劉儒晨

(河南煤業(yè)化工集團焦煤公司計訊處,河南省焦作市,454000)

TD無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在煤炭行業(yè)的應用實踐

劉儒晨

(河南煤業(yè)化工集團焦煤公司計訊處,河南省焦作市,454000)

對傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在煤礦數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的技術現(xiàn)狀進行分析,提出了在基于TD無線網(wǎng)絡系統(tǒng)覆蓋的情況下,采用TD技術與傳感器技術相結(jié)合的方式組成新型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的系統(tǒng)解決方案,并介紹了系統(tǒng)的主要功能。

煤礦安全 數(shù)據(jù)采集 監(jiān)控系統(tǒng) 數(shù)據(jù)分析

1 引言

隨著國家對煤礦安全生產(chǎn)的重視,煤炭安全生產(chǎn)已成為人們關注的焦點,國家對煤礦安全生產(chǎn)預警、應急救援通信、信息化以及全程的監(jiān)控網(wǎng)絡也提出了更高的要求。井下通信系統(tǒng)必須既滿足井下安全生產(chǎn)的需求,又滿足地面生產(chǎn)、指揮、管理等各方面的需求。因此,監(jiān)測井下瓦斯?jié)舛取⒌V壓等信息,把這些物理信息控制在安全范圍內(nèi),是避免礦井事故的有效手段。

2 當前數(shù)據(jù)采集技術現(xiàn)狀分析比較

由于煤礦井下環(huán)境惡劣,復雜多變,為了能夠及時準確地將井下的情況反饋給地面的監(jiān)控人員,要求數(shù)據(jù)采集和處理程序有較高的實時性和可靠性。現(xiàn)有的煤礦井下監(jiān)測體系數(shù)據(jù)采集主要分為人工抄表、有線數(shù)據(jù)傳輸和無線數(shù)據(jù)傳輸3種方式。

2.1 人工抄表方式

人工抄表方式是指由人工操作進行煤礦井下的數(shù)據(jù)監(jiān)測,它雖然比其他方式簡便、直觀、可靠、成本低,但是實時性比較差,適用于數(shù)據(jù)量較小的場合,對于比較危險的環(huán)境,會帶來一定的安全風險。

2.2 有線傳輸方式

有線傳輸方式主要包括CAN總線、RS485等傳輸方式。它們雖然具有通信可靠、抗干擾性能好和傳輸距離遠等優(yōu)點,但采集系統(tǒng)大多采用預先布線的方式,擴展性差,布線繁瑣,不能動態(tài)連接,不能隨時改變采集地點。

2.3 無線傳輸方式

無線傳輸方式典型的是以Zigbee為代表的自組網(wǎng)傳輸方式,它雖然具有低功耗和通用性強的優(yōu)點,但在傳輸距離和傳輸速率上有一定的局限性。Zigbee技術在地面上使用時效果較好,但是在井下由于空間狹小且有風門、機車等阻擋體,以及受巷道傾斜、表面粗糙、有拐彎和分支等因素影響,試驗結(jié)果表明與地面上應用有較大差異,節(jié)點之間的傳輸距離只有地面上的幾分之一,使用效果較差。

3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設計

無線傳感器網(wǎng)絡主要應用在感知戰(zhàn)場狀態(tài)、環(huán)境監(jiān)控、物理安全等方面,可以實現(xiàn)自動狀態(tài)監(jiān)控,通過傳感器感知環(huán)境信息并以TD無線網(wǎng)絡傳輸給控制中心,當環(huán)境狀態(tài)異常時實時上報狀態(tài)變化,提高監(jiān)控現(xiàn)場的安全性。

無線傳感器網(wǎng)絡主要由感知(傳感器)模塊、微處理器及存儲器、無線收發(fā)器和供電模塊構(gòu)成。目前,3G技術已經(jīng)應用至礦井,其覆蓋范圍可包括礦井內(nèi)的各個場合。因此,采用先進的TDSCDMA無線傳輸技術對井下各安全生產(chǎn)指標進行數(shù)據(jù)采集傳輸,組成基于TD物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡,不僅傳輸速率快、傳輸距離遠,而且具有維護方便、低功耗、價格合理等優(yōu)點,非常適合煤炭井下檢測系統(tǒng)。

TD無線傳感器節(jié)點將傳感器采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給控制中心,由控制中心進行數(shù)據(jù)的分析和處理。TD無線傳感器主要特點為實現(xiàn)礦井下的環(huán)境監(jiān)控,可以根據(jù)需要做大范圍的部署和應用。

3.1 系統(tǒng)的主要功能

本系統(tǒng)包括TD無線傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)兩部分。TD無線傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分為固定式和手持式兩種,設備自動將采集到的礦井瓦斯?jié)舛群偷V壓等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號并通過TD網(wǎng)絡輸送給監(jiān)控設備,設備具有顯示瓦斯?jié)舛?、礦壓值及超限聲光報警等功能。

(1)數(shù)據(jù)本地顯示。手持式TD無線傳感器具有將采集到的數(shù)據(jù)本地同步顯示的功能,方便直觀地查看礦井中的采樣值。

334 Effect of culture time of frozen embryo after thawing on clinical pregnancy rate

(2)聲光告警。安裝在井下固定式TD無線傳感器具有本地聲光告警功能,當監(jiān)測到超過預設門限時會產(chǎn)生聲光告警。告警門限可以通過監(jiān)控系統(tǒng)進行遠程設置。

(3)供電方式。固定式TD無線傳感器采用外部電源直接供電,手持式TD無線傳感器采用電池供電。

(4)監(jiān)控功能。監(jiān)控中心計算機根據(jù)傳感器節(jié)點上報的傳感器數(shù)據(jù)進行監(jiān)控,監(jiān)測礦井安全環(huán)境。

3.2 TD無線傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由計算機處理單元、TD無線傳輸單元、傳感器接口單元和電源模塊4部分組成。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖

3.2.1 計算機處理單元

計算機處理單元的功能包括:采集傳感器數(shù)據(jù),根據(jù)傳感器的類型轉(zhuǎn)換成對應的測量值,按照通信協(xié)議發(fā)送至TD無線傳輸單元;接收控制臺的指令,按照指令進行相關處理。計算機處理單元由主處理模塊、接口模塊及聲光告警模塊組成。主處理模塊選擇ARM單片機作為處理CPU,芯片內(nèi)部包含了FLASH及RAM,外部接口豐富,配置簡單,價格低廉,可很好地與外部傳感器或傳輸模塊互連。接口模塊提供擴展I/O接口和USB接口,方便連接其它外部設備。當檢測量超過設定的門限時,聲光告警模塊通過聲音報警電路和指示燈報警電路發(fā)出告警,及時告知檢測人員做出反應,報警門限可以通過遠程進行設置。

3.2.2 TD無線傳輸單元

TD無線傳輸單元的主要功能是為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供無線傳輸通道,將采集的數(shù)據(jù)信息傳輸至地面計算機,接收地面計算機(管理系統(tǒng))發(fā)送的相關指令,轉(zhuǎn)發(fā)給主處理單元。

聯(lián)芯公司的LC6311系列模塊是一款基于TD-SCDMA&GSM(GPRS)技術的雙模無線模塊,支持TD-SCDMA與GSM系統(tǒng)間跨網(wǎng)自動無縫切換,通過配置可以設置TD-SCDMA模式。在TD制式下,支持上下行非對稱數(shù)據(jù)傳輸能力,上下行數(shù)據(jù)傳輸速率可分別達到384 kB/s。模塊支持UART和USB兩種通信接口,使用更為方便和靈活,可以滿足不同主控設備的需求。模塊采用2.9 mm裝配高度的超薄設計,可以方便應用于智能手機和各類數(shù)據(jù)卡中。模塊內(nèi)部集成TCP/IP協(xié)議,可以方便連接互聯(lián)網(wǎng)。

3.2.3 傳感器接口單元

井下傳感器可檢測出井下壓力、氧氣濃度、瓦斯?jié)舛鹊雀鞣N物理信息。支持的傳感器輸出類型包括模擬接口輸出和數(shù)字接口輸出。模擬接口支持標準電壓輸出類型和電流輸出類型,通過隔離轉(zhuǎn)換電路,將模擬電壓(電流)信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號與主處理單元連接。數(shù)字接口支持RS232接口和RS485/RS422接口,通過隔離電路連接到主處理單元。

3.2.4 電源模塊

電源模塊提供系統(tǒng)的工作電壓,該模塊滿足煤礦安全生產(chǎn)的要求,同時,在傳感器模塊沒有單獨電源的情況下,通過隔離電路對傳感器提供工作電壓。

3.3 TD無線傳感器數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)

在井下終端采集的傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送至地面計算機后,通過智能數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)來對這些數(shù)據(jù)進行分析、預測,以及對數(shù)據(jù)進行查詢、報表打印、數(shù)據(jù)可視化應用等。數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的功能需求如下:

(1)實時性。系統(tǒng)必須對當時所發(fā)生的各種事件做出及時恰當?shù)姆磻?尤其是對于那些非正常的變化,必須立刻做出防范措施,并記錄事件。

(2)可靠性。系統(tǒng)的設計應具有較高的可靠性,保證系統(tǒng)在運行中不發(fā)生或極少發(fā)生故障。在偶然事故及操作失誤時,系統(tǒng)具有較強的自恢復能力,確保數(shù)據(jù)的準確性、完整性和一致性。

(3)可管理性。系統(tǒng)可以對TD無線傳感器進行管理,對傳感器工作狀態(tài)進行監(jiān)控,并可以遠程設置報警門限和遠程傳感器的標定。

(4)安全性。系統(tǒng)可采取必要的措施保障系統(tǒng)運行的安全穩(wěn)定,防止服務器被破壞、數(shù)據(jù)被竊取以及在聯(lián)網(wǎng)情況下被病毒侵入。

(5)實用性。系統(tǒng)設計圍繞著用戶的實際需求,以實用、簡便、經(jīng)濟、安全的原則來設計系統(tǒng)功能,以方便用戶使用為標準,能夠統(tǒng)一編碼規(guī)則、統(tǒng)一界面風格。

數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)采用C/S(客戶機/服務器)模式?？蛻魴C端的功能是負責管理用戶界面、接收用戶數(shù)據(jù)、處理應用邏輯、生成數(shù)據(jù)庫服務請求,然后將用戶的這些請求提交給服務器端,再將服務器端返回的結(jié)果以特定的形式顯示給用戶;服務器的任務是接收客戶端提出的服務請求,進行相應的處理,再將結(jié)果返回給客戶端?？蛻舳讼蚍掌靼l(fā)送各種請求,服務器端根據(jù)發(fā)送的請求經(jīng)過一系列的數(shù)據(jù)分析、處理后,向客戶端反饋有用的信息,并在客戶端以圖形或文字的方式顯示出來。該系統(tǒng)分為3部分,數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3.3.1 系統(tǒng)客戶端

系統(tǒng)客戶端是TD無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的操作平臺,客戶端從數(shù)據(jù)庫中提取有效信息,在操作界面上顯示井下傳感器信息,包括實時壓力信息、瓦斯?jié)舛刃畔⒑脱鯕鉂舛刃畔⒌?并對一些基本信息進行有效處理和分析。系統(tǒng)客戶端基于Windows XP操作系統(tǒng),使用Visual C++作為開發(fā)平臺,采用C++語言進行系統(tǒng)開發(fā)。

3.3.2 數(shù)據(jù)庫服務器

后臺數(shù)據(jù)庫使用SQL Server 2000,這是一種關系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng),數(shù)據(jù)庫服務器中存儲著系統(tǒng)所需要的各種有效信息。系統(tǒng)客戶端向數(shù)據(jù)庫服務器發(fā)送SQL請求,數(shù)據(jù)庫對發(fā)送的SQL請求進行處理后反饋數(shù)據(jù)及結(jié)果。3.3.3 數(shù)據(jù)通信服務器

數(shù)據(jù)通信服務器是TD無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源,負責收集與發(fā)送井下信息。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信是由TD-SCDMA模塊來實現(xiàn)的,它與高可靠性工業(yè)控制計算機集成在一起,實時接收傳感器檢測到的相關數(shù)據(jù),并通過網(wǎng)絡傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫服務器。系統(tǒng)也可以通過防火墻連接互聯(lián)網(wǎng),支持通過遠程方式訪問數(shù)據(jù)庫信息。

3.4 系統(tǒng)的主要優(yōu)勢

井下各種數(shù)據(jù)采集可自動完成,無需人員現(xiàn)場參與及監(jiān)控;數(shù)據(jù)支持自動采集、實時回傳,并可實現(xiàn)統(tǒng)計、分析報表的自動輸出;支持對無線傳感器節(jié)點的集中監(jiān)控和管理;數(shù)據(jù)的分析更加全面、準確,同時可以連接專家系統(tǒng),為安全生產(chǎn)決策提供技術支持。

4 結(jié)語

本文提出的系統(tǒng)經(jīng)過在河南某煤礦1年多的使用,系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠,可以連接不同類型的測量傳感器,便于企業(yè)組成統(tǒng)一的安全生產(chǎn)信息平臺,統(tǒng)一對測量數(shù)據(jù)進行管理。

該系統(tǒng)不僅滿足了井下各種數(shù)據(jù)的采集要求,而且設計的系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單,易于維護,通信距離遠、通信質(zhì)量高等特點,免去了一般礦井檢測系統(tǒng)大量布線或架設多個無線基站的繁重工作。采集的實時數(shù)據(jù)通過計算機網(wǎng)絡集中管理分析,分析效率高,結(jié)果顯示直觀,并且可以連接專家系統(tǒng)。該系統(tǒng)是對現(xiàn)有煤炭井下檢測系統(tǒng)的創(chuàng)新,也是新一代通信技術在煤炭行業(yè)應用的成功案例,隨著煤炭行業(yè)無線通信系統(tǒng)的升級更新,該系統(tǒng)市場前景廣闊。

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Application of TD Wireless Data Acquisition System in coal industry

Liu Ruchen
(Jiaozuo Coal Mining Company,Henan Coal Chemical Group,Jiaozuo,Henan 454000,China)

The paper analyzes the technical condition of applying traditional data acquisition system in coal mine data acquisition systems,and proposes a systematic solution plan,which is to apply a new type of data acquisition system combined by TD and transducer technology under the condition covered by TD wireless network system.The paper also introduces the main function of the system.

coal mine safety,data acquisition,monitoring system,data analysis

TD655.3

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劉儒晨(1966-),男,吉林省長春市人,河南煤業(yè)化工集團焦煤公司計訊處副處長,工程師。

(責任編輯 路 強)