基于井下多系統(tǒng)的區(qū)域監(jiān)測(cè)控制器

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）

近年來(lái)，隨著煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造的進(jìn)程，煤礦逐步向智能化，自動(dòng)化煤礦方面建設(shè)[1-2]。大多數(shù)現(xiàn)代化煤礦已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、信息引導(dǎo)系統(tǒng)和廣播系統(tǒng)等系統(tǒng)，相對(duì)于煤礦系統(tǒng)而言，煤礦井下系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)，多變，多系統(tǒng)組成的復(fù)雜的系統(tǒng)[3-4]。各個(gè)子系統(tǒng)都存在著獨(dú)立測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)能力和獨(dú)立的推理邏輯控制能力，能夠在煤礦井下獨(dú)立運(yùn)行，因此各個(gè)子系統(tǒng)之間存在著相互制約和相互影響的關(guān)系[5-8]?？墒峭粌H僅是地面多子系統(tǒng)的合成是不夠的，煤礦井下工人并不能夠及時(shí)快速地知曉周圍的環(huán)境變化情況。因此迫切需要井下多系統(tǒng)間數(shù)據(jù)共享的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)異常后各子系統(tǒng)能夠聯(lián)動(dòng)反應(yīng)，快速及時(shí)地通知區(qū)域內(nèi)人員并做出相應(yīng)處理。煤礦井下區(qū)域內(nèi)多系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)共享監(jiān)測(cè)控制器的設(shè)計(jì)，能夠使煤礦向智能化方向邁進(jìn)一步。

現(xiàn)有模式煤礦井下系統(tǒng)存在以下問(wèn)題：①區(qū)域內(nèi)各個(gè)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)缺少井下區(qū)域集成和系統(tǒng)間數(shù)據(jù)共享問(wèn)題;②區(qū)域內(nèi)系統(tǒng)脫離主干網(wǎng)后，系統(tǒng)間的監(jiān)測(cè)能力降低，系統(tǒng)間的協(xié)同監(jiān)測(cè)難的問(wèn)題;③缺乏系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交互，缺乏系統(tǒng)間的邏輯控制構(gòu)建，應(yīng)急能力不夠快速響應(yīng)等問(wèn)題。

區(qū)域監(jiān)測(cè)控制器是以多系統(tǒng)集成于自身的井下監(jiān)測(cè)監(jiān)控大系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，因此不僅具有安全監(jiān)控系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、信息引導(dǎo)系統(tǒng)和廣播系統(tǒng)等系統(tǒng)功能，而且還具有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)共享、系統(tǒng)間邏輯控制、區(qū)域內(nèi)協(xié)同控制和異常情況區(qū)域公告等功能。能夠滿足煤礦安全生產(chǎn)過(guò)程中的全面環(huán)境監(jiān)測(cè)問(wèn)題。

1 區(qū)域監(jiān)測(cè)控制器功能

區(qū)域監(jiān)測(cè)控制器是基于多系統(tǒng)集成于一身的煤礦井下測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)監(jiān)控設(shè)備，基本功能有與多系統(tǒng)集成式上位機(jī)或分布式上位機(jī)具有數(shù)據(jù)信息交互功能，與環(huán)境監(jiān)測(cè)監(jiān)控點(diǎn)傳感器通信功能，與斷電饋電傳感器通信功能，與人員定位讀卡器通信功能，能驅(qū)動(dòng)廣播進(jìn)行廣播播報(bào)驅(qū)動(dòng)能力，與信息引導(dǎo)顯示屏通信功能等等，區(qū)域監(jiān)測(cè)控制器結(jié)構(gòu)框圖如圖1。

圖1 區(qū)域監(jiān)測(cè)控制器結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Regional monitoring controller block diagram

區(qū)域監(jiān)測(cè)控制器具有如下功能：

1）兼容多系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸功能。監(jiān)測(cè)控制器與上位機(jī)采用了C/S 模式的光口或電口，進(jìn)行系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)間的鏈路數(shù)據(jù)不會(huì)相互干擾[9-11]。與終端設(shè)備數(shù)據(jù)采集器傳輸，采用了模塊化的總線方式，各個(gè)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)進(jìn)行了總線區(qū)分，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議相互獨(dú)立，對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行了分塊有序的數(shù)據(jù)傳輸，并能兼容多系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。

2）多系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享功能。監(jiān)測(cè)控制器采用了Linux系統(tǒng)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)運(yùn)用了多進(jìn)程間的共享內(nèi)存通信技術(shù)，現(xiàn)實(shí)多系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)共享功能，方便采集數(shù)據(jù)能夠在各子系統(tǒng)間靈活運(yùn)用[12-15]。

3）系統(tǒng)間組合邏輯控制功能。利用采集測(cè)點(diǎn)共享內(nèi)存數(shù)據(jù)，將測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯編輯實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間編輯條件同時(shí)滿足的控制功能設(shè)置，或廣播播報(bào)，或重要信息發(fā)布。在區(qū)域環(huán)境測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)異常時(shí)，脫離主干網(wǎng)通信的情況下，還能夠進(jìn)行控制斷電，廣播播報(bào)和緊急信息發(fā)布等功能。

4）電源集中管理功能。能夠?qū)Ω鞴╇婋娫辞闆r集中管理，如供電設(shè)備的交直流狀態(tài)，電源箱的運(yùn)行參數(shù)，電池電量或電源箱內(nèi)各路供電模塊的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)等功能。

2 區(qū)域監(jiān)測(cè)控制器平臺(tái)

區(qū)域監(jiān)測(cè)控制器是基于低功耗工業(yè)級(jí)ARM Cortex-A8 架構(gòu)處理器，并支持2 路百兆以太網(wǎng)光口，1 路百兆以太網(wǎng)電口，多種存儲(chǔ)芯片和多種外設(shè)通信類電路進(jìn)行設(shè)計(jì)的。軟件系統(tǒng)架構(gòu)是采用了嵌入式Linux 操作系統(tǒng)進(jìn)行軟件系統(tǒng)架構(gòu)的搭建，并支持多文件系統(tǒng)操作，多網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)連接和嵌入式Web 服務(wù)器訪問(wèn)。

2.1 區(qū)域監(jiān)測(cè)控制器硬件

區(qū)域監(jiān)測(cè)控制器硬件采用ARM Cortex-A8 處理器，支持2 路百兆以太網(wǎng)光口，1 路百兆以太網(wǎng)電口，設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)通信模塊可以支持小型環(huán)網(wǎng)功能。選用了512 MB DDR3L SDRAM，1024MB NAND Flash 作為系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)變量和程序存儲(chǔ)模塊。區(qū)域監(jiān)測(cè)控制器硬件框圖如圖2。

其中，監(jiān)測(cè)控制器的外設(shè)有16 路隔離485 總線類通信接口，有8 路總線與環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)傳感器實(shí)現(xiàn)接口互連，集成了區(qū)域環(huán)境測(cè)點(diǎn)的監(jiān)控監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)接口相通。有4 路總線與人員定位讀卡器進(jìn)行接口互接，現(xiàn)實(shí)人員定位讀卡器的數(shù)據(jù)采集。有2 路總線與信息引導(dǎo)顯示屏進(jìn)行連接，現(xiàn)實(shí)及時(shí)信息的通知和應(yīng)急信息的發(fā)布。有1 路總線與智能口連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能設(shè)備的信息交互。最后1 路總線與電源箱連接，現(xiàn)實(shí)對(duì)區(qū)域電源信息的智能管理。

監(jiān)測(cè)控制器的外設(shè)還具有16 路電流采集和16路電平輸出，2 路CAN 總線，RTC 實(shí)時(shí)時(shí)鐘，WDT 看門狗等電路，并支持SD 卡和U 盤下載重要數(shù)據(jù)功能。以及支持Web 服務(wù)器在線訪問(wèn)設(shè)備運(yùn)行情況和重要參數(shù)等功能。

圖2 區(qū)域監(jiān)測(cè)控制器硬件框圖Fig.2 Regional monitoring controller hardware platform block diagram

監(jiān)測(cè)控制器通過(guò)以太網(wǎng)光口或電口能夠與廣播系統(tǒng)建立連接，實(shí)現(xiàn)廣播流的數(shù)據(jù)發(fā)送，操作廣播設(shè)備終端播放對(duì)應(yīng)的廣播信息。

2.2 區(qū)域監(jiān)測(cè)控制器軟件流程

區(qū)域監(jiān)測(cè)控制器軟件系統(tǒng)架構(gòu)是基于嵌入式Linux 操作系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，由于監(jiān)測(cè)控制器是集成多系統(tǒng)為一體的設(shè)備，因此采用進(jìn)程進(jìn)行單個(gè)子系統(tǒng)應(yīng)用程序的開發(fā)，利用Linux 系統(tǒng)中的共享內(nèi)存，現(xiàn)實(shí)進(jìn)程與進(jìn)程間的通信，也就是系統(tǒng)間的共享數(shù)據(jù)訪問(wèn)，滿足多系統(tǒng)為一體的區(qū)域性監(jiān)測(cè)監(jiān)控工作。區(qū)域監(jiān)測(cè)控制器軟件設(shè)計(jì)框圖如圖3。

區(qū)域監(jiān)測(cè)控制器與廣播終端建立連接過(guò)程：①?gòu)V播自動(dòng)發(fā)起TCP/IP 注冊(cè)連接，監(jiān)測(cè)控制器是TCP/IP 服務(wù)器端，收到注冊(cè)連接后分配廣播的組播地址給廣播終端；②廣播終端收到分配的組播地址后，加入對(duì)應(yīng)的組播地址，并回復(fù)監(jiān)測(cè)控制器加入組播成功，監(jiān)測(cè)控制器斷開連接；③監(jiān)測(cè)控制器通過(guò)UDP 和組播地址發(fā)送廣播信息的碼流，現(xiàn)實(shí)廣播信息的發(fā)送。

區(qū)域監(jiān)測(cè)控制器與讀卡器是通過(guò)4 條485 總線建立連接，通過(guò)自定義協(xié)議實(shí)現(xiàn)讀取標(biāo)識(shí)卡的數(shù)據(jù)信息，以及對(duì)人員緊急撤離命令的通報(bào)。通過(guò)2 條485 總線建立與信息引導(dǎo)顯示屏的通信，其中包括區(qū)域信息的發(fā)布，日常重要信息的發(fā)布和緊急信息的文字發(fā)布等等。

圖3 區(qū)域監(jiān)測(cè)控制器軟件設(shè)計(jì)框圖Fig.3 Regional monitoring controller software design block diagram

區(qū)域監(jiān)測(cè)控制器建立了基于Web 服務(wù)器的系統(tǒng)配置與整機(jī)運(yùn)行情況測(cè)試服務(wù)，可通過(guò)瀏覽器完成系統(tǒng)參數(shù)配置，固件升級(jí)，異常數(shù)據(jù)導(dǎo)出等功能。

3 系統(tǒng)軟件區(qū)域控制

系統(tǒng)軟件是地面中心站的融合系統(tǒng)軟件，其中包括了安全監(jiān)控系統(tǒng)，人員定位系統(tǒng)，信息引導(dǎo)發(fā)布系統(tǒng)和廣播系統(tǒng)等系統(tǒng)的軟件配置工作。針對(duì)區(qū)域監(jiān)測(cè)控制器具有特定的區(qū)域聯(lián)動(dòng)功能，系統(tǒng)軟件采用了多系統(tǒng)聯(lián)合配置調(diào)用后臺(tái)子系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)現(xiàn)實(shí)區(qū)域聯(lián)動(dòng)邏輯控制方案下發(fā)到區(qū)域監(jiān)測(cè)控制器中，區(qū)域監(jiān)測(cè)控制器根據(jù)數(shù)據(jù)共享技術(shù)和邏輯控制方案完成區(qū)域控制運(yùn)算和執(zhí)行控制方案。

區(qū)域控制技術(shù)觸發(fā)條件設(shè)置界面如圖4，區(qū)域監(jiān)測(cè)控制器的系統(tǒng)軟件可以對(duì)每個(gè)采集通道進(jìn)行相應(yīng)的區(qū)域控制觸發(fā)條件設(shè)置，圖4 中區(qū)域監(jiān)測(cè)控制器的通道1、通道2、通道3 分別接入了工作面T0、T1、T2 瓦斯傳感器，并設(shè)置了相對(duì)應(yīng)的報(bào)警零態(tài)和斷線觸發(fā)條件，可選擇多個(gè)觸發(fā)條件的模式（任一條件或同時(shí)滿足），區(qū)域監(jiān)測(cè)控制器就能夠進(jìn)行相應(yīng)的邏輯運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果傳送給相應(yīng)的執(zhí)行終端。

區(qū)域控制技術(shù)執(zhí)行終端設(shè)備界面如圖5。其中包括人員定位讀卡器終端，應(yīng)急廣播終端，信息顯示屏終端和綜保控制器終端，當(dāng)區(qū)域控制發(fā)送的邏輯運(yùn)算結(jié)果給執(zhí)行終端后，執(zhí)行終端根據(jù)配置的需要執(zhí)行相應(yīng)的響應(yīng)。

圖4 區(qū)域控制技術(shù)觸發(fā)條件設(shè)置界面Fig.4 Regional control technology trigger condition settings

圖5 區(qū)域控制技術(shù)執(zhí)行終端設(shè)備界面Fig.5 Regional control technology implementation terminal equipment interface

區(qū)域監(jiān)測(cè)控制器系統(tǒng)軟件功能避免了多系統(tǒng)多參數(shù)配置需要重復(fù)配置的缺陷，將多系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳送的復(fù)雜多變的方式，集成于系統(tǒng)軟件中的區(qū)域控制功能。簡(jiǎn)化了系統(tǒng)軟件的復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)工作效率，方便煤礦工人的操作。

4 設(shè)計(jì)亮點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

區(qū)域監(jiān)測(cè)控制設(shè)計(jì)亮點(diǎn)：①打破了子系統(tǒng)單鏈單設(shè)備的模式，實(shí)現(xiàn)了多系統(tǒng)集成于設(shè)備的設(shè)計(jì)；②設(shè)備與設(shè)備間可現(xiàn)實(shí)光電口自由組合成微型環(huán)網(wǎng)，確保系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和設(shè)備的靈活性；③區(qū)域間可實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)多系統(tǒng)的邏輯控制方案設(shè)計(jì)。

現(xiàn)目前區(qū)域監(jiān)測(cè)控制器已經(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)域監(jiān)測(cè)控制器能夠現(xiàn)實(shí)區(qū)域內(nèi)瓦斯超限1 s內(nèi)報(bào)警和執(zhí)行斷電，區(qū)域內(nèi)聯(lián)動(dòng)的廣播設(shè)備能夠快速播報(bào)廣播應(yīng)急信息，同時(shí)通知區(qū)域內(nèi)工作人員，并采取有效的應(yīng)急處理方案。

5 結(jié) 語(yǔ)

區(qū)域監(jiān)測(cè)控制器是集成多煤礦井下系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的區(qū)域監(jiān)測(cè)監(jiān)控設(shè)備，特點(diǎn)為：①解決了現(xiàn)有子系統(tǒng)間單鏈數(shù)據(jù)傳輸單向，測(cè)點(diǎn)控單一和邏輯點(diǎn)不全面等問(wèn)題；②實(shí)現(xiàn)了多子系統(tǒng)間數(shù)據(jù)共享，區(qū)域測(cè)點(diǎn)內(nèi)可監(jiān)測(cè)監(jiān)控的能力；③區(qū)域控制邏輯設(shè)置，能夠全方面快速及時(shí)響應(yīng)區(qū)域異?；驊?yīng)急情況；④區(qū)域監(jiān)測(cè)控制器脫離主干網(wǎng)后，設(shè)備能夠獨(dú)立完成區(qū)域脫網(wǎng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控。提高了區(qū)域作業(yè)環(huán)境的安全保障，同時(shí)為區(qū)域應(yīng)急情況提供安全處理的技術(shù)指導(dǎo)手段。