生产安全实时远程监控系统 【技术领域】
本发明涉及的是一种用于煤田矿山生产安全信息实时采集与无线远程监控系统。属于工业监测监控技术领域。
背景技术
目前政府的安全监察部门获取安全信息的方式，大多是由煤田矿山生产部门将矿井瓦斯安全监控设备或系统监测的实时数据，通过计算机人工键盘录人数据的方式，将安全监测数据通过通信网络(如公共电话交换网PSTN或专用网络)传输至上级安全监察部门。缺乏有效的手段来对超级瓦斯矿井的危险状况进行远程实时的监控，无法做到心中有数。难以预防事故发生。
【发明内容】
本发明是针对目前存在的情况，设计了一套可远程实时获取井下安全监测数据并将现场数据传输至上级安监部门的系统。本系统可从各类矿井瓦斯安全监控设备或系统中，通过煤矿生产安全信息实时采集与远程无线传输装置(安全卫士)，同步截取和采集井下安全监测数据，并实时进行筛选与过滤处理，将各类达到煤矿生产安全临界值的数据实时传输给GSM通信系统。通过本系统，安全监察部门可实时监控矿井的安全生产状况，从而可实现煤矿安全生产的实时监督、预防和控制。本发明的技术解决方案：其结构是它包括计算机局域网、数据库服务器、事务处理服务器、通信服务器、路由器、二台监控计算机以及大屏幕投影仪组成，安全监察监控中心通过路由器、通信服务器收集其管辖区内的N个煤矿的安全信息，其中N＝1～9999，局域网将数据库服务器、事务处理服务器、通信服务器、路由器、二台监控计算机和以及大屏幕投影仪连接起来，各互联设备之间以10～100Mbps的速率传送数据包。本发明的优点：与目前现有地类似系统收集的非实时瓦斯等安全数据不同的是，本发明使安全监察部门收集的数据是实时瓦斯等安全数据，这些实时数据是真实反映煤矿生产状况的数据。本系统采用目前最先进的无线移动通信技术，并可采用拨号方式、电力载波、无线直放站等作为数据通信的补充方式，因此建设投资少、速度快、组网灵活、网络覆盖面积广、系统可靠性高、适应性强。本系统实时接收各矿井传来的数据，分析处理，并将相关信息显示在大屏幕上。对矿井瓦斯浓度实时监测，并用声光报警。当发生瓦斯超限警报时，系统可实现在国家、省、市、县多级联网的同步实时监测。
【附图说明】
附图1是本发明(生产安全实时远程监控系统)的原理方框图。
附图2是本发明(生产安全实时远程监控系统)的原理方框图。
附图3是本发明安全信息实时采集与远程无线传输装置(安全卫士)的实施例结构示图。
附图4是事务处理服务器安装的各个软件子系统的逻辑关系图。
附图5是图3的电原理图。
图1～4中的1是计算机局域网(LAN)、2是数据库服务器、3是事务处理服务器、4是通信服务器、5是路由器、6是第一台监控计算机、7是第二台监控计算机、8是大屏幕投影仪。(9)～(16)均是应用软件系统。17是公用数字移动通信系统(GSM)平台。18是矿井瓦斯安全监控设备或系统的终端。19是生产安全信息实时采集与远程无线传输装置、20是矿井瓦斯安全监控设备或系统。
图4中的9是灾难救援指挥软件子系统、10是安全预警软件子系统、11是移动监控软件子系统、12是实时数据通信软件子系统、13是煤矿安全实时监控软件子系统、14是煤矿安全管理信息软件子系统、15是煤矿安全信息实时采集软件子系统、16是系统可靠性监测与远程维护软件子系统。
生产安全信息实时采集与远程无线传输装置(安全卫士)，它可直接从矿井瓦斯监控设备或系统的终端获取瓦斯等安全数据，并利用邮电公用数字移动通信系统(GSM)向上级安全监察部门传输井下现场实时的安全数据。
图5中的1”是串行数据截取电路、2”是单片机电路、3”是通信控制接口、4”是GSM调制解调器。生产安全信息实时采集与远程无线传输装置19是由串行数据截取电路1”、单片机电路2”、通信控制接口3”、GSM调制解调器4”依次串接而成。
矿井瓦斯安全监控设备或系统的终端18通过串行数据截取电路1”中的安全隔离栅U1-1接入，串行数据截取电路1”受单片机电路2”的控制，实现对井下安全监测数据的同步截取和采集。串行数据截取电路1”中的与门电路U1-2：D的输出端TXD与单片机电路2”中的单片机U2-1的GPS RX对应相接；与门电路U1-2：A的输入端RXD与单片机电路中的单片机U2-1的GPS TX对应相接；
单片机电路2”中的闪烁存储器电路U2-3的输出端(D0～D7)与通信控制接口中的通信控制接口电路U2-4输入端D0～D7对应连接；GSM调制解调器中的GSM调制解调器模块U2-11的RS232数据口RXB、TXB与通信控制接口中的通信控制接口电路U2-4的接口RXA、TXA对应相接。
煤矿用生产安全信息实时采集与远程无线传输装置的主要技术性能有：①网络拓扑：点对点/点对多点/树状网络；②操作模式：主台模式/属台模式/中继模式；③通信体制：GSM；④通信方式：自报式/应答式/紧急事故告警式；⑤通信协议：SMS协议；⑥传输功率：100mW；⑦被截取的串行数据传输速率：RS-485：9600bps～512Kbps；⑧供电：直流12～24VDC；⑨使用条件：环境温度-45～+80℃，相对湿度5％～95％；⑩外形尺寸(长×宽×高)：185×120×75mm。
计算机局域网(LAN)1采用交换机3COM-3c16781、RJ45接头和五类无屏蔽双绞线实现。数据库服务器2和事务处理服务器3均采用HPNETSERVER LH2000实现。通信服务器采用HP/P4 2.4/256M/80G/16×DVD/ROM/64M实现。路由器5采用D-Link DI-1750实现。监控计算机6、7均采用DELL Dimension 4600实现。大屏幕投影仪8采用三洋公司的XP3000实现。9～16应用软件系统采用SCAQ-V1.0版实现。
【具体实施方式】
对照图1、2，它包括计算机局域网LAN、数据库服务器2、事务处理服务器3、通信服务器4、路由器5、二台监控计算机6、7、大屏幕投影仪8组成，安全监察监控中心通过路由器5、通信服务器4等可以收集其管辖区内的1～N#煤矿的安全信息。N可以是1～9999个。安全监察局的监控中心的局域网LAN采用100M的快速以太网(100Base-T)标准，在物理层中采用100Base-TX规定，使用标准的RJ45接头和五类无屏蔽双绞线作为传输媒体，它规定用四根线传输数据，其中二根线用于发送，另二根线用于接收，数据编码采用与光纤分布数字接口FDDI/同轴电缆分布数字接口CDDI相同的4B/5B编码，允许使用同轴电缆分布数字接口CDDI技术提供与100Base-TX相容的产品，以太网络的交换机与工作站之间的距离使用双绞线可达到100米，使用光纤可达到270米，它还允许多个交换机级联，交换机可通过同一接口管理10M和100M的设备。
数据库服务器2用于存放各煤矿传送上来的各项实时数据和各煤矿的电子地图资料(包括各煤矿的各工作面的电子图纸)。数据库服务器还负责对这些数据进行分类归档，作为重要的资料存档备份，以便于以后的安全评估和事故分析；数据库的主要数据结构如下表： 字段名称 字段含义 CoalID 煤矿编号 CoalName 煤矿名称 WorkFaceID 工作面编号 WorkFaceNa me 工作面名称 CH4Concent CH4浓度值 TFL 通风量 FMKGL 风门的开关量
DYKGL 各电气设备的 开关量 WDCGQ 温度值
事务处理服务器3安装了煤矿安全实时监控软件子系统、煤矿安全管理信息软件子系统、安全预警软件子系统、灾难救援指挥软件子系统、可靠性检测与远程维护软件子系统。
事务处理服务器3对煤矿传送上来的各类实时数据进行分类，再由各子系统进行相关的处理。局域网(LAN)内的各服务器之间的数据包以用户数据报协议UDP的方式进行传输，同一服务器上的不同子系统之间的数据包也以用户数据报协议UDP的方式进行传输。
通信服务器4上安装的实时数据通信软件子系统将GSM通信系统传输来的数据包解密后，通过局域网(LAN)传送给事务处理服务器上的煤矿安全实时监控软件子系统，由安全实时监控软件子系统按照预先定义的数据包的格式读出数据包中各个字段的数据(即：字段所代表的哪个煤矿的哪个工作面的哪个位置的何种传感器的何时的数据)。然后，一方面将这些数据传给数据库服务器作为资料存档；另一方面将这些数据解析后以直观的方式(如电子地图上各煤矿点的颜色，数据实时曲线图，各煤矿的当前信息列表等)反映在监控计算机6、7和大屏幕投影仪8上，方便安全监察人员监控各煤矿的安全生产情况。被授权的安全监察人员在实时监控的基础上可以向煤矿的调度中心、矿长、总工下发命令督促其实施安全措施，及时消除安全隐患，同时本系统将对下发的命令进行归档，以备查询，分清责任。
煤矿安全管理软件子系统对采集上来的存放在数据库服务器中的各类煤矿的安全信息进行分析统计，生成各类信息的月报、季报和年报，上报上级主管部门，以便对各煤矿进行安全程度评估和安全责任考核。
安全预警子软件系统根据实时采集的数据和历史数据，利用已建立的事故预测模型，通过运算，定时预报灾难发生的可能性。
灾难救援指挥软件子系统根据实时监控系统提供的实时数据和从数据库中提取历史数据，快速的进行分析，建立各种救援预案，为救援指挥人员提供辅助决策信息，并能从数据库服务器中提取事发矿区的详细资料，包括矿区地理信息、工作面与设备信息、通往矿区的道路桥涵信息等，供救援人员参考。可靠性检测与远程维护软件子系统根据各煤矿实时上发的巡检信息来判断整个系统工作是否正常，以便及时的发现系统的故障，提示工作人员检修。事务处理服务器安装的各个软件子系统的逻辑关系如图4。
通信服务器4：实时数据通信软件子系统安装在通信服务器上，负责与GSM移动通信中心的通信。各煤矿的实时信息以PDU的格式打包成短消息经由公用移动通信网的短消息中心以DDN专线的方式传送给安全监察局的通信服务器，通信服务器再PDU格式的解码方式对数据包进行解码，然后将解码后的数据传送给事务处理服务器。
路由器5用于将公用数字移动通信系统(GSM)平台接入到安全监察局监控中心的局域网。煤矿的实时数据由煤矿生产安全信息实时采集与远程无线传输装置(安全卫士)打包成短消息后，发送到移动通信中心(如中国移动、中国联通)，再通过DDN专线经路由器接入到安全监察局的监控中心。
监控计算机6是事务处理服务器的终端。监控计算机6安装了煤矿安全实时监控软件子系统、煤矿安全管理信息软件子系统、安全预警软件子系统、灾难救援指挥软件子系统、可靠性检测与远程维护软件子系统的终端程序。监控计算机6以直观的方式反映煤矿的安全状况(如：电子地图上各煤矿点的颜色，数据实时曲线图，各煤矿的当前信息列表等)。安全监察员可以在监控计算机6的屏幕上实时远程地监测到各煤矿的安全生产状况，并及时地对存在安全隐患的煤矿进行指令的下发，督促其做好安全措施。监控计算机6对应第一组安全监察人员，它的屏幕显示的是第一组安全监察人员所负责区域内的煤矿的安全状况。
监控计算机6上安装的煤矿安全管理软件子系统能对存放在数据库服务器中的各类煤矿的安全信息进行分析统计，生成各类信息的报表以及安全信息的管理。
监控计算机7功能与监控计算机6一样，所不同的是它对应第二组安全监察人员，其屏幕显示的是第二组安全监察人员所负责区域内的煤矿安全状况。
大屏幕投影仪8可以将各监控计算机上显示的信息放大显示在大屏幕上，方便领导查看及专家的救援指挥。
对照附图3、5，矿井瓦斯安全监控设备或系统的终端18通过串行数据截取电路1″中的安全隔离栅U1-1的管脚in1、in2、out1、out2接入，安全隔离栅采用本安型，安全隔离栅U1-1的作用是保证井下监控设备和井上监控设备的电气安全隔离。
对照附图5，串行数据截取电路1″中的集成电路U1-1～U1-6组成串行数据截取电路。安全隔离栅U1-1的管脚in3、in4与RS485转换器U1-6(型号是MAX483)的管脚6、7对应相接；安全隔离栅U1-1的管脚out3、out4与RS485转换器U1-5(型号是MAX483)的管脚6、7对应相接；RS485转换器U1-6的管脚1与光电隔离器U1-4中的发光二极管负极对应相接；RS485转换器U1-5的管脚3和光电隔离器U1-3中的光敏三极管集电极对应相接；光电隔离器U1-3中的发光二极管负极和与门电路U1-2：B的输出端管脚3对应相接；与门电路U1-2：B的管脚1、2和与门电路U1-2：A的管脚3对应相接；与门电路U1-2：A的RXD与单片机电路中的单片机U2-1的GPS TX对应相接；光电隔离器U1-3中的光敏三极管集电极和与门电路U1-2：C的管脚1、2对应相接；与门电路U1-2：C的管脚3和与门电路U1-2：D的管脚1、2对应相接；与门电路U1-2：D的TXD与单片机电路中的单片机U2-1的GPS RX对应相接。
单片机电路2″中的集成电路U2-1～U2-9组成单片机电路。单片机U2-1(型号：89C58)的接口P00～P07与地址锁存器U2-2(型号：74H373)的接口D0～D7对应连接，单片机U2-1的接口P20～P27与闪烁存储器电路U2-3(型号：62C256)的接口A8～A15对应连接。地址锁存器U2-2的接口Q0～Q7与闪烁存储器电路U2-3的地址线A0～A7对应连接。
闪烁存储器电路U2-3的接口A0～A7对应连接。闪烁存储器电路U2-3的接口D0～D7与通信控制接口U2-4(型号：ST16C552)的接口D0～D7对应连接。RS232电路U2-7的接口CS、SO分别连接单片机U2-1的输出口P1.6、P1.7，RS232电路U2-5的接口RST与反相器U2-10的接口RST对应连接。
单片机电路2″通过闪烁存储器电路U2-3的数据输出口DB0～DB7与通信控制接口U2-4的数据输入口D0～D7对应连接，通信控制接口U2-4完成对GSM调制解调器模块U2-11的初始化和短消息的收发功能。接收和发送数据的格式是按照PDU格式进行，控制命令采用AT贺氏指令。GSM调制解调器模块U2-11采用摩托罗拉公司的d15GSM900/1800，调制解调器模块U2-11的RS232数据口与通信控制接口U2-4的RXA、TXA端对应相接。