专利名称：一种面向分布式煤矿瓦斯监测系统的制作方法
技术领域：
本发明属于矿井瓦斯监测领域，特别是一种面向分布式煤矿瓦斯监测系统。
背景技术：
在经济发展和对资源需求量的不断攀升的同时，由于矿井瓦斯超标引起的各类事故屡见不鲜，造成了重大的经济损失和人员伤亡，因此对井下瓦斯进行有效监控成为了一个必须得到有效解决的问题。相关的单位也投入了大量的人力物力，旨在建立完备，安全的煤矿瓦斯监控系统，目前的系统中绝大多数采取了基于振动传感器的地面单微机监测监控和初级的、基于多传感器的地面网络监控，但从这些已经完成的系统投入使用后的工作效果来看，发现了如下几个技术问题。(1)当前的煤矿瓦斯监控系统信息传输没有统一的通信协议，通常是一套系统制定一套协议，大大降低了系统的泛用性和拓展性。(2)当前的煤矿瓦斯监控系统信息传输误码率高，使监控者不能对井下的情况有准确的了解，在井下出现安全隐患后，不能做出快速的反应，延误了抢险救援中最宝贵的时间(3)由于矿井下环境恶劣，传统设备的免维护性又不高，许多在研发过程中验收达标的设备在井下工作一段时间后由于高湿度、高温度和有害气体的作用下不可避免地产生故障和形变。(4)当前的煤矿瓦斯监控系统并没有对于不同规模的矿井做出有针对性的区分，而由于矿井的复杂地下环境，盲目地采用一套标准监控不同规模的矿井，轻则造成资源人力的浪费，重则产生安全检测漏洞，对井下工人的生命安全造成威胁。(5)当前的煤矿瓦斯监控系统实时性差，井下探测与井上监控不同步。以上不利因素导致系统不能有效地进行实时的安全检测和信息反馈，从而加大了监控人员的判断难度，并浪费了在第一时间发现隐患，处理隐患的重要时机。
发明内容
本发明的目的是提供一种面向分布式煤矿瓦斯监测系统。实现本发明目的的技术解决方案为一种面向分布式煤矿瓦斯监测系统，包括 现场设备模块，由若干传感器并联成传感器群后与防爆网络控制器连接组成，其中每
个传感器分别与一个警报器相连接，具有蜂鸣报警功能；井下设有多个监测点，每个监测点均部署一套现场设备模块，用以采集井下信息并通过系统网络模块向地面检测模块进行传输；
系统网络模块，用以将现场设备模块采集的信息传输到地面监测模块，针对大中型矿井，系统网络模块包括光纤主干以太环网、LonWorks子网和网络适配器；用双绞线或电力线将现场设备模块中的传感器群连接到一个LonWorks子网，然后通过网络适配器将 LonWorks子网挂接至光纤主干以太环网，井下信息从每个LonWorks子网向光纤主干以太环网汇集后向上传输至地面监控模块；针对小型矿井，系统网络模块直接采用LongWorks 子网，用双绞线或电力线将现场设备模块中的传感器群挂接到LonWorks子网上，井下信息直接由LonWorks子网传输至地面监控模块；地面监控模块，用以将经过系统网络模块所汇集传输的由设备模块采集的数据进行实时显示、处理和上传，地面监控模块包括监控计算机、数据库服务器和打印机，监控计算机与数据库服务器相连接，监控计算机将收到的数据存储在数据库服务器中进行备份，数据库服务器用于存储各监测点的历史数据和报警记录，监控计算机与打印机相连接，打印机用于打印所需的各种报表。本发明与现有技术相比，其显著优点(1)采煤工作面、掘进工作面的系统设备能够方便地移动，便于系统进行扩展。(2)监测种类丰富，监测范围广泛，能够多种类、高精度地监控井下环境。(3)以多种传感器作为信息采集源，提高了井下隐患判别的准确度。(4) 具有图形化的全中文人机界面及Windows的操作风格，系统友好型强。(5)针对不同规模的系统结构设计不同的系统方案，适用于不同规模的矿井环境。
图1为面向分布式煤矿瓦斯监测系统的总体结构设计图。图2为大中型矿井的面向分布式煤矿瓦斯监测系统结构设计图。图3为小型矿井的面向分布式煤矿瓦斯监测系统结构设计图。图4为局级监控中心结构图。图5为矿级监控中心结构图。图6为面向分布式煤矿瓦斯监测系统的模块图。
具体实施例方式本发明面向分布式煤矿瓦斯监测系统，根据两大主要功能需求监测和报警，针对性地设计三大功能模块现场设备模块1、地面监控终端2和系统网络模块3，井下的监测数据由现场设备模块1采样之后通过系统网络模块3传向地面监控模块2，并由地面监控模块 2对采样数据进行汇总、存储和上传。本发明一种面向分布式煤矿瓦斯监测系统，包括
现场设备模块1，由若干传感器并联成传感器群后与防爆网络控制器连接组成，其中每个传感器分别与一个警报器相连接，具有蜂鸣报警功能，传感器包括瓦斯浓度传感器、一氧化碳浓度传感器、温度传感器、风速传感器、流量传感器、压力传感器、电气设备开停传感器、馈电状态传感器和风门传感器；报警功能包括瓦斯浓度超标声光报警、一氧化碳浓度超标声光报警、氧气浓度未达标声光报警、其它有害气体浓度超标声光报警、温度超限声光报警、风速超限声光报警、烟雾超标声光报警、压差超限声光报警、设备故障声光报警、通信故障声光报警、停电声光报警；井下设有多个监测点，每个监测点均部署一套现场设备模块 1，用以采集井下信息并通过系统网络模块2向地面检测模块3进行传输；
系统网络模块2，用以将现场设备模块1采集的信息传输到地面监测模块3，针对大中型矿井，系统网络模块2包括光纤主干以太环网、LonWorks子网和网络适配器；用双绞线或电力线将现场设备模块1中的传感器群连接到一个LonWorks子网，然后通过网络适配器将LonWorks子网挂接至光纤主干以太环网，井下信息从每个LonWorks子网向光纤主干以太环网汇集后向上传输至地面监控模块3 ；针对小型矿井，系统网络模块2直接采用 Longfforks子网，用双绞线或电力线将现场设备模块1中的传感器群挂接到LonWorks子网上，井下信息直接由LonWorks子网传输至地面监控模块3 ；
地面监控模块3，用以将经过系统网络模块2所汇集传输的由设备模块1采集的数据进行实时显示、处理和上传，地面监控模块3包括监控计算机、数据库服务器和打印机，监控计算机与数据库服务器相连接，监控计算机将收到的数据存储在数据库服务器中进行备份，数据库服务器用于存储各监测点的历史数据和报警记录，监控计算机与打印机相连接， 打印机用于打印所需的各种报表。监控计算机用于运行分布式瓦斯监控系统软件；数据库服务器用于存储各监测点的历史数据、报警记录；打印机用于打印报表；交互部分具有图形化的全中文人机界面、Windows的操作风格、模块化结构、易于使用、配置灵活及便于扩展等特点。在控制界面上可直观地反映出整个监控系统的概貌及控制点的地理分布。用户直接点击屏幕图形对象，即可访问相应监控点的详细数据。监控人员可通过点击相应的图标即可对监控对象实施遥信、遥测、遥控，而且能够查看到详细的监控信息。系统网络模块3中光纤主干以太环网通信协议为TCP/IP，带宽IOOMbps ；Lonfforks子网通信协议为 LonTalk,带宽78Kbps或5Kbps，LonWorks子网的传输介质为屏蔽双绞线，整个LonWorks子网可挂接127个设备；LonWorks子网的传输速率为5Kbps，传输距离为20km。系统网络模块3为本发明的核心模块，它由井下控制网络、地面监控中心网络、企业内部网络及与煤矿安全监管部门之间的网络四部分组成。井下控制网络会根据地面监控中心需要实时监视煤矿井下的环境状况、安全设备运行状况、有害物质超标报警及超限断电情况，还需要满足远程分合井下供电开关的用户需求。地面监控中心网络需要实现地面监控中心内与监控工作站之间、工作站与服务器之间的连接，并提供与企业内部网络和煤矿安全监管部门之间的接口。企业内部网络主要用于煤矿生产管理，分布式煤矿瓦斯监测监控系统在矿级监控中心与局级监控中心与企业内部网络进行联接，从而使企业网上的煤矿安全生产职能部门及主管领导能随时了解各矿井安全生产有关的信息。煤矿安全监管部门之间的网络能够实现局级地面监控中心与煤矿安全监管部门之间的联网，煤矿安全监管部门可通过网络直接从地面监控中心获取信息，方便了解和掌握煤矿安全生产情况。下面结合附图对本发明作进一步详细描述。分布式煤矿瓦斯监控系统的总体结构如图1所示。整个系统由矿级瓦斯监控系统、矿务局或煤矿集团安全生产监控中心(局级监控中心)、上级安全生产监督管理部门监视终端及企业网和英特网组成。根据矿井规模，矿级瓦斯监控系统有下列二种系统结构。如图2所示是适用于小型矿井的分布式矿级瓦斯监控系统结构，系统采用 LonWorks控制网络技术。在地面监控中心和井下布设一个LonWorks控制网，所有网络型设备都挂接在LonWorks控制网上，子网的传输介质为屏蔽双绞线整个控制网络可挂接127个网络型设备。网络的传输速率为5Kbps，传输距离可达20公里，通信协议为LonTalk。如图3所示是适用于大中型矿井的分布式矿级瓦斯监控系统结构，系统采用光纤主干以太环网与LonWorks控制网络无缝连接技术。在地面监控中心和井下布设一个光纤环网，在防爆网络型通用监控终端等网络型设备相对集中的区域，用双绞线或电力线将网络型设备构成一个LonWorks控制子网，然后通过防爆网络控制器挂接至光纤主干以太环网，每个防爆网络控制器可挂接63个网络型终端设备。光纤主干环网采用IOOMbps工业以太网技术，通信协议为TCP/IP，光纤环网中的每个光纤段传输距离为40公里；其中LonWorks控制子网在传输速率为78Kbps时的总线拓离可达2700米，自由拓扑传输距离可达500米，在传输速率为5Kbps时的传输距离可达20公里，通信协议为LonTalk。为了确保系统的实时性和可靠性，光纤主干环网的带宽的实际利用率控制在25%以内，即25Mbps，则光纤主干环网的可挂接的LonWorks控制网络子网为
25MbpsX 78Kbps (假设子网带宽用足) 320个子网可挂接的终端数为320X63=20160个
如子网带宽利用率也控制在25%C以内，则全系统可挂接LonWorks控制网络子网就达 1280余个，全系统可挂接的终端数就达 1280X63=80640 个
从上述计算可见，基于光纤环网和LonWorks控制网络无缝连接的分布式矿级瓦斯监控系统结构可满足任何大规模矿井瓦斯实时监控的需要。分布式煤矿瓦斯监控系统由局级监控中心、矿级监控中心、通信网络、井下瓦斯监控系统及系统监控软件组成。如图4所示是局级监控中心结构图，局级监控中心主要由由工作站、数据库服务器、打印机、大屏幕投影机、路由器及以太网交换机组成。工作站用于运行局级瓦斯监控软件；数据库服务器用于存储及管理各矿级瓦斯监控系统上传的数据；打印机用于打印所需的各种报表；大屏幕投影机用于多人同时检查各矿安全生产时使用，如企业内部大检查、上级安全生产监察部门检查等；路由器用于与企业网的安全连接；以太网交换机用于构建局级监控中心局域网。如图5所示是矿级监控中心结构图，矿级监控中心主要由工作站、数据库服务器、 光纤以太网交换机或网络适配器、打印机及路由器组成。工作站用于运行矿级瓦斯监控软件；数据库服务器用于存储及管理井下瓦斯监控子系统上传的数据；打印机用于打印所需的各种报表；路由器用于与企业网的安全连接；光纤以太网交换机用于与大中型井下瓦斯监控系统网络连接；网络适配器用于与小型井下瓦斯监控系统网络连接。分布式煤矿瓦斯监控系统的通信网络包括井下控制网络、地面监控中心网络、企业内部网络及与上级煤矿安全监察管理部门之间的通信网络。大中型矿井采用的通信网络由一个光纤主干以太环网和多个LonWorks子网组成 (小型矿井仅用带宽5Kbps的LonWorks现场控制网络)。光纤主干以太环网通信协议为TCP/ IP,带宽100Mbps，Lonfforks子网通信协议为LonTalk带宽78Kbps或5Kbps。在每个防爆网络型通用监控终端相对集中的区域设置一个LonWorks子网，Lonfforks子网通过防爆网络控制器实现与光纤主干网的无缝连接。挂接在网络上的设备除可以与矿级监控中心进行通信外，还可以与挂接在网络上的所有设备之间进行通信。此外，由于通信网络采用了载波侦听技术，所以网上的每个设备都可以将重要的信息(如报警信息)立即上传至地面监控中心。地面监控中心采用以太网实现监控中心内网络设备的互连。地面监控中心与现场网络通过以太网光纤交换机连接；局级监控中心提供与企业网的接口 ；与上级煤矿安全监察管理部门之间通过英特网连接。系统监控软件的硬件环境采用基于100/1000MbpS以太网、监控工作站及服务器。 以太网传输协议为TCP/IP，按煤矿规模按需配置数据库服务器及监控工作站，系统支持B/ S和C/S结构。应用软件有矿级版和局级版，矿级版只监控本地矿井；局级版可监视所有与局级监控中心联网的矿级瓦斯监控系统，但不开放远程控制功能。此外，局安全、生产管理部门可通过企业网使用浏览器监视各矿井瓦斯变化和风机开停等情况。各级煤矿安全监察部门通过英特网使用浏览器监视各矿井瓦斯变化和风机开停等情况。系统软件全部采用模块化配置，各模块功能独立、接口清晰，可以根据需要分布于任意计算机，并通过网络互相访问ο
权利要求
1.一种面向分布式煤矿瓦斯监测系统，其特征在于包括现场设备模块(1)，由若干传感器并联成传感器群后与防爆网络控制器连接组成，其中每个传感器分别与一个警报器相连接，具有蜂鸣报警功能；井下设有多个监测点，每个监测点均部署一套现场设备模块(1)，用以采集井下信息并通过系统网络模块(2)向地面检测模块(3)进行传输；系统网络模块(2)，用以将现场设备模块(1)采集的信息传输到地面监测模块(3)，针对大中型矿井，系统网络模块(2)包括光纤主干以太环网、LonWorks子网和网络适配器；用双绞线或电力线将现场设备模块(1)中的传感器群连接到一个LonWorks子网，然后通过网络适配器将LonWorks子网挂接至光纤主干以太环网，井下信息从每个LonWorks子网向光纤主干以太环网汇集后向上传输至地面监控模块(3)；针对小型矿井，系统网络模块(2) 直接采用LongWorks子网，用双绞线或电力线将现场设备模块(1)中的传感器群挂接到 Lonfforks子网上，井下信息直接由LonWorks子网传输至地面监控模块(3)；地面监控模块(3)，用以将经过系统网络模块(2)所汇集传输的由设备模块(1)采集的数据进行实时显示、处理和上传，地面监控模块(3)包括监控计算机、数据库服务器和打印机，监控计算机与数据库服务器相连接，监控计算机将收到的数据存储在数据库服务器中进行备份，数据库服务器用于存储各监测点的历史数据和报警记录，监控计算机与打印机相连接，打印机用于打印所需的各种报表。
2.根据权利要求1所述的面向分布式煤矿瓦斯监测系统，其特征在于所述传感器包括瓦斯浓度传感器、一氧化碳浓度传感器、温度传感器、风速传感器、流量传感器、压力传感器、电气设备开停传感器、馈电状态传感器和风门传感器。
3.根据权利要求1所述的面向分布式煤矿瓦斯监测系统，其特征在于系统网络模块(3)中光纤主干以太环网通信协议为TCP/IP，带宽IOOMbps ；Lonfforks子网通信协议为 LonTalk,带宽78Kbps或5Kbps，LonWorks子网的传输介质为屏蔽双绞线，整个LonWorks子网可挂接127个设备；LonWorks子网的传输速率为5Kbps，传输距离为20km。
全文摘要
本发明公开了一种面向分布式煤矿瓦斯监测系统，包括现场设备模块、地面监控终端和系统网络模块，井下的监测数据由现场设备模块采样之后通过系统网络模块传向地面监控模块，并由地面监控模块对采样数据进行汇总、存储和上传。本发明方案适用于不同规模的矿井环境，便于系统进行扩展，监测种类丰富，监测范围广泛，能够多种类、高精度地监控井下环境。
文档编号E21F17/18GK102410045SQ201110450048
公开日2012年4月11日 申请日期2011年12月29日 优先权日2011年12月29日
发明者倪辰辰, 戚湧, 李千目 申请人:南京理工大学, 南京理工大学常熟研究院有限公司