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煤礦安全生產(chǎn)系統(tǒng)中通信控制組件的設(shè)計應(yīng)用

文檔作者：張羽文檔來源： (天地(常州)自動化股份有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年12月06日
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·84· 煤礦機電2015年第6期
張羽．煤礦安全生產(chǎn)系統(tǒng)中通信控制組件的設(shè)計應(yīng)用[J]．煤礦機電，2015(6)：84．86，89．doi：10．16545／j．
cnki．cmet．2015．06．024
煤礦安全生產(chǎn)系統(tǒng)中通信控制組件的設(shè)計應(yīng)用術(shù)
張羽
(天地(常州)自動化股份有限公司，江蘇常州213015)
摘要： 在煤礦安全生產(chǎn)過程中，多種信息化監(jiān)控軟件，例如煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，人員定位系
統(tǒng)、緊急避險系統(tǒng)等，都通過有線、無線等多種方式，與礦井多種傳感器進行數(shù)據(jù)通信，獲取傳感器
數(shù)據(jù)，判斷安全生產(chǎn)環(huán)境或獲取生產(chǎn)數(shù)據(jù)。在這些系統(tǒng)中，無論是哪種形式的網(wǎng)絡(luò)鏈路，都存在通
信控制功能。對此，從各種應(yīng)用系統(tǒng)的實際需求出發(fā)，通過設(shè)計命令池及控制流程，研究設(shè)計了一
種廣范應(yīng)用于煤礦各類監(jiān)控系統(tǒng)的通信控制組件，極大地縮短了各產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高了開發(fā)效
率和產(chǎn)品的穩(wěn)定性、可靠性。通信控制組件設(shè)計在多個系統(tǒng)中已得到廣泛應(yīng)用，經(jīng)長期運行實踐，
驗證了軟件的可靠性和穩(wěn)定性。
關(guān)鍵詞： 煤礦安全生產(chǎn)；通信控制組件；訂閱發(fā)布
中圖分類號：TP399 文獻標(biāo)識碼：B 文章編號：1001—0874(2015)06—0084一04
Design and Application of Communication Control
Component in Mine Safety Production System
Zhang Yu
(Tiandi(Changzhou)Automation Co．，Ltd．，Changzhou 213015，China)
Abstract：During the process of coal mine safety production，a series of information monitoring software，such as
monitoring and control system of coal mine，personnel positioning system，emergence system，are all through
wired，wireless and other methods，to communicate with the variety of sensors for the data，to determine the
conditions for safe production or production data acquisition．In these systems，no matter what kind of network
links，aLll have communication control functions．Based on the actual demands of various application systems，
designed the command pool and the control flow，developed the communication control component for a wide range
of applications in monitoring and control systems of coal mine，which greatly shorten the product development
cycle，improve the stability，reliability and efficiency of product development，and has been widely used in
muhiple systems．The software is verified to be reliable and stable by long—term practice．
Keywords： coal mine safety production；communication control component；subscribe publish
0引言
以煤礦安全避險六大系統(tǒng)為首的安全生產(chǎn)系統(tǒng)
是避免或減少瓦斯、火災(zāi)等重特大事故發(fā)生，應(yīng)急救
木天地(常州)自動化股份有限公司研發(fā)項目(14SY001-04)
援和緊急避險的有效措施?。這類生產(chǎn)系統(tǒng)均是
通過對煤礦井下各傳感器數(shù)據(jù)的采集，實時監(jiān)測或
預(yù)測生產(chǎn)環(huán)境(包括人員位置)。
通信過程的控制，包括命令發(fā)送、等待響應(yīng)、命
令接收、是否需要重發(fā)等，是確保通信數(shù)據(jù)穩(wěn)定和可
萬方數(shù)據(jù)
2015年第6期煤礦機電·85·
靠的重要過程。本文研究了一種可廣泛應(yīng)用于煤礦
安全生產(chǎn)中的通信組件，通過設(shè)置參數(shù)和調(diào)用接口，
能滿足不同的應(yīng)用場景的需求，有效縮短了各業(yè)務(wù)
系統(tǒng)的開發(fā)周期，集中力量進行組件維護，能有效提
高組件的可靠性和穩(wěn)定性。
1通信控制組件的設(shè)計
通信控制組件設(shè)計了消息隊列來管理命令，并
設(shè)計了一套通信流程，按照不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)賦予的命
令的特性進行整個通信過程。
1．1整體設(shè)計
通信控制組件的整體數(shù)據(jù)流設(shè)計如圖l所示。
各業(yè)務(wù)系統(tǒng)通過調(diào)用接口，向組件消息隊列發(fā)布命
令，通信控制模塊獲取消息隊列中的命令進行單次
通信過程，并將接受數(shù)據(jù)返回給業(yè)務(wù)系統(tǒng)，并不斷循
環(huán)此過程。
圖1組件數(shù)據(jù)流圖
在通信控制組件中，管理的對象是命令，本組件
采用消息隊列來管理命令。隊列的主要目的是提供
路由并保證消息的傳遞，如果發(fā)送消息時接收者不
可用，消息隊列會保留消息，直到可以成功地傳遞
它。消息隊列一般按照先進先出的原則進行消息的
傳遞，消息傳遞完畢后即被及時銷毀。對于該組件
的應(yīng)用場景，因為一些特殊命令例如巡檢命令，必須
滯留在組件內(nèi)部進行循環(huán)發(fā)送，故設(shè)計了一種可滿
足命令的存取、持久化、排序、銷毀等一系列功能的
消息隊列。隊列持久化到本地，可保證隊列中的命
令在組件重啟時不丟失。隊列可以按照命令的設(shè)備
標(biāo)簽采用冒泡法排序。隊列采用指針記錄當(dāng)前命令
發(fā)送位置，當(dāng)遇到優(yōu)先級別高的命令插包后，可以快
速恢復(fù)到原來位置繼續(xù)發(fā)送。
1．2組件功能設(shè)計
通信控制組件的系統(tǒng)功能如圖2所示，組件功
能主要有消息隊列、通信過程控制及對外發(fā)布接口
組成。消息隊列包括命令生命周期管理，優(yōu)先級別
管理。通信過程控制模塊主要包括通信通道維護和
單次通信過程管理。對外接口則負責(zé)接收命令、發(fā)
布和接收通信數(shù)據(jù)以及應(yīng)答數(shù)據(jù)的反饋。
通信控制組件
消息隊列l(wèi) l通信過程控制l l對外接13
圓圈斟國斟斟斟倒
2關(guān)鍵技術(shù)
組件如何與各業(yè)務(wù)系統(tǒng)采用松耦合的方式進行
通信，即只需要把消息傳遞，而無須理會對方是否收
到，降低了組件和業(yè)務(wù)系統(tǒng)的依賴，不會互相干擾而
造成系統(tǒng)奔潰。訂閱發(fā)布是具有異步的、多點通信
的特點。2j，可以高效并且可靠的在分布式組件直接
傳輸信息。組件的設(shè)計采用訂閱發(fā)布模式，向各個
業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供接口，用于應(yīng)答的反饋。
訂閱發(fā)布是指用戶可以訂閱發(fā)布訂閱系統(tǒng)中感
興趣的信息，在發(fā)布訂閱系統(tǒng)中主要有消息發(fā)布者、
消息訂閱者和發(fā)布訂閱服務(wù)器舊j。各業(yè)務(wù)系統(tǒng)(訂
閱者)首先向發(fā)布／訂閱中間件注冊一個訂閱條件，
當(dāng)通信控制過程(發(fā)布者)把接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到
服務(wù)器，服務(wù)器根據(jù)訂閱條件與消息進行匹配比較，
把消息發(fā)送給符合訂閱條件的各業(yè)務(wù)系統(tǒng)(訂閱
者)，發(fā)布／訂閱系統(tǒng)的模型如圖3所示。
3關(guān)鍵流程設(shè)計
通信控制組件的關(guān)鍵流程有通信主流程和單次
通信管理流程。
萬方數(shù)據(jù)
·86· 煤礦機電2015年第6期
圖3發(fā)布訂閱的模型圖
3．1通信管理主體
通信管理主體是整個通信控制組件的主流程，
負責(zé)循環(huán)的對消息隊列中的命令進行通信的發(fā)布，
此流程主要保證消息隊列中的命令按照優(yōu)先級別、
用戶制定順序進行準(zhǔn)確無誤的發(fā)送。流程圖如圖4
所示。
啟動通訊
獲取當(dāng)前位置下
應(yīng)該發(fā)送的命令
第攀一條夠命令歲／
＼，／
0N 3墓鑫鑫曩?！軰耍喜篙蠢攀墨>o
發(fā)送當(dāng)前命令
發(fā)送優(yōu)先級別
較高的命令
銷毀該命令
圖4通信管理主體流程圖
通信管理主體啟動通信后，獲取當(dāng)前命令包的
第一條命令，記錄當(dāng)前位置，判斷是否有優(yōu)先級別更
高的命令和是否允許被插包后，進行當(dāng)前命令的發(fā)
送，并銷毀發(fā)送后的命令，根據(jù)當(dāng)前位置獲取下一個
命令進行發(fā)送流程。
在一些應(yīng)用場景下，由于通信協(xié)議的限定H J，
一條完整的命令需要被分成2—3次進行發(fā)送，故命
令池中的命令包設(shè)計成命令隊列的形式。在命令隊
列中，當(dāng)遇到優(yōu)先級別較高的命令時，需要判斷是否
允許被插包。命令發(fā)送完畢后也需要判斷是否銷
毀，類似一些控制命令只發(fā)送一次，就需要被銷毀，
而普通的巡檢命令因需要循環(huán)發(fā)送，因此不需要被
銷毀。
3．2單次通信管理流程
單次通信管理流程是對單一命令的通信過程的
管理。通過計算理論等待時間，在該時間段內(nèi)，接收
到期望的數(shù)據(jù)，則返回給上層應(yīng)用系統(tǒng)，例如串口通
信時，理論等待時間計算公式為：(發(fā)送命令的字節(jié)
數(shù)+期望接收的字節(jié)數(shù)+2)×11×1 000／當(dāng)前通
信速率)+當(dāng)前命令等待偏移量。在理論等待時
間后未接收完畢，則根據(jù)需要重發(fā)。接收完畢后將
數(shù)據(jù)返回給上層應(yīng)用程序。其流程如圖5所示。
發(fā)送當(dāng)前命令，
并記錄發(fā)送次數(shù)
計算理論等待時間
Y
理論等待時間／ ’＼、、帚璺發(fā)j羞的次
i!
等待一個時間片
返回接收數(shù)據(jù)
給上層應(yīng)用程序
4應(yīng)用說明
i翌
宣告通訊失敗
圖5單次通信過程流程圖
其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)在使用通信控制組件時，需要首
先添加本組件引用，定義通道參數(shù)并初始化通道，訂
閱數(shù)據(jù)發(fā)送、接收、無響應(yīng)等事件，向消息隊列增加
命令包后即可啟動通信過程，通信控制組件接收數(shù)
據(jù)或者判斷無響應(yīng)后，將結(jié)果發(fā)布給業(yè)務(wù)系統(tǒng)，業(yè)務(wù)
系統(tǒng)再進行后續(xù)工作的處理。對于業(yè)務(wù)系統(tǒng)來說，
只需要將命令包組織并添加成功，并啟動通信過程
即可，不需要管理其中復(fù)雜的通信過程。業(yè)務(wù)系統(tǒng)
可以專心處理其他業(yè)務(wù)例如界面查詢、報表打印等。
在命令包的組織過程中，心跳和巡檢命令為最
常用的命令。心跳命令為檢測網(wǎng)絡(luò)上設(shè)備是否存
在，類似于心跳的命令，一般起輔助作用。這種命令
的特性是一發(fā)一收，收到即說明設(shè)備存在，沒收到即
說明設(shè)備掉線。
(下轉(zhuǎn)第89頁)
萬方數(shù)據(jù)
2015年第6期煤礦機電·89·
該結(jié)構(gòu)緊湊、運行可靠，外形及安裝尺寸與“四星
形”結(jié)構(gòu)完全一樣，易于實現(xiàn)在線監(jiān)測及預(yù)防性試
驗，保證裝置的運行安全性和可靠性。
本公司從2012年開始對部分變電站改造更換
為一六柱全相式雙安全保護裝置，到目前為止運行
狀況平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)任何異?，F(xiàn)象。
A
B C
元件”結(jié)構(gòu)新組合方式，由六只氧化鋅避雷器采用
“Y．△”接線的組合方式集成在一起，是兼顧相間、
相對地過電壓保護的布置方式，完全保持了氧化鋅
避雷器的優(yōu)異特性。但這類六柱保護器每年要做一
次預(yù)防性試驗，同時除去產(chǎn)品表面的灰塵，試驗項目
有：
1)直流U。。。參考電壓試驗，其值不小于技術(shù)
參數(shù)表中的規(guī)定值。
2)0．75倍直流參考電壓下泄漏電流，其值應(yīng)
小于50斗A。
參考文獻：
[1] 許穎．3～66 kV交流無間隙金屬氧化物避雷器持續(xù)運行電壓
技術(shù)參數(shù)問題『J]．電網(wǎng)技術(shù)，1996(6)：35-39．
圖2 六柱全相雙安全保護裝置示意圖[2] 艾建紅，康定增，王學(xué)葵，等．組合式過電壓保護器發(fā)展動態(tài)
[J]．電力設(shè)備，2012，15(10)：24-27．
4 結(jié)譚[3] 閻中華．帶串聯(lián)間隙金屬氧化物避雷器的研究與開發(fā)[J]．電
。硐“
瓷避雷器，1990(1)：1-8．
采用“四星形”接法的帶間隙組合式過電壓保[4]李學(xué)思·三相組合式氧化鋅避雷器?·電瓷避雷器，1989(1)：
護器，即“采用三臺避雷器星形連接后經(jīng)第四臺避?！埃唬?雷器接地的接線方式”9其保護效果差，事故率高。誓耄呈耋震雩萇萼≥≥害意善霧鬈篡主萎嘗黧北大學(xué)
無論是否有間隙，在單相接地故障時，過電壓耐受能(收稿日期：2015-05一07；責(zé)任編輯：姚克)
力較差，難以滿足正常絕緣配合的需求。使用“六
(上接第86頁)
心跳命令將自動銷毀標(biāo)志置為TRUE，發(fā)送完
畢后自動銷毀。巡檢命令為常規(guī)命令，定時或者循
環(huán)向設(shè)備獲取數(shù)據(jù)，一般是依據(jù)設(shè)備的編號，循環(huán)發(fā)
送。巡檢命令將自動銷毀標(biāo)志置為False，在命令隊
列中循環(huán)發(fā)送，若想按照設(shè)備標(biāo)簽順序進行巡檢命
令，每次新增命令的時候，調(diào)用排序接口，將命令包
排序。
其他命令例如控制命令，可將優(yōu)先級別設(shè)置成
最高，這樣保證當(dāng)系統(tǒng)需要發(fā)送設(shè)備控制命令時，能
即時發(fā)送。對于電子顯示牌命令，要求以最后一次
發(fā)出的命令為準(zhǔn)，即對于同一地址來說，如果有多條
命令，僅發(fā)送最后一次的命令，將電子顯示牌的優(yōu)先
級別設(shè)置為最低，命令包參數(shù)中的自動替換標(biāo)志設(shè)
置成TRUE即可實現(xiàn)。
5結(jié)語
通信控制組件已經(jīng)開發(fā)完成并通過測試，并用
于井下物流管理系統(tǒng)、井下信息發(fā)布系統(tǒng)等監(jiān)控系
統(tǒng)的開發(fā)，有效地降低了軟件開發(fā)的工作量，縮短了
軟件的開發(fā)周期。上述系統(tǒng)在開發(fā)周期上有效的縮
短了3個人月的開發(fā)和測試時間。測試結(jié)果表明，
通信控制組件在壓力測試下能7天無故障運行，通
信完成率為100％。以上系統(tǒng)在成莊煤礦、口孜東
煤礦、陽煤一礦等現(xiàn)場進行了應(yīng)用，長期運行中驗證
了軟件的可靠性、穩(wěn)定性。
參考文獻：
[1]孫繼平．煤礦井下安全避險“六大系統(tǒng)”的作用和配置方案
[J]．工礦自動化，2010(11)：1-4．
[2] 萬豪，史浩山，林卓，等．基于訂閱發(fā)布機制的中間件系統(tǒng)設(shè)計
與實現(xiàn)[J]．計算機測量與控制，2012(9)：2551-2554．
[3]徐寧博．基于發(fā)布訂閱機制的數(shù)據(jù)交換平臺研究與實現(xiàn)[D]．
河北：河北工程大學(xué)。2012．
[4] 陳業(yè)．礦用供電保護器MODBUS協(xié)議解析[J]．可編程控制
器與工廠自動化，2014(10)．83-84，96．
作者簡介：張羽(1980一)，女，S-程師?，F(xiàn)主要從事煤礦安全管理系
統(tǒng)的研究工作。
(收稿日期：2015—07—03；責(zé)任編輯：姚克)

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