基于GPRS专网系统-矿井安全远程监控系统方案

 一、项目背景

   在煤炭企业，安全生产是摆在各级领导工作的*位大事。而目前国内的煤炭生产安全事故不断，特别是不断发生的重大瓦斯爆炸事故造成了严重的损失，已经引起各级部门领导的高度重视，正采取措施保障煤炭安全生产。

   随着企业信息化的不断深入，安全生产信息化成为企业信息化首当其冲的重要内容。利用现代化的信息技术手段，建设安全生产监督管理信息网络系统，才能将安全生产监督管理工作落到实处。

    在我国煤炭行业，大多数企业都已经或正在进行生产调度、监测监控等系统的建设，这些系统的建立在实现安全生产的过程中起到了重要的作用；但是由于各种系统建于不同时期，使用不同的技术，各系统无法有效的集成，使安全生产监测监控信息不能很好的整合、利用。将安全生产监测监控信息及时、准确的传送到各级相关人员手中，缺乏有效的手段。系统需要在地面的中央控制室可对全矿井生产过程及设备实现自动化监测和控制，并能把信息通过网络传送给矿级领导，使领导在办公室即可随时了解生产、安全等信息，实现全矿井的统一调度和统一管理。需要系统的信息由下而上逐级集中，可与矿务局、焦煤公司的局域网内的计算机联网，实现实时远程查看。而控制既可集中于监控层操作，也可分散于设备控制层实施。各个子系统均可独立自成体系，可以按照矿井要求分步配置，进而实现zui佳配置。

二、项目分析2.1 系统组成2.1.1矿井数据采集终端  矿井数据采集终端负责监测矿井现场的瓦斯、一氧化碳、硫化氢等有害气体的浓度、风速、负压、温度、一氧化碳、馈电及风门开关等环境参数，还可以监测煤仓煤位、水仓的水位及主要机电设备开停等生产参数，监测电压、电流、功率等电力参数等，将这些参数通过网络传送到数据管理中心进行分析处理。2.1.2无线传输设备   鉴于对通讯模块的要求，厦门四信公司的F2103 IP MODEM（dtu）,具有体积小、功耗低、配置使用简单、即插即用。支持主备数据通道、并行多数据通道、实时在线和按需在线多种工作方式、并且支持APN网络接入等功能不仅可以保障数据安全可靠还能让客户根据需传输节省资费。2.1.3数据管理中心  信息源管理（对原始数据和告警阀值数据进行配置和管理）；告警策略管理（配置安全数据的告警策略，例如通知安全责任人的顺序和时间等）；数据管理（数据库备份、恢复等功能）；2.2 系统总架构  矿井采集终端通过RS232/485通讯接口与F2103串口连接，数据监控中心可以采用多种方式连接网络，例如固定IP、APN、ADSL等。  无线传输设备F2103通过GPRS网络连接到远程数据中心服务器主机，与中心建立TCP/IP连接后开启透明数据通道。当采集终端需要上报数据的时候将数据直接送往串口，此时F2103就会把收到的数据原封不动地发送到数据中心服务器主机。当数据中心下发的命令或数据通过通道传输到F2103后，F2103通过串口送到采集终端，从而实现了数据双向透明传输。2.3系统实现功能（1）系统具备具备的功能有：监测瓦斯、风速、负压、温度、一氧化碳、馈电及风门开关等环境参数，还可以监测煤仓煤位、水仓的水位及主要机电设备开停等生产参数；监测电压、电流、功率等电力参数；机电设备运行保护参数。（2）配接更大的面积上显示更多的工艺流程模拟图、监测曲线、表格和文字（3）系统可配置显示屏，可以显示动、静态模拟图形、数据表格、历史曲线、分层显示采掘平面图、测点配置，实时数据显示等。也可通过显示屏控制主机编制矿井实时矿井安全信息或提示。（4）系统的人机界面十分友好，所有显示和打印有操作人员只要用鼠标进行简单的点击即可，任何人都可方便使用，即使偶尔有错误的操作也不会影响系统的正常工作。为了确保系统配置等信息不被破坏，专门为系统管理人员、普通操作人员定义了操作权限并配置相应的口令密码，只有口令密码正确才能进入系统进行操作权限范围内的操作。（5）系统所有被检测的参数、开/停信息及累计量累计、存储，并可连续保持一年（系统软件每三分钟存盘一次），如有特殊情况可保存更长时间，这些数据可随时用表格、二维曲线等形式显示出来，可以打印保存。对重要设备用户能够调整模拟量或设备开停信息和存储时间。（6）系统有简便的绘图工具。所有动态、静态图都可由矿上一般操作人员绘制（绘图时不影响主机实时监测功能）。（7）系统具有列表显示功能。模拟图及相关显示内容包括地点、名称、单位、报警门限、断电门限、监测值、zui大值、平均值、zui小值、断电命令、馈电状态、超限报警、断电逻辑不符报警、传感器故障、封锁与解锁等。开关量显示内容包括地点、名称、开/停时刻、状态、工作时间、开停次数、传感器状态、闭锁与解锁等。累计量显示内容包括地点、名称、单位、累计量值等。（8）系统具有模拟量实时曲线和历史曲线功能，在同一坐标上用不同颜色显示zui大值，平均值，zui小值曲线，在一屏上，zui多显示6个模拟量曲线，并设时间标尺，可显示对应时间标尺的模拟量。（9）系统具有柱壮图显示功能。能直观地反映开机率、开/停次数、传感器状态、闭锁与解锁等，并设时间标尺。（10）系统具有模拟动画显示功能。能形象、直观、全面地反映安全生产状况。点击设备图标即可显示该设备的有关内容，包括工艺流程模拟图、相应设备开停、相应模拟量数值和曲线等。（11）方便地由用户自行生成各类表格，打印所要求的各类数据表格、图形及曲线。（12）对各类报警信息进行处理，并实时进行存储和报警。传感器数值超限时声光报警提示，并在监控主机的相应的条目以变换背景颜色和闪烁的方式提醒用户发出报警信号的具体设备及安装地点。（13）系统具有防雷电功能，再加上接口和分站的光电隔离；为了确保万无一失，专门在主传输电缆联接监测主机端配置了法国生产的避雷器。

三、项目架构实施3.1 传输模块与矿井采集终端连接  在工业领域设备一般都采用以太口或串口传输数据，无线通信模块F2103同时支持232/485通信方式，因此可以直接和矿井数据采集终端进行连接通信，如下图：3.2 数据中心网络接入方式分析1.专线接入    中心采用APN专线， 所有点都采用内网固定IP客户中心通过一条2M APN专线接入移动公司GPRS网络，双方互联路由器之间采用私有固定IP地址进行广域连接，在GGSN与移动公司互联路由器之间采用GRE隧道。为客户分配专用的APN，普通用户不得申请该APN。用于GPRS专网的SIM卡才能进入专网APN，防止其他非法用户的进入。

    用户在内部建立RADIUS服务器，作为内部用户接入的远程认证服务器（或在APN路由器内，启用路由器本地认证功能）。只有通过认证的用户才允许接入，用以保证用户内部安全。

    用户在内部建立DHCP服务器（或在APN路由器内，启用DHCP功能），为通过认证的用户分配用户内部地址。移动终端和服务器平台之间采用端到端加密，避免信息在整个传输过程中可能的泄漏。双方采用防火墙进行隔离，并在防火墙上进行IP地址和端口过滤。此种方案无论实时性，安全性和稳定性较前一种方案都有大大提高，适合于安全性要求较高、数据点比较多、实时性要求较高的应用环境。在资金允许的情况下之zui佳组网方式。

2. ADSL拨号连接（动态公网IP地址）   中心采用ADSL等INNET公网连接，采用公网动态IP+DNS解析服务的。客户先与DNS服务商开通动态域名，IP MODEM先采用域名寻址方式连接DNS服务器，再由DNS服务器找到中心公网动态IP，建立连接。此种方式可以大大节约公网固定IP的费用，但稳定性受制于DNS服务器的稳定，所以要寻找可靠的DNS服务商。此种方案适合小规模应用。

3. 通过固定公网IP连接   中心采用ADSL等INNET公网连接，采用公网固定IP服务的。此种方案先向INT ERNET运营商申请ADSL等宽带业务，中心有公网固定IP的。IP MODEM直接向中心发起连接。运行可靠稳定，推荐此种方案。

3.3 数据中心软件平台构建   中心端软件的构建有多种方式，对于传入数据的方式的不同，我们提供不同的软件来帮助客户快速地实现中心端的数据接收和现场设备的管理。

目前四信提供三种方式的中心接口：1.首先是对于组态软件，目前很多组态软件厂家已经集成了我们的驱动了，可以直接配置使用；2.对于后台中心软件只读串口数据的情况，提供一个虚拟串口软（TCP2COM），利用虚拟串口软件可以将以太网数据转化为串口数据，从而实现利用无线公网传输数据且又对现有系统不做修改的结合。3.在客户想要开发自己的数据中心是，此时我公司会提供一个动态链接库，利用动态链接库客户可以很轻松的与传输通道进行对接，同时会提供一个的数据中心DEMO软件，不仅开放源码还全程协助客户进行自己数据中心软件和功能的开发。客户可能通过动态链接库快速开发一个灵活的，稳定的，功能齐全的终端管理和数据交互的中心软件。

下图为后台中心管理软件：

四、方案特点1. 利用四信无线IP MODEM可基本不用布线，且采用多点对一中心的组网方式，实现了数据的一中心统一管理，由于矿井在地下深处，可配高增益延长天线解决地下信号不强的情况。2. 四信IP MODEM采用高性能工业级处理器以及看门狗等安全机制设计，保证IP MODEM 万一通信中断也会自行检测然后自动断电重启，保证IP MODEM 永远在线，通信链路永远正常。3. 目前矿井检测工程数量及规模都不断的在扩大，因此系统采用多点对中心的组网方案，不论采用普通无线GPRS还是APN专网都可以实现随时增加新的采集控制点，对现有的网络不会造成任何的中断和影响。4. IP MODEM 采用标准的工业串口通信，即插即用，且高规格的模具设计，体积小巧方便维护。5. 矿井安全事件频发，直接涉及人身安全，国家高度重视，四信IP MODEM完全采用国际标准的TCP/IP安全传输协议机制，保证数据的安全和及时，而且采用完全透明传输机制，保证数据的准确性。6. 多中心设计，可同时设置5个中心监控采集现场，避免因某个中心网络不稳定或者关闭导致无法对矿井现场进行监控而产生安全隐患。7. 矿井一般都在偏远地区且，在此F2103进行人性化工程设计，可是工程人员无需到现场就可以远程直接对网络参数进行相应的配置，达到时间和人力的合理利用。8. 高规格材料选配，可在 -25~+65ºC、 相对湿度 95%（无凝结）环境下正常工作。

五、小结   目前矿井环境数据监测应用广泛，直接关系到生产生态安全，在特殊的大背景下国家政策也是大力推行，厦门四信在矿井监测领域已有全国范围性的应用。在物联网的大环境下厦门四信解决方案和产品已广泛应用于移动POS终端、金融、供应链自动化、智能化运输、工业自动化、智能建筑、智能家居、消防、公共安全、环境保护、气象信息采集、数字化医疗、遥感勘测、军事、空间探索、农业、林业、水务、电力、煤矿、石化等行业。