关键词：数据采集；工业以太网；远程数据传输；环网
1 引言
随着科学技术的发展，煤矿生产规模不断的扩大，电气设备也不断的增多，并逐渐向电气化自动化方向发展，为了保证煤矿企业的安全生产，采用计算机实现远程监测监控和管理数据化，生产管理自动化，操作简洁，最终达到安全生产，提高煤产量。新型的SCADA数据采集系统采用了工业以太网络交换机、智能I/O模块，工业控制器和各类煤安传感器构成远程煤矿监控系统，实现网络化的实时数据采集和数据存储，动作控制以及提前预测。
2 煤矿大型设备数据采集系统介绍
2.1 整个系统结构介绍
工业环型以太网监测系统是一个易扩展开放式的监控系统，是目前世界上先进的过程自动化系统开放式解决方案，是面向工厂自动化的新一代开放式SCADA（易扩展开放式的监控系统）。网络设计方案中由监控总站的管理计算机、数字服务器、视频服务器、环网交换机和各种矿用仪器仪表搭建而成。系统的主干网采用100M的工业以太网技术，用以保证各监测，监控信息进行高速传输和交换，保证系统的实时性。主干网在设计时具有冗余性，设备具有纠错能力，具有灵活性和可扩展性，保证了高可靠性，同时还能支持多种网络协议。主干网的连接采用光纤分布式数据接口（FDDI），整个系统环形网络的拓扑结构如图（1）所示。
整个矿区很大，分布较广由一个监控总站，多个监控分站组成，具体分别为远程网络监控总站、机运区分站、副立井分站、副斜井分站、空压机分站、多个风机分站、中央泵房分站、主斜井皮带机分站、运输大巷皮带机分站、运销站分站等。现场所需要采集的模拟量为441个，开关量209个，脉冲量4个，其中具有R485通讯口的后备保护装置及仪表有46个。系统在每个区建立子系统/分站，每一个分站既是下位机也是上位机，子系统亦能独立处理本系统的命令，采取分布式控制，危险分散，局域瘫痪不至于影响整个系统的正常运行，从而保障了整个系统的正常运行。
图（1） 远程环形网络监控系统拓扑结构
2.2 子系统结构：
由于各子系统大型设备采集的数据原理及其相似，下面是以副立井绞车房为例来说明器分站的结构和组成。该监控分站子系统如下图所示，系统通过实时环型工业以太网交换机接入主干网，现场设备主要有以太网I/O集中器，16路模拟量输入模块，8路高速计数器模块，16路开关量输入模块，电源模块，监控计算机。各个子系统采用的软件是组态王6.5，该组态软件可实现动态数据,画面监视,历史数据分析，历史趋势曲线生成,实时报警功能,内容丰富,界面生动,保持了良好的人机对话。副立井系统图如下图（2）：
图（2） 副立井绞车房子系统结构
该子系统能实现多种功能：提升绞车房与主监控计算机的联网，监控室可通过网络实时检查和查阅提升绞车的运行状态;能以画面的形式实时自动监测记录提升绞车运行时各种参数，并自动生成表格或历史曲线;运行设备的运行状态以及后备保护、声光报警、存储和查询各种数据，另外还提供在线帮助等功能，以解决实际操作中所遇到的疑难问题。
3 各部分功能配置和通讯
3.1 各部分功能配置
1）中央控制主要是对整个煤矿系统中运行设备状态显示并且控制的中心，是网管SCADA系统的控制中枢，是整个系统中数据安全性要求最高的地方。系统配置是就选择了冗余配置，实现Server、网络、通讯和各功能环节的冗余。中央控制室硬件是由SCADA实时数据服务器，组态监控软件，历史数据服务器，以太网交换机，工程师操作站，操作员工作站及其相应的防火墙，路由器等网络设备。
2）各区域主要是由组态软件监控软件，以太网交换机，集线器，智能I/O模块，各种传感器以及PC机等组成，完成当地的数据采集和智能控制，通过PC机直接显示各设备运行状态。同时数据可以直接传输到上位机中在大屏上显示，同时数据存储在数字服务器中，实时更新。整个系统采用模块化，内存和通讯接口为用户提供了可扩展的空间，随时添加I/O模块，同时各模块上在设计时就有冗余。同时系统提供的控制器为SEATRAK控制器ST-GT系列，具有32位PowerPC CPU，处理器性能与高端Pentium处理器相近，这使得控制器的处理能力非常强大，危险区域得到CSA C22.2 CLASS 1、ZONE2、EN50021等认证，满足煤矿区域使用要求。
3）在各个分站实现功能主要是数据采集，自动控制，参数存储，实时通讯和故障报警等。系统中运用到的美国SIXNET公司生产的实时环网以太网交换机，目前来说是以太网技术突破性的成就，提供容错纠错能力，能够构建稳定可靠的网络，同时方便实用，用户可以像维护车间的仪表设备一样维护实时环网以太网交换机。
3.2 系统通讯
3.2.1 工业环形以太网运用到数据采集系统中实现远程通讯。
系统采用计算机网络、光纤通信等先进技术，在环境恶劣、人员设备分散、有特殊安装要求的煤矿构建一个符合防爆要求的井下100Mbps高速互联网，系统的核心是在矿井建立具有开放协议的工业数字网络系统，传输设备监测数据、语音信息、视频图像信息，为煤矿的综合自动化提供可靠的高速信息平台。整个环形网络中，大量的使用了温度传感器，压力传感器，风压传感器，电流电量传感器以及静水压力等传感器，信号转换为数字量后传输到上位机，实现大屏显示和数据存储。
3.2.2 视频系统、语音系统与设备运行状态采集系统三系统合一。
该采集系统涉及到图像和语音采集，更加保障了煤矿的安全。所选择的仪器产品都遵循Modbus通讯协议，实现高速传输，且具有很强的环自愈能力。视频系统中选择了视频转换器、网络图像处理器、VGA矩阵切换器和各种防暴摄像机，使用成熟的视频监控技术实现煤矿安全监控，同样语音系统亦是如此。在环形远程监控网络中，具有很大的可拓展性冗余性，因此增加的两个系统情况下直接挂在工业以太环形网上。同时系统的主干网采用100M的工业以太网技术，用以保证各监测数据、视频图像和语音信息进行高速传输和交换，保证系统的实时性。
其中系统控制中心是整个系统的核心，所有各监测分站的监测数据、视频图像和语音信息通过高速工业环型光纤以太网传送到中心，监测中心以动态图形、实时数据显示、数据报表、趋势曲线、预警信息、语音信息和视频图像等进行显示，实现对全矿固定设备安全运行状态的实时24小时在线监测，对事故隐患提前预警。图（3）为控制中心系统图，主要包括：监控总站、数据服务器、视频服务器、大屏幕电视墙系统等。
图（3） 控制中心系统图
4 软件设计
在部分地区的下位机软件采用的是北京亚控科技发展有限公司的无限点组态王Kingview6.51开发软件，部分地区采用256点的组态王开发软件，上位机和其他具有访问权限的管理层采用的是无限点组态王运行软件，目前是国内比较领先的数据采集和监控软件之一，具有强大的功能，能实现自主开发界面，支持web上网连接方式。由于是网络化的管理，为了防止病毒的入侵，因此必须安装杀毒软件和加强人员管理，所使用的杀毒软件为金山毒霸，并且保证定期升级;人员管理必须制定严厉的相关制度和加强人员培训。
监控软件实现的主要功能为：
（1）数据采集：实时就地集中监测各主扇，空压机，主排水泵、主井皮带机、副立井、斜井绞车，大巷和运销站皮带机的运行参数、电量参数、工作状态、保护状态、声光报警信息等;并且能实时显示其运行状态图和数值。通过工业组态软件进行系统开发，实现实时数据曲线，历史数据曲线，在大屏上显示出来。
（2）报警：组态王提供报警功能，可以是蜂鸣报警也可以是声光报警，当采集的数据超出设置的各段数值时，给出报警，操作员或决策者就应该注意采取措施，同时给与权限的工作人员能在线直接修改参数。
（3）远程控制：在整个控制中最多的是立井斜井处最多，主要是对电机控制和轴瓦间隙控制，轴瓦间隙调整需要对各液压阀，流量计等控制;在水泵房控制主要是对电机启停控制，当由静水压力传感器采集的数据偏大到一定值时启动另一台或两台水泵;大巷皮带温度过高或者烟感传感器采集数据超限自动启动洒水装置。
（4）历史数据记录和查询：数据能实时被采集的上位机中，同时能写入数据库中，数据库也实时更新并存储，方便查询和进一步的对数据分析。
（5）操作历史记录：组态王中能对每次操作记录能自动记录，同时在实际管理中对其操作的人员也只能是具有权限的工作人员或者总工能对其操作，这样能进一步的保障系统的安全，稳定运行。
（6）在线查询各报表并能提供打印：组态王监控软件可直接通过IP直接访问个区设备运行状态，同时可以根据客户的需求能打印报表。
（7）提供完善的在线帮助系统：当系统中出现故障时，可以提供在线帮助，直接的解决操作中遇到的疑难问题。对于复杂问题也可以结合语音系统、视频系统与在线人员帮助实现迅捷的解决问题。
（8）方便迅捷的设备管理功能：在中央控制室能完全观察到各设备的运行状态，包括个设备的详细信息，方便对设备进行管理。
5 结论
本文作者的创新点：给出了基于工业以太环网的煤矿数据采集系统的设计方案，使用新型的工业以太环网产品（广泛用于美国军方中），实现视频系统，语音系统和数据采集系统三系统共一个主干为光纤的工业以太环网。不仅在设计上满足的该用户的需求，而且在产品上也保证了系统的稳定性，整个系统方案得到了用户及其行内专家的认可。文中提出的新一代的SCADA系统，也是该煤矿预警系统，进一步的保障了煤矿人员的生命安全和设备的安全，从而避免或减少更多的安全生产事故和直接经济损失。
参考文献：
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[2] 阳宪惠.工业数据通讯与控制网络.清华大学出版社.2003年1月1日
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[5] 王毅峰.温希东.基于CAN总线的数据采集模块的设计.微机算机信息.2005年第21卷11-2期p58-60
基于工业以太网远程数据采集系统的设计
