基于4G DTU實現礦井安全遠程無線監測

應用方案

前 言
  煤礦安全已成為全國工業安全的重中之重。目前國內的煤炭生產安全事故不斷發生，特別是瓦斯爆炸事故接連發生，給人民生命財產帶來了巨大損失，在國內外造成嚴重影響。國務院高度重視煤礦安全工作，相繼采取了一系列重大舉措，地方各級政府也做了大量工作。應如何有效遏制重特大安全事故的發生已成了礦井安全最重要的一個環節。
  隨著企業信息化的不斷深入，安全生產信息化成為企業信息化首當其沖的重要內容。利用現代化的信息技術手段，建設安全生產監督管理信息網絡系統，才能將安全生產監督管理工作做好。
  目前國內煤礦行業中，多數企業都已經或正在進行生產調度、監測監控等系統的建設，這些系統的建立在實現安全生產的過程中起到了重要的作用；但是由于各種系統建于不同時期，使用不同的技術，各系統無法有效的集成，使安全生產監測監控信息不能很好的整合、利用。將安全生產監測監控信息及時、準確的傳送到各級相關人員手中，缺乏有效的手段。
  系統需要在地面的中央控制室可對全礦井生產過程及設備實現自動化監測和無人職守控制，并能把信息通過網絡傳送給礦級領導，使領導在辦公室即可隨時了解生產、安全等信息，實現全礦井的統一調度和統一管理。需要系統的信息由下而上逐級集中，可與礦務局、焦煤公司的局域網內的計算機聯網，實現實時遠程查看。而控制既可集中于監控層操作，也可分散于設備控制層實施。各個子系統均可獨立自成體系，可以按照礦井要求分步配置，進而實現最佳方案。
  針對這些問題，廈門才茂通信研發出礦井安全CDMA無線遠程監測系統，實現煤礦生產有效監管，預防和減少安全生產事故的頻發。該系統具有可靠運行性，數據采集實時性強，有效的解決了其他通信方式存在的各種問題。在保證數據傳輸的及時性、準確性的前提下，將系統運行費用降低到了最低；同時，網絡通訊鏈路由專業的網絡運營商來維護，避免了用戶在使用監測系統的同時，還需要耗費很大精力去維護通信線路等問題；節約了用戶的初期建設投資和運行維護費用。

系統簡介
1.系統簡介
  礦井安全4G 無線遠程監測系統，依托穩定、可靠的中國4G 網絡，采用先進成熟軍工級的4G 無線數據終端為遠程傳輸設備，基于標準的TCP/IP協議，實現了監測系統無線數據采集功能，為不具備有線傳輸條件的煤礦生產點，提供了成本低、見效快、高效率的數據傳輸平臺，為煤炭企業安全生產提供強有力的監察手段。

2.4G 系統簡介

   4G通信技術是第四代的移動信息系統，是在3G技術上的一次更好的改良，其相較于3G通信技術來說一個更大的優勢，是將WLAN技術和3G通信技術進行了很好的結合，使圖像的傳輸速度更快，讓傳輸圖像的質量和圖像看起來更加清晰。在智能通信設備中應用4G通信技術讓用戶的上網速度更加迅速，速度可以高達100M。

4G通信技術相較于之前的3G通信技術最大的優勢就是顯著提升了通信速度，讓用戶有了更佳的使用體驗，同時這也推動了我國通信技術的發展。通信技術的發展是一個漫長的過程，在第一代的移動信息系統中只有語音系統，當發展到第二代移動信息系統中通信速度只有僅僅的10kb/s，當發展到3G通信技術階段時，速度也沒有一個質的飛躍，只有簡單的2Mb/s。這都成了阻礙我國通信事業發展的因素，但是4G通信技術的出現很明顯在通信速度方面有了一個質的飛躍。這不僅僅體現出來我國通信事業的快速發展，更可以從中看出我國如今社會的不斷進步和網絡技術的快速發展，是我國經濟實力不斷提高的體現，也說明我國綜合實力在不斷提高。 [1] 

通信技術更加智能化

4G通信技術相較于之前的移動信息系統已經很大程度上實現了智能化的操作。這更符合我們當下的需求，我們日常中使用的手機便是4G通信技術智能化很好的一個體現的形式，智能化的4G通信技術可以根據人們在使用過程中不同的指令來做出更加準確無誤的回應，對搜索出來的數據進行分析、處理和整理再傳輸到用戶的手機上。4G手機作為人們越來越離不開的一個通信工具，極大地方便了人們的生活。

  監控系統組成
1. 系統組成
a． 安全數據采集
 礦井原始數據采集（使用RS485、RS232等接口直接采集瓦斯、一氧化碳以及硫化氫等有害氣體的濃度以及挖掘深度等數據）；l
 告警閥值數據設定（設定有害氣體的告警閥值，用以進行告警判斷）；
將實時數據通過遠程無線網絡傳輸到上一級單位；
 上級單位接收下屬各礦上報的實時數據，并存入本地實時數據庫；
b. 安全信息告警
 告警信息生成（將礦井的原始數據和告警閥值進行比較，如果超過值則產生告警）；u
 告警數據上報上級單位（將告警數據上報給上級單位）；u
 逐級通知安全責任人（根據告警策略將告警信息逐級發送到安全責任人的手機上，督促其盡快處理）。在通知安全責任人時，可以根據告警策略的設置，分級分時通知安全責任人。當同時發生幾種告警時，根據系統的設定可以自動選擇發送優先級，例如同時發生瓦斯和硫化氫告警時優先發送瓦斯告警）。u
c. 安全信息分析統計
  系統定期將安全信息進行匯總、統計，并可輸出各種報表。
d. 基本管理
 信息源管理（對原始數據和告警閥值數據進行配置和管理）；
 告警策略管理（配置安全數據的告警策略，例如通知安全責任人的順序和時間等）；l
 數據管理（數據庫備份、恢復等功能）；l

2. 系統特點
a. 永遠在線：4G無線數據終端一開機就能自動附著到4G網絡上，并與您的數據中心建立通信鏈路，隨時收發用戶數據設備的數據，具有很高的實時性；
b. 按流量計費：4G 無線數據終端，按照接收和發送數據包的數量來收取費用，沒有數據流量的傳遞時不收費用；
c. 高速傳輸：4G網絡的傳輸速度最快將達到230.4kbps，速率的高低取決于移動運營商的網絡設置，根據中國移動的網絡情況，目前可提供120~140Kbps 的穩定數據傳輸；
d. 組網簡單、迅速、靈活：4G 無線數據終端系統可以通過Internet 網絡隨時隨地的構建覆蓋全中國的虛擬移動數據通信專用網絡，為廣大中小用戶提供接入便利，節省接入投資；
e. 通信鏈路由專業運營商維護：由于采用中國電信的CDMA 數據業務，因此鏈路維護也由中國電信負責，免除通信鏈路維護的麻煩
f. 防雷擊與靜電：由于采用4G網絡 數據業務，所以在不影響上網的前提下，4G無線數據終端的發射功率非常小，天線非常短，而且無需高架，克服了有線傳輸和無線電臺傳輸容易引雷擊壞設備與產生靜電導致危險的缺點。
3. 系統功能
（1）系統具備的功能有：監測瓦斯、風速、負壓、溫度、一氧化碳、饋電及風門開關等環境參數，還可以監測煤倉煤位、水倉的水位及主要機電設備開停等生產參數；監測電壓、電流、功率等電力參數；機電設備運行保護參數。
（2）配接更大的面積上顯示更多的工藝流程模擬圖、監測曲線、表格和文字。
① 系統生成及操作；
② 測點生成及操作；
③ 工藝流程模擬圖形顯示；
④ 各測點數據表格顯示；
⑤ 井上、井下各類模擬量參數的實時表格、柱狀圖、變化曲線顯示；
⑥ 井上、井下主要設備開停等開關量的實時值和開/停時間顯示；
⑦ 原煤產量等累計量的實時值和累計值顯示；
⑧ 各類報警除表格顯示外，還有聲訊信號；
⑨ 時鐘和日期顯示；
⑩ 系統相關設備及軟件操作說明跟蹤顯示。
（3）系統可配置顯示屏，可以顯示動、靜態模擬圖形、數據表格、歷史曲線、分層顯示采掘平面圖、測點配置，實時數據顯示等。也可通過顯示屏控制主機編制礦井實時礦井安全信息或提示。
（4）系統的人機界面十分友好，所有顯示和打印有操作人員只要用鼠標進行簡單的點擊即可，任何人都可方便使用，即使偶爾有錯誤的操作也不會影響系統的正常工作。為了確保系統配置等信息不被破壞，專門為系統管理人員、普通操作人員定義了操作權限并配置相應的口令密碼，只有口令密碼正確才能進入系統進行操作權限范圍內的操作。
（5）系統所有被檢測的參數、開/停信息及累計量累計、存儲，并可連續保持一年（系統軟件每三分鐘存盤一次），如有特殊情況可保存更長時間，這些數據可隨時用表格、二維曲線等形式顯示出來，可以打印保存。對重要設備用戶能夠調整模擬量或設備開停信息和存儲時間。
（6）系統有簡便的繪圖工具。所有動態、靜態圖都可由礦上一般操作人員繪制（繪圖時不影響主機實時監測功能）。
（7）系統具有列表顯示功能。模擬圖及相關顯示內容包括地點、名稱、單位、報警門限、斷電門限、監測值、最大值、平均值、最小值、斷電命令、饋電狀態、超限報警、斷電邏輯不符報警、傳感器故障、封鎖與解鎖等。開關量顯示內容包括地點、名稱、開/停時刻、狀態、工作時間、開停次數、傳感器狀態、閉鎖與解鎖等。累計量顯示內容包括地點、名稱、單位、累計量值等。
（8）系統具有模擬量實時曲線和歷史曲線顯示功能。在同一坐標上用不同顏色顯示最大值、平均值最小值曲線。在一屏上，同時顯示6 個模擬量曲線，并設時間標尺，可顯示出對應時間標尺的模擬量。
（9）系統具有柱狀圖顯示功能。能直觀地反映開機率、開/停次數、傳感器狀態、閉鎖與解鎖等，并設時間標尺。
（10）系統具有模擬動畫顯示功能。能形象、直觀、全面地反映安全生產狀況。點擊設備圖標即可顯示該設備的有關內容，包括工藝流程模擬圖、相應設備開停、相應模擬量數值和曲線等。
（11）方便地由用戶自行生成各類表格，打印所要求的各類數據表格、圖形及曲線。
（12）對各類報警信息進行處理，并實時進行存儲和報警。傳感器數值超限時聲光報警提示，并在監控主機的相應的條目以變換背景顏色和閃爍的方式提醒用戶發出報警信號的具體設備及安裝地點。
（13）系統具有防雷電功能，再加上接口和分站的光電隔離；為了確保萬無一失，專門在主傳輸電纜聯接監測主機端配置了法國生產的避雷器。
4．系統設計原則
● 根據用戶的使用要求；
● 根據煤炭行業標準GB3836-2006 和新版《煤礦安全規程》規定的要求來選型；
● 技術先進、成熟，功能實用性強，確保可靠；
● 組合方便，擴展性能好。能為以后系統擴展留有充分的余地，為系統升級提供便利；
● 開放性與兼容性良好，能實現系統的軟、硬件連接；系統之間充分開放，互容度高；
● 擴展功能多樣化，系統通過聯機實現信息交換、監視、控制和管理；
● 優化設備功能以達到經濟、有效，減少維護、管理人員；
● 人機界面良好，運行管理方便，數據準確，反應迅速，操作簡便。

四、系統監測指標
礦井安全遠程監測無線網絡系統是一個集電子技術、網絡通信、傳感器技術、數據采集、信號處理、信息管理以及軟件工程等多任務、多層次、多種技術于一體的綜合系統。礦井安全遠程監測無線網絡系統由地面監控中心站、4G 無線數據終端、各種井下分站、井下隔爆兼本質安全型多路電源、遠程斷電器、各種礦用傳感器和礦用機電控制設備，及安全生產監測軟件組成。整個系統組成拓撲圖。
A  通信服務器負責實現行業數據通信協議、數據代理轉發、通信設備狀態監控等功能；
B  監控中心服務器實現數據分析、存儲、反控等功能；
C  數據庫服務器進行數據存儲、備份；
D  WEB服務器實現實時監控、數據管理、業務管理等功能。
具體實現時通信服務器、監控中心服務器、數據庫服務器、WEB服務器可以安裝在一臺服務器中，也可以安裝在不同服務器中。如果行業客戶要求對終端進行終端IP綁定，需要安裝RADIUS服務器，為系統提供AAA認證和IP綁定功能。
推薦省級監控中心通過APN專線接入到4G網，這種方式安全性高、穩定可靠。各級監控中心相互之間通過VPN相連。
各監控點使用用CDMA終端，通過電信的網絡與監控中心相連。

五、4G 數據傳輸終端

一、產品簡介

 廈門才茂CM510-72F DTU是一款工業級無線數據傳輸設備，支持移動、聯通、電信運營商的無線網絡，支持7模全網通網絡：GPRS/CDMA/W4G /

TD-S4G /EDGE/FDD-LTE/TDD-LTE；設備為用戶提供TCP/UDP透明無線遠距離數據傳輸功能。

 設備支持串口RS232接口、RS485接口，設備可以直連客戶的上述接口設備，把客戶的PLC設備、工控設備的數據透明傳輸到客戶的數據中心，實現對客戶端設備的數據采集、數據傳輸、設備控制等功能。

該產品采用ARM7工業級高性能嵌入式處理器，以實時操作系統為軟件支撐平臺，超大內存；設備提供在線維持技術，保持數據終端永久在線，保存數據鏈路任何時候暢通，實現高速、穩定、可靠的透明數據傳輸功能。

該產品擁有ARM7工業級處理器和智能三級保護，不但通過電力3000V電擊測試，還擁有專利技術，產品性能穩定可靠。

該產品取得摩爾實驗室出具的“環境可靠性測試報告”，測試項目包含：高溫80℃/濕度85%、低溫-30℃等測試。其中高溫、低溫測試分別在該環境下連續收發數據4小時。

該產品已廣泛應用于電力集中抄表、水表集中抄表、熱網監控、燃氣監控、水利監控、環保檢測、氣象檢測、地震監測，交通控制等等行業。

二、產品特性

工業級設計

3.工業級CPU：工業級高性能嵌入式處理，高速緩存數據，加快高速數據訪問速度,加強了指令處理速度。

4.工業級無線模塊：采用工業級無線模塊，通過FCC認證和CE認證，抗干擾強，傳輸穩定。

5.實時操作系統：采用實時操作系統，實時性強，系統穩定。

6.強化電路板：PCB采用遵循20H和3W原則，同時公司所有產品電路板都采用生益材質來生產，確保板材的穩定可靠。

7.工業級元器件：整機元器件采用嚴格篩選的工業級元器件來生產，抗干擾性強，性能穩定。

8.工業級電源：寬壓電源設計，電源適應范圍為DC7V~DC32V，內置電源反向保護和過壓過流保護。

穩定可靠

1. 三層系統保護：在原來兩級（軟件保護+CPU內置看門狗WDT保護）系統保護的基礎上，增加一級系統虛擬值守VWM（Virtual Man Watch）檢測保護功能，確保系統穩定可靠

2. UIM/SIM卡ESD保護：1.8V/3V/5V標準的推桿式用戶卡接口，內置15KV ESD保護。

3. 串口ESD保護：RS232/RS485,內置15KV ESD保護。

4. DNS自動獲取:同時支持DNS自動獲取和DNS手動設置，適應不同場合需要。自動獲取DNS，不再需要人工配置輸入DNS；規避了因為選擇的DNS服務器異常，導致DTU設備當機的嚴重現象。

5. EMC性能優異：通過電力3000V電擊測試，特別適合在工業領域環境惡劣下使用；系統EMC/EMI優異，系統穩定可靠；通過EMC測試；

功能強大

六、支持多中心（最大支持同時4個中心）TCP/UDP透明數據傳輸

七、支持休眠功能，支持串口數據自動休眠喚醒、IO電平喚醒

八、支持各種組態軟件：紫金橋組態王軟件、亞控組態王軟件、三維力控軟件

九、支持虛擬數據專用網（APN）

十、智能防掉線。支持在線檢測，在線維持，掉線自動重撥，確保設備永遠在線

十一、支持固定IP和動態域名通信方式

十二、接口：提供RS232接口或者RS485接口

十三、網絡支持：7模全網通，同時支持移動/電信/聯通三個運營商所有網絡制式，涵蓋4G/3G/2G，包括TDD-LTE ，FDD-LTE，TD-S4G ，W4G ，CDMA1X/EVDO，GSM/GPRS/EDGE

十四、數據包傳輸狀態報告

十五、標準的AT命令界面

十六、支持串口軟件升級

十七、支持短信配置IP、端口；支持遠程配置所有參數

十八、特設調試串口，若出現問題，可在施工現場邊接設備邊測試，方便、快捷；

十九、支持遠程控制IO，短信告警

簡單易用

1. 圖形化配置工具：完善的圖形化配置工具，提供快速配置功能，實現客戶快速配置。

2. 中心軟件：提供C#，VC中心端軟件，方便客戶測試。

3. 豐富第三方軟件支持：包括亞控軟件，三維力控軟件在內的業內主要中心端軟件支持（驅動中選擇“廈門才茂（桑榮）”或者“桑榮”的驅動 ），可以直接方便購買第三方軟件來上項目，實現快速穩定低成本地完成項目。

4. 檢查軟件：提供串口調試軟件，網絡速度檢測軟件，提供單獨串口調試信息輸出，方便客戶查看各種信息，快速定位問題。

二十、具體監測指標
1、 現場采集傳輸
現場采集子站由二次儀表連接傳感器通過RS-232通訊口與4G  無線數據終端連接，每一個4G無線數據終端裝入一個運營商的SIM 卡。為防止井下瓦斯煤塵火災等事故危害人身和設備安全，在井下各采區工作面、掘進頭及主要巷道、機電峒室等處設置瓦斯、溫度、一氧化碳、風速、負壓等各類環境監測傳感器，在風門處設置風門開關對井下通風環境設施的狀況進行監測，并對風機等機電設備的運行狀況監測和控制，分站將監測信息傳送到地面中心站。當瓦斯等參數超限時（可根據具體情況自行設置斷電、復電值），可對有關設備進行實時斷電。系統將充分利用煤礦現有傳感器及技術資源，并保證所有傳感器（采集頻率為200-1000Hz 的標準信號。部分廠家的傳感器輸出為4-20mA，可以通過 “信號轉換器”來轉換為200-1000Hz 信號）在接入系統后能正常工作。
井下分站和傳感器安裝在井下具有煤塵、沼氣、一氧化碳等危險氣體的環境中，對煤礦井下的各種安全、生產參數進行實時監測和處理，并將安全生產參數經由4G  無線數據終端及時傳輸到地面中心站。各種數據由分站和中心站處理，并能按要求直接發出聲、光報警和斷電控制信號。地面中心站經過4G  無線數據終端采用4G  網絡與井下分站聯結通信。通過系統可以準確，全面地了解井下安全情況和生產情況，實現對災害事故的早期預測和預報，并能及時地自動處理。生產調度人員可以掌握井下設備運行情況，準確地指揮生產。
2、監控中心
礦井安全遠程監測無線網絡系統的監控中心為地面聯網（公網固定IP或移動內網固定IP）的2 臺計算機：監控主機和副機，當主機出現故障時，副機立即代替主機進行監控，計算機通過通信接口不斷地與各個分站進行數據通信，分站和測點可分布于地面或井下任何地方，分站采集各測點傳感器的信號，通過4G  無線數據終端與通信接口相連，向主機傳遞數據，同時分站又不停地對所接的傳感器巡測，進行數據預處理、顯示或根據需要控制輸出。系統主機不斷地把接收到的各分站測點數據實時處理、顯示并定時存盤。
七、專線APN傳輸方式
根據企業對網絡安全的特殊要求，廈門才茂通信技術有限公司設計了基于4G網絡的數據傳輸方案，采用了多種安全措施，主要包括：
．通過一條2M 專線接入運營商4G 網絡，雙方互聯路由器之間采用私有IP地址進行廣域連接，在GGSN與移動公司互聯路由器之間采用GRE隧道。
．為客戶分配專用的APN，普通用戶不得申請該APN。用于4G 專網的SIM卡僅開通該專用APN，限制使用其他APN。
．客戶可自建一套RADIUS服務器和DHCP服務器，GGSN向RADIUS服務器提供用戶主叫號碼，采用主叫號碼和用戶賬號相結合的認證方式；用戶通過認證后由DHCP服務器分配企業內部的靜態IP地址。
．端到端加密：移動終端和服務器平臺之間采用端到端加密，避免信息在整個傳輸過程中可能的泄漏。
．雙方采用防火墻進行隔離，并在防火墻上進行IP地址和端口過濾。

電信業務流程
4G 專網系統終端上網登錄服務器平臺的流程為：
1）用戶發出4G 登錄請求，請求中包括由電信公司為4G 專網系統專門分配的專網APN；
2）根據請求中的APN，SGSN向DNS服務器發出查詢請求，找到與企業服務器平臺連接的GGSN，并將用戶請求通過GTP隧道封裝送給GGSN；
3）GGSN將用戶認證信息（包括手機號碼、用戶賬號、密碼等）通過專線送至Radius進行認證；
4）Radius認證服務器看到手機號等認證信息，確認是合法用戶發來的請求，向DHCP服務器請求分配用戶地址；
5）Radius認證通過后，由Radius向GGSN發送攜帶用戶地址的確認信息；
6）用戶得到了IP地址，就可以攜帶數據包，對4G 專網系統信息查詢和業務處理平臺進行訪問。
九、安全方案
第一級：安全的網絡接入層
使用電信公司分配的專門的APN進行無線網絡接入；
分配特定的手機號：手機主叫號在移動GSM交換機生成，已經進行了加密，資深的網絡黑客也是很難偽造手機號的。
電信在網絡側HLR網元給手機號和APN做了綁定，只有屬于行業的手機號才能訪問專用APN。黑客拿著其他手機號的4G 終端根本無法呼叫專門的APN。
第二級：安全的終端認證
數據中心可以給每個4G 終端分配特有的用戶ID和密碼，交換機資深黑客即使偽造了合法的手機號，但是數據中心分配給GPRS終端的用戶ID和密碼沒有，依然與數據中心建立不了呼叫，而數據中心可以周期性命令各電表數據采集點將用戶ID和密碼改掉。
第三級：安全的防火墻過濾
通過物理防火墻設置訪問權限
第四級：安全的應用系統
業務數據在傳輸前進行加密壓縮，保障數據在傳輸過程中的安全性。應用系統提供強大的分級權限管理，保障數據在使用過程中的安全性。
十、綜 述
綜上所述，礦井安全遠程監測無線網絡系統是一種適用于大中型礦井的無線網絡、計算機監控調度系統，該系統軟件緊跟監控系統軟件發展的潮流，界面友好，圖形功能強大，可在大屏幕上顯示礦井生產系統動態模擬圖，幫助礦領導和調度員了解本單位主要生產設備及運行環境參數，及時調度生產，防止事故，安全生產。在大中礦井和工廠具有良好的推廣應用前景。

                          礦井監測拓撲圖

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