井下区域异地控制的设计与实现

周代勇

（1.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400039；2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆400037）

在AQ 6201—2019《煤矿安全监控系统通用技术要求》安全生产行业标准中，增加了异地控制的工作方式的术语和定义[1-3]。根据安全生产行业标准中的异地控制定义，触发控制条件的传感器与被控设备不属同一分站。在煤矿安全监控系统中将被描述为，任意测点的任意状态可控制除本身分站以外的任意分站的控制口。在智能矿山的煤矿安全监控系统中，分站已经不在是单一的传感器数据采集传输、显示和控制等功能的分站，而是具有功能更加丰富的区域控制设备。区域控制设备除了分站所有的功能外，还具有人员定位系统标识卡的采集传输、显示功能，以及紧急广播系统的广播信息传输功能等等[4-6]。因此，智能矿山煤矿安全监控系统中的异地控制逻辑更加复杂，传输的信息量更多，实现的难度更大。

1 煤矿安全监控系统的异地控制设计思路

目前，在煤矿安全监控系统的异地控制设计思路主要有3种：

1）地面中心站软件独立完成。根据中心站软件异地控制功能块，定义所有参与异地断电控制的测点作为触发条件，然后下发被控对象的执行命令。这种设计方法的优点是设计简单、排查故障容易、操作方便。缺点是依赖性强，井下区域控制设备无法独立完成逻辑控制，网络故障时异地控制不可靠，整套异地控制逻辑时间过长，控制逻辑触发条件复杂后溯源触发条件需要人为推理。

2）井下局部区域控制设备完成。区域控制设备之间采用总线方式与地面中心站进行通信，根据总线通信方式的特点，监听接收各个区域控制设备的异地控制信息完成异地控制逻辑的判断。这种设计方法的优点是控制时间快、独立性强、逻辑简单。缺点是协议逻辑复杂、总线数据量大、跨总线无法实现。

3）井下区域控制设备完成。区域控制设备之间采用网络方式与地面中心站进行通信，利用网络广播的通信方式完全跨地区的异地控制。这种设计方法的优点是控制快速、独立性强、操作简易。缺点是光纤接线维护难、成本较高。

3种井下异地控制设计方法的执行方式见表1。

表1 井下异地控制设计的执行方式Table 1 Im plementation method of underground remote control design

根据智能矿山的不断建设，智能设备的不断推进，和相关安全生产行业标准规定。建议采用第3种设计方法来实现煤矿井下的异地控制。

2 区域控制设备网络平台

区域监测监控系统平台框图如图1。

图1 区域监测监控系统平台框图Fig.1 Regionalmonitoring controller block diagram

区域控制设备是适用于煤矿井下区域监测监控的矿用本质安全型设备，具有多系统的监测监控能力，如煤矿安全监控系统、井下人员定位系统和井下广播系统等多系统数据采集、处理、存储、融合联动等功能，能够实现井下区域灾害评估、控制前移和异常快速决断等综合性平台设备[7-12]。

通过图1区域监测监控系统平台框图可以得知，区域控制设备与地面中心站之间的通讯采用网络通信，那么井下区域异地控制的设计与实现将依赖于区域控制设备的网络平台。

根据现目前网络通信技术在煤矿井下的应用特点和煤矿井下环境的特殊性，区域控制设备的网络平台搭建为以下3种方式。

1）第1种方式。区域控制设备网络接口星型连接，与井下环网交换机单口单链路串联铺入巷道，进入巷道后可分支为多支路，覆盖面比较广。这种星型连接方式适合应用于复杂多支路巷道，中小型煤矿采用星型连接比较多。其优点是光纤铺线距离合理，成本低，维护简单。缺点是局部故障影响比较大，需要人工维护。区域控制设备网络接口星型连接框图如图2。

图2 区域控制设备网络接口星型连接框图Fig.2 Block diagram of region control equipment network interface star connection

2）第2种方式。区域控制设备与井下交换机设备成环。区域控制设备进入井下环网，由于井下环网交换机在环网功能开启时都具有各自的独立环网协议，区域控制设备需要考虑环网的兼容性，因此区域控制设备只能采用环网的公共协议RSTP协议。若需要与井下交换机进行环网连接时，不仅要把区域控制设备配置成RSTP协议，还要将交换机配置成RSTP协议。这种连接方式只适合于区域监测监控系统采用专网连接，不在在网络系统平台上连接其他设备，煤矿企业需要考虑井下资源的分配问题。从网络资源的利用率角度考虑，不介意推行区域控制设备与井下交换机设备成环。该连接方式的优点是安装方便，成本低，易扩展，维护简单，局部故障对整个网络影响较小。缺点是局限井下交换机强大功能，网络资源浪费严重。区域控制设备网络接口与交换机环型连接框图如图3。

图3 区域控制设备网络接口与交换机环型连接框图Fig.3 Block diagram of network interface of region control equipment and loop connection of sw itch

3）第3种方式。区域控制设备独立单环或独立多环连接，与井下环网交换机单口单链路连接后，区域控制设备间自动独立组环，可组成独立的单环通讯，也可组成独立的多环通讯。环网或各支路中既有光纤也有电口，灵活配置，方便接线。这种接线方式适合用于复杂多支路的大型巷道，大中型煤矿巷道中特别适用。其优点是设计灵活，覆盖面广，可扩展性强，维护方便，局部故障对整个网络影响较小。缺点是铺线面积大，成本高，安装比较耗时。区域控制设备网络接口环型连接框图如图4。

图4 区域控制设备网络接口环型连接框图Fig.4 Block diagram of region control equipment network interface ring type connection

3 区域控制设备异地控制

控制设备是基于低功耗工业级ARM Cortex-A8架构处理器，具有数据存储芯片和多外设通信类电路进行设计的井下控制设备，支持以太网光口和以太网电口通信模式[13-15]。但井下环境复杂，测点设备和执行器数据较多，单台控制设备远远达不到现场需求，因此，区域间控制设备异地联合控制就此诞生。

区域控制设备异地控制，是根据测点采集值和设备运行状态作为控制逻辑判断的输入条件，其中采集值可分为上报值、上控值、下报值和下控制值，设备运行状态可分为为预热、断线、故障状态。执行控制对象是由区域控制设备提供对接接口，控制逻辑算法由控制设备执行，将执行的结果匹配到对应的区域控制设备后，待为控制命令的执行和下发。伴随着现场应用输入条件复杂多变，控制关系也越来越多，准确执行和有效地管理异地控制成为了设计重点。区域控制设备异地控制流程图如图5。

图5 区域控制设备异地控制流程图Fig.5 Regional control equipment remote control flow chart

从区域控制设备异地控制流程图可以看出，区域控制设备将异地控制逻辑算法在采集端区域设备进行计算，计算的结果分别反馈给地面中心站软件和异地的区域控制设备，待异地的区域控制设备和执行器执行后，也反馈给地面中心站软件。通过本地区域控制设备的反馈计算结果和异地区域控制设备的执行结果来统一管理异地控制的执行情况。从而有效地验证了异地控制设计的合理性。

4 系统平台异地控制功能块

系统平台是地面中心站系统软件，其中异地控制功能块控制关系的配置，包括了测点断线控制、开机预热控制、ERO故障控制、上报控制、上断控制、下报控制、下断控制、以及等级控制。可配置多台区域控制设备、多个控制口执行相同的控制条件，系统平台的灵活配置选项完全能够满足任何复杂的矿井要求。

系统平台软件除了设计合理的配置界面外，还设计了控制关系执行结果反馈界面，能够通过后台快速处理后，显示在前台界面上，并在提示窗口中有相应的红色提示，系统平台设计设计合理，完全能够满足大量煤矿用户的需要。

5 异地控制设计优点与现场应用

区域异地控制设计优点：①区域异地控制打破了空间的局限，控制设备安装到的区域都能够实现；②区域控制设备异地控制执行时间快，控制速度几乎接近本地执行；③区域控制设备执行异地控制时，完全可以脱离地面中心站软件，已经实现井下异地控制。

现目前区域控制设备异地控制已经投放于贵州盘州和内蒙古乌海等多家煤矿集团使用。根据现场使用验证，区域控制设备能够现实区域内异地控制2 s内报警和执行断电。

6 结 语

井下区域异地控制的设计与实现，不仅仅只是一个简单的异地控制逻辑的突破，而是将整个煤矿井下看着是一张大的网络设备，是可以任意组合测点设备为异地控制的控制条件。该异地控制设计已经不在依赖于地面中心站，而是独立于煤矿井下区域控制设备进行预设的逻辑判断，并发起执行命令。通过试验证明:该设计方案的区域控制设备能够广播所有接入测点的控制状态，和接受所有广播信息，并准确无误地判断执行异地控制信息，大大缩短了异地控制时间。