煤礦井下區(qū)域協(xié)同控制分站的設(shè)計

邵 嚴(yán)

（1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400039；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶400037）

傳統(tǒng)智慧礦山模型中，安全監(jiān)控統(tǒng)、井下人員定位、井下通信等業(yè)務(wù)各成系統(tǒng)，在感知層、網(wǎng)絡(luò)層及應(yīng)用層都沒有關(guān)聯(lián)，當(dāng)出現(xiàn)突發(fā)事件時，各自為戰(zhàn)[1-4]。現(xiàn)有井上采用融合服務(wù)器實現(xiàn)多系統(tǒng)融合、聯(lián)動的方式響應(yīng)速度不僅受到各系統(tǒng)巡檢周期的限制，而且應(yīng)急聯(lián)動效果依賴于井上、井下網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量[5-7]。介紹了一種煤礦井下多系統(tǒng)協(xié)同控制分站（以下簡稱為協(xié)同控制分站），該分站不僅可實現(xiàn)了安全監(jiān)控系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、應(yīng)急廣播系統(tǒng)終端設(shè)備的數(shù)據(jù)接入，同時在脫離上位機軟件、發(fā)生突發(fā)事件的情況下，可實現(xiàn)跨區(qū)域安全監(jiān)控、人員定位、應(yīng)急廣播等多系統(tǒng)協(xié)同聯(lián)動[8]。

1 總體架構(gòu)

煤礦井下多系統(tǒng)協(xié)同控制分站基于高性能的STM32 系列MCU、采用一主四從多片MCU 協(xié)調(diào)工作的架構(gòu)開發(fā)。分站具有7 路RS485 總線接口，2 路RJ45 電口與2 路光通信網(wǎng)絡(luò)接口，滿足安全監(jiān)控系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、應(yīng)急廣播系統(tǒng)、信息引導(dǎo)等系統(tǒng)數(shù)據(jù)接入。以瓦斯傳感器實時狀態(tài)、采集數(shù)據(jù)作為多系統(tǒng)應(yīng)急聯(lián)動預(yù)案觸發(fā)條件，當(dāng)緊急情況發(fā)生時，迅速執(zhí)行設(shè)備就地控制，多方位引導(dǎo)人員緊急撤離。應(yīng)急聯(lián)動邏輯示意圖如圖1，當(dāng)工作面瓦斯傳感器超限，協(xié)同控制分站首先切斷綜采機供電，加大巷道送風(fēng)量，防止危險進一步擴大。同時驅(qū)動讀卡器向該區(qū)域內(nèi)員工發(fā)送緊急撤離命令，觸發(fā)應(yīng)急廣播終端、LED 指示牌通過聲音、文字、圖像等方式指導(dǎo)工人安全進行撤離。同時將井下情況上傳至上位機，通知調(diào)度人員組織相關(guān)人員緊急處理。

圖1 應(yīng)急聯(lián)動邏輯示意圖Fig.1 Schematic diagram of emergency linkage logic

2 協(xié)同控制分站硬件

協(xié)同控制分站硬件設(shè)計框圖如圖2。由數(shù)據(jù)處理單元與數(shù)據(jù)采集擴展單元2 部分組成。

圖2 協(xié)同控制分站硬件設(shè)計框圖Fig.2 Block diagram of hardware design for cooperative control substation

數(shù)據(jù)處理單元基于1 塊STM32F429 微處理器實現(xiàn)，數(shù)據(jù)采集擴展單元基于4 塊STM32F103 微處理器實現(xiàn)，數(shù)據(jù)處理單元與數(shù)據(jù)采集擴展單元之間通過高速串口通信是實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

協(xié)同控制分站應(yīng)可實現(xiàn)煤礦井下區(qū)域內(nèi)安全監(jiān)控系統(tǒng)傳感器、人員定位讀卡器、廣播終端、信息引導(dǎo)示屏等終端設(shè)備接入。其中，傳感器、讀卡器為RS485 總線通信，廣播終端為電口或光口以太網(wǎng)通信。因為讀卡器與傳感器通信協(xié)議不同，并且精確人員定位人員位置信息采集密集、數(shù)據(jù)量大，如果單條總線實現(xiàn)讀卡器、傳感器混接，會因讀卡器數(shù)據(jù)長時間占用總線資源，影響傳感器數(shù)據(jù)實時采集。因此，采用不同總線接口分別實現(xiàn)傳感器、讀卡器數(shù)據(jù)采集。

數(shù)據(jù)采集擴展單元主要實現(xiàn)安全監(jiān)控系統(tǒng)總線型傳感器數(shù)據(jù)采集。基于4 塊STM32F103 微處理器外加LBC184 TTL-RS485 接口驅(qū)動電路擴展出4 條獨立的RS485 總線接口，共可接入16 路總線型傳感器。數(shù)據(jù)處理單元RS485-5 總線實現(xiàn)電源信息采集的同時，還可實現(xiàn)瓦斯抽放、多參數(shù)傳感器等設(shè)備接入。AI1～AI8 可實現(xiàn)8 路開關(guān)量傳感器接入。DO1～DO8 為8 路電平控制信號輸出電路，控制斷電儀等控制設(shè)備。RS485-6 與RS485-7 實現(xiàn)4 路精確人員定位讀卡器或8 路區(qū)域型人員定位讀卡器接入。協(xié)同控制分站配備了1 塊支持2 路光通信和2路RJ45 電口通信的交換機模塊，該交換機模塊支持環(huán)網(wǎng)冗余功能與協(xié)同分站通過電口連接，可實現(xiàn)廣播終端設(shè)備的接入。

3 協(xié)同控制分站軟件

協(xié)同控制分站軟件框圖如圖3。

圖3 協(xié)同控制分站軟件流程框圖Fig.3 Software diagram of collaborative control substation

軟件基于UCOS 實時操作操作系統(tǒng)出色的任務(wù)調(diào)度機制，將每個邏輯功能模塊分解為獨立的任務(wù)，根據(jù)優(yōu)先級進行資源調(diào)度。軟件開始運行時首先對各種變量、任務(wù)、信號量、郵箱等進行初始化，之后系統(tǒng)開始在各個任務(wù)模塊中切換執(zhí)行。因為UCOS操作系統(tǒng)屬于搶占式系統(tǒng)，在任何一次發(fā)起任務(wù)調(diào)度時總是將資源優(yōu)先分給優(yōu)先級別高的、準(zhǔn)備就緒的任務(wù)。

瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)對異常情況發(fā)生觸發(fā)響應(yīng)實時性要求很高，因此相關(guān)數(shù)據(jù)采樣、邏輯處理等任務(wù)優(yōu)先級高于其他任務(wù)。數(shù)據(jù)處理單元通過串口輪詢方式獲取數(shù)據(jù)采集擴展單元4 個獨立的數(shù)據(jù)采集模塊中傳感器數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)內(nèi)容包括傳感器類型、狀態(tài)、參數(shù)值等信息。數(shù)據(jù)處理單元將讀取到的傳感器數(shù)據(jù)通過郵箱機制發(fā)送給邏輯處理任務(wù)，進行報警、斷電、風(fēng)電瓦斯閉鎖等邏輯判斷并執(zhí)行相應(yīng)的控制。同時通訊任務(wù)通過網(wǎng)絡(luò)TCP 通信將獲取到的數(shù)據(jù)打包上傳至上位機軟件。

根據(jù)上位機下發(fā)的設(shè)置信息判斷讀卡器類型，選擇對應(yīng)的通信協(xié)議，通過RS485-6、RS485-7 總線接口讀取人員定位讀卡器數(shù)據(jù)，同時分站也會將接收到的機緊急撤離、呼叫、群呼等命令發(fā)給對應(yīng)的讀卡器。當(dāng)傳感器或人員定位讀卡器出現(xiàn)異常或分站主通信終端時，數(shù)據(jù)存儲任務(wù)會對這些異常數(shù)據(jù)進行存儲。

應(yīng)急廣播終端作為客戶端同時與上位機、協(xié)同控制分站進行連接。基于TCP/IP 協(xié)議以客戶端模式在啟動后主動申請與控制分站進行連接，連接成功后協(xié)同控制分站將組播序號，UDP 通信端口號等信息發(fā)送至終端。正常情況下廣播終端播放上位機下發(fā)的音頻，當(dāng)觸發(fā)應(yīng)急聯(lián)動時控制分站基于UDP 協(xié)議向網(wǎng)絡(luò)上廣播終端發(fā)送報警音頻。

4 多系統(tǒng)應(yīng)急聯(lián)動

應(yīng)急聯(lián)動分為本地聯(lián)動和跨區(qū)域聯(lián)動2 種情況。本地聯(lián)動是指當(dāng)協(xié)同控制分站設(shè)置的觸發(fā)條件滿足時僅與本臺控制分站關(guān)聯(lián)的設(shè)備進行應(yīng)急聯(lián)動。跨區(qū)域聯(lián)動是指實現(xiàn)本地聯(lián)動的同時，還可以觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)中任1 臺或多臺控制分站實現(xiàn)跨區(qū)域的應(yīng)急聯(lián)動預(yù)案。

4.1 上位機軟件

應(yīng)急聯(lián)動邏輯觸發(fā)條件設(shè)置界面如圖4，對于模擬量傳感器觸發(fā)條件有“報警、斷電、故障”等選項，開關(guān)量傳感器有“零態(tài)、一態(tài)、斷線”等選項。每1組應(yīng)急聯(lián)動預(yù)案觸發(fā)條件可以由1 臺或多臺傳感器狀態(tài)組成，并且通過設(shè)置界面也可以選擇“同時滿足”即所有條件都滿足時或選擇“任一滿足”即只要1 個條件滿足即可觸發(fā)應(yīng)急聯(lián)動。

圖4 應(yīng)急聯(lián)動觸發(fā)條件上位機設(shè)置界面Fig.4 Setting interface of host computer for emergency linkage trigger condition

當(dāng)需要實現(xiàn)跨區(qū)域協(xié)同聯(lián)動時，則首先設(shè)置完成觸發(fā)條件后選擇“異地聯(lián)動選項”，然后選擇需要聯(lián)動的分站地址，進入聯(lián)動預(yù)案設(shè)置界面，在該界面可對要參與聯(lián)動的人員系統(tǒng)，應(yīng)急廣播系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備聯(lián)動邏輯進行設(shè)置。

4.2 協(xié)同控制分站聯(lián)動邏輯

應(yīng)急聯(lián)動任務(wù)實現(xiàn)多系統(tǒng)協(xié)同聯(lián)動功能，應(yīng)急聯(lián)動任務(wù)軟件流程圖如圖5。當(dāng)傳感器數(shù)據(jù)異常時協(xié)同控制分站通過讀取上位機下發(fā)的協(xié)同控制預(yù)案信息表，讀取關(guān)聯(lián)讀卡器信息及廣播終端信息，生成本地聯(lián)動邏輯，接著讀取異地聯(lián)動邏輯信息表，將本地與異地聯(lián)動邏輯結(jié)合，生成最終聯(lián)動邏輯執(zhí)行表。當(dāng)廣播播放語句與異地播放語句不同時，以本地為主。

圖5 應(yīng)急聯(lián)動任務(wù)軟件流程圖Fig.5 Software flowchart of emergency linkage task

協(xié)同控制分站基于UDP 協(xié)議結(jié)合應(yīng)答機制實現(xiàn)跨區(qū)域多協(xié)同分站應(yīng)急聯(lián)動[9-10]。當(dāng)本地控制分站聯(lián)動觸發(fā)條件滿足時且定義了跨區(qū)域聯(lián)動邏輯，控制分站將參與控制分站地址、參與讀卡器地址、廣播終端IP 地址與報警語句編號通過UDP 協(xié)議發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上，并等待被控分站應(yīng)答信息。被控控制分站收到UDP 數(shù)據(jù)幀后將本地地址與數(shù)據(jù)幀信息比較，若存在則保存該聯(lián)動信息并立即執(zhí)行，直到收到結(jié)束數(shù)據(jù)指令幀后清除配置信息，停止聯(lián)動。

5 測試驗證

測試環(huán)境搭建示意圖如圖6，1#、2#、3#3 臺協(xié)同控制分站利用交換機模塊組成環(huán)網(wǎng)，2#分站、3#分站分別接入1 臺甲烷傳感器、斷電儀，人員定位讀卡器和廣播終端，設(shè)備通信地址如圖中。

圖6 測試環(huán)境搭建示意圖Fig.6 Schematic of the environment set up for testing

第1 組測試條件設(shè)定為：采用傳統(tǒng)地面融合聯(lián)動服務(wù)器實現(xiàn)應(yīng)急聯(lián)動預(yù)案，當(dāng)2#甲烷傳感器數(shù)值超過1.5%時，本地控制口斷開5 號斷電儀開關(guān)，同時觸發(fā)2#、3#讀卡器向區(qū)域內(nèi)所有標(biāo)識卡發(fā)出緊急撤離命令，IP 地址為192.168.1.1 和192.168.1.2 的2臺廣播同時語音報警；第2 組測試條件設(shè)定為：基于協(xié)同控制分站實現(xiàn)井下跨區(qū)域應(yīng)急聯(lián)動，觸發(fā)條件和聯(lián)動預(yù)案與第1 組完全相同，預(yù)案下發(fā)給分站后斷開與上位機通信。對應(yīng)設(shè)備響應(yīng)時間測試結(jié)果見表1。

表1 設(shè)備響應(yīng)時間記錄Table 1 Records of device response time

從表1 中測試結(jié)果可以得出協(xié)同控制分站在脫離上位機的情況下依然能夠?qū)崿F(xiàn)跨區(qū)域應(yīng)急聯(lián)動，相比基于地面服務(wù)器實現(xiàn)方式，脫離上位機軟件后無法實現(xiàn)，類似于當(dāng)煤礦井下主干網(wǎng)通信受到干擾時后者無法實現(xiàn)多系統(tǒng)應(yīng)急聯(lián)動，而且響應(yīng)速度基于協(xié)同控制分站也有明顯優(yōu)勢。

6 結(jié) 語

設(shè)計了一種煤礦井下區(qū)域協(xié)同控制分站，煤礦井下跨區(qū)域協(xié)同控制分站具有以下幾點特點：脫離上位機的情況下可實現(xiàn)安全監(jiān)控、人員定位、井下廣播系統(tǒng)協(xié)同應(yīng)急聯(lián)動；與地面服務(wù)器實3 個系統(tǒng)應(yīng)急聯(lián)動向比，不受個系統(tǒng)巡檢周期的制約，響應(yīng)時間快；3 個系統(tǒng)數(shù)據(jù)均由協(xié)同分站環(huán)網(wǎng)傳輸，與傳統(tǒng)各自系統(tǒng)獨立建設(shè)需要3 套環(huán)網(wǎng)相比，節(jié)約了大量的人力、財力。目前協(xié)同控制分站已在烏海能源公司黃白茨、老石擔(dān)、五虎山等10 余座礦井使用，產(chǎn)品的穩(wěn)定性、先進性、創(chuàng)新型得到了使用單位的高度認(rèn)可和一制好評。