煤矿安全监察一通三防远程监测实时数据采集与传输.docx
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煤矿安全监察一通三防远程监测实时数据采集与传输
煤矿安全监察
“一通三防”远程监测信息网络系统
实时数据采集与传输
国家煤矿安全监察局通信信息中心
2004年5月
一、
概述：
1．1、系统结构：
煤矿安全信息监察系统采用开放的、分布式计算机监控系统结构，能够和行业管理网络进行数据共享和统一管理；
按煤矿安全生产控制对象或系统功能分布设置多层网络结构装置，它们连接到资源共享的网络上实现数据分布处理；
按照数据采集层次整个系统采用四层结构，可以分为监控站级、采集站级、安全生产实时数据库、GIS或管理系统等部分：
*监控站层：
主要是分站的数据处理和分站数据处理，根据要求可以配置成单机、双机或多机系统
*采集站层：
安全生产数据转发层：
主要是监控设备规范和数据转发规范，根据要求具备多重网络结构，具备多种通讯方式，一般采用星形网络或总路线网络结构
*实时数据库：
主要是服务器的安全生产数据处理及相关规范
*GIS及安全管理系统：
安全数据的图形化管理
根据国家安全生产的要求将安全生产分为以下几个级别：
厂矿级；软件同时采集的设备站点大于10；
市局级：
软件同时采集的网络站点大于20；
国家级（含省）：
同时采集的网络站点大于100；
1．2系统通信：
为满足安全生产调度自动化系统对煤矿安全生产信息的监控功能，监察系统应可随时接受各级调度的命令信息，并向它们发送煤矿的安全生产实时数据、运行参数有关信息。
厂矿级监控站处理安全生产检测元件的数据，同时负责安全生产数据向采集站进行数据传送；
采集站负责和监控站通讯及数据转发，根据需要可以将监控站和采集站合并；
中心监察系统（实时数据库）具备与各安全生产调度级的采集系统间的通信，支持冗余功能；
中心监察系统（实时数据库）软件必须具备良好的开放性，建议开发工具采用C++的开发工具；
中心监察系统与煤矿其它计算机系统之间的通信：
与地理信息系统系统的通信（任选项）；
与厂内办公系统的通信（任选项）。
二、网络规范
2.1网络规范：
该规范主要用于采集站与监控站之间的数据传输，可采用串口、以太网、电台、拨号、GPRS/CDMA等网络方式进行数据传输，具备开放性和可互操作性；
网络应采用国际标准化组织ISO的开放化系统互联OSI的模型或简化模型，网络可以与Intranet企业内部网和Internet全球信息网互连，可以构成一个完整的企业网络三级体系结构。
2.2体系结构：
各采集节点下放分散到现场，可构成一种彻底的分布式控制体系结构，网络拓扑结构任意，可为总线形、星形、环形等，通讯介质不受限制。
2.3访问方式：
可采用主从方式和令牌方式。
主从方式：
一个高级别的节点控制所有的信号传输，顺序和时间。
除非主节点要求，其他节点不能通讯。
令牌方式：
一种信息转移的方法，每次循环每个节点有一次机会通讯。
2.4无线传输规范：
2.4.1支持设计参数是符合无线网IEEE802.11标准的，同时也符合在全球范围内免许可证的有关规定，因此能够保护投资和保证与未来符合标准的其他厂商的无线局域网络产品进行互操作。
2.4.2传输时可透明传输所有网络协议。
对于所有传输到的数据、协议能毫不保留的转发到上一级网络。
2.4.3电台传输可使用调频扩频技术，工作频段采用勿须频率许可的频段。
可抗干扰、多径衰落、可以与其他无线系统同处同一地理区域等，保密性应能很好。
2.4.4能采用GPRS/CDMA网络规范进行数据传输。
三、采集分站（矿级）安全通讯信息规范
3.1标准通讯接口规范：
3.1.1可以采用由电子工业协会（EIA）制订并发布的，RS-232、RS-422与RS-485都是串行数据接口标准：
RS-232在1962年发布，命名为EIA-232-E，作为工业标准，以保证不同厂家产品之间的兼容。
RS-422由RS-232发展而来，它是为弥补RS-232之不足而提出的。
为改进RS-232通信距离短、速率低的缺点，RS-422定义了一种平衡通信接口，将传输速率提高到10Mb/s，传输距离延长到4000英尺（速率低于100kb/s时），并允许在一条平衡总线上连接最多10个接收器。
RS-422是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范，被命名为TIA/EIA-422-A标准。
为扩展应用范围，EIA又于1983年在RS-422基础上制定了RS-485标准，增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围，
RS-232、RS-422与RS-485标准只对接口的电气特性做出规定，而不涉及接插件、电缆或协议，在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议；
3.1.2可采用以太网方式进行数据通信，采用标准的TCP/IP协议通讯。
3.1.3支持MODEM通讯方式，支持主动拨号和被动拨号方式。
3.1.4支持GPRS/CDMA方式数据传输，自动适应厂家数据通过GPRS/CDMA方式透明数据传输。
3.1.5支持电台、微波等数据传输方式。
3．2、安全生产数据格式：
系统数据协议建议如下：
数据可以分为实时数据、报警数据、标识数据三部分
实时数据：
包括重要的安全生产数据，需要进行实时传输的数据；
报警数据：
报警的量程等数据；
标识数据：
生产数据的位置及描述信息；
数据可以由监控站或者采集站产生，通过网络和串口和服务器或者采集站通讯；
数据通讯方式采用类MODBUS的结构，
实时数据需要采用CRC校验以保证安全生产实时数据的准确性；
安全信息参考协议：
监控主机软件发送的报文格式：
主机发送
字节数
发送的信息
信息说明
地址1
1
02H
矿区代码标识
地址2
1
02H
瓦斯传感器标识
功能码
1
10H
参数类型（瓦斯、风等）
起始地址
2
0007H
从0007H寄存器地址开始
数据个数
1
07H
7个寄存器
数据字节长
1
0EH
写入的数据共14个字节
写入的数据1
2
0004H
寄存器地址0007H
写入的数据2
2
015AH
寄存器地址0008H
写入的数据3
2
0F4BH
寄存器地址0009H
写入的数据4
2
0064H
寄存器地址000AH
写入的数据5
2
000FH
寄存器地址000BH
写入的数据6
2
019AH
寄存器地址000CH
写入的数据7
2
014AH
寄存器地址000DH
CRC码
2
C909H
由主机计算得出
说明：
数据1-7代表煤矿标准的数据，实时数据、报警数据、标识数据，根据需要可以任意添加
3.3采集数据规范；
系统监控站或者采集站必须具备支持以太网、串口两种方式，支持网络冗余和数据冗余的采集；
监控站能够通过串口、以太网等方式同时向不同的安全生产服务器同时进行实时数据传输，数据刷新周期不得低于控制网络刷新周期；
监控站软件具备上述功能的根据需要可以将监控站和采集站合并，
不具备上述功能的监控站可以再单独设立采集站
3.4数据转发接口类型：
3.4.1采用RS-232、RS-422与RS-485等标准串行数据接口标准方式进行，数据交换协议通过类MODBUS方式进行数据传输
3.4.2采用标准以太网方式，通过TCP/IP协议以类MODBUS规约方式进行数据传输
3.4.3支持MODEM通讯方式，支持主动拨号和被动拨号方式。
3.4.4支持GPRS/CDMA方式数据传输，自动适应厂家数据通过GPRS/CDMA方式透明数据传输。
3.4.5支持电台、微波等数据传输方式。
3.5安全数据通讯调度周期：
调度周期采用S级处理，最小支持1S，能适应大数据量数据通讯，一次最大包的字节数可以超过512个字节。
四、主站（实时数据库）规范：
4．1概述
网络接口规范：
使用以太网TCP/IP协议传输方式，数据校验方式：
发送端和接收端使用自定义的数据校验方式，再加上TCP/IP校验，两层校验确保数据的准确性。
系统需具备B/S和C/S两种结构：
服务器端可以采用实时数据库+关系数据库方式作为数据服务器，关键的实时数据放到实时数据库处理，管理数据放到关系数据库处理。
服务器软件：
安全生产实时数据库容量：
数据处理容量大于20000个点，历史数据存储容量大于15000点，
安全生产历史数据具备可以导出到ODBC关系数据库中
客户端软件规范：
客户端使用专业软件与主站通讯，访问主站数据，具备C/S网络结构和B/S网络结构；
客户端生成主站数据的报警、总貌、历史趋势曲线等图形对象时只需要选定数据源即可，不需要做过多的设置，历史数据存放在主站上，不在客户端保存，以确保数据的一致性；
每个客户端可以根据不同的需求制作不同的图形画面、报表；
客户端还可以使用标准浏览器方式与主站通讯，这时客户端不需要安装任何其他软件，图形界面是在主站上开发完成的，在客户端浏览；
4．2实时数据库规范
系统数据库必须为分布式实时数据库，网络各个节点可以互相通讯和备份
主站和从站的实时数据库与管理客户端之间必须是可以分离的，实时数据库与管理图形界面既可以在一台计算机上运行，也可以分别在不同的计算机上运行。
分别运行在不同节点上的实时数据库之间可以互相引用来自远程实时数据库的数据，并显示在各自的图形界面上。
软件要求
1、支持快速存取和实时处理；
2、能控制数据的完整性和统一性；
3、能在线设定或修改数据；
4、有专门软件支持数据库建立和修改；
5、能对模拟输入量进行测量死区、零读数死区、报警死区和越限检查处理
6、能对模拟输入量进行工程单位变换处理；
7、能改善实时数据处理能力，在实时数据库中采用报警允许或控制闭锁等相关数据计算项。
4．3数据库结构
数据库应提供如下标准的数据结构类型：
模拟I/O点、数字I/O点、自定义点、运算点。
同时实时数据库应该具有自定义结构的功能，用户可以自主定义数据库的结构、参数名称和数据类型。
数据库的结构定义应包括煤矿安全监控和管理所需要的全部数据项；
4．4数据处理规范
磁盘的使用时间要尽可能低，正常情况下，在5分钟周期内，其平均使用率要低于50%，因此应该充分使用缓冲区。
CPU负载应留有余度，在重载情况下，其最大负载率不宜超过70%。
4．5历史数据存储规范
历史数据应该每天保存一个文件，而且从文件名称上能够给予区分。
实时数据库应该提供历史数据转储、导入的软件工具，由操作人员指定起始时间、时间跨度等要素，系统自动执行历史数据的转储和导入。
4．6报警和事件数据存储规范
事件、报警扫描周期要小于要求的事件、报警发生时间间隔；
系统必须对操作人员的登录、退出、数值设置、启动应用程序、退出应用程序等事件发生的时间、当值操作人员的姓名等信息进行记录；
当报警发生时将报警信息传送到其他文件或系统中。
报警数据应该充分反映报警发生的场地、时间、报警数值、报警临界设定值等信息。
当对象达到事故状态，应立即发出报警音响和显示信息。
报警音响应将事故和故障区别开来。
声音可手动或自动解除。
报警显示信息应在当前画面上显示报警语句（包括报警发生时间、地点、性质等）。
显示颜色应随报警信息类别而改变。
若当前画面具有该报警对象，则该对象标志（或参数）闪光及其颜色变化。
闪光信号应在运行人员确认后方可解除。
对于确认的误报警，运行人员可以退出该报警点。
4．7数据转发接口
数据转发接口保证监控软件的开放性。
通过串行（RS232/422/485）、以太网（TCP/IP、UDP/IP）、现场总线等方式，监控软件可以将实时数据库中的实时数据转发到上一级网络或其它第三方监控系统。
转发过程支持周期性主动发送和请求/应答等方式。
具备了数据转发接口的监控软件对于其它第三方监控系统就可以充当一个标准的自动化设备，如：
Modbusslave设备、CDT设备。
数据转发接口要配备远程调试、管理工具软件，该工具可实现远程维护管理和在线诊断功能：
（1）各功能组件的在线启动停止；
（2）系统文件、工程文件的上传下载；
（3）各个采集设备、转发接口的状态监测；
（4）各个通信通道的状态监测；
（5）系统事件的查看；
（6）实时数据的查看；
（7）采集、转发过程中的实时报文的查看；
同时，数据转发接口应提供完善的开发工具，以适应数据通讯标准不断调整的情况，具备适应不同平台软件的能力。
4．8数据库基本点表结构
1、数据点
能够完成生产数据输入信号量程变换、报警检查、输出限值、历史数据存储、检索等功能。
示例：
表1实时数据库模拟I/O点类型包含的标准点参数
参数名称
参数说明
NAME
点名称。
DESC
点说明信息。
KIND
点的类型。
UNIT
点所在的单元。
FORMAT
规定小数点后的位数;。
LASTPV
上一次测量值。
PV
以工程单位表示的现场测量值。
EU
工程单位描述。
EULO
量程下限。
EUHI
量程上限。
PVRAW
输入裸数据，即未经处理的数据。
PVRAWLO
输入裸数据低限。
PVROWHI
输入裸数据高限。
SCALEFL
量程变换标志。
ALMENAB
报警开关。
LL
报警低低限值。
LO
报警低限值。
HI
报警高限值。
HH
报警高高限值。
RATE
变化率限值。
RATECYC
变化率限值周期。
DEV
偏差报警限值。
SP
标准值，该值为PV标准值,作为偏差计算基准值。
LLPR
低低限报警优先级，该值为低级或低级以上时（即：
低级，高级，紧急）才会作低低限报警检查。
LOPR
低限报警优先级．该值为低级或低级以上时（即：
低级，高级，紧急）才会作低限报警检查。
HIPR
高限报警优先级，该值为低级或低级以上时（即：
低级，高级，紧急）才会作高限报警检查
HHPR
高高限报警优先级，该值为低级或低级以上时（即：
低级，高级，紧急）才会作高高限报警检查。
RATEPR
变化率报警优先级，该值为低级或低级以上时（即：
低级，高级，紧急）才会作变化率报警检查。
DEVPR
偏差报警优先级，该值为低级或低级以上时（即：
低级，高级，紧急）才会作偏差报警检查。
DEADBAND
报警死区限值。
STATIS
生成统计数据控制开关。
5.8数据采集软件规范
1、数据采集软件应配合数据库提供检测和处理煤矿监控和管理所需数据的能力。
2、数据采集软件应能满足如下要求：
a．按周期方式和请求方式实现设备的实时数据采集；
b．对需要计算的实时数据进行实时处理；
c．对当前产生的报警进行计算处理；
d．具备通讯故障检测功能和自动恢复功能；
e．对状态点变化进行监视处理；
f．对实时数据异常点进行监视处理；
g．对外部链路数据实现采集和处理，以主动发送和请求应答方式处理；
h．按周期方式或请求方式实现规定的数据输出；
i．数据采集和处理速度应满足实时性要求；
J．数据采集软件应能监视通信通道故障，并进行故障切除（停止通信）和报警。
七、软件接口规范
7.1OPC规范
OPC是为了解决应用软件与各种设备驱动程序的通讯而产生的一项工业技术规范和标准。
它采用客户/服务器体系，基于Microsoft的OLE/COM技术，为硬件厂商和应用软件开发者提供了一套标准的接口。
OPC规范提供了两套接口方案，即COM接口和自动化。
COM接口效率高，通过该接口，客户能够发挥OPC服务器的最佳性能；自动化接口使用解释性语言和宏语言访问OPC服务器，运行时需进行类型检查，会大大牺牲程序的运行速度。
因此本规范仅支持COM接口。
OPC客户和OPC服务器进行数据交互可以有两种不同方式，即同步方式和异步方式。
同步方式实现较为简单，当客户数目较少而且同服务器交互的数据量也比较少的时候可以采用这种方式；异步方式实现较为复杂，需要在客户程序中实现服务器回调函数。
然而当有大量客户和大量数据交互时，异步方式能提供高效的性能，尽量避免阻塞客户数据请求，并最大可能地节省CPU和网络资源。
主站和从站必须同时支持这两种通讯方式，且对使用者透明，程序必须能够根据通讯状态自动地选择同步、异步方式，以获取最佳通讯性能。
主站和从站应该提供对OPC标准的完全支持，当作为OPC客户程序时，它可以从其他OPC服务器程序中访问数据，并支持远程访问，同时允许OPC服务器运行在另外的计算机上，这时是将OPC服务器程序当作一个I/O设备来定义的。
数据库中的点参数通过I/O数据连接与OPC服务器程序进行数据交换。
主站或从站的OPC客户端程序必须支持同时连接多个不同的OPC服务器。
无论OPC服务器程序是运行在本地还是远程，OPC客户程序都必须能够自动搜索到指定节点上的所有OPC服务器程序。
当主站或从站作为OPC服务器时，主站和从站应支持OPC客户程序在本地或远程对数据库中数据进行访问。
主站或从站作为OPC服务器程序必须支持多个OPC客户端程序的同时访问。
OPC服务器程序应该可以从本地或远程计算机上被OPC客户端程序搜索到。
主站或从站的OPC服务器程序所支持的数据区和数据项的内容，必须是自动列出供选择的，以免手动填写造成错误。
在以上两种通讯方式下，主站和从站支持的数据类型有：
字符串、实型、整型、离散型数据。
读写权限可以设定为：
只读、只写、可读写三种。
7.2控件规范
主站或从站应该提供基于COM/DCOM技术的方便、高效的控件接口方式。
使得用户在各种常用开发环境下（如：
VC++、VB、VFP、DELPHI、FrontPage、C++Build等）可以调用该控件来访问数据库中的数据。
该控件必须能够随主程序自动安装与注册。
7.3、ODBC接口规范
ODBC标准规定了开放数据库互联的所有标准，主站和从站也必须提供对ODBC标准的完全支持。
主站和从站透过DBMS的ODBC接口程序，可以直接访问DBMS中的数据项，进行读写操作。
除了支持对本地DBMS数据库的访问外，还应该支持对远程DBMS数据库的访问。
主站和从站除了必须提供批量实时、历史数据向DBMS的转储工具外，还必须提供一组SQL函数，以便使用脚本语言访问其它数据库（DBMS）。
7.4DLL通讯方式
DLL通讯方式只适用于用户应用程序在本地与主站或从站进行数据通讯。
为简化起见，所有接口函数全部采用第“7.2控件接口规范”条的规定的“方法”和“事件”，且只支持C++语言。
使用DLL接口，无须配置“属性”，直接在程序中调用接口函数即可。
7.5文件通讯规范
主站和从站应该提供对文本文件读写的手段，并且保证使用共享访问方式，以避免引起文件的访问冲突。
文本文件中的数据以制表符（TAB）分隔。
8数据终端设备配置规范
为了保证实时、准确、可靠地获得采集的数据，同时，又不影响监测监控系统的正常工作，必须配置一台性能稳定可靠的实时数据采集传输终端设备以承担实时数据采集和传输的任务。
8.1适用范围
本规范规定了数据终端设备的功能、技术性能和配置。
适用于各生产厂商的MSUS产品与DTE之间的连接。
8.2引用标准
《煤矿监控系统总体设计规范（试行）》
《MT/T772—1998煤矿监控系统主要性能测试方法》
《GB/T9813—1998微型数字计算机通用技术条件》
《GB/T1.1-2000标准化工作导则》
8.3系统概述
实时数据采集传输终端设备是煤矿安全实时远程监测系统的一个重要组成部分，它是连接矿井安全监控系统与煤矿安全生产监控中心的桥梁，该设备一方面实时地采集由矿井安全监控系统传来的煤矿井下各类安全数据，并进行实时过滤、分级、差错检测、数据解析、加密等处理；另一方面，又将加工处理后的相关数据实时地传输至各级煤矿安全生产监控中心，以实现煤矿安全生产的实时远程监测。
此外，该设备还对矿井安全监控系统进行实时检测，保证井下安全监控系统的正常运行。
8.4系统结构
实时数据采集传输终端设备由中央处理器单元、内存储器单元、外存储器单元、数据通信单元、供电单元和机箱组成。
8.5各功能单元性能指标
●中央处理器单元：
该设备应根据MSUS配置情况可由单CPU或多CPU组成，应能够满足系统数据采集、存储和实时传输的需要；
●内存储器单元：
该设备至少应不底于128M，以保证满足中央处理单元的应用需要；
●外存储器单元：
该设备应具有一定的存储容量，能保存一年的实时数据，至少应有40G容量；
●数据通信单元：
该单元应包括2个串行口（RS-232）、一块100/10M以太网适配器、一块无线数据通信模块（CDMA/GPRS），支持多种形式的数据通信；
●供电单元：
由开关电源和UPS组成，应使用工业级开关电源，保证系统能够连续不间断工作，UPS应配置能至少能支持4小时工作的电池。
●机箱：
应具有较好别的通风散热功能，具有一定的抗撞击和防震性能，应将电源开关和重起按扭锁在机箱内，以免不必要的操作导致系统停止工作。
附录：
通讯数据协议
E.1Modbus
Modbus网络是一个工业通讯系统，由带智能终端的可编程序控制器和计算机通过共用线路或局部专用线路连接而成。
系统构成既包括硬件，亦包括软件。
可应用于各种数据采集和过程监控。
表E-1是Modbus的功能码定义。
表E-1Modbus功能码
功能码
名称
作用
01
读取线圈状态
取得一组逻辑线圈的当前状态（ON/OFF）。
02
读取输入状态
取得一组开关输入的当前状态（ON/OFF）。
03
读取保持寄存器
在一个或多个保持寄存器中取得当前的二进制值。
04
读取输入寄存器
在一个或多个输入寄存器中取得当前的二进制值。
05
强置单线圈
强置一个逻辑线圈的通断状态。
表E-1Modbus功能码（续）
06
预置单寄存器
把具体二进制值装入一个保持寄存器。
07
读取异常状态
取得8个内部线圈的通断状态，这8个线圈的地址由控制器决定，用户逻辑可将这些线圈定义，以说明从机状态，短报文适宜于迅速读取状态。
08
回送诊断校验
把诊断校验报文送从机，以对通讯处理进行评鉴。
09
编程（只用于484）
使主机模拟编程器作用，修改PC从机逻辑。
10
控询（只用于484）
可使主机与一台正在执行长程序任务从机通讯，定其探询该从机是否已完成其操作任务，仅在含有功能码9的报文发送后，本功能码才得发送。
11
读取事件计数
可使主机发出单询问，并随即判定操作是否成功，尤其是在该命令或其应答产生通讯错误时。
12
读取通讯事件记录
可使主机检索每台从机的Modbus事务处理通讯事件记录。
如果某项事务处理未完成，记录会给出有关错误。
13
编程（184/384484584）
可使主机模拟编程器功能，修改PC从机逻辑。
14
探询（184/384484584）
可使主机与正在执行长程序任务的从机通讯，定期控询该从机是束已完成其程序操作，仅在含有功能13的报文发送后，本功能码才得发送。
15
强置多线圈
强置一串连续逻辑线圈的通断。
16
预置多寄存器
把具体的二进制值装入一串连续的保持寄存器。
17
报告从机标识
可使主机判断编址从机的类型及该从机运行指示灯的状态。
18
编程（884和Micro84
升级会员 