煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)感知層故障診斷裝置的設(shè)計(jì)

邵 嚴(yán)

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037)

煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)涵蓋傳感器技術(shù)、信息傳輸技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、電氣防爆技術(shù)和控制技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)，在保障井下人員生命安全、煤礦安全生產(chǎn)過(guò)程中起著重要的作用[1-3]。系統(tǒng)示意框圖如圖1所示。煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)具有設(shè)備種類多、覆蓋范圍廣的特點(diǎn)[4-6]，日常維護(hù)工作量巨大。分站、傳感器作為監(jiān)控系統(tǒng)井下感知層的重要組成部分[7-9]，由于工作環(huán)境復(fù)雜、惡劣，再加上需要經(jīng)常移動(dòng)等人為因素，出現(xiàn)設(shè)備、通信線路故障占日常維護(hù)工作的60%以上[10]。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，維護(hù)人員大多只能逐一替換相關(guān)設(shè)備，人工檢查線路，直到找到問(wèn)題原因。不僅消耗大量人力物力，同時(shí)也給煤礦正常開采造成了嚴(yán)重影響，經(jīng)濟(jì)損失巨大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)已有35%左右的煤礦都在使用KJ90-NX型安全監(jiān)控系統(tǒng)，且大都為國(guó)有大、中型煤礦。

本文針對(duì)KJ90-NX安全監(jiān)控系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種安全監(jiān)控系統(tǒng)感知層故障診斷裝置，可以對(duì)分站、傳感器、以及之間通信線路常見故障實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位，并通過(guò)友好的人機(jī)界面直觀地顯示檢測(cè)結(jié)果，指導(dǎo)維護(hù)人員快速、有效地發(fā)現(xiàn)故障原因，并予以處理。

圖1 安全監(jiān)控系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Block diagram of coal mine safety supervision

1 總體設(shè)計(jì)思路

故障診斷裝置硬件上應(yīng)具有感知層設(shè)備具有的所有接口及功能，多組信號(hào)檢測(cè)端子通過(guò)航空插頭與相關(guān)電路模塊連接。裝置具有總線數(shù)據(jù)分析能力，通過(guò)監(jiān)聽通信線路設(shè)備節(jié)點(diǎn)間業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，按照制定的相關(guān)協(xié)議及傳輸機(jī)制，對(duì)數(shù)據(jù)格式、發(fā)送邏輯進(jìn)行分析，并向通信線路上發(fā)送檢測(cè)信號(hào)數(shù)據(jù)幀等方式，結(jié)合線路非正常數(shù)據(jù)特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)故障快速定位。5.0寸的顯示窗口與按鍵設(shè)計(jì)，方便維護(hù)人員進(jìn)行功能選擇與信息查看。

2 設(shè)備硬件設(shè)計(jì)

故障診斷裝置硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。核心控制單元基于TI公司AM3352 A8處理器設(shè)計(jì)，外圍擴(kuò)展512MB DDR3 SDRAM，1GB Flash電路。為防止由于RS485驅(qū)動(dòng)芯片規(guī)格、廠家不同影響到通信質(zhì)量與通信距離，裝置選用和分站、傳感器相同型號(hào)的LBC184總線驅(qū)動(dòng)芯片實(shí)現(xiàn)2路RS485總線。診斷裝置具備一路電流信號(hào)采集電路，通過(guò)電阻分壓，將傳感器電流信號(hào)通過(guò)分壓電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，再通過(guò)AM3352芯片自帶的12位高精度AD采樣值換算出電流值，從而可以測(cè)量出電流型傳感器發(fā)出信號(hào)經(jīng)過(guò)線路傳輸后的真實(shí)值。控制信號(hào)輸出模塊由MCU引腳3.3 V電平信號(hào)通過(guò)光耦隔離轉(zhuǎn)換為5 V電平信號(hào)輸出，可模擬分站控制口控制信號(hào)輸出。AM3352芯片支持兩路網(wǎng)絡(luò)控制器接口，網(wǎng)絡(luò)通信模塊實(shí)現(xiàn)了一路百兆電口和一路光通信接口。裝置配有一塊5 AH充電電池，電源管理模塊通過(guò)檢測(cè)電池電壓、充電電壓、充電電流、放電電流等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)電池充放電管理。設(shè)計(jì)的LCD顯示屏接口電路和按鍵電路，實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)顯示等人機(jī)交互界面。

圖2 故障診斷裝置硬件設(shè)計(jì)框圖Fig.2 Block diagram of hardware design of fault diagnosis device

3 軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)故障診斷裝置軟件設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。軟件功能基于Linux操作系統(tǒng)開發(fā)，有以下幾個(gè)原因：1)Linux操作系統(tǒng)是免費(fèi)的、開源的，可以從很多渠道獲取到適合的版本，降低了裝置的開發(fā)成本；2)Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核是可裁剪的，可以根據(jù)裝置外設(shè)接口種類、數(shù)量，系統(tǒng)資源配置等方面對(duì)系統(tǒng)內(nèi)核進(jìn)行優(yōu)化，縮小體積，更適合嵌入式產(chǎn)品開發(fā)使用；3)Linux操作系統(tǒng)支持多個(gè)任務(wù)同時(shí)獨(dú)立工作，可以滿足診斷裝置同時(shí)支持三個(gè)種類測(cè)試任務(wù)進(jìn)行。4)Linux操作系統(tǒng)支持NFS/ext2等多種操作系統(tǒng)，診斷裝置具有對(duì)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能，需要有文件系統(tǒng)的支撐。顯示界面基于Qt Creator 5.0開發(fā)，憑借Qt豐富的API可快速設(shè)計(jì)出各種顯示效果。開機(jī)后經(jīng)過(guò)一系列初始化操作后，將不同軟件功能定義為不同的線程，用戶根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要選擇對(duì)應(yīng)的功能，顯示界面顯示對(duì)應(yīng)的操作界面，其他線程則在后臺(tái)繼續(xù)運(yùn)行。

圖3 故障診斷裝置軟件設(shè)計(jì)流程框圖Fig.3 Block diagram of software design of fault diagnosis device

3.1 傳感器通信線路故障檢測(cè)

煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)分站至傳感器RS485總線布線拓?fù)鋱D如圖4所示。所有總線型傳感器通信協(xié)議幀格式均相同。當(dāng)CH4傳感器與分站通信中斷時(shí)，維護(hù)人員找到距離故障傳感器最近的一個(gè)分支接線盒B處，將總線測(cè)試表筆A、B端與接線盒內(nèi)CH4傳感器A、B總線接觸，輸入待測(cè)傳感器通信地址與傳感器類型即可。裝置通過(guò)監(jiān)聽該條總線上通信數(shù)據(jù)，若未接收到分站呼叫傳感器數(shù)據(jù)幀，裝置主動(dòng)向總線上發(fā)出獲取該傳感器數(shù)據(jù)指令，若傳感器回發(fā)數(shù)據(jù)正常，則說(shuō)明分站設(shè)備故障或分站至接線盒B處線路故障。接收到分站呼叫傳感器命令正常，未接收到傳感器回復(fù)，則說(shuō)明傳感器設(shè)備故障或接線盒B至傳感器線路故障，此時(shí)只需將裝置拿至傳感器處對(duì)傳感器通信功能進(jìn)行測(cè)試，便可得出故障原因。

圖4 分站-傳感器接線結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of substation-sensor wiring structure

3.2 總線通信質(zhì)量評(píng)估

測(cè)試儀能夠?qū)崿F(xiàn)RS485總線數(shù)據(jù)按照通信協(xié)議分幀記錄的功能，并且可以對(duì)每幀數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，對(duì)于校驗(yàn)錯(cuò)誤、斷幀、無(wú)幀頭數(shù)據(jù)幀都可以進(jìn)去分辨、提取、記錄，并在每隔單位統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)打上時(shí)間標(biāo)簽。在沒有干擾或線路破損、終端設(shè)備故障的情況下，RS485總線通信成功率可接近于100%。若發(fā)現(xiàn)某條線路傳感器頻繁出現(xiàn)閃斷現(xiàn)象，便可對(duì)該條總線進(jìn)行評(píng)估。評(píng)估一般會(huì)在生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行，因?yàn)樯a(chǎn)時(shí)變頻器、絞車等設(shè)備會(huì)對(duì)總線有一定的干擾。每個(gè)評(píng)估周期為20 min，測(cè)試儀可將20 min內(nèi)通信失敗次數(shù)進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，對(duì)比分析，對(duì)總線進(jìn)行評(píng)估。根據(jù)評(píng)估結(jié)果推斷閃斷出現(xiàn)原因，如信號(hào)線與電源線距離太近、交叉，線存在變頻設(shè)備等干擾源、線路存在破損、終端設(shè)備故障等。

3.3 分站故障檢測(cè)

診斷裝置能夠模擬安全監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)軟件以客戶端的模式與分站進(jìn)行連接，通過(guò)向分站發(fā)送獲取版本信息命令幀的方式實(shí)現(xiàn)分站主通信的測(cè)試。診斷裝置具有RS485總線接口、基于NCP1117芯片實(shí)現(xiàn)1 mA/5 mA，帶載能力超過(guò)20 Ω的電流信號(hào)，通過(guò)按鍵對(duì)傳感器地址、類型、數(shù)值、狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置，可模擬監(jiān)控系統(tǒng)所有類型總線型傳感器以及電流型開關(guān)量傳感器，配合上位機(jī)軟件下發(fā)的配置信息，能夠?qū)崿F(xiàn)分站RS485總線采集口、電流采樣接口硬件功能測(cè)試。同時(shí)，測(cè)試儀基于AM3352處理器12位高精度AD采樣接口、利用千分之一精度的電阻對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行分壓，可實(shí)現(xiàn)電壓采集功能。通過(guò)按鍵調(diào)節(jié)模擬傳感器數(shù)值超過(guò)1.5，觸發(fā)分站控制口動(dòng)作，同時(shí)采集控制口輸出電壓變化，并記錄時(shí)間，從而可實(shí)現(xiàn)分站控制電平輸出硬件檢測(cè)以及斷電時(shí)間檢測(cè)。

3.4 傳感器故障檢測(cè)

傳感器常見故障主要為以下幾點(diǎn)：1)甲烷等傳感器敏感元件過(guò)期失效或氣室漏氣，引起測(cè)量值與實(shí)際值偏差較大；2)RS485總線驅(qū)動(dòng)芯片或光耦的損壞造成通信故障；3)電流型開關(guān)量傳感器電流產(chǎn)生電路故障造成給電流信號(hào)電流值產(chǎn)生偏差?？偩€型甲烷傳感器本身具有敏感元器件壽命管理、氣室檢測(cè)等功能，診斷裝置在功能檢測(cè)時(shí)首先會(huì)讀取傳感器狀態(tài)信息表，并將結(jié)果予以顯示，當(dāng)多次向傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)表讀取失敗后，得出傳感器總線接口故障。診斷裝置電壓采集電路同時(shí)也支持電流信號(hào)采樣，通過(guò)檢流電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)進(jìn)行采集，然后再換算出電流值，實(shí)現(xiàn)開關(guān)量傳感器電流值的測(cè)量，并根據(jù)測(cè)量值得出結(jié)果。

4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證

該產(chǎn)品所有功能均在實(shí)驗(yàn)室得到了驗(yàn)證，并已取得相關(guān)認(rèn)證。目前，已在松藻礦務(wù)局松藻、石壕煤礦，烏海能源公司黃白茨、老石擔(dān)等數(shù)十座煤礦作為安全監(jiān)控系統(tǒng)維護(hù)人員工具使用，對(duì)于80%的常見故障都能起到快速定位、給出故障原因。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在石壕煤礦處理的通信中斷、閃斷等故障中，80%的故障都可以借助測(cè)試儀進(jìn)行判斷，并且準(zhǔn)確率在90%以上。黃白茨將診斷裝置用作對(duì)準(zhǔn)備下井安裝或經(jīng)過(guò)維修的分站、傳感器等設(shè)備進(jìn)行功能測(cè)試，對(duì)產(chǎn)品硬件故障判斷的準(zhǔn)確率可以達(dá)到100%。

5 結(jié)論

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)感知層故障診斷裝置作為一款便攜式輔助設(shè)備，具有功耗低、體積小、重量輕、便于攜帶的特點(diǎn)。針對(duì)重慶煤科院KJ90-NX安全監(jiān)控系統(tǒng)常見設(shè)備故障、線路通信故障能夠?qū)崿F(xiàn)快速診斷，為維護(hù)人員快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)問(wèn)題定位、處置方法選擇提供了依據(jù)，減少了因?yàn)楣收辖o生產(chǎn)人員人身帶來(lái)的安全隱患和導(dǎo)致安全生產(chǎn)受到影響而帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失，為煤礦節(jié)約了大量的人力物力。目前該產(chǎn)品已經(jīng)在松藻礦務(wù)局松藻、石壕等十多座煤礦使用，提高了維護(hù)人員的效率，得到了礦方的認(rèn)可。