煤礦安全監控系統邏輯控制自動檢測裝置設計

陳向飛

（1. 中煤科工集團常州研究院有限公司，江蘇 常州 213015；2. 天地（常州）自動化股份有限公司，江蘇 常州 213015）

0 引言

煤礦安全監控系統邏輯控制的可靠性直接關系到井下工作人員生命安全[1-2]，是衡量系統性能的關鍵技術指標。因此，需要對煤礦安全監控系統邏輯控制進行檢測，包括控制（斷電、閉鎖）是否正確執行和控制執行時間是否達標兩項。煤礦安全監控系統升級改造前，分站和傳感器之間多為模擬信號傳輸，傳感器通過頻率或電流表示信號大小，通過示波器能直觀地識別傳感器超限及控制（斷電器）執行情況，使用秒表等簡單計時設備即可實現控制執行計時[3]。隨著煤礦安全監控系統數字化升級改造推行[4-5]，分站與傳感器之間多采用RS485，CAN等總線傳輸方式，且不同廠家的監控系統通信機制、通信協議各不相同，無法通過示波器觀測波形等手段實現控制執行計時，因此對煤礦安全監控系統邏輯控制功能標準化檢測造成了極大困難。同時，AQ 6201-2019《煤礦安全監控系統通用技術要求》新增了對煤與瓦斯突出報警和斷電閉鎖功能的要求，需要測試近300條控制邏輯，若采用人工檢測會造成效率低、誤差大等問題。本文研制了煤礦安全監控系統邏輯控制自動檢測裝置，可自動控制傳感器發出閉鎖信號，采集控制執行情況，并自動判定控制執行時間是否達標，從而滿足廠家和安標中心對煤礦安全監控系統邏輯控制功能的標準化檢測需求。

1 裝置設計依據

1.1 行業標準要求

根據AQ 6201-2019中5.5.2節，煤礦安全監控系統邏輯控制分為甲烷超限或故障閉鎖、甲烷風電閉鎖和煤與瓦斯突出閉鎖3個部分，各部分包含的傳感器、斷電器數量不等；結合AQ 1029-2019《煤礦安全監控系統及檢測儀器使用管理規范》規定，各傳感器的控制條件也不相同。為了滿足各應用場景檢測，需要對控制的傳感器、斷電器數量和傳感器控制條件進行統計分析。

（1） 甲烷超限或故障閉鎖。涉及各位置的甲烷傳感器、斷電器各1臺。傳感器控制條件只涉及甲烷傳感器超限或傳感器故障，根據AQ 1029-2019中6.1.2節，甲烷傳感器超限濃度有4種，則檢測裝置只需控制傳感器產生4種超限濃度對應的閉鎖信號或發生故障，即可滿足甲烷超限或故障閉鎖檢測需求。

（2） 甲烷風電閉鎖。涉及多臺傳感器及斷電器，其中最復雜應用為“三分閉鎖”（當局部通風機停止運轉、掘進工作面或回風流中甲烷體積分數大于3.0%時，對局部通風機進行閉鎖），同時甲烷傳感器在普通超限條件下需控制除局部通風機外的非本安設備，因此檢測裝置需控制的斷電器至少為2臺，傳感器數量及相應的控制條件見表1。

（3） 煤與瓦斯突出閉鎖。涉及多臺傳感器和2臺斷電器（掘進工作面和采煤工作面各1臺）。傳感器控制條件：掘進工作面甲烷濃度迅速升高且風速不低于正常值；掘進工作面甲烷濃度迅速升高且風流逆轉；掘進工作面甲烷濃度迅速升高且回風流、進風流甲烷濃度迅速升高；采煤工作面甲烷濃度迅速升高且風速不低于正常值；采煤工作面甲烷濃度迅速升高且風流逆轉；采煤工作面甲烷濃度迅速升高且回風流、進風流甲烷濃度迅速升高。以掘進工作面甲烷濃度迅速升高且風速不低于正常值為例，檢測裝置需要控制的傳感器及控制條件見表2。

表2 煤與瓦斯突出閉鎖檢測涉及的傳感器及控制條件Table 2 Sensors and control conditions related to coal and gas outburst interlocking detection

通過分析行業標準要求，煤礦安全監控系統邏輯控制檢測所涉及的傳感器包含各位置甲烷傳感器、風速傳感器、風向傳感器、風量傳感器及局部通風機開停傳感器等，通過整合各位置傳感器，實現系統邏輯控制需傳感器8～16臺、斷電器2臺以上。每類傳感器邏輯控制條件不同，其中甲烷傳感器邏輯控制條件較多，主要包括故障，濃度迅速升高，體積分數分別達到0.5%、1.0%、1.5%、3.0%，濃度正常；風速傳感器邏輯控制條件主要為風速低于正常值或正常狀態；風向傳感器邏輯控制條件包括風向逆轉或正常狀態；局部通風機開停傳感器邏輯控制條件包括停止或正常狀態。

1.2 安標檢測要求

煤礦安全監控系統邏輯控制檢測分為本地邏輯控制檢測和異地邏輯控制檢測[6-9]。若檢測現場非本安設備較多，則所需斷電器較多，易造成現場應用設置復雜。為提高煤礦安全監控系統邏輯控制功能檢測的可靠性，在行業標準規定的邏輯控制基礎上，安標檢測增加了復雜應用場景的邏輯控制檢測，具體見表3。

表3 煤礦安全監控系統邏輯控制模式及控制執行時間判定Table 3 Logical control mode and control execution time determination of coal mine safety monitoring system

2 裝置工作原理及功能

2.1 裝置工作原理

煤礦安全監控系統邏輯控制自動檢測裝置工作原理如圖1所示。該裝置不受通信協議及總線形式限制，通過控制多臺傳感器發出相應的閉鎖信號，采集監控系統邏輯控制結果（斷電器是否斷電），記錄閉鎖信號發生時刻及邏輯控制執行結果發生時刻，從而判定邏輯控制是否正常執行及邏輯控制執行時間是否達標。

圖1 煤礦安全監控系統邏輯控制自動檢測裝置工作原理Fig. 1 Working principle of logical control automatic detection device for coal mine safety monitoring system

2.2 裝置功能

（1） 閉鎖信號控制功能。為提高時效性，煤礦安全監控系統邏輯控制自動檢測裝置采用串口通信方式，通過數字信號可同時控制8～16臺傳感器產生相應閉鎖信號，閉鎖信號包括各類傳感器的多種邏輯控制條件。

（2） 控制結果采集功能。根據裝置設計依據，需在2臺以上分站設置斷電器，每臺分站上的斷電器不少于4臺，因此裝置通過8個端口采集斷電器狀態，判斷系統邏輯控制是否執行。

（3） 控制執行時間判定功能。傳感器是在接收到裝置發送的控制命令后輸出相應閉鎖信號，考慮到裝置發送控制命令到傳感器產生閉鎖信號有一定的時間間隔，因此控制執行時間是從裝置發送完控制命令后開始計時，最后一臺斷電器斷電后結束計時，根據開始計時時刻與最后的斷電時刻，判定系統邏輯控制執行時間。

（4） 人機交互及顯示功能。實現對煤礦安全監控系統各項邏輯控制檢測的配置，包括傳感器地址設置、斷電器控制采集端口設置等，同時可展示及輸出檢測結果。

（5） 自動檢測功能。為提高檢測效率，通過對邏輯控制檢測項目進行設置并裝載，裝置順序執行相應的控制邏輯，并在每條邏輯控制執行之后恢復各傳感器及斷電器到初始狀態。

3 裝置設計

3.1 裝置軟件

煤礦安全監控系統邏輯控制自動檢測裝置軟件采用搶占式、實時多任務內核的FreeRTOS實時操作系統，可實現多任務并發處理[10]。裝置軟件程序通過創建多任務來實現不同功能模塊化設計，包括串口通信任務、控制結果采集任務、控制執行時間計時任務、顯示屏顯示任務、人機交互任務、本地控制任務、異地控制任務、風電瓦斯閉鎖控制任務、煤與瓦斯突出閉鎖控制任務等。各任務之間通過信號量形式實現調度，從而降低CPU使用率，提高程序的實時性和控制執行時間計時的精準性。

煤礦安全監控系統邏輯控制自動檢測裝置軟件流程如圖2所示。

圖2 煤礦安全監控系統邏輯控制自動檢測裝置軟件流程Fig. 2 Software flow of logic control automatic detection device for coal mine safety monitoring system

3.2 裝置硬件

由于裝置最多需控制16臺傳感器，為減少控制命令發送耗時，設計2個UART串口輸出TTL信號，每個UART串口對應控制8臺傳感器。通過I/O接口采集斷電器狀態。采用分辨率為128×64的液晶顯示屏，人機交互采用按鍵或紅外遙控方式。CPU采用外設資源（串口及GPIO接口）豐富的STM32F1系列單片機。

3.3 裝置操作面板

為方便操作，設計了煤礦安全監控系統邏輯控制自動檢測操作面板，結構如圖3所示，用于顯示、人機交互及接線等。

圖3 煤礦安全監控系統邏輯控制自動檢測裝置操作面板結構Fig. 3 Operating panel structure of logic control automatic detection device for coal mine safety monitoring system

4 裝置測試

在煤礦安全監控系統滿足行業標準要求的運行測試條件下，將涉及邏輯控制的傳感器和斷電器接入煤礦安全監控系統邏輯控制自動檢測裝置，并在裝置中配置相關傳感器地址和斷電器接入的端口號，同時在煤礦安全監控系統上位機軟件中配置相應的斷電控制邏輯。

為保證測試的可靠性及真實性，傳感器和斷電器所在分站通道需滿載，此時通信負荷最大，才能測出最大控制執行時間。針對甲烷超限邏輯控制（單臺傳感器對應單臺斷電器）執行時間進行測試，人工檢測（多次測量取平均值）和自動檢測結果見表4，可看出兩者的控制執行時間基本一致，表明自動檢測裝置判定的控制執行時間可靠、準確。

表4 控制執行時間對比Table 4 Control execution time comparison s

針對煤礦安全監控系統所有邏輯控制進行測試。當采用人工檢測時，每條控制邏輯需要人工設置傳感器輸出閉鎖信號，系統輸出相應的控制執行結果，人工記錄控制執行時間，最后需要人工將傳感器恢復到初始狀態。經綜合測算，人工檢測每條控制邏輯需要10 min，由于煤礦安全監控系統需測試近300條控制邏輯，人工檢測時間約為50 h。當采用自動檢測裝置檢測時，根據實際采煤工作面煤與瓦斯突出檢測結果（圖4），每條控制邏輯自動檢測時間為15 s左右，加上裝置、上位機設置的時間，自動檢測裝置總體檢測時間約為2 h，與人工檢測相比顯著提高了檢測效率。

圖4 煤與瓦斯突出檢測結果Fig. 4 Coal and gas outburst detection results

5 結語

煤礦安全監控系統邏輯控制自動檢測裝置控制傳感器輸出閉鎖信號，采集斷電器斷電狀態，計算控制執行時間，從而實現煤礦安全監控系統邏輯控制自動檢測。測試結果表明，該裝置能可靠、準確地檢測控制執行時間，提高了檢測效率。