一種井下分站自主實現快速異地斷電的方法

高旭彬

（1.中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，山西 太原 030006；2.煤礦采掘機械裝備國家工程實驗室，山西 太原 030006）

安全監控系統在保障井下人員生命安全、正常生產過程中起著重要的作用[1-3]。分站作為重要的傳輸環節，主要實現甲烷、一氧化碳、氧氣、風機開停等實時數據采集，以及當環境參數異常時報警、斷電和閉鎖控制等功能[4-5]。由于受安裝位置、通信距離等條件限制，斷電儀等設備往往無法和關聯傳感器等感知設備安裝在同一臺分站下，只能跨分站安裝實現異地斷電。目前國內主流的安全監控系統實現異地斷電的方法均基于地面上位機中心站實現，如甲烷傳感器超限時，如通過分站-中心站-分站-斷電儀[6-9]，該過程至少2個巡檢周期才能實現，造成控制響應延時，并且當上位機中心站軟件與井下出現通信故障時，所有異地控制均無法正常執行。為此，設計了一種快速實現井下異地斷電的方法，不僅在脫離中心站軟件的情況下正常完成跨分站異地斷電，而且全過程均由井下分站之間自主通信實現，不受巡檢周期影響，大幅提升了響應速度。

1 井下分站自主快速異地斷電方法總體設計

煤礦安全監控系統架構示意框圖如圖1。

圖1 安全監控系統組成框圖Fig.1 Block diagram of coal mine safety supervision

2016年國家煤礦安監局印發的《煤礦安全監控系統升級改造技術方案》中明確規定，截止于2020年底煤礦井下分站至交換機必須采用以太網傳輸[10]。UDP傳輸協議相比于TCP/IP協議具有高實時性、可實現多節點數據傳輸的特點。考慮到UDP通信協議缺少握手、連接機制，因此在應用層軟件增加應答機制，從而確保數據通信的可靠性。再加上UDP傳輸協議在局域網內通信失敗率極低，井下監測分站都在同一局域網內，數量不會龐大，因此傳輸質量可以得到保障。分站都會以固定周期向網絡上以UDP廣播的方式發送3個字節的心跳信息，向其它分站表示在線。將參與異地斷電發起控制命令幀的分站成為主站，接收控制命令幀分站成為從站，表示具體控制邏輯的信息稱為控制命令字。當環境參數出現異常時，主站快速將生成的控制命令幀以UDP通信協議的方式在設定的端口號廣播出去，所有從站通過監聽、分析該端口收到數據信息執行控制，并回發應答信息至主站。

2 主站軟件實現

每臺主站可接入模擬量、開關量傳感器共16臺，異地斷電邏輯由中心站軟件下發至主站，邏輯中包含主站每一臺傳感器每一個狀態對應的被控從站通信地址號、控制命令字等信息。模擬量傳感器可參與異地斷電的狀態有上報、上控、下報、下控、故障、預熱、斷線7個狀態；開關量傳感器有0態、1態、故障、斷線、預熱等5種狀態。每臺傳感器每種狀態均可對6臺從站進行異地控制。主站通過輪詢的方式對傳感器數據進行采集、分析，當出現異常狀態時主站根據中心站下發的斷電邏輯進行查詢、比對，若該傳感器此異常狀態參與相關控制，則將控制信息填充到UDP報文中。主站軟件流程圖如圖2。

圖2 主站軟件流程圖Fig.2 Software flowchart of main site

將傳感器狀態未改變之前的狀態稱為“前狀態”，變化后的狀態稱為“后狀態”，因為同一時刻傳感器只能為單一狀態，狀態的改變可分為“正常-異常”、“異常-異常”“異常-正常”，不同異常狀態對應的斷電邏輯不相同，當傳感器狀態發生變化時，前狀態對應控制邏輯應被撤銷，因此UDP控制幀報文中不僅要包含后狀態從站地址及控制信息，也應包含前狀態關聯分站地址以及控制信息取消指令，避免出現控制異常。UDP報文內容包括幀頭、主站地址號、命令字、數據幀長度、傳感器地址號、傳感器類型、傳感器前狀態碼、傳感器前狀態關聯從站地址及控制信息、傳感器后狀態碼、傳感器后狀態關聯從站地址及控制信息、CRC校驗等。當UDP報文以廣播形式發送后，主站監聽報文中所有關聯從站的應答信息，若等待1 s后未收到某臺分站應答，則通過心跳信息判斷該分站是否在線，若在線，則重新生成控制幀報文再次發送，直到所有在線從站均正常恢復應答信息。若關聯從站未在線，主站將該從站斷電邏輯異常執行信息反饋給中心站軟件，并將該邏輯信息保存，當檢測到該從站在線后立即重新發送。

3 從站軟件實現

從站內部建立1張由分站地址、傳感器號、傳感器狀態、對應控制字等信息相對應的異地斷電數據表，用來存儲所有主站地址、受控條件及受控命令字。從站軟件流程圖如圖3。

圖3 從站軟件流程圖Fig.3 Software flowchart of slaves site

從站實時監聽UDP端口數據，當收到控制幀數據并且校驗通過后查詢本站地址是否包含在控制幀數據中，若包含則將對應的控制命令字更新至數據表中，并回復應答信息。應答信息內容包含幀頭、本地地址、命令字、幀長度、受控傳感器地址、受控傳感器狀態、接收到的控制命令字、CRC校驗等信息。若不參與則不執行任何操作。最終異地斷電命令字由異地斷電數據表中所有控制命令字進行“或”運算生成。為防止由于主站通訊故障造成斷電異常，當主站傳感器參與斷線觸發異地斷電邏輯時，上位機軟件在向主站下發控制邏輯的同時也會向被控從站下發主站斷線控制邏輯，控制命令字與主站傳感器斷線控制命令字相同。當從站未監聽到主站心跳時，可以認為主站上所有傳感器都處于斷線狀態，此時執行主站斷線控制邏輯。

4 上位機設計

上位機軟件設置界面如圖4，左側點號為煤礦井下所有分站所有控制口信息，如006C04表示6號分站4號控制口，右側選項框表示傳感器觸發異地斷電時應滿足的條件。

圖4 應急聯動任務軟件流程圖Fig.4 Software flowchart of PC software

5 測試驗證

測試環境搭建示意圖如圖5，1#、2#、3#3臺分站利用自帶的MOXA交換機模塊組成環網，2#分站、5#分站分別接入1臺甲烷傳感器，3#分站、4#分站分別接入1臺斷電儀。

圖5 測試環境搭建示意圖Fig.5 Schematic of the environment set up for testing

斷電時間測試試驗共分2組，每組分別進行3次。第1組測試條件設定為：基于分站實現井下異地控制，2#分站接入的2#甲烷傳感器斷電值設置為1.5，控制3#分站接入的5#斷電儀和4#分站接入的6#斷電儀；第2組測試條件設定為：基于上位機實現井下異地控制，其它設置同第1組測試條件。試驗數據記錄表見表1。

表1 試驗數據記錄表Table 1 Experimental data record table

由試驗結果可以得出，基于井下分站自主實現異地斷電響應時間明顯優于基于上位機實現方式。并且在試驗過程中在圖中網絡測試點1處將網絡斷開，基于分站實現井下異地斷電在脫離上位機的情況仍能正常完成，而基于上位機無法正常實現，說明前者可靠性更高。

6 結語

基于分站自主實現異地斷電的方法具有以下幾點特點：①脫離上位機的情況下仍可可實現異地斷電功能；②與上位機實現異地斷電方式相比，不受系統巡檢周期的制約，具有響應速度快的特點。目前該方法已在烏海能源公司黃白茨、老石擔、五虎山等10余座礦井使用，產品的穩定性、先進性、創新性得到了能源公司的高度認可和礦方的一制好評。