一種井下分站自主實(shí)現(xiàn)快速異地?cái)嚯姷姆椒?/h1>
2021-07-24 02:23高旭彬
煤礦安全 2021年7期
高旭彬
（1.中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西 太原 030006；2.煤礦采掘機(jī)械裝備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030006）
安全監(jiān)控系統(tǒng)在保障井下人員生命安全、正常生產(chǎn)過(guò)程中起著重要的作用[1-3]。分站作為重要的傳輸環(huán)節(jié)，主要實(shí)現(xiàn)甲烷、一氧化碳、氧氣、風(fēng)機(jī)開停等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，以及當(dāng)環(huán)境參數(shù)異常時(shí)報(bào)警、斷電和閉鎖控制等功能[4-5]。由于受安裝位置、通信距離等條件限制，斷電儀等設(shè)備往往無(wú)法和關(guān)聯(lián)傳感器等感知設(shè)備安裝在同一臺(tái)分站下，只能跨分站安裝實(shí)現(xiàn)異地?cái)嚯?。目前?guó)內(nèi)主流的安全監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)異地?cái)嚯姷姆椒ň诘孛嫔衔粰C(jī)中心站實(shí)現(xiàn)，如甲烷傳感器超限時(shí)，如通過(guò)分站-中心站-分站-斷電儀[6-9]，該過(guò)程至少2個(gè)巡檢周期才能實(shí)現(xiàn)，造成控制響應(yīng)延時(shí)，并且當(dāng)上位機(jī)中心站軟件與井下出現(xiàn)通信故障時(shí)，所有異地控制均無(wú)法正常執(zhí)行。為此，設(shè)計(jì)了一種快速實(shí)現(xiàn)井下異地?cái)嚯姷姆椒?，不僅在脫離中心站軟件的情況下正常完成跨分站異地?cái)嚯姡胰^(guò)程均由井下分站之間自主通信實(shí)現(xiàn)，不受巡檢周期影響，大幅提升了響應(yīng)速度。
1 井下分站自主快速異地?cái)嚯姺椒傮w設(shè)計(jì)
煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)示意框圖如圖1。
圖1 安全監(jiān)控系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Block diagram of coal mine safety supervision
2016年國(guó)家煤礦安監(jiān)局印發(fā)的《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造技術(shù)方案》中明確規(guī)定，截止于2020年底煤礦井下分站至交換機(jī)必須采用以太網(wǎng)傳輸[10]。UDP傳輸協(xié)議相比于TCP/IP協(xié)議具有高實(shí)時(shí)性、可實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)?？紤]到UDP通信協(xié)議缺少握手、連接機(jī)制，因此在應(yīng)用層軟件增加應(yīng)答機(jī)制，從而確保數(shù)據(jù)通信的可靠性。再加上UDP傳輸協(xié)議在局域網(wǎng)內(nèi)通信失敗率極低，井下監(jiān)測(cè)分站都在同一局域網(wǎng)內(nèi)，數(shù)量不會(huì)龐大，因此傳輸質(zhì)量可以得到保障。分站都會(huì)以固定周期向網(wǎng)絡(luò)上以UDP廣播的方式發(fā)送3個(gè)字節(jié)的心跳信息，向其它分站表示在線。將參與異地?cái)嚯姲l(fā)起控制命令幀的分站成為主站，接收控制命令幀分站成為從站，表示具體控制邏輯的信息稱為控制命令字。當(dāng)環(huán)境參數(shù)出現(xiàn)異常時(shí)，主站快速將生成的控制命令幀以UDP通信協(xié)議的方式在設(shè)定的端口號(hào)廣播出去，所有從站通過(guò)監(jiān)聽、分析該端口收到數(shù)據(jù)信息執(zhí)行控制，并回發(fā)應(yīng)答信息至主站。
2 主站軟件實(shí)現(xiàn)
每臺(tái)主站可接入模擬量、開關(guān)量傳感器共16臺(tái)，異地?cái)嚯娺壿嬘芍行恼拒浖掳l(fā)至主站，邏輯中包含主站每一臺(tái)傳感器每一個(gè)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的被控從站通信地址號(hào)、控制命令字等信息。模擬量傳感器可參與異地?cái)嚯姷臓顟B(tài)有上報(bào)、上控、下報(bào)、下控、故障、預(yù)熱、斷線7個(gè)狀態(tài)；開關(guān)量傳感器有0態(tài)、1態(tài)、故障、斷線、預(yù)熱等5種狀態(tài)。每臺(tái)傳感器每種狀態(tài)均可對(duì)6臺(tái)從站進(jìn)行異地控制。主站通過(guò)輪詢的方式對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析，當(dāng)出現(xiàn)異常狀態(tài)時(shí)主站根據(jù)中心站下發(fā)的斷電邏輯進(jìn)行查詢、比對(duì)，若該傳感器此異常狀態(tài)參與相關(guān)控制，則將控制信息填充到UDP報(bào)文中。主站軟件流程圖如圖2。
圖2 主站軟件流程圖Fig.2 Software flowchart of main site
將傳感器狀態(tài)未改變之前的狀態(tài)稱為“前狀態(tài)”，變化后的狀態(tài)稱為“后狀態(tài)”，因?yàn)橥粫r(shí)刻傳感器只能為單一狀態(tài)，狀態(tài)的改變可分為“正常-異?！?、“異常-異?！薄爱惓?正?！保煌惓顟B(tài)對(duì)應(yīng)的斷電邏輯不相同，當(dāng)傳感器狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，前狀態(tài)對(duì)應(yīng)控制邏輯應(yīng)被撤銷，因此UDP控制幀報(bào)文中不僅要包含后狀態(tài)從站地址及控制信息，也應(yīng)包含前狀態(tài)關(guān)聯(lián)分站地址以及控制信息取消指令，避免出現(xiàn)控制異常。UDP報(bào)文內(nèi)容包括幀頭、主站地址號(hào)、命令字、數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度、傳感器地址號(hào)、傳感器類型、傳感器前狀態(tài)碼、傳感器前狀態(tài)關(guān)聯(lián)從站地址及控制信息、傳感器后狀態(tài)碼、傳感器后狀態(tài)關(guān)聯(lián)從站地址及控制信息、CRC校驗(yàn)等。當(dāng)UDP報(bào)文以廣播形式發(fā)送后，主站監(jiān)聽報(bào)文中所有關(guān)聯(lián)從站的應(yīng)答信息，若等待1 s后未收到某臺(tái)分站應(yīng)答，則通過(guò)心跳信息判斷該分站是否在線，若在線，則重新生成控制幀報(bào)文再次發(fā)送，直到所有在線從站均正?；謴?fù)應(yīng)答信息。若關(guān)聯(lián)從站未在線，主站將該從站斷電邏輯異常執(zhí)行信息反饋給中心站軟件，并將該邏輯信息保存，當(dāng)檢測(cè)到該從站在線后立即重新發(fā)送。
3 從站軟件實(shí)現(xiàn)
從站內(nèi)部建立1張由分站地址、傳感器號(hào)、傳感器狀態(tài)、對(duì)應(yīng)控制字等信息相對(duì)應(yīng)的異地?cái)嚯姅?shù)據(jù)表，用來(lái)存儲(chǔ)所有主站地址、受控條件及受控命令字。從站軟件流程圖如圖3。
圖3 從站軟件流程圖Fig.3 Software flowchart of slaves site
從站實(shí)時(shí)監(jiān)聽UDP端口數(shù)據(jù)，當(dāng)收到控制幀數(shù)據(jù)并且校驗(yàn)通過(guò)后查詢本站地址是否包含在控制幀數(shù)據(jù)中，若包含則將對(duì)應(yīng)的控制命令字更新至數(shù)據(jù)表中，并回復(fù)應(yīng)答信息。應(yīng)答信息內(nèi)容包含幀頭、本地地址、命令字、幀長(zhǎng)度、受控傳感器地址、受控傳感器狀態(tài)、接收到的控制命令字、CRC校驗(yàn)等信息。若不參與則不執(zhí)行任何操作。最終異地?cái)嚯娒钭钟僧惖財(cái)嚯姅?shù)據(jù)表中所有控制命令字進(jìn)行“或”運(yùn)算生成。為防止由于主站通訊故障造成斷電異常，當(dāng)主站傳感器參與斷線觸發(fā)異地?cái)嚯娺壿嫊r(shí)，上位機(jī)軟件在向主站下發(fā)控制邏輯的同時(shí)也會(huì)向被控從站下發(fā)主站斷線控制邏輯，控制命令字與主站傳感器斷線控制命令字相同。當(dāng)從站未監(jiān)聽到主站心跳時(shí)，可以認(rèn)為主站上所有傳感器都處于斷線狀態(tài)，此時(shí)執(zhí)行主站斷線控制邏輯。
4 上位機(jī)設(shè)計(jì)
上位機(jī)軟件設(shè)置界面如圖4，左側(cè)點(diǎn)號(hào)為煤礦井下所有分站所有控制口信息，如006C04表示6號(hào)分站4號(hào)控制口，右側(cè)選項(xiàng)框表示傳感器觸發(fā)異地?cái)嚯姇r(shí)應(yīng)滿足的條件。
圖4 應(yīng)急聯(lián)動(dòng)任務(wù)軟件流程圖Fig.4 Software flowchart of PC software
5 測(cè)試驗(yàn)證
測(cè)試環(huán)境搭建示意圖如圖5，1#、2#、3#3臺(tái)分站利用自帶的MOXA交換機(jī)模塊組成環(huán)網(wǎng)，2#分站、5#分站分別接入1臺(tái)甲烷傳感器，3#分站、4#分站分別接入1臺(tái)斷電儀。
圖5 測(cè)試環(huán)境搭建示意圖Fig.5 Schematic of the environment set up for testing
斷電時(shí)間測(cè)試試驗(yàn)共分2組，每組分別進(jìn)行3次。第1組測(cè)試條件設(shè)定為：基于分站實(shí)現(xiàn)井下異地控制，2#分站接入的2#甲烷傳感器斷電值設(shè)置為1.5，控制3#分站接入的5#斷電儀和4#分站接入的6#斷電儀；第2組測(cè)試條件設(shè)定為：基于上位機(jī)實(shí)現(xiàn)井下異地控制，其它設(shè)置同第1組測(cè)試條件。試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表見表1。
表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表Table 1 Experimental data record table
由試驗(yàn)結(jié)果可以得出，基于井下分站自主實(shí)現(xiàn)異地?cái)嚯婍憫?yīng)時(shí)間明顯優(yōu)于基于上位機(jī)實(shí)現(xiàn)方式。并且在試驗(yàn)過(guò)程中在圖中網(wǎng)絡(luò)測(cè)試點(diǎn)1處將網(wǎng)絡(luò)斷開，基于分站實(shí)現(xiàn)井下異地?cái)嚯娫诿撾x上位機(jī)的情況仍能正常完成，而基于上位機(jī)無(wú)法正常實(shí)現(xiàn)，說(shuō)明前者可靠性更高。
6 結(jié)語(yǔ)
基于分站自主實(shí)現(xiàn)異地?cái)嚯姷姆椒ň哂幸韵聨c(diǎn)特點(diǎn)：①脫離上位機(jī)的情況下仍可可實(shí)現(xiàn)異地?cái)嚯姽δ埽虎谂c上位機(jī)實(shí)現(xiàn)異地?cái)嚯姺绞较啾?，不受系統(tǒng)巡檢周期的制約，具有響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。目前該方法已在烏海能源公司黃白茨、老石擔(dān)、五虎山等10余座礦井使用，產(chǎn)品的穩(wěn)定性、先進(jìn)性、創(chuàng)新性得到了能源公司的高度認(rèn)可和礦方的一制好評(píng)。
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高旭彬
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安全監(jiān)控系統(tǒng)在保障井下人員生命安全、正常生產(chǎn)過(guò)程中起著重要的作用[1-3]。分站作為重要的傳輸環(huán)節(jié)，主要實(shí)現(xiàn)甲烷、一氧化碳、氧氣、風(fēng)機(jī)開停等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，以及當(dāng)環(huán)境參數(shù)異常時(shí)報(bào)警、斷電和閉鎖控制等功能[4-5]。由于受安裝位置、通信距離等條件限制，斷電儀等設(shè)備往往無(wú)法和關(guān)聯(lián)傳感器等感知設(shè)備安裝在同一臺(tái)分站下，只能跨分站安裝實(shí)現(xiàn)異地?cái)嚯?。目前?guó)內(nèi)主流的安全監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)異地?cái)嚯姷姆椒ň诘孛嫔衔粰C(jī)中心站實(shí)現(xiàn)，如甲烷傳感器超限時(shí)，如通過(guò)分站-中心站-分站-斷電儀[6-9]，該過(guò)程至少2個(gè)巡檢周期才能實(shí)現(xiàn)，造成控制響應(yīng)延時(shí)，并且當(dāng)上位機(jī)中心站軟件與井下出現(xiàn)通信故障時(shí)，所有異地控制均無(wú)法正常執(zhí)行。為此，設(shè)計(jì)了一種快速實(shí)現(xiàn)井下異地?cái)嚯姷姆椒?，不僅在脫離中心站軟件的情況下正常完成跨分站異地?cái)嚯姡胰^(guò)程均由井下分站之間自主通信實(shí)現(xiàn)，不受巡檢周期影響，大幅提升了響應(yīng)速度。
1 井下分站自主快速異地?cái)嚯姺椒傮w設(shè)計(jì)
煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)示意框圖如圖1。
圖1 安全監(jiān)控系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Block diagram of coal mine safety supervision
2016年國(guó)家煤礦安監(jiān)局印發(fā)的《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級(jí)改造技術(shù)方案》中明確規(guī)定，截止于2020年底煤礦井下分站至交換機(jī)必須采用以太網(wǎng)傳輸[10]。UDP傳輸協(xié)議相比于TCP/IP協(xié)議具有高實(shí)時(shí)性、可實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)?？紤]到UDP通信協(xié)議缺少握手、連接機(jī)制，因此在應(yīng)用層軟件增加應(yīng)答機(jī)制，從而確保數(shù)據(jù)通信的可靠性。再加上UDP傳輸協(xié)議在局域網(wǎng)內(nèi)通信失敗率極低，井下監(jiān)測(cè)分站都在同一局域網(wǎng)內(nèi)，數(shù)量不會(huì)龐大，因此傳輸質(zhì)量可以得到保障。分站都會(huì)以固定周期向網(wǎng)絡(luò)上以UDP廣播的方式發(fā)送3個(gè)字節(jié)的心跳信息，向其它分站表示在線。將參與異地?cái)嚯姲l(fā)起控制命令幀的分站成為主站，接收控制命令幀分站成為從站，表示具體控制邏輯的信息稱為控制命令字。當(dāng)環(huán)境參數(shù)出現(xiàn)異常時(shí)，主站快速將生成的控制命令幀以UDP通信協(xié)議的方式在設(shè)定的端口號(hào)廣播出去，所有從站通過(guò)監(jiān)聽、分析該端口收到數(shù)據(jù)信息執(zhí)行控制，并回發(fā)應(yīng)答信息至主站。
2 主站軟件實(shí)現(xiàn)
每臺(tái)主站可接入模擬量、開關(guān)量傳感器共16臺(tái)，異地?cái)嚯娺壿嬘芍行恼拒浖掳l(fā)至主站，邏輯中包含主站每一臺(tái)傳感器每一個(gè)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的被控從站通信地址號(hào)、控制命令字等信息。模擬量傳感器可參與異地?cái)嚯姷臓顟B(tài)有上報(bào)、上控、下報(bào)、下控、故障、預(yù)熱、斷線7個(gè)狀態(tài)；開關(guān)量傳感器有0態(tài)、1態(tài)、故障、斷線、預(yù)熱等5種狀態(tài)。每臺(tái)傳感器每種狀態(tài)均可對(duì)6臺(tái)從站進(jìn)行異地控制。主站通過(guò)輪詢的方式對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析，當(dāng)出現(xiàn)異常狀態(tài)時(shí)主站根據(jù)中心站下發(fā)的斷電邏輯進(jìn)行查詢、比對(duì)，若該傳感器此異常狀態(tài)參與相關(guān)控制，則將控制信息填充到UDP報(bào)文中。主站軟件流程圖如圖2。
圖2 主站軟件流程圖Fig.2 Software flowchart of main site
將傳感器狀態(tài)未改變之前的狀態(tài)稱為“前狀態(tài)”，變化后的狀態(tài)稱為“后狀態(tài)”，因?yàn)橥粫r(shí)刻傳感器只能為單一狀態(tài)，狀態(tài)的改變可分為“正常-異?！?、“異常-異?！薄爱惓?正?！保煌惓顟B(tài)對(duì)應(yīng)的斷電邏輯不相同，當(dāng)傳感器狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，前狀態(tài)對(duì)應(yīng)控制邏輯應(yīng)被撤銷，因此UDP控制幀報(bào)文中不僅要包含后狀態(tài)從站地址及控制信息，也應(yīng)包含前狀態(tài)關(guān)聯(lián)分站地址以及控制信息取消指令，避免出現(xiàn)控制異常。UDP報(bào)文內(nèi)容包括幀頭、主站地址號(hào)、命令字、數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度、傳感器地址號(hào)、傳感器類型、傳感器前狀態(tài)碼、傳感器前狀態(tài)關(guān)聯(lián)從站地址及控制信息、傳感器后狀態(tài)碼、傳感器后狀態(tài)關(guān)聯(lián)從站地址及控制信息、CRC校驗(yàn)等。當(dāng)UDP報(bào)文以廣播形式發(fā)送后，主站監(jiān)聽報(bào)文中所有關(guān)聯(lián)從站的應(yīng)答信息，若等待1 s后未收到某臺(tái)分站應(yīng)答，則通過(guò)心跳信息判斷該分站是否在線，若在線，則重新生成控制幀報(bào)文再次發(fā)送，直到所有在線從站均正?；謴?fù)應(yīng)答信息。若關(guān)聯(lián)從站未在線，主站將該從站斷電邏輯異常執(zhí)行信息反饋給中心站軟件，并將該邏輯信息保存，當(dāng)檢測(cè)到該從站在線后立即重新發(fā)送。
3 從站軟件實(shí)現(xiàn)
從站內(nèi)部建立1張由分站地址、傳感器號(hào)、傳感器狀態(tài)、對(duì)應(yīng)控制字等信息相對(duì)應(yīng)的異地?cái)嚯姅?shù)據(jù)表，用來(lái)存儲(chǔ)所有主站地址、受控條件及受控命令字。從站軟件流程圖如圖3。
圖3 從站軟件流程圖Fig.3 Software flowchart of slaves site
從站實(shí)時(shí)監(jiān)聽UDP端口數(shù)據(jù)，當(dāng)收到控制幀數(shù)據(jù)并且校驗(yàn)通過(guò)后查詢本站地址是否包含在控制幀數(shù)據(jù)中，若包含則將對(duì)應(yīng)的控制命令字更新至數(shù)據(jù)表中，并回復(fù)應(yīng)答信息。應(yīng)答信息內(nèi)容包含幀頭、本地地址、命令字、幀長(zhǎng)度、受控傳感器地址、受控傳感器狀態(tài)、接收到的控制命令字、CRC校驗(yàn)等信息。若不參與則不執(zhí)行任何操作。最終異地?cái)嚯娒钭钟僧惖財(cái)嚯姅?shù)據(jù)表中所有控制命令字進(jìn)行“或”運(yùn)算生成。為防止由于主站通訊故障造成斷電異常，當(dāng)主站傳感器參與斷線觸發(fā)異地?cái)嚯娺壿嫊r(shí)，上位機(jī)軟件在向主站下發(fā)控制邏輯的同時(shí)也會(huì)向被控從站下發(fā)主站斷線控制邏輯，控制命令字與主站傳感器斷線控制命令字相同。當(dāng)從站未監(jiān)聽到主站心跳時(shí)，可以認(rèn)為主站上所有傳感器都處于斷線狀態(tài)，此時(shí)執(zhí)行主站斷線控制邏輯。
4 上位機(jī)設(shè)計(jì)
上位機(jī)軟件設(shè)置界面如圖4，左側(cè)點(diǎn)號(hào)為煤礦井下所有分站所有控制口信息，如006C04表示6號(hào)分站4號(hào)控制口，右側(cè)選項(xiàng)框表示傳感器觸發(fā)異地?cái)嚯姇r(shí)應(yīng)滿足的條件。
圖4 應(yīng)急聯(lián)動(dòng)任務(wù)軟件流程圖Fig.4 Software flowchart of PC software
5 測(cè)試驗(yàn)證
測(cè)試環(huán)境搭建示意圖如圖5，1#、2#、3#3臺(tái)分站利用自帶的MOXA交換機(jī)模塊組成環(huán)網(wǎng)，2#分站、5#分站分別接入1臺(tái)甲烷傳感器，3#分站、4#分站分別接入1臺(tái)斷電儀。
圖5 測(cè)試環(huán)境搭建示意圖Fig.5 Schematic of the environment set up for testing
斷電時(shí)間測(cè)試試驗(yàn)共分2組，每組分別進(jìn)行3次。第1組測(cè)試條件設(shè)定為：基于分站實(shí)現(xiàn)井下異地控制，2#分站接入的2#甲烷傳感器斷電值設(shè)置為1.5，控制3#分站接入的5#斷電儀和4#分站接入的6#斷電儀；第2組測(cè)試條件設(shè)定為：基于上位機(jī)實(shí)現(xiàn)井下異地控制，其它設(shè)置同第1組測(cè)試條件。試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表見表1。
表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表Table 1 Experimental data record table
由試驗(yàn)結(jié)果可以得出，基于井下分站自主實(shí)現(xiàn)異地?cái)嚯婍憫?yīng)時(shí)間明顯優(yōu)于基于上位機(jī)實(shí)現(xiàn)方式。并且在試驗(yàn)過(guò)程中在圖中網(wǎng)絡(luò)測(cè)試點(diǎn)1處將網(wǎng)絡(luò)斷開，基于分站實(shí)現(xiàn)井下異地?cái)嚯娫诿撾x上位機(jī)的情況仍能正常完成，而基于上位機(jī)無(wú)法正常實(shí)現(xiàn)，說(shuō)明前者可靠性更高。
6 結(jié)語(yǔ)
基于分站自主實(shí)現(xiàn)異地?cái)嚯姷姆椒ň哂幸韵聨c(diǎn)特點(diǎn)：①脫離上位機(jī)的情況下仍可可實(shí)現(xiàn)異地?cái)嚯姽δ埽虎谂c上位機(jī)實(shí)現(xiàn)異地?cái)嚯姺绞较啾?，不受系統(tǒng)巡檢周期的制約，具有響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。目前該方法已在烏海能源公司黃白茨、老石擔(dān)、五虎山等10余座礦井使用，產(chǎn)品的穩(wěn)定性、先進(jìn)性、創(chuàng)新性得到了能源公司的高度認(rèn)可和礦方的一制好評(píng)。
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