煤矿井下区域协同控制分站的设计_邵严.pdf

第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 煤矿井下区域协同控制分站的设计 邵严 1,2 （1.中煤科工集团重庆研究院有限公司， 重庆 400039； 2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室， 重庆 400037） 摘要 设计了一种煤矿井下区域协同控制分站， 该分站基于高性能 STM32 系列 MCU 实现， 具 有丰富的总线、 网络接口， 可实现传感器、 读卡器、 广播终端等系统数据接入、 上传， 在紧急情况 下实现本地控制输出的同时， 通过驱动人员定位读卡器、 应急广播终端等设备， 通过声音、 图像 等方式多维度的指挥人员撤离危险区域， 阻止事态进一步恶化。 关键词 智慧矿山； 监控系统； 协同控制分站； 多维度指挥； 应急联动 中图分类号 TD76文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 08-0140-04 Design of Regional Coordinated Control Substations in Underground Coal Mine SHAO Yan1,2 （1.China Coal Technology and Engineering Group Chongqing Research Institute, Chongqing 400039, China;2.State Key Laboratory of the Gas Disaster Detecting, Preventing and Emergency Controlling, Chongqing 400037, China） Abstract A kind of regional coordinated control substation in underground coal mine is designed. The substation is based on the high-perance STM32 series MCUs. It has rich buses and network interfaces, and can implement system data access and upload of sensors, card readers, and broadcast terminals. While realizing local control output in emergency situations, by driving card readers of personnel location and emergency broadcast terminals, the multi-dimensional ways of sound, image and other s are used to command personnel to evacuate the dangerous area, to prevent further deterioration of the situation. Key words intelligent mine; monitoring system; coordinated control substation; multi-dimensional command; emergency response 传统智慧矿山模型中， 安全监控统、 井下人员定 位、 井下通信等业务各成系统， 在感知层、 网络层及 应用层都没有关联， 当出现突发事件时， 各自为 战[1-4]。现有井上采用融合服务器实现多系统融合、 联动的方式响应速度不仅受到各系统巡检周期的限 制，而且应急联动效果依赖于井上、井下网络通信 质量[5-7]。介绍了一种煤矿井下多系统协同控制分站 （以下简称为协同控制分站） ， 该分站不仅可实现了 安全监控系统、人员定位系统、应急广播系统终端 设备的数据接入，同时在脱离上位机软件、发生突 发事件的情况下，可实现跨区域安全监控、人员定 位、 应急广播等多系统协同联动[8]。 1总体架构 煤矿井下多系统协同控制分站基于高性能的 STM32 系列 MCU、采用一主四从多片 MCU 协调工 作的架构开发。 分站具有 7 路 RS485 总线接口， 2 路 RJ45 电口与 2 路光通信网络接口， 满足安全监控系 统、 人员定位系统、 应急广播系统、 信息引导等系统 数据接入。以瓦斯传感器实时状态、采集数据作为 多系统应急联动预案触发条件，当紧急情况发生 时，迅速执行设备就地控制，多方位引导人员紧急 撤离。 应急联动逻辑示意图如图 1， 当工作面瓦斯传 感器超限，协同控制分站首先切断综采机供电， 加 大巷道送风量，防止危险进一步扩大。同时驱动读 卡器向该区域内员工发送紧急撤离命令，触发应急 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.08.030 邵严. 煤矿井下区域协同控制分站的设计 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （8 ） 140-143. SHAO Yan. Design of Regional Coordinated Control Substations in Underground Coal Mine ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （8） 140-143. 移动扫码阅读 基 金 项 目 重 庆 市 技 术 创 新 与 应 用 示 范 资 助 项 目 （cstc2018jscx- msybX0192） ； 国 家 重 点 研 发 计 划 资 助 项 目 （2016YFC0801405） ； 中煤科工集团重庆研究院有限公司自立创新 引导科研资助项目 （CQ1906） 140 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 图 3协同控制分站软件流程框图 Fig.3Software diagram of collaborative control substation 广播终端、 LED 指示牌通过声音、 文字、 图像等方式 指导工人安全进行撤离。同时将井下情况上传至上 位机， 通知调度人员组织相关人员紧急处理。 2协同控制分站硬件 协同控制分站硬件设计框图如图 2。由数据处 理单元与数据采集扩展单元 2 部分组成。 数据处理单元基于 1 块 STM32F429 微处理器 实现， 数据采集扩展单元基于 4 块 STM32F103 微处 理器实现，数据处理单元与数据采集扩展单元之间 通过高速串口通信是实现数据交互。 协同控制分站应可实现煤矿井下区域内安全监 控系统传感器、 人员定位读卡器、 广播终端、 信息引 导示屏等终端设备接入。其中，传感器、读卡器为 RS485 总线通信，广播终端为电口或光口以太网通 信。因为读卡器与传感器通信协议不同，并且精确 人员定位人员位置信息采集密集、数据量大，如果 单条总线实现读卡器、 传感器混接， 会因读卡器数据 长时间占用总线资源，影响传感器数据实时采集。 因此， 采用不同总线接口分别实现传感器、 读卡器数 据采集。 数据采集扩展单元主要实现安全监控系统总线 型传感器数据采集。基于 4 块 STM32F103 微处理器 外加 LBC184 TTL-RS485 接口驱动电路扩展出 4 条 独立的 RS485 总线接口，共可接入 16 路总线型传 感器。数据处理单元 RS485-5 总线实现电源信息采 集的同时， 还可实现瓦斯抽放、 多参数传感器等设备 接入。AI1～AI8 可实现 8 路开关量传感器接入。 DO1～DO8 为 8 路电平控制信号输出电路， 控制断电 仪等控制设备。RS485-6 与 RS485-7 实现 4 路精确 人员定位读卡器或 8 路区域型人员定位读卡器接 入。协同控制分站配备了 1 块支持 2 路光通信和 2 路 RJ45 电口通信的交换机模块， 该交换机模块支持 环网冗余功能与协同分站通过电口连接，可实现广 播终端设备的接入。 3协同控制分站软件 协同控制分站软件框图如图 3。 软件基于 UCOS 实时操作操作系统出色的任务 调度机制， 将每个逻辑功能模块分解为独立的任务， 根据优先级进行资源调度。软件开始运行时首先对 各种变量、 任务、 信号量、 邮箱等进行初始化， 之后 系统开始在各个任务模块中切换执行。因为 UCOS 操作系统属于抢占式系统，在任何一次发起任务调 图 1应急联动逻辑示意图 Fig.1Schematic diagram of emergency linkage logic 图 2协同控制分站硬件设计框图 Fig.2Block diagram of hardware design for cooperative control substation 141 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 度时总是将资源优先分给优先级别高的、准备就绪 的任务。 瓦斯监控系统对异常情况发生触发响应实时性 要求很高，因此相关数据采样、逻辑处理等任务优 先级高于其他任务。数据处理单元通过串口轮询方 式获取数据采集扩展单元 4 个独立的数据采集模块 中传感器数据， 数据内容包括传感器类型、 状态、 参 数值等信息。数据处理单元将读取到的传感器数据 通过邮箱机制发送给逻辑处理任务，进行报警、 断 电、风电瓦斯闭锁等逻辑判断并执行相应的控制。 同时通讯任务通过网络 TCP 通信将获取到的数据 打包上传至上位机软件 。 根据上位机下发的设置信息判断读卡器类型， 选择对应的通信协议， 通过 RS485-6、 RS485-7 总线 接口读取人员定位读卡器数据，同时分站也会将接 收到的机紧急撤离、呼叫、群呼等命令发给对应的 读卡器。当传感器或人员定位读卡器出现异常或分 站主通信终端时，数据存储任务会对这些异常数据 进行存储。 应急广播终端作为客户端同时与上位机、协同 控制分站进行连接。 基于 TCP/IP 协议以客户端模式 在启动后主动申请与控制分站进行连接，连接成功 后协同控制分站将组播序号， UDP 通信端口号等信 息发送至终端。正常情况下广播终端播放上位机下 发的音频， 当触发应急联动时控制分站基于 UDP 协 议向网络上广播终端发送报警音频。 4多系统应急联动 应急联动分为本地联动和跨区域联动 2 种情 况。本地联动是指当协同控制分站设置的触发条件 满足时仅与本台控制分站关联的设备进行应急联 动。跨区域联动是指实现本地联动的同时，还可以 触发网络中任 1 台或多台控制分站实现跨区域的应 急联动预案。 4.1上位机软件 应急联动逻辑触发条件设置界面如图 4，对于 模拟量传感器触发条件有 “报警、 断电、 故障” 等选 项， 开关量传感器有 “零态、 一态、 断线” 等选项。 每 1 组应急联动预案触发条件可以由 1 台或多台传感器 状态组成，并且通过设置界面也可以选择“同时满 足” 即所有条件都满足时或选择 “任一满足”即只要 1 个条件满足即可触发应急联动。 当需要实现跨区域协同联动时，则首先设置完 成触发条件后选择 “异地联动选项” ， 然后选择需要 联动的分站地址， 进入联动预案设置界面， 在该界面 可对要参与联动的人员系统，应急广播系统相关设 备联动逻辑进行设置。 4.2协同控制分站联动逻辑 应急联动任务实现多系统协同联动功能，应急 联动任务软件流程图如图 5。当传感器数据异常时 协同控制分站通过读取上位机下发的协同控制预案 信息表，读取关联读卡器信息及广播终端信息，生 成本地联动逻辑， 接着读取异地联动逻辑信息表， 将 本地与异地联动逻辑结合，生成最终联动逻辑执行 表。当广播播放语句与异地播放语句不同时，以本 地为主。 协同控制分站基于 UDP 协议结合应答机制实 现跨区域多协同分站应急联动[9-10]。 当本地控制分站 联动触发条件满足时且定义了跨区域联动逻辑， 控 制分站将参与控制分站地址、 参与读卡器地址、 广播 终端 IP 地址与报警语句编号通过 UDP 协议发送到 图 4应急联动触发条件上位机设置界面 Fig.4Setting interface of host computer for emergency linkage trigger condition 图 5应急联动任务软件流程图 Fig.5Software flowchart of emergency linkage task 142 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 网络上，并等待被控分站应答信息。被控控制分站 收到 UDP 数据帧后将本地地址与数据帧信息比较， 若存在则保存该联动信息并立即执行，直到收到结 束数据指令帧后清除配置信息， 停止联动。 5测试验证 测试环境搭建示意图如图 6， 1、 2、 33 台协同 控制分站利用交换机模块组成环网， 2分站、 3分站 分别接入 1 台甲烷传感器、 断电仪， 人员定位读卡器 和广播终端， 设备通信地址如图中。 第 1 组测试条件设定为采用传统地面融合联 动服务器实现应急联动预案， 当 2甲烷传感器数值 超过 1.5时，本地控制口断开 5 号断电仪开关， 同 时触发 2、 3读卡器向区域内所有标识卡发出紧急 撤离命令， IP 地址为 192.168.1.1 和 192.168.1.2 的 2 台广播同时语音报警；第 2 组测试条件设定为 基 于协同控制分站实现井下跨区域应急联动，触发条 件和联动预案与第 1 组完全相同，预案下发给分站 后断开与上位机通信。对应设备响应时间测试结果 见表 1。 从表 1 中测试结果可以得出协同控制分站在脱 离上位机的情况下依然能够实现跨区域应急联动， 相比基于地面服务器实现方式，脱离上位机软件后 无法实现，类似于当煤矿井下主干网通信受到干扰 时后者无法实现多系统应急联动，而且响应速度基 于协同控制分站也有明显优势。 6结语 设计了一种煤矿井下区域协同控制分站，煤矿 井下跨区域协同控制分站具有以下几点特点脱离 上位机的情况下可实现安全监控、人员定位、井下 广播系统协同应急联动；与地面服务器实 3 个系统 应急联动向比， 不受个系统巡检周期的制约， 响应时 间快； 3 个系统数据均由协同分站环网传输， 与传统 各自系统独立建设需要 3 套环网相比，节约了大量 的人力、财力。目前协同控制分站已在乌海能源公 司黄白茨、 老石担、 五虎山等 10 余座矿井使用， 产品 的稳定性、 先进性、 创新型得到了使用单位的高度认 可和一制好评。 参考文献 ［1］ 马晓辉.基于物联网技术的智慧矿山研究 ［J］ .机电工 程技术， 2019， 48 （12） 65-66. ［2］ 谭章禄， 吴琦.智慧矿山理论与关键技术探析 ［J］ .中国 煤炭， 2019， 45 （10） 30-40. ［3］ 孙继平.煤矿信息化与智能化要求与关键技术 ［J］ .煤 炭科学技术， 2014， 42 （9） 22-25. ［4］ 孙继平.煤矿监控新技术与新装备 ［J］ .工矿自动化， 2015， 41 （1） 1-5. ［5］ 王勇.煤矿多系统 “一张图” 融合联动平台设计 ［J］ .工 矿自动化， 2019， 45 （9） 99-102. ［6］ 张翼. 煤矿安全监控多系统融合与联动交互方案 ［J］ . 煤矿安全， 2019， 50 （6） 100-103. ［7］ 郭江涛.基于物联网的矿井区域协同控制器研究 ［J］ . 煤矿机械， 2016， 37 （7） 176-178. ［8］ 煤安监函 〔2016〕 5 号煤矿安全监控系统升级改造技 术方案 ［S］ . ［9］ 王维， 谢泰荣， 胡宪华.一种基于 UDP 的物联网终端 掉线检测机制 ［J］ .电子世界， 2019 （23） 134-135. ［10］ 许坤， 赵亮.基于 UDP 协议的可靠数据传输的实现 ［J］ .科技创新导报， 2019， 16 （17） 7-8. 图 6测试环境搭建示意图 Fig.6Schematic of the environment set up for testing 表 1设备响应时间记录 Table 1Records of device response time 断电时间 /s 1广播 终端/s 2读卡器 /s 2广播 终端/s 2读卡器 /s 第 1 组 第 2 组 1.13 0.97 1.02 0.99 0.97 1.25 4.07 3.99 3.98 2.33 2.47 2.39 4.57 4.30 5.47 1.79 1.90 1.83 4.03 3.89 3.99 2.85 3.01 2.79 4.68 4.31 5.49 2.32 2.21 2.35 作者简介 邵严 （1985） ， 陕西西安人， 助理研究员， 硕士， 2012 年毕业于长安大学，主要从事煤矿安全监控系 统仪器设备的研发工作。 （收稿日期 2020-02-21； 责任编辑 李力欣） 143 ChaoXing