礦用跨區域協同控制技術及裝備研究

周代勇

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

隨著智能安全監控系統的不斷建設，智能化配套裝備將在井下融合通信系統中廣泛應用，逐步建立起煤礦“一網一站”智能融合安全監控系統[1-3]，實現井下邊緣側測點數據統一承載和共網傳輸，完成礦井區域規劃，區域內人員、機電設備和環境參數的安全檢測與防護[4-6]。為了確保煤礦對礦井區域信息的合理規劃和全面監測監控，跨區域通信機制、數據互通和控制策略的研究勢在必行，形成區域感知、實時互聯、分析決策和協同控制的跨區域控制技術。

根據現場訪查和相關研究機構提供的系統資料可知，煤礦集團和安全監控系統研發廠家推出的智能安全監控系統大多采用3 層模式架構，可分為感知層、傳輸層和應用層[7-8]。感知層主要包括各類環境參數傳感器（如CH4、H2S、CO、壓力、風速、溫度、粉塵、位移、流量等參數）、各種控制機構執行器、綜合分站（人員、電力、安全監控、頂板等）和PLC 信號的實時采集等；傳輸層主要包括“工業以太環網+現場總線+無線覆蓋”傳輸機制，實現全礦井系統信息數據交互；應用層實現系統軟件與井下系統相關設備的數據采集、融合、分析、控制、儲存、顯示和上傳等功能[9-12]。分析系統的現有架構可知，現有架構實現跨區協同控制時，主要存在以下不足：

1）邊緣區域側采集、控制能力薄弱。主要表現在邊緣側裝備技術落后，接口單一，測點設備多元化無法滿足要求，承載能力低，控制邏輯簡單，組合邏輯不靈活，應急能力缺失。

2）跨區域鏈路無法進行井下網絡物理連接。主要表現在架構機制是采用3 層架構，傳輸層鏈路實現網絡物理連接后，感知層若實現網絡物理連接難度大，成本高，同時接口也不豐富。

3）跨區域協同控制失效。主要表現在系統網絡通信故障，或上級設備故障，或上級線路異常中斷時，跨區域測點數據無法采集，邏輯判斷結果無法建立通信連接，跨區域協同控制失效，或強制更改為通信故障控制。

4）跨區域控制不及時。主要表現在數據運算中心放在端設備端，跨區域采集數據路過的設備點多，速度慢，與系統巡檢周期相關，控制結果數據轉發多次后才能到執行設備，跨區域控制邏輯往往無法及時控制，或執行反饋速度慢。

因此，將環網技術、總線技術和數據處理技術引入到邊緣區域采集控制裝備中，通過對邊緣側感知、實時互聯、分析決策和協同控制等技術及裝備的研發和應用，實現井下跨區域多元測點數據采集和協同控制技術。

1 跨區域協同控制裝備

跨區域協同控制裝備是在煤礦區域邊緣側進行本地數據采集、異地數據采集、系統多業務的組合邏輯結算、執行狀態數據推送和執行反饋狀態數據采集。因此跨區域協同控制裝備平臺采用ArmRCortexRA35 架構，支持集成NPU（神經網絡處理單元）協處理器進行核心板硬件平臺的設計。網絡接口資源豐富，支持10/100/1 000 M 以太網接口自適應，支持WIFI 無線通信模塊，支持5G 通信模塊，外接8 光6電交換機模塊進行同級設備的數據采集。外設接口豐富多樣，如I2C 接口、SPI 接口、PDM/I2S 接口、USB3.0 接口、TF 卡接口、RS485 接口，CAN 接口、UWB 接口、ZIGBEE 接口、RFID 接口等。跨區域協同控制裝備設計框圖如圖1。

圖1 跨區域協同控制裝備設計框圖Fig.1 Design block diagram of cross-regional collaborative control equipment

跨區域協同控制裝備的業務承載能力主要包括安全監控業務、人員定位業務、通信聯絡業務、供電監控業務、頂板監測業務和水文監測業務。搭建具備水、瓦斯、頂板、粉塵等災害監測與防治的綜合防控系統裝備。

2 跨區域協同控制策略

跨區域協同控制將礦井井下進行邊緣區域劃分，邊緣區域礦用裝備通過跨區域協同控制裝置進行業務管理，跨區域協同控制裝置主要完成邊緣區域人-機-環參數信息數據的采集、運算、控制和跨區域消息發布等業務。跨區域協同控制裝置作為數據運算中心，根據預配置的跨區域組合邏輯進行跨區域業務的數據結算，將結算后的結果，通過廣播數據幀的形式下發給區域執行器，區域執行器將執行狀態反饋到跨區域協同控制裝置，形成閉環的協同控制策略。跨區域協同控制裝置拓撲圖如圖2。

圖2 跨區域協同控制裝置拓撲圖Fig.2 Topology diagram of cross-regional cooperative control device

由跨區域協同控制裝置拓撲圖可知，數據幀采集處理是作為跨區域協同控制技術的關鍵，數據幀主要包括跨區域采集數據幀和跨區域執行控制數據幀，跨區域采集數據幀主要用于采集其他區域內的邊緣數據信息，跨區域執行數據幀是由數據運算中心發出，其他跨區域控制裝置收到執行控制幀時，開啟控制執行裝置完成執行任務。

跨區域采集數據幀如下：①邊緣區域設備信息：設備類型、IP、MAC、設備號、工作狀態、電源；②邊緣區域采集環境參數信息：感知設備類型、地址、狀態、數值；③邊緣區域采集人員定位信息：卡的設備類型、入網時間、位置信息、工作狀態、電池電量；④邊緣區域終端信息：終端設備類型、地址、工作狀態、電源信息；⑤邊緣區域執行裝置：執行裝置類型、地址、狀態、工作模式。

跨區域執行控制數據幀：①跨區域設備：設備IP、設備ID、設備類型、控制類型；②跨區域執行信息：執行裝置ID、控制狀態；③跨區域終端執行信息：終端IP、終端ID、執行模式、執行狀態；④跨區域引導執行信息：顯示IP、顯示ID、執行模式、執行內容。

3 跨區協同控制策略配置及測試

用戶可根據邊緣區域規劃方案和系統應用軟件界面配置跨區域協同控制策略，開啟不同形式的跨區域控制觸發條件，系統應用平臺界面提供了邊緣區域感知測點的跨區域觸發條件，如斷線、開機預熱、ERO 故障、上限報警、上限斷電、下限報警、下限斷電、一級報警、二級報警、三級報警和四級報警等觸發模式。該配置是屬于跨區域單測點多狀態的配置模式，適用于跨區域礦用設備多狀態的同時監測。

同時系統應用平臺也提供了組合條件多測點滿足多條件的跨區域觸發模式。執行器可關聯斷電器、讀卡器、區域電子防護欄、電力控制器、廣播終端和信息引導終端。該配置是屬于跨區域多測點多條件配置模式，適用于邊緣區域環境復雜，需完成多測點監測監控的場景。

綜上所述，跨區協同控制策略的配置方式可分為測點配置模式和組合配置模式，測點配置模式適用于單獨礦用設備的跨區域控制。組合配置模式適用于多礦用設備的跨區域控制，可同時采集多邊緣區域的測點數據，完成了多區域測點數據結算，實現了跨區域的多邊多測點控制技術。跨區域協同控制響應時間見表1。

表1 跨區域協同控制響應時間Table 1 Cross-region coordinated control response time

4 跨區域協同控制技術及裝備的優點

跨區域協同控制技術及裝備的優點: ①跨區域協同控制技術實現了跨區域的數據采集，若上傳鏈路出現異常時，可快速切換啟動跨區域數據采集功能，確保礦井末端的數據能夠穩定快速及時地上傳；②跨區域協同控制裝置以控制邊緣側為數據運算中心，組合邏輯承載能力強，控制執行速度快，反饋執行狀態及時，幾乎等同于就地控制；③跨區域應急聯動是以單側數據結算，應急聯動的最晚響應時間等同于跨區域通信的巡檢周期，因此，應急聯動的響應速度更快；④跨區域協同控制技術在邊緣控制側結算，控制結算時脫離上級設備或鏈路層的配合，跨區域控制邊緣側裝備獨立完成控制邏輯的結算，更能夠適應煤礦井下環境的應用需求。

5 結 語

提出了一種礦用跨區域協同控制技術，研制了跨區域協同控制裝備；采用跨區域可編輯控制策略、網絡分組通信技術和智能饋控一體化技術實現跨區域邊緣裝備集成結算、協同控制和快速反饋；同時采用環網技術、總線技術和AI 處理技術確保測點數據采集的精度、數據傳輸的準確度和數據處理的算力。礦用跨區域協同控制技術及裝備的研究，不僅是實現了跨區域的數據采集和協同控制平臺的搭建，而是將煤礦監測監控系統中的組合邏輯控制結算平臺下沉到邊緣控制裝備側，實現了井下脫離地面平臺的配合，獨立完成了跨區域數據采集、數據結算、執行狀態推送和反饋狀態采集等區域協同技術。為“一網一站”智能融合安全監控系統建設提供了井下跨區域協同控制平臺。