孫彥明，宋正杰

（貴州大學(xué)貴州省非金屬礦產(chǎn)資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 貴州貴陽 550003）

煤礦多監(jiān)控系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行協(xié)議的設(shè)計(jì)

孫彥明，宋正杰

（貴州大學(xué)貴州省非金屬礦產(chǎn)資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 貴州貴陽 550003）

現(xiàn)有煤礦井很多安全監(jiān)控系統(tǒng)與人員定位系統(tǒng)互不兼容，造成了資金和設(shè)備的浪費(fèi)，且不利于礦井?dāng)?shù)字化的建設(shè)。針對(duì)該問題，提出了多監(jiān)控系統(tǒng)的并網(wǎng)運(yùn)行。主要采用了通信服務(wù)器作為主機(jī)與分機(jī)的連接樞紐，來協(xié)調(diào)各個(gè)主機(jī)與井下分機(jī)的通信順序，從而達(dá)到并網(wǎng)運(yùn)行的目的。

煤礦安全；多監(jiān)控系統(tǒng)；并網(wǎng)運(yùn)行；通信協(xié)議

為了保證我國煤礦的安全生產(chǎn)，加強(qiáng)安全監(jiān)控勢(shì)在必行。然而目前礦井現(xiàn)有的每個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的協(xié)議均互不兼容，由此造成各個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)互不聯(lián)系，都存在獨(dú)自的一套主機(jī)與分機(jī)的通信線路，進(jìn)而造成煤礦大量資金和設(shè)備的浪費(fèi)，且使煤礦的監(jiān)控效率大大降低，影響工人的安全。因此，建立綜合安全的監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多監(jiān)控系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行是提高我國采煤安全的必然趨勢(shì)。本文主要討論通過關(guān)鍵部件“網(wǎng)關(guān)”的使用，使得多個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的主機(jī)可以對(duì)總線進(jìn)行分時(shí)復(fù)用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多監(jiān)控系統(tǒng)的并網(wǎng)運(yùn)行。

1 并網(wǎng)運(yùn)行的方案研究

1.1 并網(wǎng)運(yùn)行的原理

煤礦存在很多種監(jiān)控系統(tǒng)，每個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)都有獨(dú)立的主機(jī)與分機(jī)通信線路。如果通過一個(gè)通信服務(wù)器，將各個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的主機(jī)與分機(jī)的通信線路統(tǒng)一，使其主機(jī)調(diào)取分機(jī)數(shù)據(jù)時(shí)可以共用一套通信線路，即解決了并網(wǎng)的問題，使煤礦監(jiān)控系統(tǒng)多元化、簡單化。多元化是指在煤礦可以安裝更多的監(jiān)控設(shè)備，而無需單獨(dú)鋪設(shè)主機(jī)與分機(jī)的通信線路；簡單化是指多監(jiān)控系統(tǒng)統(tǒng)一在一塊，使設(shè)備更加簡單、操作更加簡單。

1.2 并網(wǎng)運(yùn)行方案設(shè)計(jì)

1.2.1 方案綜述

要使所有主機(jī)共用一套通信線路，從而達(dá)到主機(jī)與分機(jī)的自由通信，關(guān)鍵在于如何解決所有監(jiān)控系統(tǒng)相互之間協(xié)議的不兼容問題，即當(dāng)所有的主機(jī)同時(shí)要求與分機(jī)進(jìn)行通信時(shí)，由于通信線路的限制，只有一定的主機(jī)能夠與分機(jī)進(jìn)行通信，這時(shí)就要限制主機(jī)與分機(jī)的通信數(shù)量，采取主機(jī)之間互相協(xié)調(diào)的方法，按照請(qǐng)求到達(dá)的時(shí)間、交替的順序或任務(wù)的重要程度等原則，使主機(jī)之間分時(shí)通信、分步通信。本文采用合用通信網(wǎng)關(guān)的方案。

1.2.2 方案設(shè)計(jì)

該方案的通信網(wǎng)關(guān)可理解為一個(gè)公共服務(wù)器，通過它把所有監(jiān)控系統(tǒng)的主機(jī)與分站連接起來，從而控制各個(gè)主機(jī)之間的通信順序。如圖1所示，主機(jī)1與分站進(jìn)行通信時(shí)，可以把主機(jī)1的命令通過服務(wù)器傳給相應(yīng)的分站，類似，分站也可以通過服務(wù)器把相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳給主機(jī)1。主機(jī)2與主機(jī)1的通信過程相似。該過程中，各個(gè)主機(jī)之間要按照上面提到的相應(yīng)原則進(jìn)行通訊，以避免所有主機(jī)都進(jìn)行通信時(shí)導(dǎo)致的通信線路阻塞，從而給煤礦安全帶來隱患。

由上面的分析可知，主機(jī)通信要事先向通用服務(wù)器進(jìn)行申請(qǐng)，這時(shí)，通信服務(wù)器就處于被動(dòng)的地位，要制定相應(yīng)的被動(dòng)控制協(xié)議。與之相反，當(dāng)通用服務(wù)器處于主動(dòng)地位時(shí)，就是服務(wù)器主動(dòng)發(fā)送提供服務(wù)的信號(hào)給各個(gè)主機(jī)，然后各個(gè)主機(jī)再按照一定的原則通過通信服務(wù)器與分機(jī)進(jìn)行通信，這時(shí)要制定的協(xié)議就是主動(dòng)控制協(xié)議。

圖1 合用通信網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)

（1）主動(dòng)控制協(xié)議。服務(wù)器分別給人員定位和安全監(jiān)控2個(gè)主機(jī)發(fā)送服務(wù)器空閑的信號(hào)（令牌），當(dāng)收到其中的一個(gè)服務(wù)請(qǐng)求時(shí)，就轉(zhuǎn)而給相應(yīng)的主機(jī)提供服務(wù)，服務(wù)結(jié)束，就重新發(fā)送服務(wù)器空閑的信號(hào)。在這個(gè)過程中，服務(wù)器可以提供一定的緩沖區(qū)，當(dāng)正在執(zhí)行一項(xiàng)任務(wù)時(shí)，其他要求執(zhí)行的命令可以在緩沖區(qū)內(nèi)暫時(shí)排隊(duì)等待，這其中既包括上次沒有執(zhí)行的命令，也包括主機(jī)新發(fā)送過來的命令。協(xié)議的具體制定中，為了控制總線上的協(xié)議收發(fā)，可以采用一種簡單可靠的方法，就是令牌協(xié)議，從而實(shí)現(xiàn)無碰撞的雙向通信，在較低的硬件成本下提高系統(tǒng)的通信性能。

（2）被動(dòng)控制協(xié)議。當(dāng)人員定位與安全監(jiān)控2個(gè)主機(jī)要求與分機(jī)進(jìn)行通信時(shí)，就發(fā)送服務(wù)請(qǐng)求信號(hào)給通信服務(wù)器。服務(wù)器按照先前提到的原則，轉(zhuǎn)而為相應(yīng)的主機(jī)進(jìn)行服務(wù)。在這個(gè)過程中，服務(wù)器處于一種被動(dòng)狀態(tài)，2個(gè)主機(jī)處于主動(dòng)狀態(tài)。類似主動(dòng)控制協(xié)議，在這里也應(yīng)該提供隊(duì)列緩沖區(qū)。

在被動(dòng)控制的協(xié)議制定中，可以采用主機(jī)請(qǐng)求，通信服務(wù)器應(yīng)答的方式，類似ACK報(bào)文的方式，實(shí)現(xiàn)無碰撞的雙向通信。在這個(gè)過程中，如果服務(wù)器是在主機(jī)的請(qǐng)求后立即應(yīng)答，但過一會(huì)才會(huì)發(fā)數(shù)據(jù)給主機(jī)，這個(gè)過程中通信線路一直暢通，處于非阻塞式。相反的，通信服務(wù)器不立即應(yīng)答主機(jī)的請(qǐng)求，而是在完成主機(jī)要求的數(shù)據(jù)發(fā)送后，才應(yīng)答，這個(gè)過程中線路一直為1個(gè)主機(jī)服務(wù)，處于阻塞的狀態(tài)，可以稱為阻塞式。

2 并網(wǎng)運(yùn)行通信協(xié)議初步設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行的方式是：每隔一段時(shí)間，通信服務(wù)器都要向主機(jī)發(fā)送服務(wù)器空閑的信號(hào)，然后需要服務(wù)的主機(jī)就按照要求與服務(wù)器取得聯(lián)系，建立連接，實(shí)現(xiàn)與分機(jī)的通信。由此知，可以采取現(xiàn)實(shí)中經(jīng)常采用的令牌協(xié)議，各個(gè)主機(jī)誰取得令牌，誰就可以實(shí)現(xiàn)與分機(jī)的通信。

2.1 主動(dòng)控制協(xié)議幀結(jié)構(gòu)

幀結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 主動(dòng)控制協(xié)議幀結(jié)構(gòu)

（1）起始標(biāo)志：SOH。這個(gè)是數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠鹗紭?biāo)志，代表新的數(shù)據(jù)開始傳輸。

（2）1：命令字。幀包括數(shù)據(jù)幀和控制幀，這里通過命令字的改變來達(dá)到數(shù)據(jù)幀和控制幀的轉(zhuǎn)變?，F(xiàn)設(shè)置命令字為0時(shí)，上面幀傳送的是數(shù)據(jù)，命令字為1時(shí)，是通信服務(wù)器傳給主機(jī)的令牌幀，命令字為2時(shí)，通信服務(wù)器強(qiáng)制收回令牌的控制字，命令字為3時(shí)，主機(jī)交出令牌幀。

（3）2：源地址。這里主要是顯示令牌發(fā)出的地址，當(dāng)主機(jī)重新收到令牌后，發(fā)現(xiàn)源地址與自己的地址一樣，就收下令牌中的數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)與分機(jī)的通信。

（4）3：目的地址。主要是主機(jī)發(fā)送令牌所要到達(dá)的分機(jī)的地址。當(dāng)分機(jī)收到令牌后，與自己的地址進(jìn)行比較，如果一致，收下令牌，按照要求把相應(yīng)的數(shù)據(jù)添加的數(shù)據(jù)欄，然后發(fā)送給主機(jī)。如果不一致，發(fā)送給下一個(gè)分機(jī)。

（5）4：數(shù)據(jù)。主要是添加所要發(fā)送的數(shù)據(jù)。這里的字節(jié)長度可以變化，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的發(fā)送效率。

（6）5：校驗(yàn)位。主要是實(shí)現(xiàn)最大的無差錯(cuò)發(fā)送。可以采用多種校驗(yàn)方式，比如數(shù)據(jù)長度，循環(huán)冗余檢驗(yàn)等等。

（7）6：結(jié)束標(biāo)志EOT。表示數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)結(jié)束。

主動(dòng)控制協(xié)議實(shí)現(xiàn)過程為：通信服務(wù)器把命令字設(shè)為1，然后把令牌傳給主機(jī)。主機(jī)收到后，把命令字改為0，構(gòu)建校驗(yàn)方式，然后傳給通信服務(wù)器。通信服務(wù)器收到主機(jī)發(fā)送來的令牌，按照令牌上的目的地址發(fā)送給相應(yīng)的分機(jī)，這個(gè)過程中通信服務(wù)器不對(duì)令牌數(shù)據(jù)欄中的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，以實(shí)現(xiàn)透明傳輸。當(dāng)分機(jī)收到令牌以后，將目的地址與自己的地址進(jìn)行比較，當(dāng)目的地址與自己的地址一致時(shí)，就按照要求把相應(yīng)的數(shù)據(jù)添加的數(shù)據(jù)欄，重新發(fā)送給主機(jī)。當(dāng)?shù)刂凡灰恢聲r(shí)，分機(jī)就把令牌發(fā)送給下一個(gè)分機(jī)。與此相類似，通信服務(wù)器把令牌傳給相應(yīng)的主機(jī)，主機(jī)收到令牌后進(jìn)行校驗(yàn)，如果驗(yàn)證正確，就收下數(shù)據(jù)，然后把命令字改為3，最后把令牌發(fā)送給通信服務(wù)器。當(dāng)然，由于多種原因，數(shù)據(jù)在傳輸過程中也可能出錯(cuò)，如果主機(jī)在收到令牌后發(fā)現(xiàn)校驗(yàn)位錯(cuò)誤，就可以把數(shù)據(jù)扔掉，并按原來的步驟重新發(fā)送令牌，要求分機(jī)重新發(fā)送數(shù)據(jù)。

這樣就實(shí)現(xiàn)了總線的分時(shí)復(fù)用，一方面可降低對(duì)管理設(shè)備的壓力，另外當(dāng)一些設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，可以使網(wǎng)絡(luò)自行修復(fù)。通過自行設(shè)計(jì)的協(xié)議，也可以根據(jù)工作環(huán)境對(duì)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行修改使其更適合實(shí)際情況。

2.2 被動(dòng)控制協(xié)議幀結(jié)構(gòu)

可以采用類似UDP協(xié)議，通信之前，主機(jī)把命令發(fā)送給通信服務(wù)器，通信服務(wù)器如果進(jìn)行服務(wù)，就給主機(jī)返還ACK，如果不進(jìn)行服務(wù)就返還NACK。當(dāng)進(jìn)行服務(wù)時(shí)，主機(jī)過一段時(shí)間收到分機(jī)返還的采集數(shù)據(jù)后，才會(huì)把數(shù)據(jù)傳給主機(jī)。

被動(dòng)控制協(xié)議幀結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 被動(dòng)控制協(xié)議幀結(jié)構(gòu)

3：序號(hào)，代表主機(jī)傳出數(shù)據(jù)的第一個(gè)字節(jié)的序號(hào)，以利于分機(jī)確認(rèn)，實(shí)現(xiàn)無差錯(cuò)傳輸。

4：確認(rèn)號(hào)，ACK／NACK。主機(jī)只有在收到通信服務(wù)器傳回的確認(rèn)信號(hào)ACK之后才可以傳輸數(shù)據(jù)，這時(shí)候通信服務(wù)器發(fā)現(xiàn)確認(rèn)號(hào)是ACK，就把主機(jī)的命令傳給分機(jī)，發(fā)現(xiàn)確認(rèn)號(hào)是NACK時(shí)，通信服務(wù)器就禁止該命令的傳輸。

其余同主動(dòng)控制協(xié)議幀結(jié)構(gòu)。

被動(dòng)控制協(xié)議實(shí)現(xiàn)過程為：在非阻塞式協(xié)議中，通信之前，主機(jī)把命令發(fā)送給通信服務(wù)器，然后通信服務(wù)器按照相應(yīng)的原則給某個(gè)主機(jī)發(fā)送ACK同意信號(hào)。這其中有一個(gè)很重要的問題是，當(dāng)通信服務(wù)器發(fā)送ACK信號(hào)后，并不立即把相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳給主機(jī)，而是在分機(jī)把數(shù)據(jù)傳過來后才發(fā)送給主機(jī)，在這個(gè)過程中，其他的主機(jī)仍然可以發(fā)送服務(wù)請(qǐng)求信號(hào)。因此此時(shí)線路并不是專為某一個(gè)主機(jī)服務(wù)，始終處于非阻塞的狀態(tài)，從而可以最大限度地實(shí)現(xiàn)線路的利用，提高設(shè)備的利用率。

3 結(jié) 論

為了提高我國煤礦的采煤安全，加強(qiáng)安全監(jiān)控勢(shì)在必行?，F(xiàn)在很多煤礦大都安裝了多套監(jiān)控系統(tǒng)，如人員定位系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)等，如何更好地融合這么多系統(tǒng)，使其能夠同時(shí)更高更安全地運(yùn)行，是現(xiàn)在亟需解決的重要問題。本文大體介紹了并網(wǎng)運(yùn)行的主要思想以及部分通信協(xié)議的設(shè)計(jì)，重點(diǎn)提出了通信協(xié)議的設(shè)計(jì)，認(rèn)為其是并網(wǎng)運(yùn)行的重中之重。

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2011－08－29）

孫彥明（1987－），男，安徽宿州人，在讀碩士研究生，從事礦業(yè)系統(tǒng)工程方面的研究，Email：xiaobaocumt＠163.com。