井下區域異地控制的設計與實現

周代勇

（1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400039；2.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶400037）

在AQ 6201—2019《煤礦安全監控系統通用技術要求》安全生產行業標準中，增加了異地控制的工作方式的術語和定義[1-3]。根據安全生產行業標準中的異地控制定義，觸發控制條件的傳感器與被控設備不屬同一分站。在煤礦安全監控系統中將被描述為，任意測點的任意狀態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控系統中，分站已經不在是單一的傳感器數據采集傳輸、顯示和控制等功能的分站，而是具有功能更加豐富的區域控制設備。區域控制設備除了分站所有的功能外，還具有人員定位系統標識卡的采集傳輸、顯示功能，以及緊急廣播系統的廣播信息傳輸功能等等[4-6]。因此，智能礦山煤礦安全監控系統中的異地控制邏輯更加復雜，傳輸的信息量更多，實現的難度更大。

1 煤礦安全監控系統的異地控制設計思路

目前，在煤礦安全監控系統的異地控制設計思路主要有3種：

1）地面中心站軟件獨立完成。根據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條件，然后下發被控對象的執行命令。這種設計方法的優點是設計簡單、排查故障容易、操作方便。缺點是依賴性強，井下區域控制設備無法獨立完成邏輯控制，網絡故障時異地控制不可靠，整套異地控制邏輯時間過長，控制邏輯觸發條件復雜后溯源觸發條件需要人為推理。

2）井下局部區域控制設備完成。區域控制設備之間采用總線方式與地面中心站進行通信，根據總線通信方式的特點，監聽接收各個區域控制設備的異地控制信息完成異地控制邏輯的判斷。這種設計方法的優點是控制時間快、獨立性強、邏輯簡單。缺點是協議邏輯復雜、總線數據量大、跨總線無法實現。

3）井下區域控制設備完成。區域控制設備之間采用網絡方式與地面中心站進行通信，利用網絡廣播的通信方式完全跨地區的異地控制。這種設計方法的優點是控制快速、獨立性強、操作簡易。缺點是光纖接線維護難、成本較高。

3種井下異地控制設計方法的執行方式見表1。

表1 井下異地控制設計的執行方式Table 1 Im plementation method of underground remote control design

根據智能礦山的不斷建設，智能設備的不斷推進，和相關安全生產行業標準規定。建議采用第3種設計方法來實現煤礦井下的異地控制。

2 區域控制設備網絡平臺

區域監測監控系統平臺框圖如圖1。

圖1 區域監測監控系統平臺框圖Fig.1 Regionalmonitoring controller block diagram

區域控制設備是適用于煤礦井下區域監測監控的礦用本質安全型設備，具有多系統的監測監控能力，如煤礦安全監控系統、井下人員定位系統和井下廣播系統等多系統數據采集、處理、存儲、融合聯動等功能，能夠實現井下區域災害評估、控制前移和異常快速決斷等綜合性平臺設備[7-12]。

通過圖1區域監測監控系統平臺框圖可以得知，區域控制設備與地面中心站之間的通訊采用網絡通信，那么井下區域異地控制的設計與實現將依賴于區域控制設備的網絡平臺。

根據現目前網絡通信技術在煤礦井下的應用特點和煤礦井下環境的特殊性，區域控制設備的網絡平臺搭建為以下3種方式。

1）第1種方式。區域控制設備網絡接口星型連接，與井下環網交換機單口單鏈路串聯鋪入巷道，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用于復雜多支路巷道，中小型煤礦采用星型連接比較多。其優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。區域控制設備網絡接口星型連接框圖如圖2。

圖2 區域控制設備網絡接口星型連接框圖Fig.2 Block diagram of region control equipment network interface star connection

2）第2種方式。區域控制設備與井下交換機設備成環。區域控制設備進入井下環網，由于井下環網交換機在環網功能開啟時都具有各自的獨立環網協議，區域控制設備需要考慮環網的兼容性，因此區域控制設備只能采用環網的公共協議RSTP協議。若需要與井下交換機進行環網連接時，不僅要把區域控制設備配置成RSTP協議，還要將交換機配置成RSTP協議。這種連接方式只適合于區域監測監控系統采用專網連接，不在在網絡系統平臺上連接其他設備，煤礦企業需要考慮井下資源的分配問題。從網絡資源的利用率角度考慮，不介意推行區域控制設備與井下交換機設備成環。該連接方式的優點是安裝方便，成本低，易擴展，維護簡單，局部故障對整個網絡影響較小。缺點是局限井下交換機強大功能，網絡資源浪費嚴重。區域控制設備網絡接口與交換機環型連接框圖如圖3。

圖3 區域控制設備網絡接口與交換機環型連接框圖Fig.3 Block diagram of network interface of region control equipment and loop connection of sw itch

3）第3種方式。區域控制設備獨立單環或獨立多環連接，與井下環網交換機單口單鏈路連接后，區域控制設備間自動獨立組環，可組成獨立的單環通訊，也可組成獨立的多環通訊。環網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雜多支路的大型巷道，大中型煤礦巷道中特別適用。其優點是設計靈活，覆蓋面廣，可擴展性強，維護方便，局部故障對整個網絡影響較小。缺點是鋪線面積大，成本高，安裝比較耗時。區域控制設備網絡接口環型連接框圖如圖4。

圖4 區域控制設備網絡接口環型連接框圖Fig.4 Block diagram of region control equipment network interface ring type connection

3 區域控制設備異地控制

控制設備是基于低功耗工業級ARM Cortex-A8架構處理器，具有數據存儲芯片和多外設通信類電路進行設計的井下控制設備，支持以太網光口和以太網電口通信模式[13-15]。但井下環境復雜，測點設備和執行器數據較多，單臺控制設備遠遠達不到現場需求，因此，區域間控制設備異地聯合控制就此誕生。

區域控制設備異地控制，是根據測點采集值和設備運行狀態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，設備運行狀態可分為為預熱、斷線、故障狀態。執行控制對象是由區域控制設備提供對接接口，控制邏輯算法由控制設備執行，將執行的結果匹配到對應的區域控制設備后，待為控制命令的執行和下發。伴隨著現場應用輸入條件復雜多變，控制關系也越來越多，準確執行和有效地管理異地控制成為了設計重點。區域控制設備異地控制流程圖如圖5。

圖5 區域控制設備異地控制流程圖Fig.5 Regional control equipment remote control flow chart

從區域控制設備異地控制流程圖可以看出，區域控制設備將異地控制邏輯算法在采集端區域設備進行計算，計算的結果分別反饋給地面中心站軟件和異地的區域控制設備，待異地的區域控制設備和執行器執行后，也反饋給地面中心站軟件。通過本地區域控制設備的反饋計算結果和異地區域控制設備的執行結果來統一管理異地控制的執行情況。從而有效地驗證了異地控制設計的合理性。

4 系統平臺異地控制功能塊

系統平臺是地面中心站系統軟件，其中異地控制功能塊控制關系的配置，包括了測點斷線控制、開機預熱控制、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。可配置多臺區域控制設備、多個控制口執行相同的控制條件，系統平臺的靈活配置選項完全能夠滿足任何復雜的礦井要求。

系統平臺軟件除了設計合理的配置界面外，還設計了控制關系執行結果反饋界面，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的紅色提示，系統平臺設計設計合理，完全能夠滿足大量煤礦用戶的需要。

5 異地控制設計優點與現場應用

區域異地控制設計優點：①區域異地控制打破了空間的局限，控制設備安裝到的區域都能夠實現；②區域控制設備異地控制執行時間快，控制速度幾乎接近本地執行；③區域控制設備執行異地控制時，完全可以脫離地面中心站軟件，已經實現井下異地控制。

現目前區域控制設備異地控制已經投放于貴州盤州和內蒙古烏海等多家煤礦集團使用。根據現場使用驗證，區域控制設備能夠現實區域內異地控制2 s內報警和執行斷電。

6 結 語

井下區域異地控制的設計與實現，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絡設備，是可以任意組合測點設備為異地控制的控制條件。該異地控制設計已經不在依賴于地面中心站，而是獨立于煤礦井下區域控制設備進行預設的邏輯判斷，并發起執行命令。通過試驗證明:該設計方案的區域控制設備能夠廣播所有接入測點的控制狀態，和接受所有廣播信息，并準確無誤地判斷執行異地控制信息，大大縮短了異地控制時間。