煤矿井下区域协同控制分站的设计

邵 严

（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）

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。

图1 应急联动逻辑示意图Fig.1 Schematic diagram of emergency linkage logic

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。

图2 协同控制分站硬件设计框图Fig.2 Block diagram of hardware design for cooperative control substation

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。

图3 协同控制分站软件流程框图Fig.3 Software diagram of collaborative control substation

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。

图4 应急联动触发条件上位机设置界面Fig.4 Setting interface of host computer for emergency linkage trigger condition

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。

图5 应急联动任务软件流程图Fig.5 Software flowchart of emergency linkage task

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#、3#3 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。

图6 测试环境搭建示意图Fig.6 Schematic of the environment set up for testing

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。

表1 设备响应时间记录Table 1 Records of device response time

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。