井下區(qū)域異地控制的設(shè)計與實現(xiàn)

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(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，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)標準中，增加了異地控制的工作方式的術(shù)語和定義[1-3]。根據(jù)安全生產(chǎn)行業(yè)標準中的異地控制定義，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，任意測點的任意狀態(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)標識卡的采集傳輸、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啵瑢崿F(xiàn)的難度更大。

1 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的異地控制設(shè)計思路

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

1）地面中心站軟件獨立完成。根據(jù)中心站軟件異地控制功能塊，定義所有參與異地斷電控制的測點作為觸發(fā)條件，然后下發(fā)被控對象的執(zhí)行命令。這種設(shè)計方法的優(yōu)點是設(shè)計簡單、排查故障容易、操作方便。缺點是依賴性強，井下區(qū)域控制設(shè)備無法獨立完成邏輯控制，網(wǎng)絡(luò)故障時異地控制不可靠，整套異地控制邏輯時間過長，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行通信，根據(jù)總線通信方式的特點，監(jiān)聽接收各個區(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)計方法的優(yōu)點是控制時間快、獨立性強、邏輯簡單。缺點是協(xié)議邏輯復(fù)雜、總線數(shù)據(jù)量大、跨總線無法實現(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)計方法的優(yōu)點是控制快速、獨立性強、操作簡易。缺點是光纖接線維護難、成本較高。

3種井下異地控制設(shè)計方法的執(zhí)行方式見表1。

表1 井下異地控制設(shè)計的執(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，和相關(guān)安全生產(chǎn)行業(yè)標準規(guī)定。建議采用第3種設(shè)計方法來實現(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

區(qū)域監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)平臺框圖如圖1。

圖1 區(qū)域監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)平臺框圖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、融合聯(lián)動等功能，能夠?qū)崿F(xiàn)井下區(qū)域災(zāi)害評估、控制前移和異?？焖贈Q斷等綜合性平臺設(shè)備[7-12]。

通過圖1區(qū)域監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)平臺框圖可以得知，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)計與實現(xiàn)將依賴于區(qū)域控制設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)平臺。

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)交換機單口單鏈路串聯(lián)鋪入巷道，進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)點是光纖鋪線距離合理，成本低，維護簡單。缺點是局部故障影響比較大，需要人工維護。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)備與井下交換機設(shè)備成環(huán)。區(qū)域控制設(shè)備進入井下環(huán)網(wǎng)，由于井下環(huán)網(wǎng)交換機在環(huán)網(wǎng)功能開啟時都具有各自的獨立環(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進行環(huán)網(wǎng)連接時，不僅要把區(qū)域控制設(shè)備配置成RSTP協(xié)議，還要將交換機配置成RSTP協(xié)議。這種連接方式只適合于區(qū)域監(jiān)測監(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)備與井下交換機設(shè)備成環(huán)。該連接方式的優(yōu)點是安裝方便，成本低，易擴展，維護簡單，局部故障對整個網(wǎng)絡(luò)影響較小。缺點是局限井下交換機強大功能，網(wǎng)絡(luò)資源浪費嚴重。區(qū)域控制設(shè)備網(wǎng)絡(luò)接口與交換機環(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)備獨立單環(huán)或獨立多環(huán)連接，與井下環(huán)網(wǎng)交換機單口單鏈路連接后，區(qū)域控制設(shè)備間自動獨立組環(huán)，可組成獨立的單環(huán)通訊，也可組成獨立的多環(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)點是設(shè)計靈活，覆蓋面廣，可擴展性強，維護方便，局部故障對整個網(wǎng)絡(luò)影響較小。缺點是鋪線面積大，成本高，安裝比較耗時。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ARM Cortex-A8架構(gòu)處理器，具有數(shù)據(jù)存儲芯片和多外設(shè)通信類電路進行設(shè)計的井下控制設(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，測點設(shè)備和執(zhí)行器數(shù)據(jù)較多，單臺控制設(shè)備遠遠達不到現(xiàn)場需求，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)測點采集值和設(shè)備運行狀態(tài)作為控制邏輯判斷的輸入條件，其中采集值可分為上報值、上控值、下報值和下控制值，設(shè)備運行狀態(tài)可分為為預(yù)熱、斷線、故障狀態(tài)。執(zhí)行控制對象是由區(qū)域控制設(shè)備提供對接接口，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)場應(yīng)用輸入條件復(fù)雜多變，控制關(guān)系也越來越多，準確執(zhí)行和有效地管理異地控制成為了設(shè)計重點。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)備進行計算，計算的結(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)備的反饋計算結(jié)果和異地區(qū)域控制設(shè)備的執(zhí)行結(jié)果來統(tǒng)一管理異地控制的執(zhí)行情況。從而有效地驗證了異地控制設(shè)計的合理性。

4 系統(tǒng)平臺異地控制功能塊

系統(tǒng)平臺是地面中心站系統(tǒng)軟件，其中異地控制功能塊控制關(guān)系的配置，包括了測點斷線控制、開機預(yù)熱控制、ERO故障控制、上報控制、上斷控制、下報控制、下斷控制、以及等級控制?？膳渲枚嗯_區(qū)域控制設(shè)備、多個控制口執(zhí)行相同的控制條件，系統(tǒng)平臺的靈活配置選項完全能夠滿足任何復(fù)雜的礦井要求。

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

5 異地控制設(shè)計優(yōu)點與現(xiàn)場應(yīng)用

區(qū)域異地控制設(shè)計優(yōu)點：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，完全可以脫離地面中心站軟件，已經(jīng)實現(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使用。根據(jù)現(xiàn)場使用驗證，區(qū)域控制設(shè)備能夠現(xiàn)實區(qū)域內(nèi)異地控制2 s內(nèi)報警和執(zhí)行斷電。

6 結(jié) 語

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