鹤壁水平井监测监控数据传输方案设计

鲁基春，吴海超

(河南省煤层气开发利用有限公司 计量中心,郑州 450016)

鹤壁水平井监测监控数据传输方案设计

鲁基春，吴海超

(河南省煤层气开发利用有限公司 计量中心,郑州 450016)

本文结合目前通信技术应用发展以及通信软件开发所积累的经验,依河南省煤层气鹤壁项目部水平井井场监控为基础，借助无线通信系统，设计实现了基于GPRS的矿井远程数据传输系统。该系统的主要任务是将煤矿井下的数据与监控中心计算机系统连接起来,从而实现矿井现场数据的实时传输以及监控中心对现场的调度功能。

鹤壁项目部；远程数据传输；无线通信系统

1．引言

国内煤矿安全监控系统主要以有线方式实现参数监测与信息传输任务。[1]但在煤矿的复杂环境下，有线监控系统明显有缺陷，难以满足安全监控即时通信的需求。因此，煤矿井下安全监控系统迫切需要一种结构灵活、扩展性强、布设快捷、安全可靠的通信网络技术。[2]随着传感技术、无线通信技术、嵌入式技术的发展，无线传感网络提供了有效手段和途径来解决井下煤矿安全监控问题。瓦斯浓度、温度、气压等参数,可以使用传感仪器测量并上传至决策部门进行决策。

鹤壁项目部水平井瓦斯自2012年5月份开始排采，由于鹤壁项目部办公区设置在直井附近，距离水平井距离大于一公里。水平井所监控的压力、流量等数据需要工作人员每间隔两个小时就要从直井赶到水平井记录一次，每日需要记录12次，每次往返时间在40分钟以上，水平井处在偏僻的山区农田中。为了现场工作人员的安全以及解决劳动强度，同时实现水平井所监测数据省公司能够直接观察，特实施该工程。

系统实施以来，鹤壁项目部工作人员在直井能够实时观察水平井周围环境，确保设备安全；水平井排采气体的各项监测指标能够实时传送到直井，便于观察、分析和记录；公司负责人可以在任意地区通过网络远程观测鹤壁项目部水平井现场环境；省公司工作人员可以实时观察到鹤壁项目部水平井的各项监测数据。

2.系统设计

2.1供电系统

由于河南省煤层气鹤壁项目部水平井位置在鹤壁山城区李古道村东700米的农田里面，架设电力线路需占用耕地，协调困难、施工难度大、费用高等问题突出，因此采用太阳能发电系统解决设备供电问题。太阳能供电系统框架如图1所示。

太阳能供电及数据采集发送设备放置在鹤壁项目部水平井井场内部，太阳能为井场内设备提供工作电源，确保设备工作运行正常。采集发送设备实现24小时数据传送。视频监控安装在井场内部，能够监控到整个内部环境。为了不造成电力浪费并且保障仪表数据信息监控系统不间断进行传输，特对部分设备(语音系统、视频监控系统等)进行定时断电控制，并根据需要在断电期间随时可以远程开启与关闭。

2.2 系统设计

满足现场需求：建立监测数据传输系统，解决对水平井监管不到位情况，实现7×24小时实时管理，实现跨地区现场管理功能。

先进的技术和功能：监测数据传输系统不仅仅能对数据进行传送，而且对井场能够实现语音通讯功能，设备开停控制功能。

图1 电阳能供电系统示意图

2.2.1 系统要求

该传输系统是一个集视频、语音、数据为一体的多媒体通讯网络平台，该系统应该是一个技术先进、成熟可靠、可管可用、灵活扩展、标准开放的系统，能够综合考虑数据传输系统中长期发展的需要，在系统结构、系统应用、系统管理、系统性能以及传输手段等各个方面适应数据通讯的发展。并能最大限度的节约投资，最终将本系统建设成为一个现代化的综合通讯系统。

2.2.2 技术方案设计

在认真分析河南省煤层气鹤壁项目部水平井监测系统的需求以及遵循上述建设原则的基础上 ，我们推荐了基于IP网络的监测系统信息传输方案，该方案可以支持用户以后扩展采集设备的需求，最大限度保护用户的投资 。

(1)服务器端操作系统软件：监控中心的服务器操作系统软件采用Windows Server 2003操作系统。它具有可靠性、实用性、可伸缩性和安全性，这使其成为高度可靠的平台；它在许多方面都具有使组织和员工提高工作效率的能力，因此它又具有高效性。

(2)企业级实时数据库：力控企业级实时历史数据库pSpace是一个高性能、高速度、高吞吐能力、可靠性强、跨网络系统的开放式实时数据库系统，产品为完全的分布式结构，可任意组建应用模式，支持C/S和B/S应用；它可以提供丰富的企业级信息系统客户端应用和工具，大容量支持企业级应用，内部实现高数据压缩率，可实现历史数据的海量存储；灵活的扩展结构可满足各种需求，具备广泛的安全性和可跟踪性。

(3)监控平台软件：监控中心软件采用三维力控监控系统软件平台，在服务器上安装实时数据库软件pSpace 5.0，同时安装服务器版力控ForceControl6.1(Server版)软件，在四台操作员站上安装ForceControl 6.1(Cliant版)，采用C/S和B/S混合结构。

3.数据的传输

3.1 水平井至直井数据传输

鹤壁项目部井场办公室设在直井区域，水平井至直井直线距离550米，且也处于农用耕地之间。需要实现水平井仪表数据、视频数据、语音系统、控制系统能够实时在直井办公区显现。

在现场不具备线缆传输的条件下，我们建立了无线局域网络，既保障了所有数据的正常传输，同时也避免造成二次费用的产生。由于设备采用先进的技术，在我们的局域无线网络内完全保障了视频和数据同时流畅的传输。

3.2 水平井数据远程传输系统

为实现省公司对下属所有煤层气井数据信息的统一管理，对井场设备运行情况、设备安全问题随时能够了解和观察。特对每个点的煤层气井所监测的数据通过3G网络传输到省公司以及Internet，便于工作人员随时随地了解现场情况，如图2所示。

3.3 系统设备功能介绍

工业级 GPRS/CDMA/EDGE/3G/4G 无线路由器系统按照恶劣环境要求设计，有极强的抗干扰能力和自行维护能力。设备以嵌入式实时操作系统为软件支撑平台，采用高性能的工业级ARM9通信处理器，集成从逻辑链路层到应用层通信协议，支持VPN、IPTABLE 防火墙、静态及动态路由PPP server和PPP client、DHCP server及DHCP client、QOS 带宽管理，SNAT/DNAT，DMZ 主机,WEB 配置，支持 APN/VPDN， 支持上电自动拨号，自动维护通信链路，保证链路永远在线，支持自动定时上线和下线、定时开关机功能、DTU 数据传输等功能。

由于产品整机采用工业级设计，拥有维护系统稳定的专利技术，性能稳定可靠。系统不仅加载了监测保护SWP(System Watch Protect)，而且带有看门狗WDT保护。另外，产品通过3000V电击测试和8年的实际应用，确保设备永远在线。

图2 河南省煤层气数据传送系统图

3.3.1 工业级设计

(1)工业级CPU:工业级ARM9高性能嵌入式处理，速度200MPS，带16KB Dcache高速缓存数据和高速指令缓存，加快高速数据访问速度指令处理速度。

(2)工业级无线模块：采用工业级抗干扰无线模块，传输质量稳定。

(3)实时操作系统：采用LINUX2.6.28操作系统，带内存管理单元，实时性强， 功能升级快，系统稳定，带完善TCP/IP协议栈。

(4)强化电路板：PCB采用遵循3H和3W原则，同时公司所有产品电路板都采用高品质材质来生产，确保板材的稳定可靠。

(5)工业级元器件：整机元器件采用严格筛选的工业级元器件来生产。

(6)工业级电源：采用宽压电源设计，内置电源反向保护和过压过流保护，电源适应范围为DC5V～DC35V。

(7)电磁防护：以太网接口内置1.5KV电磁隔离防护。

(8)抗干扰设计：采用金属外壳，屏蔽电磁干扰，系统保护等级IP30；天线带防雷设计；系统超低温和超高温设计，特别适合在环境恶劣的工业环境下使用。

3.3.2 HL-N5 无线AP/网桥 5.8G 300M

执行标准：美国802.11a/n；802.3；802.3u IEE E802.1x标准

内存：32字节

闪存：8字节

无线电频率型：16dbi定向天线

无线接入控制地址过滤

网络支持：管理信息库，管理信息库(rfc-1213)和个人加密功能

长距离传输：高达1 ～ 26.6公里

支持信道带宽：20～40兆赫可调

支持协议：路由器模式和点到点协议

支持设备动态域名设置

工作温度：-200～+70°

功率：有源以太网(以太网供电)专有坡设计

直流供电：24±5%，0.75A(最大)

操作系统:2000 / 98 /XP/win7

3.3.3 接口转换器

该设备是为TCP/IP到RS485之间完成数据转换的通讯接口转换器。主要功能说明如下：

(1)TCP/UDPserver/client

接口转换器提供四种联机方式：TCPserver,UDPserver,TCPclient 和UDPclient,使用者可任选一种方式以配合其设备使用。

(2)DHCP DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol)Client

此功能可使接口转换器经由DHCPserver(Gateway)取得其IP Address,透过内部网络server分配IP地址以避免IP地址冲突情形。

(3)PPP Over Ethernet

PPPoE 协议可使接口转换器直接连接ADSL Modem拨号后并连接到Internet。

(4)Dynamic DNS动态域名系统

透过接口转换器内建的DNS功能，使用者可取得一固定的域名并将其对应到任一动态IP地址、这样监控端即可透过Internet直接进行管理而不需要任何固定的IP。

(5)自动侦测10/100bps

接口转换器可自动侦测10/100bps的网络环境，不需手动切换。

(6)内建网络管理系统

此功能可让用户透过IE、Netscapc等浏览器进行转换器的设定或软件升级而不需另外安装驱动程序或管理软件。

(7)数据备份及还原设定

此功能可让使用者进行系统设定数据备份及还原，备份文件经过特殊加密处理、以确保数据安全性。

3.3.4 DAM-3058R

8路模拟输量入模块：

(1)输入类型：±10V、±5V、0～10V、0～5V、0～20mA、4～20mA、±20mA

(2)通道输入：6 路差分，2 路单端(默认配置)或 8 路差分

(3)采样频率：10Hz

(4)精度：±0.1%

(5)输入阻抗：8MΩ

(6)零点漂移：20uV/℃

(7)满量程漂移： 25ppm/℃

(8)CMR @ 50/60Hz： 86dB

(9)NMR @ 50/60Hz： 100dB

(10)隔离电压：3000VDC

(11)内置看门狗

(12)电源：未处理+10～+30VDC

(13)功耗：1.3W @ 24VDC

4.结束语

随着通信技术和无线传感网络的飞速发展，采用远程监控控制某一对象成为必然，从而节省大量的人力、物力和财力,提高生产效率。本系统能够及时、准确、快速地将相关数据传递至井上计算机系统进行处理，方便管理人员及时地对井下瓦斯情况进行控制处理，对提高煤矿生产过程中的安全性，具有一定的应用价值。

[1]国家安全生产监督管理局煤矿安全规程[M].北京:煤炭工业出版社,2005.

[2]杨维,冯锡生,程时昕,等.新一代全矿无线信息系统理论与关键技术[J].煤炭学报,2004,29(4):506-509.

[3]庞秋昕,钟刚.三维实时历史数据库pSpace在球团厂管控一体化系统的应用[J].矿业工程，2012(4):60-62.

2013-02-21

鲁基春(1972—)，男，河南邓州人，河南省煤层气公司计量中心工程师，研究方向：瓦斯计量检测。

TD76

A

1008-3715(2013)05-0118-04

(责任编辑赵冰)