周代勇

（1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶400039；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400037）

在AQ 6201—2019《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)通用技術(shù)要求》安全生產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，增加了異地控制的工作方式的術(shù)語(yǔ)和定義[1-3]。根據(jù)安全生產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的異地控制定義，觸發(fā)控制條件的傳感器與被控設(shè)備不屬同一分站。在煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中將被描述為，任意測(cè)點(diǎn)的任意狀態(tài)可控制除本身分站以外的任意分站的控制口。在智能礦山的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中，分站已經(jīng)不在是單一的傳感器數(shù)據(jù)采集傳輸、顯示和控制等功能的分站，而是具有功能更加豐富的區(qū)域控制設(shè)備。區(qū)域控制設(shè)備除了分站所有的功能外，還具有人員定位系統(tǒng)標(biāo)識(shí)卡的采集傳輸、顯示功能，以及緊急廣播系統(tǒng)的廣播信息傳輸功能等等[4-6]。因此，智能礦山煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中的異地控制邏輯更加復(fù)雜，傳輸?shù)男畔⒘扛啵瑢?shí)現(xiàn)的難度更大。

1 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的異地控制設(shè)計(jì)思路

目前，在煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的異地控制設(shè)計(jì)思路主要有3種：

1）地面中心站軟件獨(dú)立完成。根據(jù)中心站軟件異地控制功能塊，定義所有參與異地?cái)嚯娍刂频臏y(cè)點(diǎn)作為觸發(fā)條件，然后下發(fā)被控對(duì)象的執(zhí)行命令。這種設(shè)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、排查故障容易、操作方便。缺點(diǎn)是依賴性強(qiáng)，井下區(qū)域控制設(shè)備無(wú)法獨(dú)立完成邏輯控制，網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)異地控制不可靠，整套異地控制邏輯時(shí)間過長(zhǎng)，控制邏輯觸發(fā)條件復(fù)雜后溯源觸發(fā)條件需要人為推理。

2）井下局部區(qū)域控制設(shè)備完成。區(qū)域控制設(shè)備之間采用總線方式與地面中心站進(jìn)行通信，根據(jù)總線通信方式的特點(diǎn)，監(jiān)聽接收各個(gè)區(qū)域控制設(shè)備的異地控制信息完成異地控制邏輯的判斷。這種設(shè)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)是控制時(shí)間快、獨(dú)立性強(qiáng)、邏輯簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是協(xié)議邏輯復(fù)雜、總線數(shù)據(jù)量大、跨總線無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

3）井下區(qū)域控制設(shè)備完成。區(qū)域控制設(shè)備之間采用網(wǎng)絡(luò)方式與地面中心站進(jìn)行通信，利用網(wǎng)絡(luò)廣播的通信方式完全跨地區(qū)的異地控制。這種設(shè)計(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)是控制快速、獨(dú)立性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)易。缺點(diǎn)是光纖接線維護(hù)難、成本較高。

3種井下異地控制設(shè)計(jì)方法的執(zhí)行方式見表1。

表1 井下異地控制設(shè)計(jì)的執(zhí)行方式Table 1 Im plementation method of underground remote control design

根據(jù)智能礦山的不斷建設(shè)，智能設(shè)備的不斷推進(jìn)，和相關(guān)安全生產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。建議采用第3種設(shè)計(jì)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)煤礦井下的異地控制。

2 區(qū)域控制設(shè)備網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)

區(qū)域監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)框圖如圖1。

圖1 區(qū)域監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)框圖Fig.1 Regionalmonitoring controller block diagram

區(qū)域控制設(shè)備是適用于煤礦井下區(qū)域監(jiān)測(cè)監(jiān)控的礦用本質(zhì)安全型設(shè)備，具有多系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)監(jiān)控能力，如煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)、井下人員定位系統(tǒng)和井下廣播系統(tǒng)等多系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)、融合聯(lián)動(dòng)等功能，能夠?qū)崿F(xiàn)井下區(qū)域?yàn)?zāi)害評(píng)估、控制前移和異?？焖?zèng)Q斷等綜合性平臺(tái)設(shè)備[7-12]。

通過圖1區(qū)域監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)框圖可以得知，區(qū)域控制設(shè)備與地面中心站之間的通訊采用網(wǎng)絡(luò)通信，那么井下區(qū)域異地控制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)將依賴于區(qū)域控制設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。

根據(jù)現(xiàn)目前網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在煤礦井下的應(yīng)用特點(diǎn)和煤礦井下環(huán)境的特殊性，區(qū)域控制設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)搭建為以下3種方式。

1）第1種方式。區(qū)域控制設(shè)備網(wǎng)絡(luò)接口星型連接，與井下環(huán)網(wǎng)交換機(jī)單口單鏈路串聯(lián)鋪入巷道，進(jìn)入巷道后可分支為多支路，覆蓋面比較廣。這種星型連接方式適合應(yīng)用于復(fù)雜多支路巷道，中小型煤礦采用星型連接比較多。其優(yōu)點(diǎn)是光纖鋪線距離合理，成本低，維護(hù)簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是局部故障影響比較大，需要人工維護(hù)。區(qū)域控制設(shè)備網(wǎng)絡(luò)接口星型連接框圖如圖2。

圖2 區(qū)域控制設(shè)備網(wǎng)絡(luò)接口星型連接框圖Fig.2 Block diagram of region control equipment network interface star connection

2）第2種方式。區(qū)域控制設(shè)備與井下交換機(jī)設(shè)備成環(huán)。區(qū)域控制設(shè)備進(jìn)入井下環(huán)網(wǎng)，由于井下環(huán)網(wǎng)交換機(jī)在環(huán)網(wǎng)功能開啟時(shí)都具有各自的獨(dú)立環(huán)網(wǎng)協(xié)議，區(qū)域控制設(shè)備需要考慮環(huán)網(wǎng)的兼容性，因此區(qū)域控制設(shè)備只能采用環(huán)網(wǎng)的公共協(xié)議RSTP協(xié)議。若需要與井下交換機(jī)進(jìn)行環(huán)網(wǎng)連接時(shí)，不僅要把區(qū)域控制設(shè)備配置成RSTP協(xié)議，還要將交換機(jī)配置成RSTP協(xié)議。這種連接方式只適合于區(qū)域監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)采用專網(wǎng)連接，不在在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)平臺(tái)上連接其他設(shè)備，煤礦企業(yè)需要考慮井下資源的分配問題。從網(wǎng)絡(luò)資源的利用率角度考慮，不介意推行區(qū)域控制設(shè)備與井下交換機(jī)設(shè)備成環(huán)。該連接方式的優(yōu)點(diǎn)是安裝方便，成本低，易擴(kuò)展，維護(hù)簡(jiǎn)單，局部故障對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)影響較小。缺點(diǎn)是局限井下交換機(jī)強(qiáng)大功能，網(wǎng)絡(luò)資源浪費(fèi)嚴(yán)重。區(qū)域控制設(shè)備網(wǎng)絡(luò)接口與交換機(jī)環(huán)型連接框圖如圖3。

圖3 區(qū)域控制設(shè)備網(wǎng)絡(luò)接口與交換機(jī)環(huán)型連接框圖Fig.3 Block diagram of network interface of region control equipment and loop connection of sw itch

3）第3種方式。區(qū)域控制設(shè)備獨(dú)立單環(huán)或獨(dú)立多環(huán)連接，與井下環(huán)網(wǎng)交換機(jī)單口單鏈路連接后，區(qū)域控制設(shè)備間自動(dòng)獨(dú)立組環(huán)，可組成獨(dú)立的單環(huán)通訊，也可組成獨(dú)立的多環(huán)通訊。環(huán)網(wǎng)或各支路中既有光纖也有電口，靈活配置，方便接線。這種接線方式適合用于復(fù)雜多支路的大型巷道，大中型煤礦巷道中特別適用。其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)靈活，覆蓋面廣，可擴(kuò)展性強(qiáng)，維護(hù)方便，局部故障對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)影響較小。缺點(diǎn)是鋪線面積大，成本高，安裝比較耗時(shí)。區(qū)域控制設(shè)備網(wǎng)絡(luò)接口環(huán)型連接框圖如圖4。

圖4 區(qū)域控制設(shè)備網(wǎng)絡(luò)接口環(huán)型連接框圖Fig.4 Block diagram of region control equipment network interface ring type connection

3 區(qū)域控制設(shè)備異地控制

控制設(shè)備是基于低功耗工業(yè)級(jí)ARM Cortex-A8架構(gòu)處理器，具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片和多外設(shè)通信類電路進(jìn)行設(shè)計(jì)的井下控制設(shè)備，支持以太網(wǎng)光口和以太網(wǎng)電口通信模式[13-15]。但井下環(huán)境復(fù)雜，測(cè)點(diǎn)設(shè)備和執(zhí)行器數(shù)據(jù)較多，單臺(tái)控制設(shè)備遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到現(xiàn)場(chǎng)需求，因此，區(qū)域間控制設(shè)備異地聯(lián)合控制就此誕生。

區(qū)域控制設(shè)備異地控制，是根據(jù)測(cè)點(diǎn)采集值和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)作為控制邏輯判斷的輸入條件，其中采集值可分為上報(bào)值、上控值、下報(bào)值和下控制值，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)可分為為預(yù)熱、斷線、故障狀態(tài)。執(zhí)行控制對(duì)象是由區(qū)域控制設(shè)備提供對(duì)接接口，控制邏輯算法由控制設(shè)備執(zhí)行，將執(zhí)行的結(jié)果匹配到對(duì)應(yīng)的區(qū)域控制設(shè)備后，待為控制命令的執(zhí)行和下發(fā)。伴隨著現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用輸入條件復(fù)雜多變，控制關(guān)系也越來(lái)越多，準(zhǔn)確執(zhí)行和有效地管理異地控制成為了設(shè)計(jì)重點(diǎn)。區(qū)域控制設(shè)備異地控制流程圖如圖5。

圖5 區(qū)域控制設(shè)備異地控制流程圖Fig.5 Regional control equipment remote control flow chart

從區(qū)域控制設(shè)備異地控制流程圖可以看出，區(qū)域控制設(shè)備將異地控制邏輯算法在采集端區(qū)域設(shè)備進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算的結(jié)果分別反饋給地面中心站軟件和異地的區(qū)域控制設(shè)備，待異地的區(qū)域控制設(shè)備和執(zhí)行器執(zhí)行后，也反饋給地面中心站軟件。通過本地區(qū)域控制設(shè)備的反饋計(jì)算結(jié)果和異地區(qū)域控制設(shè)備的執(zhí)行結(jié)果來(lái)統(tǒng)一管理異地控制的執(zhí)行情況。從而有效地驗(yàn)證了異地控制設(shè)計(jì)的合理性。

4 系統(tǒng)平臺(tái)異地控制功能塊

系統(tǒng)平臺(tái)是地面中心站系統(tǒng)軟件，其中異地控制功能塊控制關(guān)系的配置，包括了測(cè)點(diǎn)斷線控制、開機(jī)預(yù)熱控制、ERO故障控制、上報(bào)控制、上斷控制、下報(bào)控制、下斷控制、以及等級(jí)控制。可配置多臺(tái)區(qū)域控制設(shè)備、多個(gè)控制口執(zhí)行相同的控制條件，系統(tǒng)平臺(tái)的靈活配置選項(xiàng)完全能夠滿足任何復(fù)雜的礦井要求。

系統(tǒng)平臺(tái)軟件除了設(shè)計(jì)合理的配置界面外，還設(shè)計(jì)了控制關(guān)系執(zhí)行結(jié)果反饋界面，能夠通過后臺(tái)快速處理后，顯示在前臺(tái)界面上，并在提示窗口中有相應(yīng)的紅色提示，系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)合理，完全能夠滿足大量煤礦用戶的需要。

5 異地控制設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

區(qū)域異地控制設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)：①區(qū)域異地控制打破了空間的局限，控制設(shè)備安裝到的區(qū)域都能夠?qū)崿F(xiàn)；②區(qū)域控制設(shè)備異地控制執(zhí)行時(shí)間快，控制速度幾乎接近本地執(zhí)行；③區(qū)域控制設(shè)備執(zhí)行異地控制時(shí)，完全可以脫離地面中心站軟件，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)井下異地控制。

現(xiàn)目前區(qū)域控制設(shè)備異地控制已經(jīng)投放于貴州盤州和內(nèi)蒙古烏海等多家煤礦集團(tuán)使用。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用驗(yàn)證，區(qū)域控制設(shè)備能夠現(xiàn)實(shí)區(qū)域內(nèi)異地控制2 s內(nèi)報(bào)警和執(zhí)行斷電。

6 結(jié) 語(yǔ)

井下區(qū)域異地控制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，不僅僅只是一個(gè)簡(jiǎn)單的異地控制邏輯的突破，而是將整個(gè)煤礦井下看著是一張大的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，是可以任意組合測(cè)點(diǎn)設(shè)備為異地控制的控制條件。該異地控制設(shè)計(jì)已經(jīng)不在依賴于地面中心站，而是獨(dú)立于煤礦井下區(qū)域控制設(shè)備進(jìn)行預(yù)設(shè)的邏輯判斷，并發(fā)起執(zhí)行命令。通過試驗(yàn)證明:該設(shè)計(jì)方案的區(qū)域控制設(shè)備能夠廣播所有接入測(cè)點(diǎn)的控制狀態(tài)，和接受所有廣播信息，并準(zhǔn)確無(wú)誤地判斷執(zhí)行異地控制信息，大大縮短了異地控制時(shí)間。