駱建營，司新江，田旭東，俞 嘯

(1.兗州煤業(yè)股份有限公司 興隆莊煤礦，山東 鄒城 273500；2.中國礦業(yè)大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)(感知礦山)研究中心，江蘇 徐州 221008)

煤礦井下中央變電所的功能包括：“受電”、“配電”與“變電”。具體來說，“受電”是指：利用總高壓隔爆開關(guān)接受地面變電所輸送的6kV電能；“配電”是指：將總高壓隔爆開關(guān)輸出的6kV電能經(jīng)分路高壓隔爆開關(guān)向高壓設(shè)備、整流設(shè)備與各采區(qū)變電所供電；“變電”是指：利用礦用變電器將6kV電壓降為660V與380V兩種類型，供給井下推車機(jī)、小水泵與照明變壓器等低壓設(shè)備。由此可知，煤礦井下中央變電所是井下供電網(wǎng)絡(luò)的中心，保障了煤礦井下設(shè)備的正常工作，對煤礦井下的安全生產(chǎn)至關(guān)重要。因此，對煤礦井下變電所進(jìn)行智能監(jiān)測，對煤礦井下變電所潛在故障進(jìn)行智能分析并快速響應(yīng)非常必要。

然而，現(xiàn)有的針對性監(jiān)測系統(tǒng)很少并且無法達(dá)到對煤礦井下變電所智能監(jiān)測與預(yù)警的需求。毛曉磊[1]設(shè)計(jì)的“煤礦地面變電所故障分析及在線監(jiān)測系”能夠?qū)Φ孛娴淖冸娝M(jìn)行在線監(jiān)測，但是，無法實(shí)現(xiàn)對異常數(shù)據(jù)的智能分析，同時(shí)，系統(tǒng)無法適應(yīng)煤礦井下的特殊環(huán)境與網(wǎng)絡(luò)狀況；尚通船[2]研發(fā)的“柳灣煤礦井下采區(qū)變電所無人值守監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)”綜合考慮了煤礦井下特殊場景，能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測、視頻與語音等功能的聯(lián)動(dòng)，達(dá)到了聯(lián)合預(yù)警的目標(biāo)，但是，針對井下中央變電所的智能監(jiān)測，該系統(tǒng)功能較弱，同時(shí)，無法對潛在的故障進(jìn)行智能分析與響應(yīng)；王培森[3]設(shè)計(jì)研發(fā)的“選煤廠變電所故障在線監(jiān)測系統(tǒng)”功能單一，無法滿足對井下中央變電所的實(shí)時(shí)監(jiān)測與智能響應(yīng)。

本文結(jié)合芯片技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、嵌入式技術(shù)、Linux系統(tǒng)、智能算法等[4-6]，設(shè)計(jì)并研制了“煤礦井下中央變電所分布式智能采集分析系統(tǒng)”。該系統(tǒng)能對井下中央變電所現(xiàn)存設(shè)備集成，構(gòu)造多源感知終端的統(tǒng)一接口；同時(shí)，該系統(tǒng)能進(jìn)行信號分析、特征處理，融合智能化診斷技術(shù)提供在線狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷等基礎(chǔ)服務(wù)，提升井下中央變電所智能化水平。

1 中央變電所分布式智能采集分析系統(tǒng)

1.1 智能采集分析系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

智能采集分析系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示，在煤礦井下中央變電所中，需要對高壓柜、PT柜與低壓柜等進(jìn)行監(jiān)測。利用智能采集分析終端集成的電流傳感器、紅外成像傳感器、攝像頭、噪聲傳感器、測距傳感器、TEV傳感器、振動(dòng)傳感器、溫濕度傳感器、煙霧傳感器與氣體傳感器等，系統(tǒng)能全面的采集相應(yīng)數(shù)據(jù)并監(jiān)測變電所的實(shí)時(shí)狀態(tài)。智能采集分析終端組成了井下中央變電所無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。這些終端通過井下以太網(wǎng)通信或者無線通信鏈路實(shí)現(xiàn)與中央變電所環(huán)網(wǎng)的數(shù)據(jù)互通。利用煤礦井下的基礎(chǔ)有限網(wǎng)絡(luò)，井下中央變電所環(huán)網(wǎng)能夠與井上服務(wù)器通信。接著，服務(wù)器將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并推送到監(jiān)測分析系統(tǒng)。

圖1 智能采集分析系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

1.2 智能采集分析系統(tǒng)終端

智能采集分析終端硬件包括：Samsung Exynos4412主處理器及驅(qū)動(dòng)電路、NVIDIA Jetson TX2計(jì)算模塊、FPGA處理器、數(shù)據(jù)與程序存儲(chǔ)器、固態(tài)存儲(chǔ)、電源管理部分、以太網(wǎng)通信接口、RS485通信接口、紅外成像傳感器及驅(qū)動(dòng)電路、振動(dòng)傳感器及驅(qū)動(dòng)電路、TVE傳感器及驅(qū)動(dòng)電路等。如圖2所示，Samsung Exynos4412主處理器是智能采集分析系統(tǒng)的中樞，負(fù)責(zé)整個(gè)終端系統(tǒng)的調(diào)度；NVIDIA Jetson TX2計(jì)算模塊內(nèi)嵌NVIDIA Pascal GPU，具有8GB內(nèi)存59.7GB/s內(nèi)存帶寬，NVIDIA Jetson TX2主要實(shí)現(xiàn)在線故障診斷與智能檢測算法；FPGA處理器主要對攝像頭與紅外熱成像傳感器采集的圖像信號進(jìn)行處理；電源管理模塊能夠?yàn)橹靼迳系脑骷峁┕ぷ麟妷海粩?shù)據(jù)存儲(chǔ)、程序存儲(chǔ)與固態(tài)存儲(chǔ)為數(shù)據(jù)與程序提供存儲(chǔ)空間；以太網(wǎng)通信接口用來實(shí)現(xiàn)終端與變電所環(huán)網(wǎng)的通信；噪聲傳感器、溫濕度傳感器、煙霧傳感器、振動(dòng)傳感器、測距傳感器、TEV傳感器與氣體傳感器等可以采集相對應(yīng)的數(shù)據(jù)。

圖2 智能采集分析系統(tǒng)終端硬件框圖

2 智能采集分析系統(tǒng)終端硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 紅外成像傳感器電路設(shè)計(jì)

紅外成像傳感器電路如圖3所示，采用的芯片為AMG8833。AMG8833芯片工作電壓為3.3V，通信協(xié)議為I2C，其檢測距離在7m之內(nèi)，測量溫度范圍在0～80℃之間[7]。AMG8833的驅(qū)動(dòng)電路簡潔，僅有電容(C1、C2、C3與C4)與電阻(R1與R2)。在本文中，該芯片被集成到智能采集分析終端上，主要負(fù)責(zé)監(jiān)測高壓柜、PT柜與低壓柜中可能出現(xiàn)的“短路失火”、“鼠類小動(dòng)物”與“溫度異?！钡葐栴}。當(dāng)AMG8833芯片監(jiān)測到異常信號時(shí)，智能采集分析終端會(huì)根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)信號做出響應(yīng)。同時(shí)，將采集到的異常數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至煤礦井上監(jiān)測中心。

圖3 紅外成像傳感器電路圖

2.2 振動(dòng)傳感器電路設(shè)計(jì)

振動(dòng)傳感器電路如圖4所示，其中振動(dòng)傳感器采用的是SE830，模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用的是PCF8591芯片。SE830的工作電壓為24V，測量精度為±5%，具有頻率范圍寬與穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)[8]。PCF8591將SE830輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并將數(shù)字信號輸出到主處理器。整個(gè)振動(dòng)傳感器電路簡潔，易于實(shí)現(xiàn)。這降低了該部分電路的開發(fā)難度，提高了智能采集分析終端的開發(fā)效率。智能采集分析終端集成振動(dòng)傳感器的目的是監(jiān)測高壓柜、PT柜與低壓柜的實(shí)時(shí)狀態(tài)。

圖4 振動(dòng)傳感器電路圖

2.3 電流傳感器電路設(shè)計(jì)

圖5 ACS712-05B-T芯片驅(qū)動(dòng)電路圖

ACS712-05B-T芯片驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。該芯片電路結(jié)構(gòu)清晰且精度高[9]。ACS712-05B-T的工作電壓為5V，采用小型貼片SOIC8封裝，便于集成到本文的智能采集分析終端中。ACS712-05B-T的量程有±5A、±20A與±30A共3種。在量程范圍內(nèi)，ACS712-05B-T檢測到的信號具有良好的線性關(guān)系，總輸出誤差率為1.5%，這保障了電流信號檢測的準(zhǔn)確性。在本文設(shè)計(jì)的智能采集分析終端中，ACS712-05B-T監(jiān)測開關(guān)電源的電流信號，并提供過電流故障保護(hù)功能。

2.4 RS485和以太網(wǎng)通信接口電路設(shè)計(jì)

RS485芯片與以太網(wǎng)芯片電路如圖6所示。其中，RS485為雙向通信總線協(xié)議，具有穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)。它的驅(qū)動(dòng)電路由三極管PMDT3904及相關(guān)元器件構(gòu)成[10]。在本文的智能采集分析終端中用來接入總線通信協(xié)議的設(shè)備。ENC28J60是終端以太網(wǎng)通信芯片。它兼容IEEE 802.3協(xié)議，內(nèi)部具有DMA模塊，可以實(shí)現(xiàn)快速數(shù)據(jù)吞吐與硬件支持的IP校驗(yàn)和計(jì)算[11]。ENC28J60的組成電路包括晶振X1、電容、電阻與工作狀態(tài)指示燈等。在該系統(tǒng)中負(fù)責(zé)將終端采集的數(shù)據(jù)以及預(yù)警信號轉(zhuǎn)發(fā)到井下中央變電所環(huán)網(wǎng)。

圖6 RS485芯片與以太網(wǎng)芯片電路圖

3 智能采集分析終端軟件設(shè)計(jì)

3.1 智能采集分析終端軟件系統(tǒng)

智能采集分析系統(tǒng)終端軟件操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。本文智能采集分析終端的主處理器Exynos4412搭配FPGA輔助處理器與GPU輔助處理器，配合Linux操作系統(tǒng)，能完成中央變電所相關(guān)設(shè)備接入以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集處理、智能分析與傳輸?shù)裙δ堋inux操作系統(tǒng)提供了大量的基礎(chǔ)支持軟件，擁有強(qiáng)大完整的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，完善的設(shè)備驅(qū)動(dòng)模型與大量的開源服務(wù)軟件包[12，13]。

圖7 智能采集分析系統(tǒng)終端軟件操作系統(tǒng)框圖

在該系統(tǒng)中，根據(jù)選擇的Exynos4412主處理器，搭建軟件系統(tǒng)平臺，完成Linux操作系統(tǒng)的裁剪和移植；根據(jù)選用的信號采集與數(shù)據(jù)傳輸接口芯片，完成驅(qū)動(dòng)程序的移植[14]。在系統(tǒng)軟件的基礎(chǔ)上進(jìn)行應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)，完成設(shè)備數(shù)據(jù)的采集，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)模型分析、處理與識別算法庫，控制系統(tǒng)軟件接口等開發(fā)工作。驅(qū)動(dòng)軟件為應(yīng)用層軟件提供了統(tǒng)一的服務(wù)接口，驅(qū)動(dòng)程序直接與硬件設(shè)備進(jìn)行交互，完成設(shè)備的初始化，以及與設(shè)備直接的數(shù)據(jù)通信，并向操作系統(tǒng)文件系統(tǒng)提供設(shè)備文件操作接口。應(yīng)用層使用相應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用，就可以完成對設(shè)備的操作以及與設(shè)備之間的通信。

3.2 智能采集分析終端軟件工作流程

智能采集分析終端的軟件工作流程如圖8所示。在供電后，終端就被啟動(dòng)了。首先，主處理器芯片Exynos4412初始化；接著，Linux系統(tǒng)初始化并運(yùn)行；在此基礎(chǔ)上，Jetson TX2、FPGA與各傳感器芯片被初始化并運(yùn)行，同時(shí)智能采集終端的以太網(wǎng)絡(luò)與無線網(wǎng)絡(luò)完成與中央變電所環(huán)網(wǎng)的連接。此時(shí)，終端開始實(shí)時(shí)采集設(shè)備信息并將信息轉(zhuǎn)發(fā)到煤礦井上監(jiān)測中心。

圖8 智能采集分析終端軟件工作流程

當(dāng)智能采集分析終端監(jiān)測到異常信號時(shí)，終端首先調(diào)用內(nèi)置的“數(shù)據(jù)分析模型處理與識別算法庫”，同時(shí)觸發(fā)中央變電所內(nèi)預(yù)警裝置并將“異常信息”轉(zhuǎn)發(fā)到煤礦井上監(jiān)測中心。當(dāng)終端判斷能解決“異常問題”時(shí)，便觸發(fā)“響應(yīng)事件”，完成對“異常事件”的處理，并將完成事件的消息轉(zhuǎn)發(fā)到監(jiān)測中心，待工作人員復(fù)查。當(dāng)終端判斷無法解決“異常事件”時(shí)，井上服務(wù)器就會(huì)根據(jù)采集的信息對“異常事件”進(jìn)行處理或觸發(fā)人工處理機(jī)制，直至“異常事件”被解決。

4 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)信號傳輸性能測試

首先，準(zhǔn)備10臺智能采集分析終端，終端代號分別為Z0-Z9。然后搭建煤礦井下中央變電所環(huán)網(wǎng)，并測試井下環(huán)網(wǎng)與井上監(jiān)測中心之間的通信鏈路，確保系統(tǒng)通信正常。在煤礦井下中央變電所，同時(shí)給10臺終端供電，并設(shè)置每臺終端向井上監(jiān)測中心發(fā)送10000個(gè)數(shù)據(jù)包。除此之外，監(jiān)測中心的服務(wù)器計(jì)算系統(tǒng)對每個(gè)數(shù)據(jù)包的響應(yīng)時(shí)間。智能采集分析系統(tǒng)丟包率與平均響應(yīng)時(shí)間最終的統(tǒng)計(jì)信息見表1。經(jīng)計(jì)算，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的平均丟包率為0.114%，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的平均響應(yīng)時(shí)間為1.685s，能夠滿足煤礦實(shí)際應(yīng)用的需求。

表1 智能采集分析系統(tǒng)丟包率與平均響應(yīng)時(shí)間

5 結(jié) 論

1)本文構(gòu)建了煤礦井下中央變電所分布式智能采集分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)可利用井下終端實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的采集與統(tǒng)一接入，并提供信特征處理、實(shí)時(shí)計(jì)算等智能化功能與狀態(tài)監(jiān)測、故障預(yù)警等基礎(chǔ)服務(wù)。經(jīng)測試，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的平均丟包率與平均響應(yīng)時(shí)間分別為0.114%和1.685s，這滿足了煤礦現(xiàn)場的應(yīng)用需求，為煤礦井下中央變電所的正常運(yùn)行提供了一定的安全保障。

2)智能采集分析終端能夠分擔(dān)監(jiān)測中心數(shù)據(jù)分析平臺的計(jì)算工作，在保證應(yīng)用的實(shí)時(shí)性和數(shù)據(jù)的安全性的同時(shí)，節(jié)省了帶寬與能耗。智能采集分析終端能同時(shí)接受來自計(jì)算服務(wù)中心的下行指令數(shù)據(jù)和來自多源傳感器的上行感知數(shù)據(jù)。這既能向下實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)及設(shè)備的感知與控制，又能向上實(shí)現(xiàn)對感知結(jié)果的上傳及數(shù)據(jù)的融合轉(zhuǎn)發(fā)。提升了監(jiān)測系統(tǒng)的智能化水平。