安全監控系統瓦斯電閉鎖檢測裝置設計

戴萬波

(1.煤炭科學技術研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013；3.北京市煤礦安全工程技術研究中心，北京 100013)

0 引言

瓦斯電閉鎖的可靠性直接關系到煤礦作業人員生命安全，也是安全監控系統重要的一環[1-2]。隨著數字化安全監控系統的升級改造，目前安全監控系統多采用基于CAN總線的多主通信機制或基于RS485總線的主從通信機制[3-4]，通過截取甲烷超限報文時刻和斷電器斷電報文時刻來計算斷電時間。由于不同廠家監控系統通信機制、通信協議各不相同，且無法獲取通信協議，造成無法設計統一的監測程序實現瓦斯電閉鎖功能檢測。檢測方法和裝置的缺失對安標中心安全監控系統瓦斯電閉鎖技術指標檢測、煤礦安全生產和煤礦監管監察造成了極大的困難。

目前，針對縮短瓦斯電閉鎖斷電時間的研究較多。張金豪[5]針對RS485通信采用主從通信方法造成巡檢周期長的問題，提出了一種基于以太網+現場總線通信模式下的異地快速斷電的設計方案，極大地縮減了異地斷電時間。張偉杰[6]為了解決系統因掛接分站數量限制導致巡檢周期過長的問題，采用基于多線程的數據采集算法，縮短了系統的巡檢周期，有效提高了巡檢效率，確保異地斷電時間不超過20 s。上述研究均是從提高安全監控系統產品設計水平的角度出發，通過提高安全監控分站通信能力，縮短巡檢周期，從而提高瓦斯電閉鎖水平，對瓦斯電閉鎖斷電時間檢測有一定借鑒意義，但是在瓦斯電閉鎖檢測方面的研究很少。

為更加有效快速地檢測瓦斯電閉鎖斷電時間，本文基于傳感器通信切換和模擬傳感器報文發送的測試方法，設計了基于數字化傳輸的不受通信機制、通信協議制約的瓦斯電閉鎖檢測裝置。傳感器通信切換方法采用同一廠家傳感器、分站、斷電器和安全監控軟件，實現正常狀態與超限或故障狀態甲烷傳感器的通信切換，不受通信協議和總線形式限制；模擬傳感器報文發送方法是由廠家提供通信報文，檢測裝置模擬發送和接收傳感器報文，無需對協議進行解析，只需判斷接收報文與輸入是否一致。

1 瓦斯電閉鎖檢測裝置檢測原理

1.1 瓦斯電閉鎖控制邏輯

瓦斯電閉鎖過程如圖1所示。當掘進工作面各位置甲烷濃度超限或故障時，安全監控系統分站控制斷電器切斷掘進巷道內全部非本質安全型電氣設備的電源，即本地斷電。當本地掘進工作面某位置甲烷傳感器超限或故障時，需要同時切斷被串掘進巷道內全部非本質安全型電氣設備的電源，即異地斷電。甲烷濃度低于限定值時，開關自動解鎖，安全監控系統分站控制斷電器為開關復電[7-10]。

圖1 瓦斯電閉鎖

1.2 裝置控制邏輯

瓦斯電閉鎖斷電時間指標最為重要，因此，本文僅針對斷電計時進行設計，復電計時測試原理類似。不同煤礦對瓦斯電閉鎖控制邏輯各不相同，無法完全按照AQ6201—2006《煤礦安全監控系統通用技術要求》進行實施，需要靈活的斷電控制邏輯以滿足實際需求。文獻[11]提出了通過增加瓦斯傳感器的風電瓦斯閉鎖配置信息的形式，增加符合不同煤礦實際需求的風電瓦斯閉鎖控制邏輯。因此，瓦斯電閉鎖檢測裝置在瓦斯電閉鎖斷電計時邏輯的基礎上，增加甲烷傳感器與斷電器之間的靈活斷電邏輯，實現指定位置、指定個數甲烷傳感器超限情況下，指定巷道內指定數量開關斷電的復雜控制邏輯，通過檢測手段促進安全監控系統瓦斯電閉鎖功能技術指標的提升。瓦斯電閉鎖檢測裝置斷電計時控制邏輯見表1。

表1 瓦斯電閉鎖檢測裝置斷電計時控制邏輯

1.3 檢測方法設計

基于數字化通信的安全監控系統瓦斯電閉鎖檢測需要解決協議未知和通信機制不同2個難點。各廠家的安全監控系統均為私有協議，且不對外開放，在不知道通信協議的情況下，瓦斯電閉鎖檢測裝置無法確定傳感器的報警時刻和斷電信號時刻。基于CAN總線的多主通信和基于RS485總線的主從通信邏輯相差大[12]，造成傳感器在注冊、數據上傳、時間同步方法均不相同，因此，檢測裝置需兼容CAN和RS485總線這2種通信機制。針對上述難題，本文提出了傳感器通信切換、模擬傳感器報文發送2種斷電檢測方法。

1.3.1 傳感器通信切換方法

傳感器通信切換方法完全不受通信協議和總線形式的限制，檢測時采用同一廠家傳感器、分站、斷電器和安全監控軟件，無需知曉通信協議。該方法操作簡單，且不需要廠家配合，適用于采用主從通信機制的瓦斯電閉鎖檢測。

傳感器通信切換測試方法如圖2所示。將3臺地址相同且已注冊的甲烷傳感器接入檢測裝置，讓傳感器處于正常、超限、故障3種狀態，通過多路模擬開關實現3種狀態的切換。檢測裝置的通信輸出接口接入本地和異地安全監控系統分站。測試前，檢測裝置輸出正常傳感器信號與分站通信，安全監控系統后臺軟件顯示傳感器通信正常后可開始測試。測試時，檢測裝置切換狀態為超限或故障狀態并開始計時，檢測到斷電器斷電信號時停止計時，即斷電時間。

圖2 傳感器通信切換方法

1.3.2 模擬傳感器報文發送方法

模擬傳感器報文發送方法由檢測裝置模擬甲烷傳感器發送報文與分站通信，無需知曉通信協議，報文由廠家提供，按照報文發送順序和次數進行配置，區分多主和主從通信。多主通信按順序主動上傳輸入報文，監測應答報文后輪詢發送，以保證系統正常通信；主從通信檢測輸入的主機報文，回復輸入的從機報文。該方法操作較為繁瑣，需要廠家提供通信報文，但測試精度更高，適用于各種通信協議的瓦斯電閉鎖檢測。

模擬傳感器報文發送方法如圖3所示。通過觸摸顯示屏輸入正常、超限、故障3種狀態的甲烷傳感器模擬報文，報文根據需測試的監控系統通信機制進行設置。基于RS485總線的主從通信機制，需通過顯示屏輸入分站下發報文和傳感器應答報文，包括傳感器注冊、時間同步、實時數據采集報文等，檢測裝置需根據下發報文進行應答，從而保證正常通信。基于CAN總線的多主通信機制，需通過顯示屏輸入傳感器上傳報文，包括傳感器注冊報文、實時數據上傳報文等，裝置通過接收到的分站應答報文檢測通信是否正常。報文配置好后，根據安全監控系統的總線形式，將檢測裝置通信輸出接口接入分站。監控系統后臺軟件由廠家提供。測試前，觀察監控系統后臺軟件傳感器是否通信正常。測試時，從發送超限或故障報文時開始計時，檢測到斷電器斷電信號停止計時，即斷電時間。

圖3 模擬傳感器報文發送方法

2 瓦斯電閉鎖檢測裝置硬件設計

為了實現多個甲烷傳感器對應多個斷電器的復雜斷電控制邏輯，兼容基于CAN和RS485總線通信的安全監控系統，檢測裝置必須同時具備多路CAN和RS485總線接口，接口需與安全監控系統分站保持通信正常，以處理甲烷傳感器的實時數據。檢測裝置采用雙CPU設計，最大可支持6路RS485和6路CAN通信，雙CPU之間采用SPI總線通信，通信速率可達18 Mbit/s，實現雙CPU的快速數據交互。

由于觸摸屏只能與主CPU通信，在為從CPU配置參數時需由主CPU進行轉發，為了保證雙CPU之間快速協同工作，檢測裝置采用基于SPI總線的雙CPU交互方案[13]。SPI為全雙工，速度快，波特率可達20 Mbit/s以上，發送1個數據不到1 μs，從CPU可主動上傳斷電計時數據，不用主CPU一直輪詢等待，浪費CPU資源。雙CPU之間SPI接線如圖4所示，控制程序采用數據異步交互方法。

圖4 基于SPI總線的雙CPU通信

(1)SPI主發送數據。首先將CS_Master管腳設置為低電平，SPI主開始發送數據，SPI從使用中斷接收SPI主發送的數據，將CS_Master管腳設置為高電平，即實現了1包數據的交互。SPI從使用中斷接收不占用CPU資源，極大提高系統實時性，避免數據丟失。

(2)SPI從發送數據。SPI從發送數據前，需將數據的長度放入SPI從的發送寄存器，然后將CS_Salve管腳設置為高電平，SPI主檢測到CS_Salve高電平就會發送clock信號，獲取SPI從發送數據的長度M(即獲取SPI從要發送的數據包字節數)，接著SPI主為SPI從提供M個clock信號來獲取SPI從發送的數據包，將CS_Salve管腳設置為低電平，即實現了一包數據的交互。

3 瓦斯電閉鎖檢測裝置控制程序設計

檢測裝置控制程序采用μC/OS-II實時操作系統實現多任務并發處理。控制程序通過創建多個任務來實現不同控制邏輯，包括開始任務、顯示屏配置任務、單個傳感器對單個斷電器控制任務(1對1任務)、單個傳感器對應多個斷電器控制任務(1對多任務)、多個傳感器對應單個斷電器控制任務(多對1任務)、多個傳感器對應多個斷電器控制任務(多對多任務)等[14]，通過信號量的形式實現任務之間調度，每個斷電控制任務申請一個信號量，并使任務阻塞在程序開始處，只有獲得信號量的任務才能夠執行。控制程序中CAN、RS485通信均采用中斷的形式接收數據；斷電器輸出的干節點信號接裝置單片機外部中斷管腳，采用中斷的形式進行接收，這些設計極大地降低了CPU的使用率，提高了程序的實時性和斷電計時的精準性。

瓦斯電閉鎖檢測裝置任務流程如下：

(1)檢測裝置通過串口接收顯示屏配置數據，數據接收完成后在串口接收中斷函數中發送配置信號量，收到配置信號量后選擇測試方法。

(2)測試方法為傳感器切換方法時，進行超限或故障斷電測試，檢測到測試按鈕按下后，控制模擬開關輸出超限或故障傳感器信號，并打開定時器計時，等待斷電器斷電，接收到斷電信號后，在顯示屏上顯示斷電時間，任務結束；測試方法為模擬報文發送方法時，依次配置控制邏輯、總線參數、測試通道和總線數據，根據控制邏輯判斷需要調用的任務，發送相應任務的信號量，控制定時器分別對每個斷電器斷電時間進行計時，等待斷電器斷電，接收到所有斷電信號后，在顯示屏上顯示最后一臺斷電器斷電時間，任務結束。

(3)任務結束后釋放CPU資源，實現任務切換，裝置繼續執行其他任務。

4 測試驗證

瓦斯電閉鎖檢測裝置模擬報文發送方法測試如圖5所示。檢測裝置可根據分站通信形式選擇CAN或RS485總線(將6個通道全部接入本地分站的1個通道，如圖中紅色總線所示，測試1個或多個甲烷傳感器超限或故障時對應單個或多個斷電器的本地斷電或異地斷電；將裝置6個通道任意接入本地分站其他通道，如圖中藍色總線所示，測試分站不同通道之間因多任務處理和輪詢延時導致斷電時間增加)。6臺斷電器按需求接入本地分站任意通道，斷電器輸出的干節點信號接入檢測裝置相應的斷電器接口(裝置模擬多個甲烷傳感器超限或故障對應多個斷電器斷電時，甲烷傳感器超限或故障報文發送時刻開始計時，所有斷電器均斷電時停止計時)，此種形式可實現任意邏輯的本地斷電測試，可以模擬掘進工作面瓦斯電閉鎖功能測試。若要實現異地斷電測試，需要在安全監控系統分站總線上再接入6臺異地分站，斷電器按需求接入，此種形式可以模擬被串掘進工作面或關聯工作面瓦斯電閉鎖功能測試。

圖5 檢測裝置測試

為保證測試可靠性，甲烷傳感器和斷電器所在通道均滿載，通過秒表、CAN和RS485總線分析儀測得斷電時間，測試數據見表2。

表2 測試數據

由表2可知，計時精度達到0.01 s。基于CAN總線的通信切換方法，切換后，甲烷傳感器由于未注冊，會重新注冊，并等待分站同步，再上傳數據，無法精確計時，且存在失敗現象，故傳感器切換方法不適合多主通信。基于RS485或CAN總線的模擬報文發送方法均可實現本地斷電時間<2 s，異地斷電時間<20 s，分站收到甲烷傳感器超限或故障報文后會立即向斷電器或向異地分站下發斷電命令，從而保證斷電時間。

5 結論

(1)傳感器通信切換方法通過多路模擬開關電路設計實現裝置對正常、超限、故障傳感器信號輸出的切換，檢測裝置將正常傳感器信號輸出與分站通信。模擬報文發送方法通過觸摸顯示屏輸入正常、超限、故障3種狀態的甲烷傳感器模擬報文，報文根據需測試的監控系統通信機制進行設置：基于RS485總線的主從通信機制，需通過顯示屏輸入分站下發報文和傳感器應答報文，檢測裝置需根據下發報文進行應答，從而保證正常通信；基于CAN總線的多主通信機制，需通過顯示屏輸入傳感器上傳報文，裝置通過接收到的分站應答報文檢測通信是否正常。

(2)基于CAN總線的多主通信機制采用通信切換方法切換后，甲烷傳感器由于未注冊，會重新注冊，并等待分站同步，再上傳數據，無法精確計時，且存在失敗現象，故傳感器切換方法不適合多主通信；基于RS485或CAN總線的模擬報文發送方法均可實現本地斷電時間<2 s，異地斷電時間<20 s；且2種方法的計時精度均可達到0.01 s。

(3)基于上述2種檢測方法，未來融入開停傳感器的控制邏輯，瓦斯電閉鎖檢測裝置可擴展風電瓦斯閉鎖檢測功能，實現風電瓦斯閉鎖功能的標準化檢測，為煤礦安全生產和煤礦監管、監察提供更加有效、可靠的檢測手段。