高旭彬

（1.中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西 太原 030006；2.煤矿采掘机械装备国家工程实验室，山西 太原 030006）

安全监控系统在保障井下人员生命安全、正常生产过程中起着重要的作用[1-3]。分站作为重要的传输环节，主要实现甲烷、一氧化碳、氧气、风机开停等实时数据采集，以及当环境参数异常时报警、断电和闭锁控制等功能[4-5]。由于受安装位置、通信距离等条件限制，断电仪等设备往往无法和关联传感器等感知设备安装在同一台分站下，只能跨分站安装实现异地断电。目前国内主流的安全监控系统实现异地断电的方法均基于地面上位机中心站实现，如甲烷传感器超限时，如通过分站-中心站-分站-断电仪[6-9]，该过程至少2个巡检周期才能实现，造成控制响应延时，并且当上位机中心站软件与井下出现通信故障时，所有异地控制均无法正常执行。为此，设计了一种快速实现井下异地断电的方法，不仅在脱离中心站软件的情况下正常完成跨分站异地断电，而且全过程均由井下分站之间自主通信实现，不受巡检周期影响，大幅提升了响应速度。

1 井下分站自主快速异地断电方法总体设计

煤矿安全监控系统架构示意框图如图1。

图1 安全监控系统组成框图Fig.1 Block diagram of coal mine safety supervision

2016年国家煤矿安监局印发的《煤矿安全监控系统升级改造技术方案》中明确规定，截止于2020年底煤矿井下分站至交换机必须采用以太网传输[10]。UDP传输协议相比于TCP/IP协议具有高实时性、可实现多节点数据传输的特点。考虑到UDP通信协议缺少握手、连接机制，因此在应用层软件增加应答机制，从而确保数据通信的可靠性。再加上UDP传输协议在局域网内通信失败率极低，井下监测分站都在同一局域网内，数量不会庞大，因此传输质量可以得到保障。分站都会以固定周期向网络上以UDP广播的方式发送3个字节的心跳信息，向其它分站表示在线。将参与异地断电发起控制命令帧的分站成为主站，接收控制命令帧分站成为从站，表示具体控制逻辑的信息称为控制命令字。当环境参数出现异常时，主站快速将生成的控制命令帧以UDP通信协议的方式在设定的端口号广播出去，所有从站通过监听、分析该端口收到数据信息执行控制，并回发应答信息至主站。

2 主站软件实现

每台主站可接入模拟量、开关量传感器共16台，异地断电逻辑由中心站软件下发至主站，逻辑中包含主站每一台传感器每一个状态对应的被控从站通信地址号、控制命令字等信息。模拟量传感器可参与异地断电的状态有上报、上控、下报、下控、故障、预热、断线7个状态；开关量传感器有0态、1态、故障、断线、预热等5种状态。每台传感器每种状态均可对6台从站进行异地控制。主站通过轮询的方式对传感器数据进行采集、分析，当出现异常状态时主站根据中心站下发的断电逻辑进行查询、比对，若该传感器此异常状态参与相关控制，则将控制信息填充到UDP报文中。主站软件流程图如图2。

图2 主站软件流程图Fig.2 Software flowchart of main site

将传感器状态未改变之前的状态称为“前状态”，变化后的状态称为“后状态”，因为同一时刻传感器只能为单一状态，状态的改变可分为“正常-异常”、“异常-异常”“异常-正常”，不同异常状态对应的断电逻辑不相同，当传感器状态发生变化时，前状态对应控制逻辑应被撤销，因此UDP控制帧报文中不仅要包含后状态从站地址及控制信息，也应包含前状态关联分站地址以及控制信息取消指令，避免出现控制异常。UDP报文内容包括帧头、主站地址号、命令字、数据帧长度、传感器地址号、传感器类型、传感器前状态码、传感器前状态关联从站地址及控制信息、传感器后状态码、传感器后状态关联从站地址及控制信息、CRC校验等。当UDP报文以广播形式发送后，主站监听报文中所有关联从站的应答信息，若等待1 s后未收到某台分站应答，则通过心跳信息判断该分站是否在线，若在线，则重新生成控制帧报文再次发送，直到所有在线从站均正常恢复应答信息。若关联从站未在线，主站将该从站断电逻辑异常执行信息反馈给中心站软件，并将该逻辑信息保存，当检测到该从站在线后立即重新发送。

3 从站软件实现

从站内部建立1张由分站地址、传感器号、传感器状态、对应控制字等信息相对应的异地断电数据表，用来存储所有主站地址、受控条件及受控命令字。从站软件流程图如图3。

图3 从站软件流程图Fig.3 Software flowchart of slaves site

从站实时监听UDP端口数据，当收到控制帧数据并且校验通过后查询本站地址是否包含在控制帧数据中，若包含则将对应的控制命令字更新至数据表中，并回复应答信息。应答信息内容包含帧头、本地地址、命令字、帧长度、受控传感器地址、受控传感器状态、接收到的控制命令字、CRC校验等信息。若不参与则不执行任何操作。最终异地断电命令字由异地断电数据表中所有控制命令字进行“或”运算生成。为防止由于主站通讯故障造成断电异常，当主站传感器参与断线触发异地断电逻辑时，上位机软件在向主站下发控制逻辑的同时也会向被控从站下发主站断线控制逻辑，控制命令字与主站传感器断线控制命令字相同。当从站未监听到主站心跳时，可以认为主站上所有传感器都处于断线状态，此时执行主站断线控制逻辑。

4 上位机设计

上位机软件设置界面如图4，左侧点号为煤矿井下所有分站所有控制口信息，如006C04表示6号分站4号控制口，右侧选项框表示传感器触发异地断电时应满足的条件。

图4 应急联动任务软件流程图Fig.4 Software flowchart of PC software

5 测试验证

测试环境搭建示意图如图5，1#、2#、3#3台分站利用自带的MOXA交换机模块组成环网，2#分站、5#分站分别接入1台甲烷传感器，3#分站、4#分站分别接入1台断电仪。

图5 测试环境搭建示意图Fig.5 Schematic of the environment set up for testing

断电时间测试试验共分2组，每组分别进行3次。第1组测试条件设定为：基于分站实现井下异地控制，2#分站接入的2#甲烷传感器断电值设置为1.5，控制3#分站接入的5#断电仪和4#分站接入的6#断电仪；第2组测试条件设定为：基于上位机实现井下异地控制，其它设置同第1组测试条件。试验数据记录表见表1。

表1 试验数据记录表Table 1 Experimental data record table

由试验结果可以得出，基于井下分站自主实现异地断电响应时间明显优于基于上位机实现方式。并且在试验过程中在图中网络测试点1处将网络断开，基于分站实现井下异地断电在脱离上位机的情况仍能正常完成，而基于上位机无法正常实现，说明前者可靠性更高。

6 结语

基于分站自主实现异地断电的方法具有以下几点特点：①脱离上位机的情况下仍可可实现异地断电功能；②与上位机实现异地断电方式相比，不受系统巡检周期的制约，具有响应速度快的特点。目前该方法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、创新性得到了能源公司的高度认可和矿方的一制好评。