摘 要：虽然目前新能源快速地发展，但是煤炭在我国的主要能源中仍然占据很大的比重，煤矿生产领域的发展历史悠远长久，经历过多次重大变革。目前的煤矿生产行业，随着自动化子系统的持续不断的增加，监控系统也就慢慢的变多。这些监控系统大多数独立部署，有独立的服务器，需要不同的管理人员分别维护，造成服务器的冗余、人力资源的浪费和数据处理的困难，降低煤矿作业的效率和成本。本设计利用阿里云物联网平台、物联网网关和西门子PLC等，结合云监控技术、MQTT物联网通信技术和互联网，实现了煤矿综合自动化系统的在线远程实时监控功能。
首先利用以太网口将物联网网关和基于西门子s7-1200PLC的煤矿综合自动化系统连接；其次利用MQTT通信技术将煤矿综合自动化系统通过网关接入到阿里云物联网平台；最后利用物联网平台在云端设计以web网页为用户应用的云监控系统。
云监控技术属于云计算领域的一部分，基本功能是通过不同的云计算架构，提供具有实时灵活安全可靠性并且扩展性强可用性好的监控手段，能够对定制化对象的性能数据来进行探测、收集、分析和告警等。近些年来，云监控技术一直是广泛受到学术界和工业界研究者的关注。
国外学者主要在理论方面做研究，研究方向细致深入，例如系统架构、监控手段优化、智能分析等，先后提岀了很多相关理论。Rodziah Atan研究了云计算服务的品质的保证之一SLA，并且提出了一种基于云计算的层次HA-SLA模型[10]；Fisher和Fletcher开发并讨论了使用开源硬件和软件以及互联网云组件的基本数据收集平台，为非专业人士提供可以修改和实施的一种工具[11]；Sari调查了云环境中异常监测系统和云安全措施，为越来越好的安全的使用云计算技术[12]；甬温刘和Moez Esseghir等人提出一种基于粗糙集理论的云服务参数重要性评估方法，该办法能够有效地计算云服务参数的重要性并对其进行排序[13]；Pluzhnik和Nikulchev等人提供了一种建立“在家”试点云的方案，该试点云具有调整仿真通道的宽度和数据传输延迟的能力，它还描述了实验设置的体系结构和配置，模块化结构能够最终靠计算机扩展[14]。
国内学者更多地关注工业应用领域，注重研究和设计实用的云监控系统架构，产学研结构推进云监控的发展。戴闽洪利用云服务器建立物联网监控系统实现了对制冷行业的云监控[18]；何学军、朱孝慈等实现了对智能立体车库的云监控管理系统的研究，并且设计了系统软件[9]；丁迎来实现了对智能电伴热控制管理系统的云监控和设计第三方软件和微信公众号用来绑定设备[19]；高松伟设计了对发电机组的云监控系统，利用云猫物联网平台监控数据[10]。
云监控服务是针对使用云计算技术的用户更好的提供的一种更加实时、安全、方便的监控系统。近些年，随工业物联网的加快速度进行发展，云监控服务的优势也不断被凸显出来，因此云服务器行业竞争力慢慢地增加，市场上出现各种品牌的云服务器，以及愈加完善的云平台服务。慢慢的变多的企业选择使用云监控系统代替传统的监控系统。对云监控系统的研究将会对工业生产带来跨越式的进步。
煤炭开采工作主要是在风险相对较大的环境下完成，不仅要考虑工作环境的风险，并且要时刻关注各种可能出现的外在风险，一旦没有实时正确的监控工况，发生生产安全事故的概率大幅度会上升。除此以外，由于煤矿开采的工作环境不同于生产环境，因此环境的变化会使煤矿开采与生产的风险更具有不确定性，很容易无法准确监测到风险，加大煤矿开采与生产的安全问题。而现代化的煤矿监控系统能够有实际效果的减少和预防一些可能问题，保障煤矿开采人员与生产人员的安全。
我国煤矿监控系统起步较晚。80年代初期，为了更好的提高煤矿开采和生产作业的安全性，先后从国外引进一些不同的煤矿生产监控系统。与此同时，随着不断了解煤矿生产监测监控系统，人们也更加重视学习和运用煤矿生产监控技术。中国开展了各种各样的煤矿安全监测监控系统的研究，取得了较好的效果，为煤炭企业监控系统的采购提供了更多选择。KJ1形矿井环境与生产监测系统的研制成功彻底的改变了我国过度依赖国外产品的状态。这一段时期的煤矿监控系统存在各种各样的问题，例如系统成本高复杂且维护困难，数据传输和信息处理能力平平以及系统容量小而且不是很能抗干扰。
90年代以后，煤矿监控系统开始接入计算机网络，矿区各部门实现了联网，但是不能随时随地的查看井下安全生产状况，不能再计算机网络中数据共享，给生产指挥调度带来不便。后来研究者们利用调制解调器、数据处理共享服务器、工程师站、大屏幕显示多屏处理机、各部门以及矿区领导计算机终端结合，融合了煤矿生产调度指挥系统与计算机网络的融合，实现监控数据的网络共享。
随着全矿区建立局域网，为了进一步共享资源和数据，并且让煤炭公司集团能够同步掌握各矿区的生产安全信息，进一步的将多个煤矿监控系统接入计算机网络实现全集团联网。这使得慢慢的变多的煤矿自动化系统中装配了多种监控系统，而各个监控系统相互独立，形成孤岛。加大了系统结构的复杂度和维护量，反而给安全生产和调度管理带来不便，抑制煤炭企业的信息化、智能化水平的发展。
在工业4.0时代，各行各业的自动化水准不断提高。在煤炭企业中，煤矿综合自动化系统利用自动化技术和通信技术，在矿区覆盖传感网络，采用工业以太网光纤环网和工业现场总线作为传输网络能够大规模满足实时性的传输需求，利用数据库技术搭建数据平台备份历史数据，共享和远程浏览数据，大大的提高了煤矿企业安全生产水平。
煤炭企业一直追求更安全、规范和更加现代化的建设，对煤矿综合自动化监控系统的实时性和智能化要求慢慢的升高。而云监控技术结合物联网和云计算技术，能够集合多个监控系统的数据，同时拥有统计和分析数据的功能，更安全、更加便宜。通过物联网平台开发手机端和web端的应用服务，能更方便的查看监控数据和设置参数。与此同时，厂家可以远程监控调试设备，减少一些外出工作任务和运行的成本，提高了工作效率。而这一应用也对别的行业很有重要的借鉴作用。
第一章主要介绍了云监控系统的研究背景及意义，并且介绍了目前煤矿综合监控系统的发展状况以及分析了云监控系统在煤矿综合自动化邻域的应用前景；第二章对云监控系统的设计的具体方案进行的简单描述和分析了功能需求；第三章详细的介绍了云监控系统的设计过程；第四章调试运行云监控系统，检验是不是满足功能需求和预期效果；第五章对本设计进行总结，分析不足和优点。
本系统是基于物联网平台和PLC设计的煤矿综合监控系统，主要涉及三层结构。第一层是设备域，可编程逻辑控制器PLC与物联网网关通讯，实现PLC的运行信息能够传递到网关，并通过网关配置软件实时监测并控制PLC的部分参数；第二层是网络域，物联网网关接入阿里云物联网平台，实现PLC的运行信息通过网关传递到物联网平台；第三层是应用域，设计Web网页供有一定权限的用户登录查看煤矿自动化系统运作状况。如图2-1系统结构示意图。
云监控系统要能够特定用户登录，登录之后能够设置基本信息参数。系统将会包含五个自动化子系统，分别为水泵系统、压风系统、提升系统、风机系统、供电系统。如图2-2煤矿综合自动化子系统组成。
水泵系统要的监测功能有能实时监测的水泵机组各工况的参数，包括水泵压力、负压、水位、流量、震动、温度、电压、电流、功率等。需要的压风机控制管理系统功能有压风机系统要设置四种的工作状态控制方式；压风机控制管理系统工作速度需要实时完成对风机的压力，最重要的包含压风机的出风进口压力、风包进口压力、润滑油进口压力、冷却水进口润滑油压力、压风机的出风进口和风包进口温度以及冷却水出口润滑油温度、震动、空压机总运转的时间以及压风机电机的温度、电流、电压、电机输出功率、日耗电量等电气参数，并为压风机提供对应的压风机控制管理系统的信号和保证压风机与风网的正常运行匹配；实时提升压风机系统工作速度需要实时监测钻机的深度、打点次数、制动油压、润滑油压、提升系统工作速度、电机电流、行程等，可选择高压换向或低频换向等；风机系统要的监测功能有能实时监测设备全/静压、全/静压效率、轴功等性能参数，实时监测风机配用电机的电气参数、状态参数，能控制风机的开停，具有无人厂房功能；供电系统要能对参与集中监控能遥测、遥信、遥控的各变电所。
（1）不仅仅可以监测各个煤矿综合自动化子系统的各个参数，还能对必要的参数做修改和控制；
（2）可以在一定程度上完成延迟较小的实时监控，云监控系统能提供实时和历史曲线、实时和历史报警；
（3）所使用的物联网平台支持随时升级和删除部分功能和设备，要求对数据的安全性提供保障，避免因为网络、服务器升级等不可抗力的因素导致数据的丢失和被窃取；
（4）具有用户管理的功能，能够赋予不同用户不同的权限。同时需要可视化开发应用需要易操作实用安全。
网关在整个物联网系统中相当关键，能够对采集的设备信息进行数据的传输、处理和分析，同时帮助突破设备直线限制，实现跨界处理，这下是物联网真正的用处。物联网目前需要的是紧跟最新的技术，将云计算技术集成到现有的基础架构中，通过云计算技术实现数据的传输、处理和分析。为实现这项技术与技术的结合，现在很多网关厂家做许许多多的尝试，增加新的软硬件模块，加快传统网关与新系统的连接部署，只向云端发送重要数据，是数据传输和存储成本的良好管理。当然任何一个人、公司或技术都不能单独实现物联网，需要物联网网关、云计算和第三方产品的合作。
物联网网关作为连接传统设备和网络的纽带，我们如何明智的选择合适的物联网网关也变得至关重要。网关的作用就像我们所熟知的“路由器”一样，网关可实现与第三方设备短距离连接通讯，然后将通讯的数据再通过物联网协议上传到网络。因此物联网网关应该具备的性能有如下：
目前市场上短距离连接的技术标准繁杂，各项技术都是针对具体的一项应用开发的，没办法实现在不同设备上流畅通讯，常常会出现兼容性问题。随着网关技术的发展国内外慢慢的出现一些标准化的技术实现各种通讯技术标准的通讯。现在主要的通讯网有：2G/3G/4G移动通讯、无线网、宽带，网关必须拥有这些网络的接口和相应的配置软件。
现在很多自动化系统监控网络庞大，需要监控的数据多且复杂，只有较强的数据处理能力才能应付要求的监控任务，实现监控系统信息化、高效化和稳定化管理。所以要求网关能够连接配置较高的计算机系统，如高速内存。
一个好的网关必不可少的就是讲个强大的工程管理器，能够对网关来管理，例如工程管理、网络配置、权限管理等。工程管理器还需要可以获取第三方设备的运行信息，用PLC举例网关可任意添加能够传输到网络的数字量或模拟量，在工程管理器中还能对这些参数做修改控制。最关键的是管理器中还需要有面向网络的对象设置，可以在一定程度上完成与网络同步监控第三方设备。
根据以上的各种各样的性能要求及本设计将要使用的第三方设备PLC，最终选择迈思德电气自动化有限公司的产品MHGateWay物联网网关。有两个以太网口，一个以太网口支持通过以太网连接西门子S7-1200，一个以太网口连接PC，然后通过本产品自带的工程管理器进行网络配置。该物联网网关还支持使用MQTT协议接入云服务器，利用工程管理器的对象设置显示与网络的互联互通。也能实现在工程管理器中添加和删除PLC的数据，既能实时监测也能手动控制PLC的状态信息。在保证价格合理的情况下满足本设计所需要的所有性能指标。
设备域中物联网网关选用的是迈思德电气自动化有限公司的产品MHGateWay物联网网关，MHGateWay物联网网关系列新产品是为局域网、互联网应用而设计的通讯解决方案。网关内建ARM9 400MHz低功耗处理器，板载128M DDR2内存，256MB NandFlash。整机采用9~24V直流供电，集成丰富的接口，2个或者4个串口（RS232、RS485），1个或者2个百兆以太网口，可选3G，方便用户连接各种现场设备，建立数据通道，对接系统软件和设备。
该产品提供配套的工程管理软件，它将数据库、脚本、配置等工程元素集中管理，工程人能清晰地查看工程的方方面面。工程浏览器简单易操作、方便高效。本次设计将会使用版本为MHGateWayDeviceV2.11.1的工程浏览器来实现PLC与网关的通讯。如图2-4网关设备和工程浏览器。
PLC选用的西门子S7-1200如图2-5，西门子S7-1200产品的核心是新的模块化，专门为工业生产提供的设备，体积小功能强大、适应能力强、扩展性高以及拥有完整强大的集成技术功能，使该控制器成为各种自动化系统的重要组成部分。煤矿综合自动化系统也将通过此控制器运行，监控最终将会包含五个子系统，分别是水泵系统、压风系统、提升系统、风机系统、供电系统。
与物联网网关的通讯是通过以太网接口连接，设置对应的IP地址实现设备互联。实现通讯后，将会在网关配置软件中添加煤矿综合自动化的各个子系统需要监控的参数，实现在网关配置软件中实时监控系统的运行状况。
物联网一词最早是于1999年在供应链管理中提出的。在过去的二十年里，已经应用到很多行业，如交通、环境、智能家居等广泛的应用。当前Internet从根本上演变为互连对象网络，不但可以从环境中获取信息（传感）并与物理世界进行交互（执行/命令/控制），还能够正常的使用现有的Internet标准来提供信息传输服务，分析，应用程序和通信。借助诸如蓝牙，射频识别（RFID），Wi-Fi和电话数据服务以及嵌入式传感器和执行器节点之类的开放无线技术上的支持的设备的普及，物联网已步入起步阶段，并正在慢慢地发展即将从当前的静态Internet转变为完全集成的Future Internet。互联网革命导致人们之间的互联以前所未有的规模和速度发展。下一个革命将是对象之间的互连，以创建一个智能环境。
通过将电气设备嵌入日常的物理对象中，使它们成为“智能”设备，并使它们无缝集成到全球产生的网络物理基础架构中，能轻松实现物理对象与广泛的服务和技术之间的计算/通信功能互连。在这种想法下，“物联网”（IoT）大范围的使用在以下两种情况：（1）通过扩展的Internet技术将智能对象互连的最终全球网络；（2）支持的集合，实现这一愿景所需的技术（包括RFID，传感器/执行器，机器对机器通信设施等）；（3）利用此类技术来开拓新业务和市场机会的应用程序和服务的集成。
同时物联网也面临着一些开放的挑战。除了包括架构，能效，安全性，协议和服务的品质的标准WSN挑战外，挑战还包括物联定的挑战，例如隐私，参与式感应，数据分析，基于GIS的可视化和云计算。频段和协议的标准化在实现这一目标中起着至关重要的作用。本设计是基于云平台开发的监控系统，该系统允许将网络，计算，存储和可视化主题分开，从而允许每个部门独立增长，但在共享环境中相互补充。这些主题中正在进行的标准化不会受到以云为中心的不利影响。也会正视了可视化海量数据分享和隐私，安全性和数据管理问题，在这样一些问题的基础上保证该平台真正可行。
物联网（IoT）环境中的机器对机器（M2M）实施太困难的原因之一，取决于自动化过程中不同设备的大量通信协议。据此，提出了一些在设备对设备通信中广泛采用的协议。这些协议之一是MQTT，该协议适用于将物理设备与Web开发中使用的应用程序连接，使其成为物联网和M2M的连接协议的最佳选择。表2-1中比较了不同协议之间的区别。显然，MQTT协议最适合用于煤矿作业应用中的自动化。
成功案例 公用事业现场区域网络 消费者自用家电的远程管理 Smart Energy Profile 2
网络域中物联网平台选用比较实惠的阿里云物联网平台，MHGateWay物联网网关支持接入该云服务器。阿里云物联网平台为设备提供安全可靠的连接通信能力，向下连接海量设备，支撑设备数据采集上云；向上提供云端API，服务端通过调用云端API将指令下发至设备端，实现远程控制。同时也提供了其他增值能力，如设备管理、规则引擎等，为各类IoT场景和行业开发者赋能。该平台下后期增减设备方便，收费主要按连接时长、消息数量和固件升级计费，对公司而言是相当使用优惠的选择。如图2-7阿里云物联网平台的主页。
MHGateWay网关与阿里云物联网平台需要用MQTT通讯协议，MQTT协议是物联网领域的一个主流协议。MQTT协议非常适合物联网领域，大多数传感器和设备都能接入并能进行数据交换。目前国内的主流IOT服务器厂商均能支持使用MQTT协议，比如腾讯云计算、阿里云计算等。一方面，实现MQTT协议格外的简单，网络链接可靠性和带宽要求都低；另一方面，协议本身处理突发事件时有一定自己的机制。
本次设计将会使用一个开源软件技小新-MQTT单片机编程小工具实现通过MQTT协议将网关接入阿里云物联网平台，通讯成功就可以激活在物联网平台添加的设备，只有激活了设备之后才能够直接进行后续的各种操作。如图2-8为设备激活状态的主页面。
云监控一般有两种说法，一个是云平台的性能监测，还有就是基于云计算技术的视频监控。本设计是基于云平台和现如今云的各项技术，例如云存储、云计算、数据中心等的集合，是将现如今一些超大型自动化系统的各项监控信息集中管理的又一项新的监控技术。这项技术将会推动工业自动化向互联网和IT云计算时代不断的前进。