安全監(jiān)控系統(tǒng)瓦斯電閉鎖檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

戴萬(wàn)波

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013；3.北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心，北京 100013)

0 引言

瓦斯電閉鎖的可靠性直接關(guān)系到煤礦作業(yè)人員生命安全，也是安全監(jiān)控系統(tǒng)重要的一環(huán)[1-2]。隨著數(shù)字化安全監(jiān)控系統(tǒng)的升級(jí)改造，目前安全監(jiān)控系統(tǒng)多采用基于CAN總線的多主通信機(jī)制或基于RS485總線的主從通信機(jī)制[3-4]，通過(guò)截取甲烷超限報(bào)文時(shí)刻和斷電器斷電報(bào)文時(shí)刻來(lái)計(jì)算斷電時(shí)間。由于不同廠家監(jiān)控系統(tǒng)通信機(jī)制、通信協(xié)議各不相同，且無(wú)法獲取通信協(xié)議，造成無(wú)法設(shè)計(jì)統(tǒng)一的監(jiān)測(cè)程序?qū)崿F(xiàn)瓦斯電閉鎖功能檢測(cè)。檢測(cè)方法和裝置的缺失對(duì)安標(biāo)中心安全監(jiān)控系統(tǒng)瓦斯電閉鎖技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)、煤礦安全生產(chǎn)和煤礦監(jiān)管監(jiān)察造成了極大的困難。

目前，針對(duì)縮短瓦斯電閉鎖斷電時(shí)間的研究較多。張金豪[5]針對(duì)RS485通信采用主從通信方法造成巡檢周期長(zhǎng)的問(wèn)題，提出了一種基于以太網(wǎng)+現(xiàn)場(chǎng)總線通信模式下的異地快速斷電的設(shè)計(jì)方案，極大地縮減了異地?cái)嚯姇r(shí)間。張偉杰[6]為了解決系統(tǒng)因掛接分站數(shù)量限制導(dǎo)致巡檢周期過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，采用基于多線程的數(shù)據(jù)采集算法，縮短了系統(tǒng)的巡檢周期，有效提高了巡檢效率，確保異地?cái)嚯姇r(shí)間不超過(guò)20 s。上述研究均是從提高安全監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平的角度出發(fā)，通過(guò)提高安全監(jiān)控分站通信能力，縮短巡檢周期，從而提高瓦斯電閉鎖水平，對(duì)瓦斯電閉鎖斷電時(shí)間檢測(cè)有一定借鑒意義，但是在瓦斯電閉鎖檢測(cè)方面的研究很少。

為更加有效快速地檢測(cè)瓦斯電閉鎖斷電時(shí)間，本文基于傳感器通信切換和模擬傳感器報(bào)文發(fā)送的測(cè)試方法，設(shè)計(jì)了基于數(shù)字化傳輸?shù)牟皇芡ㄐ艡C(jī)制、通信協(xié)議制約的瓦斯電閉鎖檢測(cè)裝置。傳感器通信切換方法采用同一廠家傳感器、分站、斷電器和安全監(jiān)控軟件，實(shí)現(xiàn)正常狀態(tài)與超限或故障狀態(tài)甲烷傳感器的通信切換，不受通信協(xié)議和總線形式限制；模擬傳感器報(bào)文發(fā)送方法是由廠家提供通信報(bào)文，檢測(cè)裝置模擬發(fā)送和接收傳感器報(bào)文，無(wú)需對(duì)協(xié)議進(jìn)行解析，只需判斷接收?qǐng)?bào)文與輸入是否一致。

1 瓦斯電閉鎖檢測(cè)裝置檢測(cè)原理

1.1 瓦斯電閉鎖控制邏輯

瓦斯電閉鎖過(guò)程如圖1所示。當(dāng)掘進(jìn)工作面各位置甲烷濃度超限或故障時(shí)，安全監(jiān)控系統(tǒng)分站控制斷電器切斷掘進(jìn)巷道內(nèi)全部非本質(zhì)安全型電氣設(shè)備的電源，即本地?cái)嚯姟．?dāng)本地掘進(jìn)工作面某位置甲烷傳感器超限或故障時(shí)，需要同時(shí)切斷被串掘進(jìn)巷道內(nèi)全部非本質(zhì)安全型電氣設(shè)備的電源，即異地?cái)嚯姟＜淄闈舛鹊陀谙薅ㄖ禃r(shí)，開關(guān)自動(dòng)解鎖，安全監(jiān)控系統(tǒng)分站控制斷電器為開關(guān)復(fù)電[7-10]。

圖1 瓦斯電閉鎖

1.2 裝置控制邏輯

瓦斯電閉鎖斷電時(shí)間指標(biāo)最為重要，因此，本文僅針對(duì)斷電計(jì)時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)，復(fù)電計(jì)時(shí)測(cè)試原理類似。不同煤礦對(duì)瓦斯電閉鎖控制邏輯各不相同，無(wú)法完全按照AQ6201—2006《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)通用技術(shù)要求》進(jìn)行實(shí)施，需要靈活的斷電控制邏輯以滿足實(shí)際需求。文獻(xiàn)[11]提出了通過(guò)增加瓦斯傳感器的風(fēng)電瓦斯閉鎖配置信息的形式，增加符合不同煤礦實(shí)際需求的風(fēng)電瓦斯閉鎖控制邏輯。因此，瓦斯電閉鎖檢測(cè)裝置在瓦斯電閉鎖斷電計(jì)時(shí)邏輯的基礎(chǔ)上，增加甲烷傳感器與斷電器之間的靈活斷電邏輯，實(shí)現(xiàn)指定位置、指定個(gè)數(shù)甲烷傳感器超限情況下，指定巷道內(nèi)指定數(shù)量開關(guān)斷電的復(fù)雜控制邏輯，通過(guò)檢測(cè)手段促進(jìn)安全監(jiān)控系統(tǒng)瓦斯電閉鎖功能技術(shù)指標(biāo)的提升。瓦斯電閉鎖檢測(cè)裝置斷電計(jì)時(shí)控制邏輯見表1。

表1 瓦斯電閉鎖檢測(cè)裝置斷電計(jì)時(shí)控制邏輯

1.3 檢測(cè)方法設(shè)計(jì)

基于數(shù)字化通信的安全監(jiān)控系統(tǒng)瓦斯電閉鎖檢測(cè)需要解決協(xié)議未知和通信機(jī)制不同2個(gè)難點(diǎn)。各廠家的安全監(jiān)控系統(tǒng)均為私有協(xié)議，且不對(duì)外開放，在不知道通信協(xié)議的情況下，瓦斯電閉鎖檢測(cè)裝置無(wú)法確定傳感器的報(bào)警時(shí)刻和斷電信號(hào)時(shí)刻?；贑AN總線的多主通信和基于RS485總線的主從通信邏輯相差大[12]，造成傳感器在注冊(cè)、數(shù)據(jù)上傳、時(shí)間同步方法均不相同，因此，檢測(cè)裝置需兼容CAN和RS485總線這2種通信機(jī)制。針對(duì)上述難題，本文提出了傳感器通信切換、模擬傳感器報(bào)文發(fā)送2種斷電檢測(cè)方法。

1.3.1 傳感器通信切換方法

傳感器通信切換方法完全不受通信協(xié)議和總線形式的限制，檢測(cè)時(shí)采用同一廠家傳感器、分站、斷電器和安全監(jiān)控軟件，無(wú)需知曉通信協(xié)議。該方法操作簡(jiǎn)單，且不需要廠家配合，適用于采用主從通信機(jī)制的瓦斯電閉鎖檢測(cè)。

傳感器通信切換測(cè)試方法如圖2所示。將3臺(tái)地址相同且已注冊(cè)的甲烷傳感器接入檢測(cè)裝置，讓傳感器處于正常、超限、故障3種狀態(tài)，通過(guò)多路模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)3種狀態(tài)的切換。檢測(cè)裝置的通信輸出接口接入本地和異地安全監(jiān)控系統(tǒng)分站。測(cè)試前，檢測(cè)裝置輸出正常傳感器信號(hào)與分站通信，安全監(jiān)控系統(tǒng)后臺(tái)軟件顯示傳感器通信正常后可開始測(cè)試。測(cè)試時(shí)，檢測(cè)裝置切換狀態(tài)為超限或故障狀態(tài)并開始計(jì)時(shí)，檢測(cè)到斷電器斷電信號(hào)時(shí)停止計(jì)時(shí)，即斷電時(shí)間。

圖2 傳感器通信切換方法

1.3.2 模擬傳感器報(bào)文發(fā)送方法

模擬傳感器報(bào)文發(fā)送方法由檢測(cè)裝置模擬甲烷傳感器發(fā)送報(bào)文與分站通信，無(wú)需知曉通信協(xié)議，報(bào)文由廠家提供，按照?qǐng)?bào)文發(fā)送順序和次數(shù)進(jìn)行配置，區(qū)分多主和主從通信。多主通信按順序主動(dòng)上傳輸入報(bào)文，監(jiān)測(cè)應(yīng)答報(bào)文后輪詢發(fā)送，以保證系統(tǒng)正常通信；主從通信檢測(cè)輸入的主機(jī)報(bào)文，回復(fù)輸入的從機(jī)報(bào)文。該方法操作較為繁瑣，需要廠家提供通信報(bào)文，但測(cè)試精度更高，適用于各種通信協(xié)議的瓦斯電閉鎖檢測(cè)。

模擬傳感器報(bào)文發(fā)送方法如圖3所示。通過(guò)觸摸顯示屏輸入正常、超限、故障3種狀態(tài)的甲烷傳感器模擬報(bào)文，報(bào)文根據(jù)需測(cè)試的監(jiān)控系統(tǒng)通信機(jī)制進(jìn)行設(shè)置?；赗S485總線的主從通信機(jī)制，需通過(guò)顯示屏輸入分站下發(fā)報(bào)文和傳感器應(yīng)答報(bào)文，包括傳感器注冊(cè)、時(shí)間同步、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集報(bào)文等，檢測(cè)裝置需根據(jù)下發(fā)報(bào)文進(jìn)行應(yīng)答，從而保證正常通信?；贑AN總線的多主通信機(jī)制，需通過(guò)顯示屏輸入傳感器上傳報(bào)文，包括傳感器注冊(cè)報(bào)文、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳報(bào)文等，裝置通過(guò)接收到的分站應(yīng)答報(bào)文檢測(cè)通信是否正常。報(bào)文配置好后，根據(jù)安全監(jiān)控系統(tǒng)的總線形式，將檢測(cè)裝置通信輸出接口接入分站。監(jiān)控系統(tǒng)后臺(tái)軟件由廠家提供。測(cè)試前，觀察監(jiān)控系統(tǒng)后臺(tái)軟件傳感器是否通信正常。測(cè)試時(shí)，從發(fā)送超限或故障報(bào)文時(shí)開始計(jì)時(shí)，檢測(cè)到斷電器斷電信號(hào)停止計(jì)時(shí)，即斷電時(shí)間。

圖3 模擬傳感器報(bào)文發(fā)送方法

2 瓦斯電閉鎖檢測(cè)裝置硬件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)多個(gè)甲烷傳感器對(duì)應(yīng)多個(gè)斷電器的復(fù)雜斷電控制邏輯，兼容基于CAN和RS485總線通信的安全監(jiān)控系統(tǒng)，檢測(cè)裝置必須同時(shí)具備多路CAN和RS485總線接口，接口需與安全監(jiān)控系統(tǒng)分站保持通信正常，以處理甲烷傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。檢測(cè)裝置采用雙CPU設(shè)計(jì)，最大可支持6路RS485和6路CAN通信，雙CPU之間采用SPI總線通信，通信速率可達(dá)18 Mbit/s，實(shí)現(xiàn)雙CPU的快速數(shù)據(jù)交互。

由于觸摸屏只能與主CPU通信，在為從CPU配置參數(shù)時(shí)需由主CPU進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，為了保證雙CPU之間快速協(xié)同工作，檢測(cè)裝置采用基于SPI總線的雙CPU交互方案[13]。SPI為全雙工，速度快，波特率可達(dá)20 Mbit/s以上，發(fā)送1個(gè)數(shù)據(jù)不到1 μs，從CPU可主動(dòng)上傳斷電計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)，不用主CPU一直輪詢等待，浪費(fèi)CPU資源。雙CPU之間SPI接線如圖4所示，控制程序采用數(shù)據(jù)異步交互方法。

圖4 基于SPI總線的雙CPU通信

(1)SPI主發(fā)送數(shù)據(jù)。首先將CS_Master管腳設(shè)置為低電平，SPI主開始發(fā)送數(shù)據(jù)，SPI從使用中斷接收SPI主發(fā)送的數(shù)據(jù)，將CS_Master管腳設(shè)置為高電平，即實(shí)現(xiàn)了1包數(shù)據(jù)的交互。SPI從使用中斷接收不占用CPU資源，極大提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，避免數(shù)據(jù)丟失。

(2)SPI從發(fā)送數(shù)據(jù)。SPI從發(fā)送數(shù)據(jù)前，需將數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度放入SPI從的發(fā)送寄存器，然后將CS_Salve管腳設(shè)置為高電平，SPI主檢測(cè)到CS_Salve高電平就會(huì)發(fā)送clock信號(hào)，獲取SPI從發(fā)送數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度M(即獲取SPI從要發(fā)送的數(shù)據(jù)包字節(jié)數(shù))，接著SPI主為SPI從提供M個(gè)clock信號(hào)來(lái)獲取SPI從發(fā)送的數(shù)據(jù)包，將CS_Salve管腳設(shè)置為低電平，即實(shí)現(xiàn)了一包數(shù)據(jù)的交互。

3 瓦斯電閉鎖檢測(cè)裝置控制程序設(shè)計(jì)

檢測(cè)裝置控制程序采用μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多任務(wù)并發(fā)處理?？刂瞥绦蛲ㄟ^(guò)創(chuàng)建多個(gè)任務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同控制邏輯，包括開始任務(wù)、顯示屏配置任務(wù)、單個(gè)傳感器對(duì)單個(gè)斷電器控制任務(wù)(1對(duì)1任務(wù))、單個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)多個(gè)斷電器控制任務(wù)(1對(duì)多任務(wù))、多個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)單個(gè)斷電器控制任務(wù)(多對(duì)1任務(wù))、多個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)多個(gè)斷電器控制任務(wù)(多對(duì)多任務(wù))等[14]，通過(guò)信號(hào)量的形式實(shí)現(xiàn)任務(wù)之間調(diào)度，每個(gè)斷電控制任務(wù)申請(qǐng)一個(gè)信號(hào)量，并使任務(wù)阻塞在程序開始處，只有獲得信號(hào)量的任務(wù)才能夠執(zhí)行?？刂瞥绦蛑蠧AN、RS485通信均采用中斷的形式接收數(shù)據(jù)；斷電器輸出的干節(jié)點(diǎn)信號(hào)接裝置單片機(jī)外部中斷管腳，采用中斷的形式進(jìn)行接收，這些設(shè)計(jì)極大地降低了CPU的使用率，提高了程序的實(shí)時(shí)性和斷電計(jì)時(shí)的精準(zhǔn)性。

瓦斯電閉鎖檢測(cè)裝置任務(wù)流程如下：

(1)檢測(cè)裝置通過(guò)串口接收顯示屏配置數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)接收完成后在串口接收中斷函數(shù)中發(fā)送配置信號(hào)量，收到配置信號(hào)量后選擇測(cè)試方法。

(2)測(cè)試方法為傳感器切換方法時(shí)，進(jìn)行超限或故障斷電測(cè)試，檢測(cè)到測(cè)試按鈕按下后，控制模擬開關(guān)輸出超限或故障傳感器信號(hào)，并打開定時(shí)器計(jì)時(shí)，等待斷電器斷電，接收到斷電信號(hào)后，在顯示屏上顯示斷電時(shí)間，任務(wù)結(jié)束；測(cè)試方法為模擬報(bào)文發(fā)送方法時(shí)，依次配置控制邏輯、總線參數(shù)、測(cè)試通道和總線數(shù)據(jù)，根據(jù)控制邏輯判斷需要調(diào)用的任務(wù)，發(fā)送相應(yīng)任務(wù)的信號(hào)量，控制定時(shí)器分別對(duì)每個(gè)斷電器斷電時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)，等待斷電器斷電，接收到所有斷電信號(hào)后，在顯示屏上顯示最后一臺(tái)斷電器斷電時(shí)間，任務(wù)結(jié)束。

(3)任務(wù)結(jié)束后釋放CPU資源，實(shí)現(xiàn)任務(wù)切換，裝置繼續(xù)執(zhí)行其他任務(wù)。

4 測(cè)試驗(yàn)證

瓦斯電閉鎖檢測(cè)裝置模擬報(bào)文發(fā)送方法測(cè)試如圖5所示。檢測(cè)裝置可根據(jù)分站通信形式選擇CAN或RS485總線(將6個(gè)通道全部接入本地分站的1個(gè)通道，如圖中紅色總線所示，測(cè)試1個(gè)或多個(gè)甲烷傳感器超限或故障時(shí)對(duì)應(yīng)單個(gè)或多個(gè)斷電器的本地?cái)嚯娀虍惖財(cái)嚯?；將裝置6個(gè)通道任意接入本地分站其他通道，如圖中藍(lán)色總線所示，測(cè)試分站不同通道之間因多任務(wù)處理和輪詢延時(shí)導(dǎo)致斷電時(shí)間增加)。6臺(tái)斷電器按需求接入本地分站任意通道，斷電器輸出的干節(jié)點(diǎn)信號(hào)接入檢測(cè)裝置相應(yīng)的斷電器接口(裝置模擬多個(gè)甲烷傳感器超限或故障對(duì)應(yīng)多個(gè)斷電器斷電時(shí)，甲烷傳感器超限或故障報(bào)文發(fā)送時(shí)刻開始計(jì)時(shí)，所有斷電器均斷電時(shí)停止計(jì)時(shí))，此種形式可實(shí)現(xiàn)任意邏輯的本地?cái)嚯姕y(cè)試，可以模擬掘進(jìn)工作面瓦斯電閉鎖功能測(cè)試。若要實(shí)現(xiàn)異地?cái)嚯姕y(cè)試，需要在安全監(jiān)控系統(tǒng)分站總線上再接入6臺(tái)異地分站，斷電器按需求接入，此種形式可以模擬被串掘進(jìn)工作面或關(guān)聯(lián)工作面瓦斯電閉鎖功能測(cè)試。

圖5 檢測(cè)裝置測(cè)試

為保證測(cè)試可靠性，甲烷傳感器和斷電器所在通道均滿載，通過(guò)秒表、CAN和RS485總線分析儀測(cè)得斷電時(shí)間，測(cè)試數(shù)據(jù)見表2。

表2 測(cè)試數(shù)據(jù)

由表2可知，計(jì)時(shí)精度達(dá)到0.01 s?；贑AN總線的通信切換方法，切換后，甲烷傳感器由于未注冊(cè)，會(huì)重新注冊(cè)，并等待分站同步，再上傳數(shù)據(jù)，無(wú)法精確計(jì)時(shí)，且存在失敗現(xiàn)象，故傳感器切換方法不適合多主通信?；赗S485或CAN總線的模擬報(bào)文發(fā)送方法均可實(shí)現(xiàn)本地?cái)嚯姇r(shí)間<2 s，異地?cái)嚯姇r(shí)間<20 s，分站收到甲烷傳感器超限或故障報(bào)文后會(huì)立即向斷電器或向異地分站下發(fā)斷電命令，從而保證斷電時(shí)間。

5 結(jié)論

(1)傳感器通信切換方法通過(guò)多路模擬開關(guān)電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)裝置對(duì)正常、超限、故障傳感器信號(hào)輸出的切換，檢測(cè)裝置將正常傳感器信號(hào)輸出與分站通信。模擬報(bào)文發(fā)送方法通過(guò)觸摸顯示屏輸入正常、超限、故障3種狀態(tài)的甲烷傳感器模擬報(bào)文，報(bào)文根據(jù)需測(cè)試的監(jiān)控系統(tǒng)通信機(jī)制進(jìn)行設(shè)置：基于RS485總線的主從通信機(jī)制，需通過(guò)顯示屏輸入分站下發(fā)報(bào)文和傳感器應(yīng)答報(bào)文，檢測(cè)裝置需根據(jù)下發(fā)報(bào)文進(jìn)行應(yīng)答，從而保證正常通信；基于CAN總線的多主通信機(jī)制，需通過(guò)顯示屏輸入傳感器上傳報(bào)文，裝置通過(guò)接收到的分站應(yīng)答報(bào)文檢測(cè)通信是否正常。

(2)基于CAN總線的多主通信機(jī)制采用通信切換方法切換后，甲烷傳感器由于未注冊(cè)，會(huì)重新注冊(cè)，并等待分站同步，再上傳數(shù)據(jù)，無(wú)法精確計(jì)時(shí)，且存在失敗現(xiàn)象，故傳感器切換方法不適合多主通信；基于RS485或CAN總線的模擬報(bào)文發(fā)送方法均可實(shí)現(xiàn)本地?cái)嚯姇r(shí)間<2 s，異地?cái)嚯姇r(shí)間<20 s；且2種方法的計(jì)時(shí)精度均可達(dá)到0.01 s。

(3)基于上述2種檢測(cè)方法，未來(lái)融入開停傳感器的控制邏輯，瓦斯電閉鎖檢測(cè)裝置可擴(kuò)展風(fēng)電瓦斯閉鎖檢測(cè)功能，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電瓦斯閉鎖功能的標(biāo)準(zhǔn)化檢測(cè)，為煤礦安全生產(chǎn)和煤礦監(jiān)管、監(jiān)察提供更加有效、可靠的檢測(cè)手段。