煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)邏輯控制自動(dòng)檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

陳向飛

（1. 中煤科工集團(tuán)常州研究院有限公司，江蘇 常州 213015；2. 天地（常州）自動(dòng)化股份有限公司，江蘇 常州 213015）

0 引言

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)邏輯控制的可靠性直接關(guān)系到井下工作人員生命安全[1-2]，是衡量系統(tǒng)性能的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。因此，需要對(duì)煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)邏輯控制進(jìn)行檢測(cè)，包括控制（斷電、閉鎖）是否正確執(zhí)行和控制執(zhí)行時(shí)間是否達(dá)標(biāo)兩項(xiàng)。煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造前，分站和傳感器之間多為模擬信號(hào)傳輸，傳感器通過(guò)頻率或電流表示信號(hào)大小，通過(guò)示波器能直觀地識(shí)別傳感器超限及控制（斷電器）執(zhí)行情況，使用秒表等簡(jiǎn)單計(jì)時(shí)設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)控制執(zhí)行計(jì)時(shí)[3]。隨著煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)字化升級(jí)改造推行[4-5]，分站與傳感器之間多采用RS485，CAN等總線傳輸方式，且不同廠家的監(jiān)控系統(tǒng)通信機(jī)制、通信協(xié)議各不相同，無(wú)法通過(guò)示波器觀測(cè)波形等手段實(shí)現(xiàn)控制執(zhí)行計(jì)時(shí)，因此對(duì)煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)邏輯控制功能標(biāo)準(zhǔn)化檢測(cè)造成了極大困難。同時(shí)，AQ 6201-2019《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)通用技術(shù)要求》新增了對(duì)煤與瓦斯突出報(bào)警和斷電閉鎖功能的要求，需要測(cè)試近300條控制邏輯，若采用人工檢測(cè)會(huì)造成效率低、誤差大等問(wèn)題。本文研制了煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)邏輯控制自動(dòng)檢測(cè)裝置，可自動(dòng)控制傳感器發(fā)出閉鎖信號(hào)，采集控制執(zhí)行情況，并自動(dòng)判定控制執(zhí)行時(shí)間是否達(dá)標(biāo)，從而滿足廠家和安標(biāo)中心對(duì)煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)邏輯控制功能的標(biāo)準(zhǔn)化檢測(cè)需求。

1 裝置設(shè)計(jì)依據(jù)

1.1 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求

根據(jù)AQ 6201-2019中5.5.2節(jié)，煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)邏輯控制分為甲烷超限或故障閉鎖、甲烷風(fēng)電閉鎖和煤與瓦斯突出閉鎖3個(gè)部分，各部分包含的傳感器、斷電器數(shù)量不等；結(jié)合AQ 1029-2019《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)及檢測(cè)儀器使用管理規(guī)范》規(guī)定，各傳感器的控制條件也不相同。為了滿足各應(yīng)用場(chǎng)景檢測(cè)，需要對(duì)控制的傳感器、斷電器數(shù)量和傳感器控制條件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

（1） 甲烷超限或故障閉鎖。涉及各位置的甲烷傳感器、斷電器各1臺(tái)。傳感器控制條件只涉及甲烷傳感器超限或傳感器故障，根據(jù)AQ 1029-2019中6.1.2節(jié)，甲烷傳感器超限濃度有4種，則檢測(cè)裝置只需控制傳感器產(chǎn)生4種超限濃度對(duì)應(yīng)的閉鎖信號(hào)或發(fā)生故障，即可滿足甲烷超限或故障閉鎖檢測(cè)需求。

（2） 甲烷風(fēng)電閉鎖。涉及多臺(tái)傳感器及斷電器，其中最復(fù)雜應(yīng)用為“三分閉鎖”（當(dāng)局部通風(fēng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)、掘進(jìn)工作面或回風(fēng)流中甲烷體積分?jǐn)?shù)大于3.0%時(shí)，對(duì)局部通風(fēng)機(jī)進(jìn)行閉鎖），同時(shí)甲烷傳感器在普通超限條件下需控制除局部通風(fēng)機(jī)外的非本安設(shè)備，因此檢測(cè)裝置需控制的斷電器至少為2臺(tái)，傳感器數(shù)量及相應(yīng)的控制條件見表1。

（3） 煤與瓦斯突出閉鎖。涉及多臺(tái)傳感器和2臺(tái)斷電器（掘進(jìn)工作面和采煤工作面各1臺(tái)）。傳感器控制條件：掘進(jìn)工作面甲烷濃度迅速升高且風(fēng)速不低于正常值；掘進(jìn)工作面甲烷濃度迅速升高且風(fēng)流逆轉(zhuǎn)；掘進(jìn)工作面甲烷濃度迅速升高且回風(fēng)流、進(jìn)風(fēng)流甲烷濃度迅速升高；采煤工作面甲烷濃度迅速升高且風(fēng)速不低于正常值；采煤工作面甲烷濃度迅速升高且風(fēng)流逆轉(zhuǎn)；采煤工作面甲烷濃度迅速升高且回風(fēng)流、進(jìn)風(fēng)流甲烷濃度迅速升高。以掘進(jìn)工作面甲烷濃度迅速升高且風(fēng)速不低于正常值為例，檢測(cè)裝置需要控制的傳感器及控制條件見表2。

表2 煤與瓦斯突出閉鎖檢測(cè)涉及的傳感器及控制條件Table 2 Sensors and control conditions related to coal and gas outburst interlocking detection

通過(guò)分析行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)邏輯控制檢測(cè)所涉及的傳感器包含各位置甲烷傳感器、風(fēng)速傳感器、風(fēng)向傳感器、風(fēng)量傳感器及局部通風(fēng)機(jī)開停傳感器等，通過(guò)整合各位置傳感器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)邏輯控制需傳感器8～16臺(tái)、斷電器2臺(tái)以上。每類傳感器邏輯控制條件不同，其中甲烷傳感器邏輯控制條件較多，主要包括故障，濃度迅速升高，體積分?jǐn)?shù)分別達(dá)到0.5%、1.0%、1.5%、3.0%，濃度正常；風(fēng)速傳感器邏輯控制條件主要為風(fēng)速低于正常值或正常狀態(tài)；風(fēng)向傳感器邏輯控制條件包括風(fēng)向逆轉(zhuǎn)或正常狀態(tài)；局部通風(fēng)機(jī)開停傳感器邏輯控制條件包括停止或正常狀態(tài)。

1.2 安標(biāo)檢測(cè)要求

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)邏輯控制檢測(cè)分為本地邏輯控制檢測(cè)和異地邏輯控制檢測(cè)[6-9]。若檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)非本安設(shè)備較多，則所需斷電器較多，易造成現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用設(shè)置復(fù)雜。為提高煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)邏輯控制功能檢測(cè)的可靠性，在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的邏輯控制基礎(chǔ)上，安標(biāo)檢測(cè)增加了復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景的邏輯控制檢測(cè)，具體見表3。

表3 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)邏輯控制模式及控制執(zhí)行時(shí)間判定Table 3 Logical control mode and control execution time determination of coal mine safety monitoring system

2 裝置工作原理及功能

2.1 裝置工作原理

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)邏輯控制自動(dòng)檢測(cè)裝置工作原理如圖1所示。該裝置不受通信協(xié)議及總線形式限制，通過(guò)控制多臺(tái)傳感器發(fā)出相應(yīng)的閉鎖信號(hào)，采集監(jiān)控系統(tǒng)邏輯控制結(jié)果（斷電器是否斷電），記錄閉鎖信號(hào)發(fā)生時(shí)刻及邏輯控制執(zhí)行結(jié)果發(fā)生時(shí)刻，從而判定邏輯控制是否正常執(zhí)行及邏輯控制執(zhí)行時(shí)間是否達(dá)標(biāo)。

圖1 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)邏輯控制自動(dòng)檢測(cè)裝置工作原理Fig. 1 Working principle of logical control automatic detection device for coal mine safety monitoring system

2.2 裝置功能

（1） 閉鎖信號(hào)控制功能。為提高時(shí)效性，煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)邏輯控制自動(dòng)檢測(cè)裝置采用串口通信方式，通過(guò)數(shù)字信號(hào)可同時(shí)控制8～16臺(tái)傳感器產(chǎn)生相應(yīng)閉鎖信號(hào)，閉鎖信號(hào)包括各類傳感器的多種邏輯控制條件。

（2） 控制結(jié)果采集功能。根據(jù)裝置設(shè)計(jì)依據(jù)，需在2臺(tái)以上分站設(shè)置斷電器，每臺(tái)分站上的斷電器不少于4臺(tái)，因此裝置通過(guò)8個(gè)端口采集斷電器狀態(tài)，判斷系統(tǒng)邏輯控制是否執(zhí)行。

（3） 控制執(zhí)行時(shí)間判定功能。傳感器是在接收到裝置發(fā)送的控制命令后輸出相應(yīng)閉鎖信號(hào)，考慮到裝置發(fā)送控制命令到傳感器產(chǎn)生閉鎖信號(hào)有一定的時(shí)間間隔，因此控制執(zhí)行時(shí)間是從裝置發(fā)送完控制命令后開始計(jì)時(shí)，最后一臺(tái)斷電器斷電后結(jié)束計(jì)時(shí)，根據(jù)開始計(jì)時(shí)時(shí)刻與最后的斷電時(shí)刻，判定系統(tǒng)邏輯控制執(zhí)行時(shí)間。

（4） 人機(jī)交互及顯示功能。實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)各項(xiàng)邏輯控制檢測(cè)的配置，包括傳感器地址設(shè)置、斷電器控制采集端口設(shè)置等，同時(shí)可展示及輸出檢測(cè)結(jié)果。

（5） 自動(dòng)檢測(cè)功能。為提高檢測(cè)效率，通過(guò)對(duì)邏輯控制檢測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)置并裝載，裝置順序執(zhí)行相應(yīng)的控制邏輯，并在每條邏輯控制執(zhí)行之后恢復(fù)各傳感器及斷電器到初始狀態(tài)。

3 裝置設(shè)計(jì)

3.1 裝置軟件

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)邏輯控制自動(dòng)檢測(cè)裝置軟件采用搶占式、實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核的FreeRTOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)多任務(wù)并發(fā)處理[10]。裝置軟件程序通過(guò)創(chuàng)建多任務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同功能模塊化設(shè)計(jì)，包括串口通信任務(wù)、控制結(jié)果采集任務(wù)、控制執(zhí)行時(shí)間計(jì)時(shí)任務(wù)、顯示屏顯示任務(wù)、人機(jī)交互任務(wù)、本地控制任務(wù)、異地控制任務(wù)、風(fēng)電瓦斯閉鎖控制任務(wù)、煤與瓦斯突出閉鎖控制任務(wù)等。各任務(wù)之間通過(guò)信號(hào)量形式實(shí)現(xiàn)調(diào)度，從而降低CPU使用率，提高程序的實(shí)時(shí)性和控制執(zhí)行時(shí)間計(jì)時(shí)的精準(zhǔn)性。

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)邏輯控制自動(dòng)檢測(cè)裝置軟件流程如圖2所示。

圖2 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)邏輯控制自動(dòng)檢測(cè)裝置軟件流程Fig. 2 Software flow of logic control automatic detection device for coal mine safety monitoring system

3.2 裝置硬件

由于裝置最多需控制16臺(tái)傳感器，為減少控制命令發(fā)送耗時(shí)，設(shè)計(jì)2個(gè)UART串口輸出TTL信號(hào)，每個(gè)UART串口對(duì)應(yīng)控制8臺(tái)傳感器。通過(guò)I/O接口采集斷電器狀態(tài)。采用分辨率為128×64的液晶顯示屏，人機(jī)交互采用按鍵或紅外遙控方式。CPU采用外設(shè)資源（串口及GPIO接口）豐富的STM32F1系列單片機(jī)。

3.3 裝置操作面板

為方便操作，設(shè)計(jì)了煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)邏輯控制自動(dòng)檢測(cè)操作面板，結(jié)構(gòu)如圖3所示，用于顯示、人機(jī)交互及接線等。

圖3 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)邏輯控制自動(dòng)檢測(cè)裝置操作面板結(jié)構(gòu)Fig. 3 Operating panel structure of logic control automatic detection device for coal mine safety monitoring system

4 裝置測(cè)試

在煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求的運(yùn)行測(cè)試條件下，將涉及邏輯控制的傳感器和斷電器接入煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)邏輯控制自動(dòng)檢測(cè)裝置，并在裝置中配置相關(guān)傳感器地址和斷電器接入的端口號(hào)，同時(shí)在煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)軟件中配置相應(yīng)的斷電控制邏輯。

為保證測(cè)試的可靠性及真實(shí)性，傳感器和斷電器所在分站通道需滿載，此時(shí)通信負(fù)荷最大，才能測(cè)出最大控制執(zhí)行時(shí)間。針對(duì)甲烷超限邏輯控制（單臺(tái)傳感器對(duì)應(yīng)單臺(tái)斷電器）執(zhí)行時(shí)間進(jìn)行測(cè)試，人工檢測(cè)（多次測(cè)量取平均值）和自動(dòng)檢測(cè)結(jié)果見表4，可看出兩者的控制執(zhí)行時(shí)間基本一致，表明自動(dòng)檢測(cè)裝置判定的控制執(zhí)行時(shí)間可靠、準(zhǔn)確。

表4 控制執(zhí)行時(shí)間對(duì)比Table 4 Control execution time comparison s

針對(duì)煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)所有邏輯控制進(jìn)行測(cè)試。當(dāng)采用人工檢測(cè)時(shí)，每條控制邏輯需要人工設(shè)置傳感器輸出閉鎖信號(hào)，系統(tǒng)輸出相應(yīng)的控制執(zhí)行結(jié)果，人工記錄控制執(zhí)行時(shí)間，最后需要人工將傳感器恢復(fù)到初始狀態(tài)。經(jīng)綜合測(cè)算，人工檢測(cè)每條控制邏輯需要10 min，由于煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)需測(cè)試近300條控制邏輯，人工檢測(cè)時(shí)間約為50 h。當(dāng)采用自動(dòng)檢測(cè)裝置檢測(cè)時(shí)，根據(jù)實(shí)際采煤工作面煤與瓦斯突出檢測(cè)結(jié)果（圖4），每條控制邏輯自動(dòng)檢測(cè)時(shí)間為15 s左右，加上裝置、上位機(jī)設(shè)置的時(shí)間，自動(dòng)檢測(cè)裝置總體檢測(cè)時(shí)間約為2 h，與人工檢測(cè)相比顯著提高了檢測(cè)效率。

圖4 煤與瓦斯突出檢測(cè)結(jié)果Fig. 4 Coal and gas outburst detection results

5 結(jié)語(yǔ)

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)邏輯控制自動(dòng)檢測(cè)裝置控制傳感器輸出閉鎖信號(hào)，采集斷電器斷電狀態(tài)，計(jì)算控制執(zhí)行時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)邏輯控制自動(dòng)檢測(cè)。測(cè)試結(jié)果表明，該裝置能可靠、準(zhǔn)確地檢測(cè)控制執(zhí)行時(shí)間，提高了檢測(cè)效率。