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基于SDH_MSTP的煤矿物联网设计

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资料介绍

在分析总结了目前我国普通工业物联网及煤矿物联网技术和原理的前提下,提出了应用矿用本安型多信道工业环网SDH/MSTP技术,实现煤矿物联网的新型架构体系.阐述了新型煤矿物联网的基本原理及设计思想;论述了系统的构架及要求,研究了系统的功能特点、建设条件及基本内容,以及系统的主要技术问题.同时,基于笔者设计的新型煤矿物联网架构体系,设计了音频、视频、数据三网合一的传输模式,解决了实时数据运行中的技术难题.经过多个特大型煤矿的应用实践,实现了井下少人及无人工作面的监控,取得了良好效果.

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V01．43 No．5

太原理工大学学报

TAIYUAN

第43卷第5期

2012年9月

0F TECHNOLOGY

2012

JOURNAL oF

UNIVERSITY

Sep．

文章编号：1007—9432(2012)05一0564一05

基于SDH／MSTP的煤矿物联网设计

张生益1，陈俊杰2，张军朝2

(1．煤炭工业太原设计研究院，太原030001；2太原理工大学计算机科学与技术学院，太原030024)

摘

要：在分析总结了目前我国普通工业物联网及煤矿物联网技术和原理的前提下，提出了应

用矿用本安型多信道工业环网SDH／MSTP技术，实现煤矿物联网的新型架构体系。阐述了新型

煤矿物联网的基本原理及设计思想；论述了系统的构架及要求，研究了系统的功能特点、建设条件

及基本内容，以及系统的主要技术问题。同时，基于笔者设计的新型煤矿物联网架构体系，设计了

音频、视频、数据三网合一的传输模式，解决了实时数据运行中的技术难题。经过多个特大型煤矿

的应用实践，实现了井下少人及无人工作面的监控，取得了良好效果。

关键词：物联网；煤矿物联网；矿用本安型多信道工业环网；三网合一

中图分类号：TP393．02

文献标识码：B

综合自动化信息系统是煤矿调度中心的核心。

将物联网技术引入综合自动化信息系统建设，建立

煤矿物联网，是目前各矿业集团煤矿信息化建设的

重要工程之一。近几年来，煤矿综合自动化信息系

统，在我国发展十分迅猛。国内外不少相关企业也

十分关注和参与了我国煤矿综合自动化信息系统的

建设，多种网络平台已在一些矿井得到成功应用。

但是，目前国内尚没有一个矿井建成基于煤矿物联

网的综合自动化信息系统。随着无线通信技术、无

线网络技术、分布式计算技术与传感器技术的迅速

发展，构建统一网络平台的煤矿物联网络系统成为

可能。以煤矿物联网为核心的数字化矿山是煤矿未

来的发展方向，它的应用必将在今后建设安全高效、

环境友好、资源节约的煤矿中，发挥更大的和不可

替代的作用。因此，笔者提出应用矿用本安型多信

道工业环网SDH／MSTP技术，实现煤矿物联网的

新型架构体系。本设计经过我国大同、晋煤、开滦等

多个特大型煤矿的应用实践，实现了井下少人及无

人工作面的监控，取得了良好社会效益和生产效益，

获得了2011年度国家科学技术“神华杯”二等奖。

管理的结合就是数字化矿山。煤矿物联网是数字化

矿山建设的核心，其技术是一门融合通信技术、网

络技术、控制技术以及计算机技术为一体的综合性

很强的学科。它可以实现三网(音频网、视频网、数

据网)合一传输，实现安全、生产及管理各系统的若

绿色农业；工业监控：公共安全；

城市管理：远程医疗；智能家园；

智能交通：环境监控，等等

‘

l霹黔：

RFID读写器、Rm标签；M2M

终端；传感器；摄像头；传感

器网络；传感器网关等等

图1物联网拓扑结构图

干个子系统的信息交互传输。它们全都包含在“监

控”二字范畴之内。“监”是指煤矿安全、生产及管理

三方面目标参数的自动监测，“控”是指控制中心对

煤矿安全、生产及管理三方面监测到的相关信息进

行处理、分析、决策后反馈回以上三个环节中进行自

J。

动控制u

新型煤矿物联网的基本原理及特点

煤矿物联网是目前各矿业集团煤矿信息化建设

的重要工程之一。笔者根据煤矿安全规程及相关设

计规范和要求，以提高整体网络的安全性、可靠性、

物联网就是物物相联的网络，通过感知层、网络

层和应用层这三层体系的有机统一，进而组成物联

网，其拓扑结构图如图1所示。物联网技术与煤矿

收稿日期：2011—12一05

基金项目：国家自然科学基金资助项目(60970059)

作者简介：张生益(1954一)，男，山西孝义人，高级工程师，主要从事煤矿电气自动化及信息系统设计研究，(R1)0351～4116828

万方数据

第5期

张生益，等：基于SDH／MSTP的煤矿物联网设计

3所示。

实用性及整体系统扩展的灵活性为设计原则，基于

SDH／MSTP及CIMS原理，紧密结合矿区实际情

况，设计了一整套集工业电视、调度电话、各生产环

节自动化控制子系统、各安全监控子系统一体化的

通风、给持水监控系统；选煤

厂监控系统：主、副井提升监

控系统；井下胶带运■监控系

统；安全监控系统等等

中央控制室

综合自动化信息系统。该系统以大型工业实时数据

库及关系数据库构建全矿井统一的数据集成平台，

以wEB_{GIS等相关技术建立起系统的支撑环境，}

井上l 000MB工业以太网

井上

井下

‘ t

井下l 000MB工业以太网

以应用门户技术为核心形成各种可视化应用系统。

该系统涵盖了生产调度指挥、生产实时信息、安全管

理预警、企业经营管理、网上无纸办公等内容。同

时，实现工业电视、调度电话、生产监控及数据处理

管理的统一管理和应用，形成一套完整的生产安全

综合自动化信息系统。在建设综合自动化信息系统

的基础上，形成矿井三大自动化信息应用中心，即集

中自动控制中心、生产调度指挥中心、安全管理预警

中心(各中心可根据具体条件分别或集中进行建

设)。最终形成完备、可靠的基于矿井生产安全信息

化平台的新型煤矿物联网，实现煤矿生产“安全、高

效、优质、低耗”的状态[2]。

图2普通工业以太网煤矿物联网拓扑结构图

视频服务子网l

I信息发布层I

l调度控制层

应用层

网络

层

奄

3基于新技术的煤矿物联网的功能特点

感知层

I井下工业控制网ll地面工业控制网

图3 基于SDH／MSTP的煤矿物联网拓扑结构图

3．1智能控制系统

新型煤矿物联网的典型构架

煤矿物联网得到应用之后，各生产过程全面实

现自动化，通过感知层的一系列感知终端对矿区的

人(人员定位、无线通信等)、设备(综合自动化系

统)、环境(安全监控等)全面感知，通过控制中心分

析处理后，反馈回矿井各个环节进行连续监控及保

护，其中一些重要参数直接显示在显示屏上。

3．2通信联网功能

统一传输网络平台和统一软件及数据库平台是

从硬件结构和软件配置上保证信息化矿山中的各子

系统模块，具有统一的传输模式、统一的数据表达形

式、统一的数据处理格式和统一的数据管理方式的

必要前提。

2．1

煤矿物联网对传输网络的要求

利用煤矿现有传输网络，融合宽带无线技术，构

建有线+无线混合结构的物联网系统。随着传感器

技术和无线通信技术的发展，现代机电一体化产品

获取外部信息的能力大为提高，它们一般都具有优

良的联网通信性能。目前，在PLC等控制器上，一

般都设置各种通信接口或专用的通信模块，现代机

电一体化产品可以通过有线或无线传输的方式与控

制器连接，实现信息交互、联动和集中控制Ⅲ。

3．3设备智能化

1)严格执行煤矿安全规程及相关设计规范；

2)网络具有良好的可靠性和冗余性；

3)各子系统与网络平台形成透明传输，上下网

络方便，相互构成联系；

4)各子系统内部应能形成各自的逻辑关系网；

5)有丰富的网络管理功能，有限制网络流量的

能力，能最大限度地使用网络资源。

2．2煤矿物联网的典型构架

目前煤矿物联网设计中应用的典型网络构架有

普通工业以太网和煤炭工业多信道网(SDH／

MSTP)两种。普通工业以太网煤矿物联网拓扑结

构如图2所示。煤炭工业多信道网是一种用于煤炭

工业生产过程监视、语音及控制的网络，其实时性优

越，安全可靠，实现了“三网合一”的信息传输功能，

该网在节约系统投资、降低管理及维护费用和提高

监控水平等方面均有极强的实用性，是矿用本安型

设备。基于SDH／MSTP煤矿物联网拓扑结构如图

当今一些煤矿自动化信息系统产品采用的微处

理器功能越来越强大，处理信息的速度和能力越来

越快，智能化的功能也越来越丰富，对矿井大型设备

工况监测与故障诊断的能力得到了大幅度的提升。

例如，数字变频同步电机提升机控制系统可实现矢

量控制；电牵引采煤机，可以实现记忆割煤和负载控

制等功能。

万方数据

566

太原理工大学学报

第43卷

3．4远程监控

的一体化，实现全矿井生产各环节的过程控制自动

化、生产综合调度指挥和业务运转网络化、行政办公

无纸高效化，达到减员增效、降低成本、提高矿井整

体安全和生产水平的目的。

通过上位机组态软件，可以在互联网的任何节

点使拥有权限的人查看、浏览煤矿生产的实时信息，

为生产管理人员提供实时实地和有效的网络管理和

系统监控手段。同时，可及时发现重大事故隐患，进

行隐患排查和动态跟踪，为下一步进行管理、决策做

出有力的实时数据监控支持。

4．1

现有条件

1)用于数字化矿山的网络平台在国内已有成

功的应用；

3．5

SDH／MSTP的传输优势

2)能用于综合自动化信息系统的各种数据库

平台也有效应用于实践；

目前通用的工业环网设备主要分为两大类，第

一类为普通工业以太网交换机，第二类为矿用本安

型多信道工业环网设备。这两类设备有以下特点。

1)从两种类型的技术基础分析，普通工业以太

网络交换机使用的是以太数据包交换技术，矿用本

安型多信道工业环网是基于电信主流的SDH／

MSTP技术，同时包含了以太网交换技术。

2)从两类设备的矿用防爆形式分析，普通工业

以太网络交换机采用的是隔爆型；矿用本安型多信

道工业环网设备采用的是本质安全型。在矿井出现

瓦斯超限等紧急突发情况下，必须对非本安型设备

断电，这样将导致网络瘫痪；而本质安全型设备仍然

能保证关键数据的实时可靠传输。

3)具有计算机控制及通信功能的矿用机电设

备、监控装置日趋成熟。

从以上几点可以看出，在我国实施新型煤矿物

联网建设的条件已基本成熟。

4．2煤矿物联网各子系统建设的主要内容

煤矿物联网的建设就是要使煤矿生产过程监

控、安全监测、生产过程信息综合利用等方面的工作

网络化、自动化和智能化，矿产资源信息和矿山设

计、矿井建设及开采过程的数字化、可视化。从构成

煤矿物联网的三大体系来进行建设，下面分别从感

知层、通信层及应用层三个方面进行说明。

4．2．1感知层的建设内容

3)从两种技术的用户可用带宽分析，普通工业

以太网络交换机可用带宽只有300 Mb左右；而矿

用本安型多信道工业环网设备能够提供993 Mb的

用户可用带宽。

在物联网三大体系建设中，感知层的建设是最

基础和最重要的，它构成了物联网最底层的综合自

动化子网。感知层主要由计算机、远程分布式控制

站点及各种传感器组成。把传感器嵌入或装配到矿

山设备、各种管道、矿工设备中，可以感知危险环境

中工作人员、设备机器、周边环境等方面的安全状态

信息，实现数据检测与采集。在煤矿物联网中感知

层建设主要包含以下几个方面：

4)从两种设备的接口功能分析，普通工业以太

网络交换机只能提供以太网接口；矿用本安型多信

道工业环网设备能够提供目前煤矿中子系统的各种

常用接口，无须转换设备，大大提高了系统信息传输

的可靠性和传输效率。

1)RFID人员定位系统。采用RFID卡，记录井

下工作人员卡号信息，通过井下人员定位系统，地面

监控中心可以对井下工作人员实时跟踪，进行井下人

员管理。

综上所述，矿用本质安全型多信道工业环网技

术更适合于煤矿物联网的建设。

新型煤矿物联网对现有网络系统环

2)水泵电控系统。由各种先进可靠的传感器、

保护装置、电动阀、电磁阀等设备组成矿井主排水自

动控制系统。通过PLC控制站或远程分布式I／O

站来采集电机电压、电机电流、故障、开停，以及电机

温度、进水压力、出水压力、真空压力、进水水位、开

关位置等信号，采用直接接人或转换规约的方法接

入系统。

境的要求

目前多数煤矿自动化信息系统设备和各种子系

统都是独立运行，不能实现信息共享和网络自由浏

览，存在“自动化孤岛”和“信息孤岛”现象，对已获得

的数据源发挥更大的作用形成了壁垒。而且设备投

资大，维护工作繁杂。因此，建立统一网络平台的煤

矿物联网成为当前煤矿信息化发展的趋势。

3)安全监测监控系统。通过各种传感器的无

盲区设置，来采集瓦斯浓度、风速、环境温度、负压、

设备开停、风门开关、风筒开关、轴温、抽放管温度、

抽放管压力、抽放管瓦斯浓度、抽放管流量、故障报

为实现整个数字化矿山，必须采用多种现代化

信息与自动化技术，建立基于煤矿物联网的大型开

放的分布式控制系统，形成全矿井监测、控制、管理

万方数据

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