工業電視監控子系統將上述8個系統的各個環節進行全程電視監控，并做到在內部網上瀏覽所關心的畫面，并可實時錄相。以上子系統可根據煤礦輕重緩急的要求，分步實施，每上一個子系統即將其與管理信息系統集成在一起。

2、建立對生產設備運行的管理子系統。

通過對有關生產、設備運行的原始數據的準確性、實時性和設備參數、生產過程參數的分析，提高生產調度、管理的準確性與及時性，減少和避免重大故障，提高運行可靠性，從而保障機電設備的安全運行。建立健全積極、主動的維護保養循環體系，根據設備的性能和特點， 實現定時、定點、定量的維護檢查，并提供多種形式的設備運行狀況預警，確保機電設備的安全運行。

3、網絡整體設計。

網絡系統構建分為兩個工期：第一期工程：井下共設計兩個環網、分別是一個1000M環網，一個100M環網。1000M供全礦井所有子系統接入，100M供安全監控系統接入。第二期工程：按礦井技改建設進度和實際情況，設計地面1000M環網。全礦網絡各環的交換機支光纖直接接入調度室的核心交換機，形成獨立環網。調度室配置兩臺核心交換機，核心交換機配備備用光口，降低網絡故障率。該平臺作為一個整體進行監控與管理，使礦井在“采、掘、運、風、水、電、安全”等生產環節全面實現信息化，實時掌握全礦井安全、生產、人員、經營等所有方面的信息，形成統一、完整的有機整體，以實現企業的優化運行、優化控制與優化管理，建立起礦井集中監測監控管理系統。

四、網絡拓撲結構

工業以太環網硬件系統由井下現場設備層及防爆交換機、地面控制層以及煤礦管理信息中心等構成。

井下現場設備層包括各監控子系統分站和井下防爆交換機，各監控子系統分站負責各自的設備監控與運行；井下防爆交換機將井下各監控子系統分站的信息集中，通過光纖將信息經過井上交換機傳輸到各監控主機，同時接收井上信息中心通過監控主機及交換機傳來的監控命令，以向井下監控分站下達監控命令來控制設備的正常運行。地面控制層包括各監控子系統主機及服務器和交換機，各監控主機負責對各自井下分站的直接監控，監控主機通過防火墻與煤礦管理信息中心局域網相連，將得到的設備運行情況等信息通過網絡傳輸到服務器，以便管理者網上瀏覽。煤礦管理信息中心由WEB服務器、數據服務器、備份服務器以及交換機和防火墻等組成，實現對井下設備和地面管理等信息的存儲、檢索、管理和監視。實現安全生產與管理綜合信息的集成。

五、系統安全設計

系統安全是信息化建設的重點內容之一，需要全方位考慮。既要確保系統發生災難后能夠盡快恢復，又要確保信息不被非法訪問和篡改。常用方法包括：系統的熱備份、密鑰、數字證書、防火墻、遠程容災、入侵檢測等。

安全方案主要技術特點如下：實現數據的完全、自動備份，并且實現數據的多次存儲，極大程度的保證了數據的安全性。主備服務器可以實現自動切換，也可以人為強行切換。當主服務器遇到故障，比如斷網、死機、斷電等情況，會實現到備份服務器的自動切換。雙機進行切換不影響系統的運行，穩定性好。雙機熱備軟件的安裝與配置都較為簡單。雙機熱備采用純軟方式，成本低，不需要購買昂貴的磁盤陣列柜，兩臺服務器之間不受距離的限制，可靠性更高一些。采用硬陣列的方式，系統更加穩定可靠。磁盤陣列其實也分為軟陣列 （Software Raid）和硬陣列 （Hardware Raid） 兩種。軟陣列即通過軟件程序并由計算機的CPU提供運行能力所成。由于軟件程式不是一個完整系統，只能提供最基本的RAID容錯功能。硬陣列是由獨立操作的硬件提供整個磁盤陣列的控制和計算功能，不依靠系統的CPU資源。由于硬陣列是一個完整的系統，所有需要的功能均可以做進去，所以硬陣列所提供的功能和性能均比軟陣列好。RAID技術的采用提高了磁盤的存?。╝ccess）速度，防止數據因磁盤的故障而丟失以及有效的利用了磁盤空間。RAID通過在多個磁盤上同時存儲和讀取數據來大幅提高存儲系統的數據吞吐量。在RAID中，可以讓很多磁盤驅動器同時傳輸數據，而這些磁盤驅動器在邏輯上又是一個磁盤驅動器，所以使用RAID可以達到單個磁盤驅動器幾倍、幾十倍甚至上百倍的速率。實現了同一臺服務器上兩塊硬盤的完全、自動備份。

支持硬盤擴展。

六、接口方案設計

改造前該煤礦地面調度中心的主計算機已可對井下的排水系統、安全監控系統等原有的自動化分系統進行集中監測和控制。因此對原有系統或準備建立的第三方系統的集成是煤礦監測與管理綜合信息集成系統的關鍵，并且由于我國對煤礦自動化設備的接口沒有統一的標準和規范，系統集成必須根據不同的設備情況采取不同的集成策略。支持TCP/IP的監測設備：可以直接通過IP的連接實現功能集成。調度室具有控制計算機的井下監測設備：一般這類系統產生的數據存放在控制計算機的數據庫中，系統集成時可以考慮從數據庫中獲取相關數據實現生產信息的集中展示；對該類設備的集中控制則需通過該設備的通訊協議實現。

其他設備：有些設備是非標設備，并且沒有主控計算機，其信息的采集及設備控制只能通過改造通訊接口的方式與控制設備進行通訊，以實現信息的采集和控制。

七、結束語

本系統的設計目標是綜合運用網絡技術、WEB技術、數據庫技術、軟件工程技術、系統集成技術、數據倉庫及數據挖掘技術，重點解決安全監控信息的集成處理與發布、生產信息的集成與可視化、各種管理信息系統的規范與集成，構建具有煤礦企業特色的綜合信息自動化管理體系，實現生產自動化系統的實時數據庫與管理信息系統數據庫之間的緊密集成，提高管理信息中有關生產的原始數據的準確性、實時性。

參考文獻

[1]陸錚，汪叢笑.工業以太網在全礦井綜合自動化系統中的應用[J].工礦自動化，2006年03期.