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【摘要】为了解决目前煤矿安全监控系统存在的异地断电时间长、数据利用率低、数据传输效率低等问题，文章提出了煤矿智能安全监控系统研究的新思路，实现煤矿安全监控系统中传感器、分站的自识别、即插即用，解决了目前煤矿安全监控系统存在的上述问题，提高了传输效率，提高了数据利用率。
【关键词】监控系统；传感器；分站；自动识别
1.引言
随着数字化矿山的建设，煤炭生产企业对安全监控系统的要求也越来越高，同时目前矿用监控系统存在着诸多问题[1]，主要有：
（1）异地断电时间长
安全监控系统最基本的也是最重要的两个功能就是监测与控制。目前，国内监控系统的主要厂家的系统架构大都采用主从式结构，地面计算机作为主控机，通过传输接口设备依次向井下的监控分站发送巡检命令，井下监控分站收到地面主机巡检命令后，将分站所采集到的数据通过数据传输接口设备传给地面主控机，从而实现了井下环境的监测。对井下设备异地断电控制经历的环节较繁琐，具体过程为，井下监控分站采集到某传感器数据超限后，在地面主机巡检该分站时，将传感器的超限数据上传到地面主机，地面主机再将传感器的超限断电信息发给另外目的分站，另外目的分站收到断电信息后实施断电。
由于采用主从结构、井下分站级设备与地面主机通讯采用的是低速串行接口，采用上述的方式实现环境监测以及断电控制，系统不可回避的一个指标就是巡检周期，因为巡检周期的长短决定着环境数据采集实时性的好坏，同时也决定着系统异地断电控制时间的长短。
（2）系统数据传输效率低
为了能够更好的监测煤矿井下现场的环境，监控系统的传感器会对井下的环境参数进行实时采集，分站将传感器的所有实时数据，传送至地面主机。在一台分站上挂接的传感器较多时，所有传感器的实时数据在未做相关的处理，原封不动的上传实时数据量相对较大。但是通过分析某一段时间内所有的监测数据后，发现所有的数据表达的井下环境为：某一地点瓦斯3个小时内的浓度均为0%CH4、某一地点一氧化碳24小时内的浓度均为0ppm、某一地点30天以来氧气浓度均为19.7%。分站上传到地面的数据中几乎大于80%的数据都是这种重复的无效数据，系统的数据总线上传输的实时数据中只有20%的有效内容，过多的无效数据使得系统数据传输的效率极低、系统的实时性受到影响。
（3）系统数据利用率低
目前多数监测监控系统[2]的软件，功能大都停留在对被监测环境参数的实时采集、存储、超限报警及断电、图形和报表形式输出的水平，实现了对数据的最基本处理，没有对系统数据的充分利用，没有开发专家诊断、专家决策系统软件。在事故情况下，通过系统数据不能指示出最佳救灾和避灾路线，不能为为抢救和疏散人员、设备提供决策。
为了解决监控系统存在的问题，更好的提高监控系统的运行效率，促进煤矿系统智能矿山和数字化矿山[3]的建设，我们研究新的智能监控系统，新监控系统提高了系统数据的利用率、提高了传输效率，更具备自识别功能，使监控系统更具有自动化和智能化。
2.智能监控系统主要功能特点
（1）高效的实时上传功能
分站对所接测点的传感器实时采集，为了提高传输效率[4]，新监控系统采用事件方式上传，对所上传事件进行阈值设定，当超过阈值范围定义为事件发生。当事件发生时，数据方能上传。例如：设定某一地点瓦斯浓度变化超过0.02%、超过报警点、超过断电点为事件阈值，当事件发生时，数据上传，当事件不发生时，数据不上传。由经验数据可得，分站采集的数据中几乎大于80%的数据都是重复的达不到阈值的数据，真正有变化超过阈值的数据仅占20%，过多的无效数据使得系统数据传输的效率极低、系统的实时性受到影响，采用事件上传方式，提高了数据上传效率，缩短了系统的巡检周期。
（2）故障诊断功能
新监控系统增加了故障自诊断功能。分站具备故障存储功能，分站的工作状态、复位状态、端口状态等能够表示出分站故障的信息都存储到寄存器中，如分站发生故障，上位机可通过读分站寄存器来读取分站的故障信息。
分站所接测点传感器也具备故障信息存储功能。上位机通过读子设备寄存器命令，读取子设备的故障信息。如：瓦斯传感器在发生催化元件脱落、撞击、进水等故障的时候，其表现在探头短路、断路，内部比例系数不正常，采集数字量超出正常范围水平等，出现这种情况，传感器会将故障信息存入到传感器的寄存器中，上位机可通过读子设备寄存器，读取子设备的故障信息。
（3）异地控制功能
新监控系统的异地断电控制不再单单依靠上位机和巡检周期，当异地断电事件发生时，分站即可将该事件通过特殊命令帧转发到总线上，异地断电的受控分站接收到该特殊命令帧，即可执行异地断电命令。新监控系统可实现异地断电能够即时完成，优于目前市场上监控系统的异地断电时间要求不大于两个巡检周期。
（4）即插即用功能
1）传感器的即插即用
上位机无需对频率型传感器和总线型传感器设置测点类型，可根据接入的传感器自动判断识别传感器的类型。井下安装人员将传感器接入到分站的端口上，分站根据传感器发来的信息自动识别传感器的类型，并根据类型自动生成其量程范围、频率范围、报警点、断电点等配置信息，分站将识别的类型信息通过总线的形式发送给上位机，上位机接收到信息后，会在监控软件界面上弹出新传感器接入的对话框，对话框的内容包括测点的类型信息、接入到分站的信息。监控人员确认接入后，上位机会根据接入传感器的类型，自动将传感器分配到该分站的该端口下。
2）分站的即插即用
分站接入监控系统后，上位机会弹出新分站接入的对话框，对话框的内容包括分站类别信息、地址信息。监控人员确认接入后，上位机会显示分站及分站所带测点的信息。 3.系能监控系统各部分功能模块详细设计
（1）矿用传感器的设计
智能安全监控系统的传感器具备即插即用和自识别功能。频率型传感器或总线式传感器接入分站或上位机系统，传感器即发送自己的特征ID信号，分站或上位机接收到特征ID信号，即可识别出接入的传感器类型，从而读取传感器的属性、参数，不需人为参与即可实现传感器的自动识别和自动配置功能。传感器软件设计流程如图1所示。
（2）矿用分站的设计
智能安全监控系统分站[5][6]可对接入的数字型传感器和总线型传感器进行自动识别，既可接收上位机对分站及测点的配置信息，也可自己实现测点信息的识别和配置。分站接收传感器的信息，按照传感器的固有配置，根据其设定的阈值，按照事件发生的方式将信息上传至上位机系统。
分站即可作为从机接收上位机的巡检令，也可作为主机，当事件发生时，抢占总线将数据通过事件发生的方式上传给上位机。分站遵循“不变不传”的原则，当分站或分站所接子设备没有事件发生时，分站接收上位机的巡检令，只回送“心跳”命令，同时也不会主动上传数据给上位机系统。智能监控系统监控分站软件设计流程如图2所示。
（3）矿用电源设计
智能监控系统的矿用电源具备多路电源输出，按照现场设备的用电要求，设计电源不同等级的电压输出，优化电源的利用效率。本安输出的接口方式灵活，可使用多芯航空插头与分站或其他用电设备连接，也可以选择通用型插头，方便与各厂家本安设备的连接；电源具备继电器输出，实现馈电开关的断电控制，同时具有馈电状态检测功能。电源具备UART总线通讯接口，按照事件阈值发生的方式，支持信息的总线上传，方便远程监测及控制。图3所示为智能监控系统电源设计框图。
（4）上位机软件的设计
上位机软件通过巡检令巡检系统中的总线型子设备，当子设备有事件发生，例如：新接入子设备或子设备采集的数值大于定义的阈值，检测监控系统会接收到子设备的信息，并自动配置子设备的固有属性。图4所示为智能监控系统上位机软件设计流程。
4.总结与展望
对目前国内煤矿安全监控系统的现状与问题，本文提出了一种智能监控系统研究的新思路，并设计研究出一套智能煤矿安全监控系统和配套分站、传感器、电源，该系统的应用，能够改善目前煤矿安全监控系统的诸多问题，极大的提高煤矿安全监控系统的生产效率，为数字化矿山和智能化矿山的建设起到积极的促进作用。
参考文献
[1]胡继红.煤矿安全监控系统存在的问题与发展方向[J].中国煤炭，2010（12）：65-67.
[2]鲁远祥，樊荣.煤矿安全监控系统体系架构技术的发展[J].矿业安全与环保，2009（S1）：187-189
[3]孙继平.煤矿自动化与信息化技术回顾与展望[J].工矿自动化，2010（06）：30-34.
[4]邹哲强.煤矿安全监控系统可靠性指标的测定方法[J].工矿自动化，2010（04）：5-8.
[5]王启峰，祝国源，孙小进.基于FPGA的煤矿安全监控系统监控分站的设计[J].工矿自动化，2010（10）：33-35
[6]王红尧，华钢，张瀚超.煤矿安全监控分站的研究[J].电子设计应用，2005（12）：93-95.
项目来源：天地（常州）自动化股份有限公司科研基金项目（项目编号：13SY012-02）。
作者简介：徐士敏（1984—），男，山东潍坊人，2009年毕业于山东科技大学检测技术与自动化装置专业，硕士，工程师，主要从事煤矿安全监控系统的研究。
【关键词】监控系统；传感器；分站；自动识别
1.引言
随着数字化矿山的建设，煤炭生产企业对安全监控系统的要求也越来越高，同时目前矿用监控系统存在着诸多问题[1]，主要有：
（1）异地断电时间长
安全监控系统最基本的也是最重要的两个功能就是监测与控制。目前，国内监控系统的主要厂家的系统架构大都采用主从式结构，地面计算机作为主控机，通过传输接口设备依次向井下的监控分站发送巡检命令，井下监控分站收到地面主机巡检命令后，将分站所采集到的数据通过数据传输接口设备传给地面主控机，从而实现了井下环境的监测。对井下设备异地断电控制经历的环节较繁琐，具体过程为，井下监控分站采集到某传感器数据超限后，在地面主机巡检该分站时，将传感器的超限数据上传到地面主机，地面主机再将传感器的超限断电信息发给另外目的分站，另外目的分站收到断电信息后实施断电。
由于采用主从结构、井下分站级设备与地面主机通讯采用的是低速串行接口，采用上述的方式实现环境监测以及断电控制，系统不可回避的一个指标就是巡检周期，因为巡检周期的长短决定着环境数据采集实时性的好坏，同时也决定着系统异地断电控制时间的长短。
（2）系统数据传输效率低
为了能够更好的监测煤矿井下现场的环境，监控系统的传感器会对井下的环境参数进行实时采集，分站将传感器的所有实时数据，传送至地面主机。在一台分站上挂接的传感器较多时，所有传感器的实时数据在未做相关的处理，原封不动的上传实时数据量相对较大。但是通过分析某一段时间内所有的监测数据后，发现所有的数据表达的井下环境为：某一地点瓦斯3个小时内的浓度均为0%CH4、某一地点一氧化碳24小时内的浓度均为0ppm、某一地点30天以来氧气浓度均为19.7%。分站上传到地面的数据中几乎大于80%的数据都是这种重复的无效数据，系统的数据总线上传输的实时数据中只有20%的有效内容，过多的无效数据使得系统数据传输的效率极低、系统的实时性受到影响。
（3）系统数据利用率低
目前多数监测监控系统[2]的软件，功能大都停留在对被监测环境参数的实时采集、存储、超限报警及断电、图形和报表形式输出的水平，实现了对数据的最基本处理，没有对系统数据的充分利用，没有开发专家诊断、专家决策系统软件。在事故情况下，通过系统数据不能指示出最佳救灾和避灾路线，不能为为抢救和疏散人员、设备提供决策。
为了解决监控系统存在的问题，更好的提高监控系统的运行效率，促进煤矿系统智能矿山和数字化矿山[3]的建设，我们研究新的智能监控系统，新监控系统提高了系统数据的利用率、提高了传输效率，更具备自识别功能，使监控系统更具有自动化和智能化。
2.智能监控系统主要功能特点
（1）高效的实时上传功能
分站对所接测点的传感器实时采集，为了提高传输效率[4]，新监控系统采用事件方式上传，对所上传事件进行阈值设定，当超过阈值范围定义为事件发生。当事件发生时，数据方能上传。例如：设定某一地点瓦斯浓度变化超过0.02%、超过报警点、超过断电点为事件阈值，当事件发生时，数据上传，当事件不发生时，数据不上传。由经验数据可得，分站采集的数据中几乎大于80%的数据都是重复的达不到阈值的数据，真正有变化超过阈值的数据仅占20%，过多的无效数据使得系统数据传输的效率极低、系统的实时性受到影响，采用事件上传方式，提高了数据上传效率，缩短了系统的巡检周期。
（2）故障诊断功能
新监控系统增加了故障自诊断功能。分站具备故障存储功能，分站的工作状态、复位状态、端口状态等能够表示出分站故障的信息都存储到寄存器中，如分站发生故障，上位机可通过读分站寄存器来读取分站的故障信息。
分站所接测点传感器也具备故障信息存储功能。上位机通过读子设备寄存器命令，读取子设备的故障信息。如：瓦斯传感器在发生催化元件脱落、撞击、进水等故障的时候，其表现在探头短路、断路，内部比例系数不正常，采集数字量超出正常范围水平等，出现这种情况，传感器会将故障信息存入到传感器的寄存器中，上位机可通过读子设备寄存器，读取子设备的故障信息。
（3）异地控制功能
新监控系统的异地断电控制不再单单依靠上位机和巡检周期，当异地断电事件发生时，分站即可将该事件通过特殊命令帧转发到总线上，异地断电的受控分站接收到该特殊命令帧，即可执行异地断电命令。新监控系统可实现异地断电能够即时完成，优于目前市场上监控系统的异地断电时间要求不大于两个巡检周期。
（4）即插即用功能
1）传感器的即插即用
上位机无需对频率型传感器和总线型传感器设置测点类型，可根据接入的传感器自动判断识别传感器的类型。井下安装人员将传感器接入到分站的端口上，分站根据传感器发来的信息自动识别传感器的类型，并根据类型自动生成其量程范围、频率范围、报警点、断电点等配置信息，分站将识别的类型信息通过总线的形式发送给上位机，上位机接收到信息后，会在监控软件界面上弹出新传感器接入的对话框，对话框的内容包括测点的类型信息、接入到分站的信息。监控人员确认接入后，上位机会根据接入传感器的类型，自动将传感器分配到该分站的该端口下。
2）分站的即插即用
分站接入监控系统后，上位机会弹出新分站接入的对话框，对话框的内容包括分站类别信息、地址信息。监控人员确认接入后，上位机会显示分站及分站所带测点的信息。 3.系能监控系统各部分功能模块详细设计
（1）矿用传感器的设计
智能安全监控系统的传感器具备即插即用和自识别功能。频率型传感器或总线式传感器接入分站或上位机系统，传感器即发送自己的特征ID信号，分站或上位机接收到特征ID信号，即可识别出接入的传感器类型，从而读取传感器的属性、参数，不需人为参与即可实现传感器的自动识别和自动配置功能。传感器软件设计流程如图1所示。
（2）矿用分站的设计
智能安全监控系统分站[5][6]可对接入的数字型传感器和总线型传感器进行自动识别，既可接收上位机对分站及测点的配置信息，也可自己实现测点信息的识别和配置。分站接收传感器的信息，按照传感器的固有配置，根据其设定的阈值，按照事件发生的方式将信息上传至上位机系统。
分站即可作为从机接收上位机的巡检令，也可作为主机，当事件发生时，抢占总线将数据通过事件发生的方式上传给上位机。分站遵循“不变不传”的原则，当分站或分站所接子设备没有事件发生时，分站接收上位机的巡检令，只回送“心跳”命令，同时也不会主动上传数据给上位机系统。智能监控系统监控分站软件设计流程如图2所示。
（3）矿用电源设计
智能监控系统的矿用电源具备多路电源输出，按照现场设备的用电要求，设计电源不同等级的电压输出，优化电源的利用效率。本安输出的接口方式灵活，可使用多芯航空插头与分站或其他用电设备连接，也可以选择通用型插头，方便与各厂家本安设备的连接；电源具备继电器输出，实现馈电开关的断电控制，同时具有馈电状态检测功能。电源具备UART总线通讯接口，按照事件阈值发生的方式，支持信息的总线上传，方便远程监测及控制。图3所示为智能监控系统电源设计框图。
（4）上位机软件的设计
上位机软件通过巡检令巡检系统中的总线型子设备，当子设备有事件发生，例如：新接入子设备或子设备采集的数值大于定义的阈值，检测监控系统会接收到子设备的信息，并自动配置子设备的固有属性。图4所示为智能监控系统上位机软件设计流程。
4.总结与展望
对目前国内煤矿安全监控系统的现状与问题，本文提出了一种智能监控系统研究的新思路，并设计研究出一套智能煤矿安全监控系统和配套分站、传感器、电源，该系统的应用，能够改善目前煤矿安全监控系统的诸多问题，极大的提高煤矿安全监控系统的生产效率，为数字化矿山和智能化矿山的建设起到积极的促进作用。
参考文献
[1]胡继红.煤矿安全监控系统存在的问题与发展方向[J].中国煤炭，2010（12）：65-67.
[2]鲁远祥，樊荣.煤矿安全监控系统体系架构技术的发展[J].矿业安全与环保，2009（S1）：187-189
[3]孙继平.煤矿自动化与信息化技术回顾与展望[J].工矿自动化，2010（06）：30-34.
[4]邹哲强.煤矿安全监控系统可靠性指标的测定方法[J].工矿自动化，2010（04）：5-8.
[5]王启峰，祝国源，孙小进.基于FPGA的煤矿安全监控系统监控分站的设计[J].工矿自动化，2010（10）：33-35
[6]王红尧，华钢，张瀚超.煤矿安全监控分站的研究[J].电子设计应用，2005（12）：93-95.
项目来源：天地（常州）自动化股份有限公司科研基金项目（项目编号：13SY012-02）。
作者简介：徐士敏（1984—），男，山东潍坊人，2009年毕业于山东科技大学检测技术与自动化装置专业，硕士，工程师，主要从事煤矿安全监控系统的研究。