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煤矿安全生产系统中通信控制组件的设计应用

文档作者：张羽文档来源： (天地(常州)自动化股份有限公司		点击数：	更新时间： 2021年12月06日
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·84· 煤矿机电2015年第6期
张羽．煤矿安全生产系统中通信控制组件的设计应用[J]．煤矿机电，2015(6)：84．86，89．doi：10．16545／j．
cnki．cmet．2015．06．024
煤矿安全生产系统中通信控制组件的设计应用术
张羽
(天地(常州)自动化股份有限公司，江苏常州213015)
摘要： 在煤矿安全生产过程中，多种信息化监控软件，例如煤矿安全生产监控系统，人员定位系
统、紧急避险系统等，都通过有线、无线等多种方式，与矿井多种传感器进行数据通信，获取传感器
数据，判断安全生产环境或获取生产数据。在这些系统中，无论是哪种形式的网络链路，都存在通
信控制功能。对此，从各种应用系统的实际需求出发，通过设计命令池及控制流程，研究设计了一
种广范应用于煤矿各类监控系统的通信控制组件，极大地缩短了各产品的开发周期，提高了开发效
率和产品的稳定性、可靠性。通信控制组件设计在多个系统中已得到广泛应用，经长期运行实践，
验证了软件的可靠性和稳定性。
关键词： 煤矿安全生产；通信控制组件；订阅发布
中图分类号：TP399 文献标识码：B 文章编号：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
以煤矿安全避险六大系统为首的安全生产系统
是避免或减少瓦斯、火灾等重特大事故发生，应急救
木天地(常州)自动化股份有限公司研发项目(14SY001-04)
援和紧急避险的有效措施⋯。这类生产系统均是
通过对煤矿井下各传感器数据的采集，实时监测或
预测生产环境(包括人员位置)。
通信过程的控制，包括命令发送、等待响应、命
令接收、是否需要重发等，是确保通信数据稳定和可
万方数据
2015年第6期煤矿机电·85·
靠的重要过程。本文研究了一种可广泛应用于煤矿
安全生产中的通信组件，通过设置参数和调用接口，
能满足不同的应用场景的需求，有效缩短了各业务
系统的开发周期，集中力量进行组件维护，能有效提
高组件的可靠性和稳定性。
1通信控制组件的设计
通信控制组件设计了消息队列来管理命令，并
设计了一套通信流程，按照不同业务系统赋予的命
令的特性进行整个通信过程。
1．1整体设计
通信控制组件的整体数据流设计如图l所示。
各业务系统通过调用接口，向组件消息队列发布命
令，通信控制模块获取消息队列中的命令进行单次
通信过程，并将接受数据返回给业务系统，并不断循
环此过程。
图1组件数据流图
在通信控制组件中，管理的对象是命令，本组件
采用消息队列来管理命令。队列的主要目的是提供
路由并保证消息的传递，如果发送消息时接收者不
可用，消息队列会保留消息，直到可以成功地传递
它。消息队列一般按照先进先出的原则进行消息的
传递，消息传递完毕后即被及时销毁。对于该组件
的应用场景，因为一些特殊命令例如巡检命令，必须
滞留在组件内部进行循环发送，故设计了一种可满
足命令的存取、持久化、排序、销毁等一系列功能的
消息队列。队列持久化到本地，可保证队列中的命
令在组件重启时不丢失。队列可以按照命令的设备
标签采用冒泡法排序。队列采用指针记录当前命令
发送位置，当遇到优先级别高的命令插包后，可以快
速恢复到原来位置继续发送。
1．2组件功能设计
通信控制组件的系统功能如图2所示，组件功
能主要有消息队列、通信过程控制及对外发布接口
组成。消息队列包括命令生命周期管理，优先级别
管理。通信过程控制模块主要包括通信通道维护和
单次通信过程管理。对外接口则负责接收命令、发
布和接收通信数据以及应答数据的反馈。
通信控制组件
消息队列l l通信过程控制l l对外接13
圆圈斟国斟斟斟倒
2关键技术
组件如何与各业务系统采用松耦合的方式进行
通信，即只需要把消息传递，而无须理会对方是否收
到，降低了组件和业务系统的依赖，不会互相干扰而
造成系统奔溃。订阅发布是具有异步的、多点通信
的特点。2j，可以高效并且可靠的在分布式组件直接
传输信息。组件的设计采用订阅发布模式，向各个
业务系统提供接口，用于应答的反馈。
订阅发布是指用户可以订阅发布订阅系统中感
兴趣的信息，在发布订阅系统中主要有消息发布者、
消息订阅者和发布订阅服务器旧j。各业务系统(订
阅者)首先向发布／订阅中间件注册一个订阅条件，
当通信控制过程(发布者)把接收到的数据发送到
服务器，服务器根据订阅条件与消息进行匹配比较，
把消息发送给符合订阅条件的各业务系统(订阅
者)，发布／订阅系统的模型如图3所示。
3关键流程设计
通信控制组件的关键流程有通信主流程和单次
通信管理流程。
万方数据
·86· 煤矿机电2015年第6期
图3发布订阅的模型图
3．1通信管理主体
通信管理主体是整个通信控制组件的主流程，
负责循环的对消息队列中的命令进行通信的发布，
此流程主要保证消息队列中的命令按照优先级别、
用户制定顺序进行准确无误的发送。流程图如图4
所示。
启动通讯
获取当前位置下
应该发送的命令
第攀一条够命令岁／
＼，／
0N 3墓鑫鑫曩耄≥K耍喜篙蠢攀墨>o
发送当前命令
发送优先级别
较高的命令
销毁该命令
图4通信管理主体流程图
通信管理主体启动通信后，获取当前命令包的
第一条命令，记录当前位置，判断是否有优先级别更
高的命令和是否允许被插包后，进行当前命令的发
送，并销毁发送后的命令，根据当前位置获取下一个
命令进行发送流程。
在一些应用场景下，由于通信协议的限定H J，
一条完整的命令需要被分成2—3次进行发送，故命
令池中的命令包设计成命令队列的形式。在命令队
列中，当遇到优先级别较高的命令时，需要判断是否
允许被插包。命令发送完毕后也需要判断是否销
毁，类似一些控制命令只发送一次，就需要被销毁，
而普通的巡检命令因需要循环发送，因此不需要被
销毁。
3．2单次通信管理流程
单次通信管理流程是对单一命令的通信过程的
管理。通过计算理论等待时间，在该时间段内，接收
到期望的数据，则返回给上层应用系统，例如串口通
信时，理论等待时间计算公式为：(发送命令的字节
数+期望接收的字节数+2)×11×1 000／当前通
信速率)+当前命令等待偏移量。在理论等待时
间后未接收完毕，则根据需要重发。接收完毕后将
数据返回给上层应用程序。其流程如图5所示。
发送当前命令，
并记录发送次数
计算理论等待时间
Y
理论等待时间／ ’＼、、帚璺发j羞的次
i!
等待一个时间片
返回接收数据
给上层应用程序
4应用说明
i翌
宣告通讯失败
图5单次通信过程流程图
其他业务系统在使用通信控制组件时，需要首
先添加本组件引用，定义通道参数并初始化通道，订
阅数据发送、接收、无响应等事件，向消息队列增加
命令包后即可启动通信过程，通信控制组件接收数
据或者判断无响应后，将结果发布给业务系统，业务
系统再进行后续工作的处理。对于业务系统来说，
只需要将命令包组织并添加成功，并启动通信过程
即可，不需要管理其中复杂的通信过程。业务系统
可以专心处理其他业务例如界面查询、报表打印等。
在命令包的组织过程中，心跳和巡检命令为最
常用的命令。心跳命令为检测网络上设备是否存
在，类似于心跳的命令，一般起辅助作用。这种命令
的特性是一发一收，收到即说明设备存在，没收到即
说明设备掉线。
(下转第89页)
万方数据
2015年第6期煤矿机电·89·
该结构紧凑、运行可靠，外形及安装尺寸与“四星
形”结构完全一样，易于实现在线监测及预防性试
验，保证装置的运行安全性和可靠性。
本公司从2012年开始对部分变电站改造更换
为一六柱全相式双安全保护装置，到目前为止运行
状况平稳，没有出现任何异常现象。
A
B C
元件”结构新组合方式，由六只氧化锌避雷器采用
“Y．△”接线的组合方式集成在一起，是兼顾相间、
相对地过电压保护的布置方式，完全保持了氧化锌
避雷器的优异特性。但这类六柱保护器每年要做一
次预防性试验，同时除去产品表面的灰尘，试验项目
有：
1)直流U。。。参考电压试验，其值不小于技术
参数表中的规定值。
2)0．75倍直流参考电压下泄漏电流，其值应
小于50斗A。
参考文献：
[1] 许颖．3～66 kV交流无间隙金属氧化物避雷器持续运行电压
技术参数问题『J]．电网技术，1996(6)：35-39．
图2 六柱全相双安全保护装置示意图[2] 艾建红，康定增，王学葵，等．组合式过电压保护器发展动态
[J]．电力设备，2012，15(10)：24-27．
4 结谭[3] 阎中华．带串联间隙金属氧化物避雷器的研究与开发[J]．电
。硐“
瓷避雷器，1990(1)：1-8．
采用“四星形”接法的带间隙组合式过电压保[4]李学思·三相组合式氧化锌避雷器⋯·电瓷避雷器，1989(1)：
护器，即“采用三台避雷器星形连接后经第四台避。“．一． 雷器接地的接线方式”9其保护效果差，事故率高。誓耄呈耋震雩苌萼≥≥害意善雾鬈篡主萎尝黧北大学
无论是否有间隙，在单相接地故障时，过电压耐受能(收稿日期：2015-05一07；责任编辑：姚克)
力较差，难以满足正常绝缘配合的需求。使用“六
(上接第86页)
心跳命令将自动销毁标志置为TRUE，发送完
毕后自动销毁。巡检命令为常规命令，定时或者循
环向设备获取数据，一般是依据设备的编号，循环发
送。巡检命令将自动销毁标志置为False，在命令队
列中循环发送，若想按照设备标签顺序进行巡检命
令，每次新增命令的时候，调用排序接口，将命令包
排序。
其他命令例如控制命令，可将优先级别设置成
最高，这样保证当系统需要发送设备控制命令时，能
即时发送。对于电子显示牌命令，要求以最后一次
发出的命令为准，即对于同一地址来说，如果有多条
命令，仅发送最后一次的命令，将电子显示牌的优先
级别设置为最低，命令包参数中的自动替换标志设
置成TRUE即可实现。
5结语
通信控制组件已经开发完成并通过测试，并用
于井下物流管理系统、井下信息发布系统等监控系
统的开发，有效地降低了软件开发的工作量，缩短了
软件的开发周期。上述系统在开发周期上有效的缩
短了3个人月的开发和测试时间。测试结果表明，
通信控制组件在压力测试下能7天无故障运行，通
信完成率为100％。以上系统在成庄煤矿、口孜东
煤矿、阳煤一矿等现场进行了应用，长期运行中验证
了软件的可靠性、稳定性。
参考文献：
[1]孙继平．煤矿井下安全避险“六大系统”的作用和配置方案
[J]．工矿自动化，2010(11)：1-4．
[2] 万豪，史浩山，林卓，等．基于订阅发布机制的中间件系统设计
与实现[J]．计算机测量与控制，2012(9)：2551-2554．
[3]徐宁博．基于发布订阅机制的数据交换平台研究与实现[D]．
河北：河北工程大学。2012．
[4] 陈业．矿用供电保护器MODBUS协议解析[J]．可编程控制
器与工厂自动化，2014(10)．83-84，96．
作者简介：张羽(1980一)，女，S-程师。现主要从事煤矿安全管理系
统的研究工作。
(收稿日期：2015—07—03；责任编辑：姚克)

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