基于4G DTU实现矿井安全远程无线监测

应用方案

前 言
  煤矿安全已成为全国工业安全的重中之重。目前国内的煤炭生产安全事故不断发生，特别是瓦斯爆炸事故接连发生，给人民生命财产带来了巨大损失，在国内外造成严重影响。国务院高度重视煤矿安全工作，相继采取了一系列重大举措，地方各级政府也做了大量工作。应如何有效遏制重特大安全事故的发生已成了矿井安全最重要的一个环节。
  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做好。
  目前国内煤矿行业中，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无人职守控制，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，进而实现最佳方案。
  针对这些问题，厦门才茂通信研发出矿井安全CDMA无线远程监测系统，实现煤矿生产有效监管，预防和减少安全生产事故的频发。该系统具有可靠运行性，数据采集实时性强，有效的解决了其他通信方式存在的各种问题。在保证数据传输的及时性、准确性的前提下，将系统运行费用降低到了最低；同时，网络通讯链路由专业的网络运营商来维护，避免了用户在使用监测系统的同时，还需要耗费很大精力去维护通信线路等问题；节约了用户的初期建设投资和运行维护费用。

系统简介
1.系统简介
  矿井安全4G 无线远程监测系统，依托稳定、可靠的中国4G 网络，采用先进成熟军工级的4G 无线数据终端为远程传输设备，基于标准的TCP/IP协议，实现了监测系统无线数据采集功能，为不具备有线传输条件的煤矿生产点，提供了成本低、见效快、高效率的数据传输平台，为煤炭企业安全生产提供强有力的监察手段。

2.4G 系统简介

   4G通信技术是第四代的移动信息系统，是在3G技术上的一次更好的改良，其相较于3G通信技术来说一个更大的优势，是将WLAN技术和3G通信技术进行了很好的结合，使图像的传输速度更快，让传输图像的质量和图像看起来更加清晰。在智能通信设备中应用4G通信技术让用户的上网速度更加迅速，速度可以高达100M。

4G通信技术相较于之前的3G通信技术最大的优势就是显著提升了通信速度，让用户有了更佳的使用体验，同时这也推动了我国通信技术的发展。通信技术的发展是一个漫长的过程，在第一代的移动信息系统中只有语音系统，当发展到第二代移动信息系统中通信速度只有仅仅的10kb/s，当发展到3G通信技术阶段时，速度也没有一个质的飞跃，只有简单的2Mb/s。这都成了阻碍我国通信事业发展的因素，但是4G通信技术的出现很明显在通信速度方面有了一个质的飞跃。这不仅仅体现出来我国通信事业的快速发展，更可以从中看出我国如今社会的不断进步和网络技术的快速发展，是我国经济实力不断提高的体现，也说明我国综合实力在不断提高。 [1] 

通信技术更加智能化

4G通信技术相较于之前的移动信息系统已经很大程度上实现了智能化的操作。这更符合我们当下的需求，我们日常中使用的手机便是4G通信技术智能化很好的一个体现的形式，智能化的4G通信技术可以根据人们在使用过程中不同的指令来做出更加准确无误的回应，对搜索出来的数据进行分析、处理和整理再传输到用户的手机上。4G手机作为人们越来越离不开的一个通信工具，极大地方便了人们的生活。

  监控系统组成
1. 系统组成
a． 安全数据采集
 矿井原始数据采集（使用RS485、RS232等接口直接采集瓦斯、一氧化碳以及硫化氢等有害气体的浓度以及挖掘深度等数据）；l
 告警阀值数据设定（设定有害气体的告警阀值，用以进行告警判断）；
将实时数据通过远程无线网络传输到上一级单位；
 上级单位接收下属各矿上报的实时数据，并存入本地实时数据库；
b. 安全信息告警
 告警信息生成（将矿井的原始数据和告警阀值进行比较，如果超过值则产生告警）；u
 告警数据上报上级单位（将告警数据上报给上级单位）；u
 逐级通知安全责任人（根据告警策略将告警信息逐级发送到安全责任人的手机上，督促其尽快处理）。在通知安全责任人时，可以根据告警策略的设置，分级分时通知安全责任人。当同时发生几种告警时，根据系统的设定可以自动选择发送优先级，例如同时发生瓦斯和硫化氢告警时优先发送瓦斯告警）。u
c. 安全信息分析统计
  系统定期将安全信息进行汇总、统计，并可输出各种报表。
d. 基本管理
 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）；l
 数据管理（数据库备份、恢复等功能）；l

2. 系统特点
a. 永远在线：4G无线数据终端一开机就能自动附着到4G网络上，并与您的数据中心建立通信链路，随时收发用户数据设备的数据，具有很高的实时性；
b. 按流量计费：4G 无线数据终端，按照接收和发送数据包的数量来收取费用，没有数据流量的传递时不收费用；
c. 高速传输：4G网络的传输速度最快将达到230.4kbps，速率的高低取决于移动运营商的网络设置，根据中国移动的网络情况，目前可提供120~140Kbps 的稳定数据传输；
d. 组网简单、迅速、灵活：4G 无线数据终端系统可以通过Internet 网络随时随地的构建覆盖全中国的虚拟移动数据通信专用网络，为广大中小用户提供接入便利，节省接入投资；
e. 通信链路由专业运营商维护：由于采用中国电信的CDMA 数据业务，因此链路维护也由中国电信负责，免除通信链路维护的麻烦
f. 防雷击与静电：由于采用4G网络 数据业务，所以在不影响上网的前提下，4G无线数据终端的发射功率非常小，天线非常短，而且无需高架，克服了有线传输和无线电台传输容易引雷击坏设备与产生静电导致危险的缺点。
3. 系统功能
（1）系统具备的功能有：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。
① 系统生成及操作；
② 测点生成及操作；
③ 工艺流程模拟图形显示；
④ 各测点数据表格显示；
⑤ 井上、井下各类模拟量参数的实时表格、柱状图、变化曲线显示；
⑥ 井上、井下主要设备开停等开关量的实时值和开/停时间显示；
⑦ 原煤产量等累计量的实时值和累计值显示；
⑧ 各类报警除表格显示外，还有声讯信号；
⑨ 时钟和日期显示；
⑩ 系统相关设备及软件操作说明跟踪显示。
（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、最大值、平均值、最小值、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显示功能。在同一坐标上用不同颜色显示最大值、平均值最小值曲线。在一屏上，同时显示6 个模拟量曲线，并设时间标尺，可显示出对应时间标尺的模拟量。
（9）系统具有柱状图显示功能。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。
4．系统设计原则
● 根据用户的使用要求；
● 根据煤炭行业标准GB3836-2006 和新版《煤矿安全规程》规定的要求来选型；
● 技术先进、成熟，功能实用性强，确保可靠；
● 组合方便，扩展性能好。能为以后系统扩展留有充分的余地，为系统升级提供便利；
● 开放性与兼容性良好，能实现系统的软、硬件连接；系统之间充分开放，互容度高；
● 扩展功能多样化，系统通过联机实现信息交换、监视、控制和管理；
● 优化设备功能以达到经济、有效，减少维护、管理人员；
● 人机界面良好，运行管理方便，数据准确，反应迅速，操作简便。

四、系统监测指标
矿井安全远程监测无线网络系统是一个集电子技术、网络通信、传感器技术、数据采集、信号处理、信息管理以及软件工程等多任务、多层次、多种技术于一体的综合系统。矿井安全远程监测无线网络系统由地面监控中心站、4G 无线数据终端、各种井下分站、井下隔爆兼本质安全型多路电源、远程断电器、各种矿用传感器和矿用机电控制设备，及安全生产监测软件组成。整个系统组成拓扑图。
A  通信服务器负责实现行业数据通信协议、数据代理转发、通信设备状态监控等功能；
B  监控中心服务器实现数据分析、存储、反控等功能；
C  数据库服务器进行数据存储、备份；
D  WEB服务器实现实时监控、数据管理、业务管理等功能。
具体实现时通信服务器、监控中心服务器、数据库服务器、WEB服务器可以安装在一台服务器中，也可以安装在不同服务器中。如果行业客户要求对终端进行终端IP绑定，需要安装RADIUS服务器，为系统提供AAA认证和IP绑定功能。
推荐省级监控中心通过APN专线接入到4G网，这种方式安全性高、稳定可靠。各级监控中心相互之间通过VPN相连。
各监控点使用用CDMA终端，通过电信的网络与监控中心相连。

五、4G 数据传输终端

一、产品简介

 厦门才茂CM510-72F DTU是一款工业级无线数据传输设备，支持移动、联通、电信运营商的无线网络，支持7模全网通网络：GPRS/CDMA/W4G /

TD-S4G /EDGE/FDD-LTE/TDD-LTE；设备为用户提供TCP/UDP透明无线远距离数据传输功能。

 设备支持串口RS232接口、RS485接口，设备可以直连客户的上述接口设备，把客户的PLC设备、工控设备的数据透明传输到客户的数据中心，实现对客户端设备的数据采集、数据传输、设备控制等功能。

该产品采用ARM7工业级高性能嵌入式处理器，以实时操作系统为软件支撑平台，超大内存；设备提供在线维持技术，保持数据终端永久在线，保存数据链路任何时候畅通，实现高速、稳定、可靠的透明数据传输功能。

该产品拥有ARM7工业级处理器和智能三级保护，不但通过电力3000V电击测试，还拥有专利技术，产品性能稳定可靠。

该产品取得摩尔实验室出具的“环境可靠性测试报告”，测试项目包含：高温80℃/湿度85%、低温-30℃等测试。其中高温、低温测试分别在该环境下连续收发数据4小时。

该产品已广泛应用于电力集中抄表、水表集中抄表、热网监控、燃气监控、水利监控、环保检测、气象检测、地震监测，交通控制等等行业。

二、产品特性

工业级设计

3.工业级CPU：工业级高性能嵌入式处理，高速缓存数据，加快高速数据访问速度,加强了指令处理速度。

4.工业级无线模块：采用工业级无线模块，通过FCC认证和CE认证，抗干扰强，传输稳定。

5.实时操作系统：采用实时操作系统，实时性强，系统稳定。

6.强化电路板：PCB采用遵循20H和3W原则，同时公司所有产品电路板都采用生益材质来生产，确保板材的稳定可靠。

7.工业级元器件：整机元器件采用严格筛选的工业级元器件来生产，抗干扰性强，性能稳定。

8.工业级电源：宽压电源设计，电源适应范围为DC7V~DC32V，内置电源反向保护和过压过流保护。

稳定可靠

1. 三层系统保护：在原来两级（软件保护+CPU内置看门狗WDT保护）系统保护的基础上，增加一级系统虚拟值守VWM（Virtual Man Watch）检测保护功能，确保系统稳定可靠

2. UIM/SIM卡ESD保护：1.8V/3V/5V标准的推杆式用户卡接口，内置15KV ESD保护。

3. 串口ESD保护：RS232/RS485,内置15KV ESD保护。

4. DNS自动获取:同时支持DNS自动获取和DNS手动设置，适应不同场合需要。自动获取DNS，不再需要人工配置输入DNS；规避了因为选择的DNS服务器异常，导致DTU设备当机的严重现象。

5. EMC性能优异：通过电力3000V电击测试，特别适合在工业领域环境恶劣下使用；系统EMC/EMI优异，系统稳定可靠；通过EMC测试；

功能强大

六、支持多中心（最大支持同时4个中心）TCP/UDP透明数据传输

七、支持休眠功能，支持串口数据自动休眠唤醒、IO电平唤醒

八、支持各种组态软件：紫金桥组态王软件、亚控组态王软件、三维力控软件

九、支持虚拟数据专用网（APN）

十、智能防掉线。支持在线检测，在线维持，掉线自动重拨，确保设备永远在线

十一、支持固定IP和动态域名通信方式

十二、接口：提供RS232接口或者RS485接口

十三、网络支持：7模全网通，同时支持移动/电信/联通三个运营商所有网络制式，涵盖4G/3G/2G，包括TDD-LTE ，FDD-LTE，TD-S4G ，W4G ，CDMA1X/EVDO，GSM/GPRS/EDGE

十四、数据包传输状态报告

十五、标准的AT命令界面

十六、支持串口软件升级

十七、支持短信配置IP、端口；支持远程配置所有参数

十八、特设调试串口，若出现问题，可在施工现场边接设备边测试，方便、快捷；

十九、支持远程控制IO，短信告警

简单易用

1. 图形化配置工具：完善的图形化配置工具，提供快速配置功能，实现客户快速配置。

2. 中心软件：提供C#，VC中心端软件，方便客户测试。

3. 丰富第三方软件支持：包括亚控软件，三维力控软件在内的业内主要中心端软件支持（驱动中选择“厦门才茂（桑荣）”或者“桑荣”的驱动 ），可以直接方便购买第三方软件来上项目，实现快速稳定低成本地完成项目。

4. 检查软件：提供串口调试软件，网络速度检测软件，提供单独串口调试信息输出，方便客户查看各种信息，快速定位问题。

二十、具体监测指标
1、 现场采集传输
现场采集子站由二次仪表连接传感器通过RS-232通讯口与4G  无线数据终端连接，每一个4G无线数据终端装入一个运营商的SIM 卡。为防止井下瓦斯煤尘火灾等事故危害人身和设备安全，在井下各采区工作面、掘进头及主要巷道、机电峒室等处设置瓦斯、温度、一氧化碳、风速、负压等各类环境监测传感器，在风门处设置风门开关对井下通风环境设施的状况进行监测，并对风机等机电设备的运行状况监测和控制，分站将监测信息传送到地面中心站。当瓦斯等参数超限时（可根据具体情况自行设置断电、复电值），可对有关设备进行实时断电。系统将充分利用煤矿现有传感器及技术资源，并保证所有传感器（采集频率为200-1000Hz 的标准信号。部分厂家的传感器输出为4-20mA，可以通过 “信号转换器”来转换为200-1000Hz 信号）在接入系统后能正常工作。
井下分站和传感器安装在井下具有煤尘、沼气、一氧化碳等危险气体的环境中，对煤矿井下的各种安全、生产参数进行实时监测和处理，并将安全生产参数经由4G  无线数据终端及时传输到地面中心站。各种数据由分站和中心站处理，并能按要求直接发出声、光报警和断电控制信号。地面中心站经过4G  无线数据终端采用4G  网络与井下分站联结通信。通过系统可以准确，全面地了解井下安全情况和生产情况，实现对灾害事故的早期预测和预报，并能及时地自动处理。生产调度人员可以掌握井下设备运行情况，准确地指挥生产。
2、监控中心
矿井安全远程监测无线网络系统的监控中心为地面联网（公网固定IP或移动内网固定IP）的2 台计算机：监控主机和副机，当主机出现故障时，副机立即代替主机进行监控，计算机通过通信接口不断地与各个分站进行数据通信，分站和测点可分布于地面或井下任何地方，分站采集各测点传感器的信号，通过4G  无线数据终端与通信接口相连，向主机传递数据，同时分站又不停地对所接的传感器巡测，进行数据预处理、显示或根据需要控制输出。系统主机不断地把接收到的各分站测点数据实时处理、显示并定时存盘。
七、专线APN传输方式
根据企业对网络安全的特殊要求，厦门才茂通信技术有限公司设计了基于4G网络的数据传输方案，采用了多种安全措施，主要包括：
．通过一条2M 专线接入运营商4G 网络，双方互联路由器之间采用私有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4G 专网的SIM卡仅开通该专用APN，限制使用其他APN。
．客户可自建一套RADIUS服务器和DHCP服务器，GGSN向RADIUS服务器提供用户主叫号码，采用主叫号码和用户账号相结合的认证方式；用户通过认证后由DHCP服务器分配企业内部的静态IP地址。
．端到端加密：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。

电信业务流程
4G 专网系统终端上网登录服务器平台的流程为：
1）用户发出4G 登录请求，请求中包括由电信公司为4G 专网系统专门分配的专网APN；
2）根据请求中的APN，SGSN向DNS服务器发出查询请求，找到与企业服务器平台连接的GGSN，并将用户请求通过GTP隧道封装送给GGSN；
3）GGSN将用户认证信息（包括手机号码、用户账号、密码等）通过专线送至Radius进行认证；
4）Radius认证服务器看到手机号等认证信息，确认是合法用户发来的请求，向DHCP服务器请求分配用户地址；
5）Radius认证通过后，由Radius向GGSN发送携带用户地址的确认信息；
6）用户得到了IP地址，就可以携带数据包，对4G 专网系统信息查询和业务处理平台进行访问。
九、安全方案
第一级：安全的网络接入层
使用电信公司分配的专门的APN进行无线网络接入；
分配特定的手机号：手机主叫号在移动GSM交换机生成，已经进行了加密，资深的网络黑客也是很难伪造手机号的。
电信在网络侧HLR网元给手机号和APN做了绑定，只有属于行业的手机号才能访问专用APN。黑客拿着其他手机号的4G 终端根本无法呼叫专门的APN。
第二级：安全的终端认证
数据中心可以给每个4G 终端分配特有的用户ID和密码，交换机资深黑客即使伪造了合法的手机号，但是数据中心分配给GPRS终端的用户ID和密码没有，依然与数据中心建立不了呼叫，而数据中心可以周期性命令各电表数据采集点将用户ID和密码改掉。
第三级：安全的防火墙过滤
通过物理防火墙设置访问权限
第四级：安全的应用系统
业务数据在传输前进行加密压缩，保障数据在传输过程中的安全性。应用系统提供强大的分级权限管理，保障数据在使用过程中的安全性。
十、综 述
综上所述，矿井安全远程监测无线网络系统是一种适用于大中型矿井的无线网络、计算机监控调度系统，该系统软件紧跟监控系统软件发展的潮流，界面友好，图形功能强大，可在大屏幕上显示矿井生产系统动态模拟图，帮助矿领导和调度员了解本单位主要生产设备及运行环境参数，及时调度生产，防止事故，安全生产。在大中矿井和工厂具有良好的推广应用前景。

                          矿井监测拓扑图

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                                         有限生命 无线精彩