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摘要：針對現階段煤礦安全監控系統中存在的主要問題進行詳細論述，進而探討基于以太網的煤礦安全監控系統所具有的積極現實意義，并重點闡述了基于光纖傳輸介質的工業以太環網所應具備的基本架構及相應的整體設計。引入以太網來完成對煤礦的安全監控系統的升級和優化，是解決井下安全監控系統數據傳輸問題的有效途徑。

關鍵詞：以太網；光纖；煤礦安全；監控系統；架構及組成

引言

在智慧礦山建設發展需求的指引下，我國煤炭行業的信息化水平在持續完善中，以先進的傳感監測設備和信息通訊網絡為基礎的安全監控系統作為煤炭開采生產過程中重要的實時監控與管理方式，在提高生產效率、預警安全隱患等方面的積極作用不容置疑。然而由于缺乏統一的行業標準以及紛亂的監控子系統網絡布局等因素的影響，目前大多數煤礦的安全監控系統面臨子系統間信息無法共享、兼容性差、預警和應急聯動有效性欠佳、系統維護難度大等突出問題。根據2020年開始實行的最新版《煤礦安全監控系統通用技術要求》（以下簡稱為《技術要求》）中的規定，安全監控系統應能夠動態顯示實時數據，且數據應實現融合聯動，從而達到多系統的融合[1]。基于以上要求，引入以太網來完成對煤礦的安全監控系統的升級和優化可以有效地幫助安全監控系統實現易擴展、實時性強等特點，保障其安全有序地運行。

1.現階段煤礦安全監控系統中存在的主要問題

目前，通過對國內煤礦所采用監控系統進行匯總分析可知，其所采用的主流架構為集散型控制結構，時分制通訊為主流技術，主要是由井下監控分站將傳感器及執行器采集的信息通過阻燃通信線纜傳輸到數據傳輸接口，并由地面的監控主機通過主從式地逐個巡檢來開展數據交換。井上監控中心最終只有一臺監控主機利用現場總線形式與井下監控分站實現雙向數據傳輸，其余均為監控備用機。現有的煤礦安全監控系統組成圖如圖1所示，常見的通訊模式有RS485、FSK總線形架構等。分析該種通訊架構可以清晰地看出，現階段煤礦安全監控系統中存在的主要問題有：（1）隨著《技術要求》中對礦井監控內容的日益細化，信息采集設備逐漸多樣化和規模化，安全監控系統的反應速度已隨之出現明顯的降低趨勢，即串口輪巡周期在不斷增長，不符合最新版的《技術要求》中對巡檢時間所做出的相關規定。（2）伴隨著煤炭生產企業生產規模和采掘范圍的擴大，井下巷道環境也愈發紛亂，對數據傳輸技術的穩定性以及傳輸速率等方面的要求也日益嚴格，現階段的煤礦安全監控系統架構無法有效實現傳輸速率的提升，且其使用的傳輸電纜在井下的惡劣環境下，不僅極易遭受損壞，而且其抗干擾能力較弱，容易出現誤報警的現象，數據傳輸的穩定性欠佳。（3）現階段的煤礦安全監控系統架構在冗余設計方面存有較大的缺陷，數據傳輸的主干線路一旦出現故障，將直接造成監控系統的失效，數據傳輸的可靠性受到了很大限制。（4）由于缺乏一致的通訊技術協議，多類監測子系統的數據孤立，數據、語音、圖像等的集成程度欠佳，不利于綜合分析和應急聯動的開展，系統的兼容性差，不符合《技術要求》中要求實現多網、多系統融合的設計理念，且各自分立的系統會導致礦井里的網絡布局出現混亂，系統維護成本有所增加。

2.于以太網的安全監控系統的意義

工業以太網在數據傳輸速度、穩定性以及抗干擾性等方面的顯著優勢，是基于TCP/IP的一種符合IEEE802.3標準的開放式高性能網絡，基于其可建立互聯性強與兼容性高的通訊網絡[2]。由于煤炭生產企業的安全監控目標分散且井下監控布局復雜，工業以太網可在惡劣環境中實現高傳輸、遠距離狀況下的便捷遠程數據訪問。針對目前采用集散型控制結構的安全監控系統所存有的缺點，構建基于以太網的安全監控系統將會在數據傳輸穩定性以及監控子系統的數據綜合集成方面擁有較大的改進和完善。雖然工業以太網在現場通信方面會表現出實時性不強的劣勢，但是以工業以太網為主體架構并使用光纖作為傳輸介質可有效彌補其在數據傳輸方面的不足。光纖通訊憑借其通信容量大、傳輸距離遠、傳輸質量佳等優點，可幫助光纖以太網傳輸系統更快地實現與井下監控分站的數據交換，從而幫助地面的監控中心實時掌握井下各類監控設備的實際運行情況。構建基于以太網的安全監控系統，對提高礦山的信息化管理水平以及安全生產能力有著重大意義。

3.于以太網的煤礦監控系統

(1)基于以太網安全監控系統的構架及組成將工業以太網應用于煤礦安全監控系統中，主要是以以太環網為通信平臺，并以阻燃傳輸光纜作為通訊介質，從而實現各監控分站就近連接相應的環網交換機以便開展數據傳輸，其系統架構圖如圖2所示，其基本架構可劃分為3個層次，即地面層、控制層和設備層。地面層是監控系統的核心，由監控主機、監控備用機與2臺冗余設計的核心環網交換機一起完成對井下監控設備真實情況的實時查看、統計分析，從而為安全管理決策提供數據支持。控制層要基于以太環網接受井下設備所傳輸的信息和地面控制中心所下達的指令，并對數據進行預處理及通訊操作。設備層是由各類承擔著數據采集和信息監控的基礎設備組成。圖2所示的基于以太網的安全監控系統架構擁有以下幾點優勢：①以光纖為傳輸介質，以以太環網為通訊平臺，可防止引發傳輸系統鏈接故障，同時為提高監控數據傳輸速率和實時性提供了基本保障，有利于實現多串口并發巡檢從而有效降低巡檢周期。②該架構可提供冗余鏈路，如圖3所示，在環網線路出現故障時，該架構可直接調整到用備份鏈路進行數據傳輸，有效地實現冗余恢復，進而保障了線路的穩定性和傳輸的連續性。③該架構下若調整各類子監控系統的通訊協議遵守TCP/IP，則有利于各類子監控系統的集成及信息共享，從而提高安全監控系統的開放性[3]。(2)基于以太網的安全監控系統的整體設計基于以太網的安全監控系統采用多層分布式體系，各層的含義如表1所示。其中表示層為與人員的交互層，主要為信息的顯示和輸入等，但不能在該層面對數據庫服務器進行直接訪問。業務邏輯層主要是根據業務邏輯來加工處理相應數據[4]。數據層是將以太網絡傳輸的數據按照一定格式保存于數據庫中。傳輸層主要進行數據的雙向傳輸。物理層則代表各項數據采集和傳輸裝置的總和。

4.結語

基于以太網的煤礦安全監控系統對提高礦山的信息化管理水平以及安全生產能力有著積極的促進作用，有助于改進目前主流安全監控系統所面臨的串口輪巡周期在不斷增長、數據傳輸穩定性欠佳、冗余設計不完善、子系統間信息無法共享、兼容性差、系統維護難度大等突出問題，為煤炭生產企業的信息化建設提供了可靠的傳輸平臺。

參考文獻

[1]AQ6201-2019.煤礦安全監控系統通用技術要求[S].

[2]魯遠祥,樊榮.煤礦安全監控系統體系架構技術的發展[J].礦業安全與環保,2009,36(S1):177-179.

[3]劉旭.淺析工業以太環網在煤礦安全監控系統中的應用[J].企業科技與發展,2018(09):162-163.

[4]中國煤炭教育協會職業教育教材編審委員會.煤礦安全監測監控技術[M].北京:煤炭工業出版社,2011.

作者：于霞 單位：同煤集團四臺礦電氣隊