安 賽
(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院,北京100013;2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(煤炭科學(xué)研究總院),北京100013)
微震監(jiān)測技術(shù)通過識別礦山動力災(zāi)害活動規(guī)律實(shí)現(xiàn)危險性評價和預(yù)警,是防治煤礦沖擊地壓的重要方法,已經(jīng)被《防治煤礦沖擊地壓細(xì)則》和GB T 25217.4—2019 沖擊地壓測定、監(jiān)測與防治方法等規(guī)范收錄與推薦[1-3]。
目前,國外進(jìn)口的微震監(jiān)測系統(tǒng)具有較高的市場占有率,如:波蘭EMAG 的ARAMIS 微震監(jiān)測系統(tǒng)、波蘭礦山研究總院的SOS 微震監(jiān)測儀、南非ISSI 公司的ISS 高精度微震采集系統(tǒng)、加拿大工程微震集團(tuán)公司的ESG 微震監(jiān)測系統(tǒng)等。這些微震監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是精度高,但缺點(diǎn)是價格昂貴,且為了實(shí)現(xiàn)高精度的時鐘同步需單獨(dú)鋪設(shè)同步線,系統(tǒng)部署及后期維護(hù)成本高[4]。現(xiàn)階段國內(nèi)相關(guān)企業(yè)、高校和科研單位也在研究開發(fā)微震監(jiān)測系統(tǒng),如北京科技大學(xué)的BMS 微地震監(jiān)測系統(tǒng)等[5]。相關(guān)學(xué)者也發(fā)表了相關(guān)的文獻(xiàn)[6-9]。但是現(xiàn)有的微震系統(tǒng)采集站不能很好地滿足于煤礦現(xiàn)場的要求,如分站采用工業(yè)采集卡,考慮到安全性能一般采用隔爆設(shè)計(jì),設(shè)備笨重;采用NTP 授時或者本地時鐘授時各分站同步精度低;分站采集底噪大,易造成事件異常多且波形無法拾取起跳點(diǎn)等問題。為此,設(shè)計(jì)了基于ARM 微控制器為核心、采用PTP(精密時鐘協(xié)議)時鐘同步技術(shù)的低噪聲的礦井微震監(jiān)測分站。根據(jù)設(shè)計(jì)方案井下布置多個微震采集分站,地面部署PTP 主時鐘服務(wù)器,分站與地面數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、PTP 授時服務(wù)器通過煤礦現(xiàn)有的環(huán)網(wǎng)進(jìn)行通訊與授時。
基于精密時鐘同步技術(shù)的微震監(jiān)測分站整體框架如圖1。
圖1 微震監(jiān)測分站整體框架Fig.1 The overall framework of the microseismic monitoring substation
分站以STM32F4 為控制核心,由阻抗匹配電路、模擬低通濾波器電路、PGA204 放大電路、ADS1278 同步采樣電路、DP83848 網(wǎng)絡(luò)傳輸電路等組成。其中同步采集電路可同時采集8 路拾震傳感器的震動信號。拾震傳感器型號為GPD-5 動圈式傳感器,靈敏度為100 V/m/s,頻率響應(yīng)為0.5~200 Hz。采集到的信號通常比較微弱,需要進(jìn)行濾波、放大、A/D 轉(zhuǎn)換后傳輸至STM32F4 主控芯片緩存中,地面PTP 授時服務(wù)器通過環(huán)網(wǎng)實(shí)時同步各分站時鐘。主控芯片將緩存的數(shù)據(jù)加上64 位同步時間戳后通過環(huán)網(wǎng)發(fā)送至地面數(shù)據(jù)服務(wù)器。
拾震傳感器電路類似有較高內(nèi)阻的電壓源電路,為了準(zhǔn)確采集并保護(hù)后續(xù)電路,需要對拾震傳感器的輸出信號進(jìn)行預(yù)處理,主要包括阻抗匹配電路,模擬低通濾波電路、PGA204 放大電路。為了適應(yīng)現(xiàn)場監(jiān)測環(huán)境的多樣性及獲得最大的動態(tài)范圍,在數(shù)據(jù)采集任務(wù)前調(diào)整放大電路的放大倍數(shù)。PGA204是一款性能出色的可編程儀表放大器,根據(jù)控制引腳可實(shí)現(xiàn)×1,×10,×100,×1 000 V/V 4 種放大倍數(shù),等效噪聲低,總諧波失真小,適用于微弱信號監(jiān)測。前級預(yù)處理電路如圖2。
圖2 前級預(yù)處理電路Fig.2 Pre-processing circuit
接口處設(shè)計(jì)TVS 電路及限壓電路,抑制通過傳輸線耦合進(jìn)來的浪涌,保護(hù)放大電路及后端的AD采集電路。E2和E3為線纜EMI 濾波器,抑制線路高頻噪聲。R3、R8、C8組成抗混疊低通濾波器??删幊淘鲆嬗蒔GA1_A0、PGA1_A1 控制實(shí)現(xiàn)不同倍數(shù)放大。
拾震傳感器輸出信號經(jīng)過前級預(yù)處理電路后,調(diào)制為可供AD 采集的高動態(tài)范圍模擬信號。為了實(shí)現(xiàn)高精度、多通道測量,選用ADS1278 芯片。ADS1278具有高動態(tài)范圍、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。可實(shí)現(xiàn)最大8 路24 位同步采樣。在高精度模式下的信噪比為111 dB,總諧波失真為-108 dB。AD 轉(zhuǎn)換電路如圖3。
圖3 AD 轉(zhuǎn)換電路Fig.3 AD conversion circuit
由圖3 可知,AD 運(yùn)行在高精度模式下。采用SPI 總線與主控芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。芯片的總時鐘為18 MHz,由主控芯片的TIM1 提供。
PTP(Precision Time Protocol)即IEEE1588 標(biāo)準(zhǔn)是一種高精度時間同步協(xié)議。其主要原理是通過1個同步信號周期性地對網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的時鐘進(jìn)行校正同步,最終使基于以太網(wǎng)的分布式系統(tǒng)各時鐘達(dá)到嚴(yán)格同步。分站(從時鐘)使用端對端的兩步模式下的PTP 同步協(xié)議原理如圖4[10-11]。
1)根據(jù)定義的時鐘間隔(默認(rèn)為2 s),PTP 服務(wù)器(主時鐘節(jié)點(diǎn))會周期性地給分站(從時鐘)發(fā)送同步報文,并且記錄同步報文的發(fā)送時刻為t1,隨后將時間戳t1與跟隨報文打包發(fā)送給分站。分站收到PTP 服務(wù)器發(fā)送的同步報文后,記錄下收到報文的時刻為t2。
圖4 PTP 時鐘同步協(xié)議原理Fig.4 Principle of PTP clock synchronization protocol
2)分站收到跟隨報文后,解析并記錄報文中所攜帶的t1時間戳,隨后向PTP 服務(wù)器發(fā)送延時請求報文,并記錄報文的發(fā)出時刻為t3,PTP 服務(wù)器收到延時請求報文并記錄收到時刻為t4,然后將t4打包通過延時請求應(yīng)答報文發(fā)送給分站。
3)到此分站已經(jīng)獲取了硬件時間戳t1、t2、t3、t4。
4)記時間偏差為Toffset,傳輸延遲為Tdelay。
則有Tdelay=t2-t1-Toffset=t4-t3+Toffset
進(jìn)一步計(jì)算得:Tdelay=(t2-t1+t4-t3)/2;Toffset=(t2-t1+t3-t4)/2。
基于精密時鐘同步技術(shù)的微震監(jiān)測分站軟件架構(gòu)如圖5。
圖5 微震監(jiān)測分站軟件架構(gòu)Fig.5 Software architecture of the microseismic monitoring substation
硬件層(HW)使用STM32F4 控制器為軟件層提供硬件服務(wù),操作系統(tǒng)層(RTOS)使用RTX-V4.73實(shí)現(xiàn)實(shí)時多任務(wù)的調(diào)度處理,網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧使用LWIP-1.4.1 提供網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理,精密時鐘同步協(xié)議使用ptpd-2.0.0 實(shí)現(xiàn)分站與PTP 服務(wù)器之間的精密時鐘同步協(xié)議。其中STM32F4 硬件支持符合IEEE 1588-2002 定義的以太網(wǎng)時間戳,在運(yùn)行PTP 協(xié)議后,算法即可根據(jù)Tdelay與Toffset自動調(diào)整其64 位時鐘寄存器。由于有多個分站在系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)行,需要調(diào)整ptpd.c 文件下PTP 版本、同步間隔、通告間隔、延時機(jī)制等參數(shù)嚴(yán)格相等。
1)等效噪聲測試。等效輸入噪聲是指微震分站的輸入端連接到標(biāo)準(zhǔn)電阻時的輸出。在測試中,使用1 kΩ 的0.1%精密電阻接入信號輸入端。設(shè)置ADS1278 的采樣率為1 024 SPS(每秒采樣數(shù)),并且分別收集對應(yīng)于前置放大器PGA204 增益×1、增益×10、增益×100、增益×1 000 的數(shù)據(jù)。收集8 192 個采樣點(diǎn)并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。分站等效輸入噪聲測試見表1。
表1 分站等效輸入噪聲測試Table 1 Equivalent input noise test of substation
2)同步性測試。為了測試各分站間的同步性能,需要開啟STM32F4 單片機(jī)PB5 引腳的秒脈沖模式。分別使用IP 為192.168.0.10 與20 的2 臺分站作為從時鐘節(jié)點(diǎn),通過交換機(jī)接入PTP 時鐘服務(wù)器,2 臺分站的PB5(#1-PPS、#2-PPS)和授時服務(wù)器(PTPPPS)分別接入示波器,示波器的時基設(shè)置為1 μs。示波器通道A 為PTP-PPS(授時服務(wù)器)秒脈沖波形,示波器通道B 為#2-PPS(分站2)秒脈沖波形,示波器通道C 為#1-PPS(分站1)秒脈沖波形,從示波器觀察可知分站2-PPS 信號與PTP-PPS 相差320 ns;#2-PPS 與#1-PPS 相差120 ns。驗(yàn)證了微震分站間的精密時鐘同步。
3)定位精度測試。為了測試分站的性能及定位精度,以該分站為核心的KJ768 微震監(jiān)測系統(tǒng)取得安標(biāo)證書后,分別在晉煤集團(tuán)寺河煤礦、神東公司石圪臺煤礦開展井下定點(diǎn)爆破測試。從測試可知,基于該分站的KJ76 微震監(jiān)測監(jiān)測系統(tǒng)在x 方向平均誤差為3.55 m;y 方向定位誤差平均值為7.625 m;z方向定位誤差平均值為2.855 m。3 個方向定位誤差均小于10 m。
介紹了基于精密時鐘同步技術(shù)的微震監(jiān)測分站,微震監(jiān)測分站以STM32F4 為控制核心,由阻抗匹配電路、模擬低通濾波器電路、PGA204 放大電路、ADS1278 同步采樣電路、DP83848 網(wǎng)絡(luò)傳輸電路等組成,研發(fā)成本低、采集精度高、設(shè)備便攜;同時使用PTP 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了各分站時間的精密同步。分站測試結(jié)果表明數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確、噪聲小、系統(tǒng)同步誤差低,基于該分站的KJ768 微震監(jiān)測系統(tǒng)井下定點(diǎn)爆破試驗(yàn)定位誤差小于10 m,定位精度滿足對沖擊地壓礦井監(jiān)測的需要。