工业以太网技术在煤矿集中监测监控管理系统中的应用

张大勇

【摘要】本文针对国内煤矿安全生产管理系统通讯协议和信息交换标准不统一、与其他系统联网困难、无法做到数据共享的缺点，提出一种基于工业以太网技术的煤矿安全生产集中监测监控管理系统方案，构建一个具有分散性、实时性、可靠性、开放性和互操作性特点，符合矿井安全要求的生产与管理信息传输平台。

【关键词】安全生产；工业以太环网；集中监测监控管理系统；核心交换机；网络安全

一、引言

目前我国大部分煤矿均已不同程度地建立或准备建立安全生产监测监控系统，但从系统集成的角度来看，有关生产、管理的自动化与信息化水平相对较低，特别是煤矿安全生产监测监控系统尚没有行业标准，各厂家都是自行制定传输协议和接口标准，各分（子）系统之间不能互通和兼容，存在着信息孤岛现象，信息资源难于共享，监测系统、控制系统和管理系统不能实现联动；从产业的角度看，目前煤矿行业安全生产软硬件研发和服务保障系统相对落后，研发力量薄弱，适合煤矿行业特点和需求的软硬件和电子专用设备、仪器目前仍比较缺乏，还难以满足煤矿安全生产的需求和技术升级的需要。

本文结合山西潞安温庄煤业有限责任公司矿井生产和安全监控系统集成工程建设，采用最新的计算机网络、光纤通信和工业以太网技术进行安全生产监控网的设计，构建一个符合矿井安全要求的矿井生产与管理信息综合系统的传输平台。

二、设计原则

根据该矿目前的实际情况，煤矿的生产与管理信息综合集成系统包括井下煤炭安全生产自动监控监视系统以及管理信息系统两大方面。本系统是为煤炭行业、大中型煤矿企业实现管理科学化而设计开发的，旨在为煤矿生产节约成本、强化生产安全管理、提高工作效率，能确保安全监察业务准确、实时、快速的运行，保证抢险救灾、安全救护的高效运作，对煤炭开采各生产成本指标作出科学、全面的统计分析，并提供全面系统的决策资料，是对煤矿管理做出科学决策的最佳助手。

系统设计本着先进性、开放性、可扩充性、可维护性的原则，根据目前业务实际，并充分考虑今后业务发展需要，采用浏览器/服务器体系结构与客户机/服务器体系结构相结合的多层应用结构，使用当前先进的系统平台、面向对象的开发方法、可视化的开发工具，设计出一套较为完善的适用于煤矿实际的管理科学化、安全生产自动化的综合信息化解决方案。本方案设计主要注重：先进性和成熟性：采用目前比较成熟的先进技术和产品，以国内现有的综合信息集成系统软件为基础，不必重新开发综合系统。开放性和标准性：采用有关的国际标准、国家标准和行业规范。实效性和共享性：能够及时、准确、动态地更新煤矿信息。并提供信息资源高度共享。传递性和安全性：实现数据库三层结构安全管理，支持多级权限管理，使系统安全性有稳固的保障；从操作系统、数据库、应用软件等多层次设置安全屏障，有效保证数据安全，保证了客户数据不被篡改，保证网络信息的安全性、完整性。

三、设计目标

1、建立煤矿安全生产所必须的测控系统，覆盖企业安全生产所涉及的各个环节。要设计或改造的生产自动监控系统包括：

（1）井下通风监控子系统（2）皮带运输监控子系统（3）自动排水监控子系统（4）电网监控子系统（5）环境监测子系统（6）人员定位与考勤子系统（7）提升监控子系统（8）自动乘人子系统（9）工业电视监控子系统其中工业电视监控子系统将上述8个系统的各个环节进行全程电视监控，并做到在内部网上浏览所关心的画面，并可实时录相。以上子系统可根据煤矿轻重缓急的要求，分步实施，每上一个子系统即将其与管理信息系统集成在一起。

2、建立对生产设备运行的管理子系统。

通过对有关生产、设备运行的原始数据的准确性、实时性和设备参数、生产过程参数的分析，提高生产调度、管理的准确性与及时性，减少和避免重大故障，提高运行可靠性，从而保障机电设备的安全运行。建立健全积极、主动的维护保养循环体系，根据设备的性能和特点， 实现定时、定点、定量的维护检查，并提供多种形式的设备运行状况预警，确保机电设备的安全运行。

3、网络整体设计。

网络系统构建分为两个工期：第一期工程：井下共設计两个环网、分别是一个1000M环网，一个100M环网。1000M供全矿井所有子系统接入，100M供安全监控系统接入。第二期工程：按矿井技改建设进度和实际情况，设计地面1000M环网。全矿网络各环的交换机支光纤直接接入调度室的核心交换机，形成独立环网。调度室配置两台核心交换机，核心交换机配备备用光口，降低网络故障率。该平台作为一个整体进行监控与管理，使矿井在“采、掘、运、风、水、电、安全”等生产环节全面实现信息化，实时掌握全矿井安全、生产、人员、经营等所有方面的信息，形成统一、完整的有机整体，以实现企业的优化运行、优化控制与优化管理，建立起矿井集中监测监控管理系统。

四、网络拓扑结构

工业以太环网硬件系统由井下现场设备层及防爆交换机、地面控制层以及煤矿管理信息中心等构成。

井下现场设备层包括各监控子系统分站和井下防爆交换机，各监控子系统分站负责各自的设备监控与运行；井下防爆交换机将井下各监控子系统分站的信息集中，通过光纤将信息经过井上交换机传输到各监控主机，同时接收井上信息中心通过监控主机及交换机传来的监控命令，以向井下监控分站下达监控命令来控制设备的正常运行。地面控制层包括各监控子系统主机及服务器和交换机，各监控主机负责对各自井下分站的直接监控，监控主机通过防火墙与煤矿管理信息中心局域网相连，将得到的设备运行情况等信息通过网络传输到服务器，以便管理者网上浏览。煤矿管理信息中心由WEB服务器、数据服务器、备份服务器以及交换机和防火墙等组成，实现对井下设备和地面管理等信息的存储、检索、管理和监视。实现安全生产与管理综合信息的集成。

五、系统安全设计

系统安全是信息化建设的重点内容之一，需要全方位考虑。既要确保系统发生灾难后能够尽快恢复，又要确保信息不被非法访问和篡改。常用方法包括：系统的热备份、密钥、数字证书、防火墙、远程容灾、入侵检测等。

安全方案主要技术特点如下：实现数据的完全、自动备份，并且实现数据的多次存储，极大程度的保证了数據的安全性。主备服务器可以实现自动切换，也可以人为强行切换。当主服务器遇到故障，比如断网、死机、断电等情况，会实现到备份服务器的自动切换。双机进行切换不影响系统的运行，稳定性好。双机热备软件的安装与配置都较为简单。双机热备采用纯软方式，成本低，不需要购买昂贵的磁盘阵列柜，两台服务器之间不受距离的限制，可靠性更高一些。采用硬阵列的方式，系统更加稳定可靠。磁盘阵列其实也分为软阵列 （Software Raid）和硬阵列 （Hardware Raid） 两种。软阵列即通过软件程序并由计算机的CPU提供运行能力所成。由于软件程式不是一个完整系统，只能提供最基本的RAID容错功能。硬阵列是由独立操作的硬件提供整个磁盘阵列的控制和计算功能，不依靠系统的CPU资源。由于硬阵列是一个完整的系统，所有需要的功能均可以做进去，所以硬阵列所提供的功能和性能均比软阵列好。RAID技术的采用提高了磁盘的存取（access）速度，防止数据因磁盘的故障而丢失以及有效的利用了磁盘空间。RAID通过在多个磁盘上同时存储和读取数据来大幅提高存储系统的数据吞吐量。在RAID中，可以让很多磁盘驱动器同时传输数据，而这些磁盘驱动器在逻辑上又是一个磁盘驱动器，所以使用RAID可以达到单个磁盘驱动器几倍、几十倍甚至上百倍的速率。实现了同一台服务器上两块硬盘的完全、自动备份。

支持硬盘扩展。

六、接口方案设计

改造前该煤矿地面调度中心的主计算机已可对井下的排水系统、安全监控系统等原有的自动化分系统进行集中监测和控制。因此对原有系统或准备建立的第三方系统的集成是煤矿监测与管理综合信息集成系统的关键，并且由于我国对煤矿自动化设备的接口没有统一的标准和规范，系统集成必须根据不同的设备情况采取不同的集成策略。支持TCP/IP的监测设备：可以直接通过IP的连接实现功能集成。调度室具有控制计算机的井下监测设备：一般这类系统产生的数据存放在控制计算机的数据库中，系统集成时可以考虑从数据库中获取相关数据实现生产信息的集中展示；对该类设备的集中控制则需通过该设备的通讯协议实现。

其他设备：有些设备是非标设备，并且没有主控计算机，其信息的采集及设备控制只能通过改造通讯接口的方式与控制设备进行通讯，以实现信息的采集和控制。

七、结束语

本系统的设计目标是综合运用网络技术、WEB技术、数据库技术、软件工程技术、系统集成技术、数据仓库及数据挖掘技术，重点解决安全监控信息的集成处理与发布、生产信息的集成与可视化、各种管理信息系统的规范与集成，构建具有煤矿企业特色的综合信息自动化管理体系，实现生产自动化系统的实时数据库与管理信息系统数据库之间的紧密集成，提高管理信息中有关生产的原始数据的准确性、实时性。

参考文献

[1]陆铮，汪丛笑.工业以太网在全矿井综合自动化系统中的应用[J].工矿自动化，2006年03期.