(a) 侧视
马小平， 吴新忠， 任子晖
(中国矿业大学 信息与电气工程学院， 江苏 徐州 221116)
摘要：针对目前煤矿通风机采用冷备用方式及供电系统采用单母线分段运行方式存在安全隐患的问题，介绍了在通风机不停风倒机控制、风门设计、通风机供电安全、通风机监控系统冗余、通风机故障诊断等方面所做的研究，研究成果的应用提高了煤矿通风机的安全运行水平和自动化程度；针对通风机房位置偏远、容易陷入信息孤岛的问题，采用移动互联相关技术，构建了基于移动互联的煤矿通风机远程监控系统，着重介绍了该系统移动客户端的功能设计及基于Socket通信的客户端和服务器端程序设计。该煤矿通风机远程监控系统采用GPRS-DTU模块从PLC采集数据，通过GPRS网络将监控数据上传至基于PC的数据服务中心，并通过数据服务中心与移动客户端的Socket通信，实现随时随地的通风机远程监控功能。
关键词：通风机监控； 移动互联； GPRS-DTU； Android系统； Socket编程
近年来，随着移动网络传输速率的不断提高，中国移动互联网产业发展所需的各方面条件逐渐成熟，开始步入高速发展期。另一方面，移动终端得到普及，从单纯是通信网络的终端向多功能方向发展，越来越多的移动终端配备了开放式操作系统，移动终端和互联网的无缝连接已经形成。以此为契机，在商业领域，移动平台已成功占领了计算机平台的终端销售市场，而这一潮流也开始渗透进工业监控领域，使用户能够随时随地接入监控系统成为诉求。虽然移动互联在工业监控领域的应用仍存在安全、流量费用等问题，但不可否认，基于移动互联的远程监控系统已逐渐形成了PC终端监控的一个重要补充。
本文针对煤矿通风机监控领域展开研究。首先介绍了在通风机备用实时性和监控可靠性方面所做的研究工作，提出的新理念、装备和技术的引入为实现通风机远程监控提供了良好的现场设备基础；接下来应用移动互联技术，构建了基于移动互联的煤矿通风机远程监控系统，使得相关人员可通过手机终端随时随地查询通风机安全监控信息，以保障监控信息的及时传递与处理。
据统计, 中国煤矿事故60%以上是由通风管理不善、瓦斯浓度过高引起的。为了保证煤矿通风安全，《煤矿安全规程》规定煤矿通风机采用一用一备的工作方式，且采用单母线分段的双回路供电系统。但实际应用中，备用通风机和备用供电系统的功能发挥严重不足，具体表现在：① 通风机采用冷备用方式，其启动和挂网具有不确定性，导致每一次倒机都成为通风安全隐患。② 供电系统采用单母线分段运行方式，一旦发生电源故障，需要通过切断故障电源的刀闸和断路器、闭合备用电源的刀闸和断路器、闭合母联等一系列操作来实现供电电源的切换。该操作主要由人工完成，常常错失合闸的最佳时机，延长停风时间，容易造成通风事故扩大化[1]。
1.1 通风机不停风倒机的实现
除冷备用方式导致通风机启动和挂网的不确定性外，对于高瓦斯矿井，通风机停机倒机方式还会引起瓦斯积聚，对矿井安全生产造成隐患。笔者提出通风机热备用思路，即在停转原运行通风机之前启动备用通风机，通过通风机由冷备用向热备用过渡来消除通风机启动的不确定性。在备用通风机正常启动后，通过风道上的风门实现风路切换，将传统停机倒机过程中的通风系统停风改为在风门切换风路的较短时间内的风量波动，实现通风机不停风倒机。但现有通风回路无法实现备用通风机倒机前启动，因此必须进行风道改造。图1为改造前的通风回路，设1号通风机处于运行状态，则2号通风机处于备用状态，为备用通风机。根据轴流式通风机的特点，要想正常启动，必须打开风门，否则会造成通风机堵转。而备用通风机的主风门一旦开启，将会形成短路风，使井下无风或微风，此时备用通风机会因风流的作用处于反向旋转状态，不利于启动。
(a) 侧视
(b) 俯视
图1 改造前的通风回路
图2为改造后的通风回路，在2条风道上均设置了对空短路风门，备用通风机通过对空短路风门实现提前启动。该通风机不停风倒机控制方案于2009年在平煤五矿投入使用，实际运行表明，该方案设计合理，提高了倒机成功率；倒机时间由原来的5～6 min缩短为30 s以内，倒机期间井下风量波动不超过40%。另外，利用容错技术，通风机监控系统还实现了通风机故障情况下的自动切换[2-3]。
(a) 侧视
(b) 俯视
图2 改造后的通风回路
1.2 高性能自密式旋叶风门的研究和应用
采用通风机不停风倒机控制方案后，传统的依靠钢丝绳提拉和重力降落实现开闭的闸板风门面临巨大挑战，尤其是在带风阻的情况下启闭时，将承受巨大压力，容易卡死，成为控制方案中最不安全的因素。为了提高控制方案的可靠性，笔者所在团队研发了自密式旋叶风门，如图3所示。
图3 自密式旋叶风门
与传统的闸板风门相比，自密式旋叶风门将一整块闸板替换成多组叶片，基于均压思想，叶片采用菱形结构，转轴置于中间，在大风阻情况下开、闭灵活，提高了风路切换的安全性。另外，该风门叶片切换速度快，30 s即可完成风门状态转换，在开启状态下风阻小，在关闭状态下漏风低。
1.3 主要通风机供电安全水平提升的研究
煤矿通风机供电系统常用双回路供电、单母线分段运行方式。为了提高主要通风机供电安全水平，笔者所在的研究团队提出在电源故障情况下，采用高压快切装置快速切换至备用电源。高压快切装置安装在2路进线上，如图4所示，采用母联切换的工作方式。与低压系统常用的备用进线自动投入装置不同，高压快切装置具有逻辑判断和智能选择多种投切方式，以确保投切过程中主要通风机平稳运行，减小启动冲击电流。
图4 高压快切装置接入供电系统示意
对于高速运行的大型电动机负载，在电源进线发生故障造成母线失电时，电动机由于惯性会维持运转，形成反电动势，即在母线上形成残压。母线残压在一段时间内存在。需要尽可能降低母线残压对电网造成的冲击，防止备用电源上级跳闸，使停电事故扩大。 针对该问题，高压快切装置有3种投切时机：① 快速切换区域：在电源失电瞬间，高压快切装置检测到母线残压与备用电源的相位角相差不大时，完成快速切换。在该区域内切换对电源和主要通风机冲击最小，可保证在50～180 ms完成。② 同期捕捉区域：若失去快速切换区域时机，高压快切装置将在同期捕捉区域进行同相位角(相差±5°)切换。在该区域切换对电源和主要通风机影响小，可保证在500～700 ms内完成。③ 残压切换区域：若失去上述2个投切区域时机，高压快切装置将在母线残压降到40%以下时投切。在该区域切换对电源和主要通风机有一定影响，但比冷备用启动平稳。
1.4 通风机监控系统的冗余设计
为了提高通风机监控系统的可靠性，笔者所在的研究团队致力于系统冗余设计。从2012年开始，陆续研发了如图5(a)所示的基于昆腾系列PLC硬冗余的通风机监控系统和如图5(b)所示的基于S7-300系列PLC软冗余的通风监控系统。系统中CPU和工控机均采用双机热备形式，正常情况下主机处于工作状态，从机处于监视状态，一旦从机发现主机异常，将会在很短的时间内代替主机。硬冗余系统由硬件实现主从机切换，切换时间为ms级；软冗余系统则通过软件实现，切换时间为s级。
(a) 硬冗余设计
(b) 软冗余设计
图5 通风机监控系统的冗余设计
1.5 主要通风机故障分类、诊断、预警和智能控制
针对目前中国主要通风机故障样本偏少的现状，笔者所在研究团队针对通风机故障预警、诊断和智能控制技术进行了大量研究，根据故障特征实现了主要通风机电气和机械故障、主要通风机进线电源故障和主要通风机性能故障的快速分类。针对电气和机械故障、进线电源故障，分别采用不停风倒机控制方案和高压快切装置立即进行处理；对于性能故障，采用基于人工免疫的思想，实现了基于距离函数的主要通风机故障预警和分类。上述方法已成功应用于煤矿通风机监控系统，保障了通风机的安全运行[3]。
1.6 通风机监控系统存在的不足
通风机房一般位置偏僻、远离调度室，通风机监控系统容易沦为信息孤岛，即使接入局域网，实时数据的获取地点仍局限于工业现场和调度室。安全管理人员和主管领导一旦离开办公场所，将无法获得通风机运行实时信息，无法对突发事件进行快速响应和科学决策。
2.1 移动互联与终端设备
移动互联是将移动通信和互联网结合，用户借助移动终端设备(手机、PDA)，通过网络访问互联网。随着技术的进步，移动互联网成为继宽带技术后互联网发展的又一推动力。随着3G技术的普遍应用和4G技术的推广，越来越多的传统互联网用户开始借助移动终端设备享用移动互联网的便利服务。
2.2 GPRS网络
GPRS (General Packet Radio Service，通用无线分组业务)采用基于GSM(Global System for Mobile Communication，全球移动通信系统)的无线高速数据分组传输技术，理论传输速率达171. 2 kbit/s。自2002年7月GPRS在中国移动通信行业开始出现，至今已大面积应用于多媒体、互联网通信服务领域，使得在工业数据监测与传输中利用Internet实现远距离、宽范围的数据传输和管理成为可能。
2.3 移动平台的Android 技术
Android系统从 2009 年发布至今，随着技术的不断发展和成熟，在移动终端中所占比例正逐步上升。开放性、便携性、良好的兼容性、无缝结合网络通信等特点使Android系统在各个领域都有广泛应用。
图6为基于移动互联的通风机远程监控系统整体架构。
图6 基于移动互联的通风机远程监控系统整体架构
该系统设计方案包含2个关键点：① GPRS DTU是一种基于GPRS网络的终端设备，通过RS485接口与PLC通信，读取现场监测数据和输出控制信号，另一侧则通过GPRS网络实现与互联网的无缝连接。因此，基于PC平台的数据服务中心可布置到任何一个有互联网网络连接的地方，突破了局域网的地域限制。② 移动客户端通过3G，4G， WiFi网络以无线方式实现远程监控，以满足用户随时随地的监控接入需求。
在构建了基于PC平台的数据服务中心后，可对系统进行后续功能扩展。图7为基于移动互联的系统扩展目标，以期实现基于云计算和大数据技术的多参数整合和与专家知识相结合的远程主动分析预警、控制功能[4]。为了实现数据服务器在网络上被定位，基于PC平台的数据服务中心需设置固定的IP地址。
图7 基于移动互联的通风机远程监控系统扩展目标
4.1 移动客户端功能模块
根据通风机监控的需求分析，基于移动互联的通风机远程监控系统移动客户端功能模块如图8所示。
图8 煤矿通风机远程监控系统移动客户端功能模块
在系统移动客户端欢迎界面中，用户通过在安全登录模块输入数据服务器端的域名和端口号进行身份校验，保证授权合法用户安全登录。用户登录成功后，跳转至程序主界面。主界面包括通风机安全监测模块、通风机安全控制模块、通风历史数据查询模块和系统远程维护模块，点击任意功能模块即可进入相应的功能主界面。通风机安全监测模块实时获取煤矿通风机运行参数和通风系统性能参数，采用简单图表形式呈现，使用户实时掌握通风机安全运行情况，并提供超限实时报警功能。通风机安全控制模块方便用户对通风机的现场设备进行远程控制，出于安全考虑，该模块需要单独设置授权登录密码。通风历史数据查询模块提供历史数据查询人机接口，具有曲线分析和报表统计2种表现形式，其中曲线分析提供通风机工况历史曲线分析，报表统计实现通风监测数据的历史报表生成和日报、周报的自动统计。系统远程维护模块可根据监测数据，结合专家知识或由相关专家进行系统远程管理、维护、安装和参数配置，该模块同样需要单独设置登录密码[5-6]。
4.2 基于Socket通信的客户端和服务器端
目前主要有Http和Socket2种通信方式实现基于Android系统的客户端与服务器端的通信。Http通信采用请求-响应方式，即在请求时建立连接通道，当客户端向服务器端发送请求后，服务器端才能向该客户端返回数据。如果在开发网站时，出于后台数据服务器的安全考虑，将访问权限设置为不能直接从网站数据库获取数据，即没有开发服务器端的任何数据接口，此时基于Android系统的客户端只能选择Http通信方式，设计核心为如何从服务器端返回的静态页面中提取请求返回的数据。Socket通信方式可使客户端通过TCP协议连接到服务器端，且在双方建立连接后进行数据双向传输，可实现信息的主动推送，无需每次由客户端向服务器端发送请求，降低了数据丢失率，且使用简单，易于移植。
在基于移动互联的通风机远程监控系统中，基于Android系统的移动终端(客户端)与基于PC平台的数据服务中心(服务器端)通过Socket通信方式来实现交互。服务器端程序包括1个提供 TCP 连接服务的 Server Socket类对象和1个参与通信的 Socket 对象，客户端程序只包含1个参与通信的 Socket 对象。服务器端的 Server Socket 类对象提供 TCP 连接服务，实际进行通信的是服务器端的 Socket 对象和客户端的 Socket 对象。连接成功后，Socket对象便可使用流接口进行打开、读、写、关闭等操作。
基于移动互联的通风机远程监控系统基于C/S模式设计。数据服务中心和移动终端的Socket通信过程：① 建立侦听。数据服务中心通过Server Socket()建立一个侦听线程，负责侦听服务器端程序所指定的端口，等待移动终端发来的会话请求。② 创建Socket。移动终端应用程序通过new Socket()创建一个包含服务器IP地址(域名)和指定端口号的Socket对象，该Socket对象向数据服务中心发送会话请求，试图与其建立连接。③ 接受请求。服务器端的侦听线程监听到移动终端发来的会话请求，通过.accept()接受请求，并创建一个Socket接收连接对象，与移动终端通信。④ 接收数据。当移动终端接收到数据服务中心的接收请求响应数据后，双方建立Socket通信，移动终端通过Socket对象创建一个Buffered Reader(),使用.get Input Stream()来获取服务器通过Buffered Writer()传来的监控数据。⑤ 结束通信。通信完毕后，通过os.close()，is.close()，socket.close()关闭输出输入流，并关闭Socket端口，完成Socket通信。
客户端应用程序在接收到服务器端监测数据后，使用Android系统内置的SQLite数据库进行保存[7]。
(1) 总结了在提高通风机监控系统安全可靠性方面所做的研究和实践工作，为实现通风机远程监控打下基础。
(2) 提出并设计了基于移动互联的煤矿通风机远程监控系统。该系统通过GPRS网络获取通风机监控系统现场数据，解决了现有通风机房地理位置偏远、容易成为信息孤岛的问题，同时突破了监控数据在煤矿局域网内传输的区域限制。
(3) 选用Socket 通信方式进行移动客户端与数据服务中心的交互，实现了基于移动互联的通风机远程监控功能。相关人员可通过客户端应用程序随时随地接入系统，并做出快速响应，对防止煤矿通风相关事故、避免事故的扩大所带来的次生灾害起到了极大的作用。
参考文献：
[1] 吴新忠, 任子晖, 马小平,等.煤矿主要通风机在线监控系统研究现状及展望[J].煤炭科学技术, 2009,37(12):54-57.
[2] WU Xinzhong, MA Xiaoping, REN Zihui. Study on key technologies of coal mine main fan automatic switchover with ventilation unceasing[C]// Proceedings of the 22nd Chinese Control and Decision Conference, Xuzhou, 2010:3199 - 3203.
[3] 吴新忠.煤矿主通风机通风失稳控制的研究与应用[D].徐州:中国矿业大学,2010.
[4] 马小平, 胡延军, 缪燕子.物联网、大数据及云计算技术在煤矿安全生产中的应用研究[J].工矿自动化, 2014, 40(4):5-9.
[5] 龚炳江, 唐宇敬.Android平台下煤矿瓦斯监控系统客户端研究[J].煤矿安全, 2013, 44(4):122-124.
[6] 刘洁.基于移动互联网的煤矿安全智能监控系统设计[J].软件, 2011(12):36-38.
[7] 李宁.Android开发完全讲义[M].2版.北京：中国水利水电出版社,2012.
MA Xiaoping, WU Xinzhong, REN Zihui
(School of Information and Electrical Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China)
Abstract:For hidden danger caused by cold standby mode of coal mine ventilator and single bus segmentation operation mode of power supply system at present, a series of research work were introduced about switchover without blowing-out of ventilator, air door design, power safety of ventilator, redundancy of ventilator monitoring system, fault diagnosis of ventilator, etc. Application of corresponding research achievements improves safe operation level and automation degree of coal mine ventilator. Since ventilator room locates on remote places and ventilator monitoring system is easy to falling into information isolated island, a remote monitoring system of coal mine ventilator based on mobile Internet was built by use of corresponding mobile Internet technologies. Function design of mobile client of the system and program design of client and server based on Socket communication were introduced in details. The system collects data from PLC by use of GPRS-DTU module and uploads the data to server through GPRS network, which realizes remote monitoring function of ventilator anytime and anywhere through Socket communication between server and mobile client.
Key words:ventilator monitoring; mobile Internet; GPRS-DTU; Android system; Socket programming
中图分类号：TD67/724
文献标志码：A 网络出版时间：2016-03-07 15:10
作者简介：马小平(1961-)，男，四川绵阳人，教授，博士，博士研究生导师，主要研究方向为煤矿综合自动化、矿山物联网技术等，E-mail:xpma@cumt.edu.cn。
基金项目：国家自然科学基金资助项目(61303183)；江苏省自然科学基金资助项目(BK20130204)；高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20120095120023)。
收稿日期：2015-12-01；修回日期：2016-02-24；责任编辑：李明。
文章编号：1671-251X(2016)03-0007-06
DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.03.002
网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160307.1510.002.html
马小平，吴新忠，任子晖.基于移动互联的煤矿通风机远程监控技术[J].工矿自动化，2016,42(3)：7-12.