煤矿井下中央变电所分布式智能采集分析系统

骆建营，司新江，田旭东，俞 啸

(1.兖州煤业股份有限公司 兴隆庄煤矿，山东 邹城 273500；2.中国矿业大学 物联网(感知矿山)研究中心，江苏 徐州 221008)

煤矿井下中央变电所的功能包括：“受电”、“配电”与“变电”。具体来说，“受电”是指：利用总高压隔爆开关接受地面变电所输送的6kV电能；“配电”是指：将总高压隔爆开关输出的6kV电能经分路高压隔爆开关向高压设备、整流设备与各采区变电所供电；“变电”是指：利用矿用变电器将6kV电压降为660V与380V两种类型，供给井下推车机、小水泵与照明变压器等低压设备。由此可知，煤矿井下中央变电所是井下供电网络的中心，保障了煤矿井下设备的正常工作，对煤矿井下的安全生产至关重要。因此，对煤矿井下变电所进行智能监测，对煤矿井下变电所潜在故障进行智能分析并快速响应非常必要。

然而，现有的针对性监测系统很少并且无法达到对煤矿井下变电所智能监测与预警的需求。毛晓磊[1]设计的“煤矿地面变电所故障分析及在线监测系”能够对地面的变电所进行在线监测，但是，无法实现对异常数据的智能分析，同时，系统无法适应煤矿井下的特殊环境与网络状况；尚通船[2]研发的“柳湾煤矿井下采区变电所无人值守监测监控系统”综合考虑了煤矿井下特殊场景，能够实现监测、视频与语音等功能的联动，达到了联合预警的目标，但是，针对井下中央变电所的智能监测，该系统功能较弱，同时，无法对潜在的故障进行智能分析与响应；王培森[3]设计研发的“选煤厂变电所故障在线监测系统”功能单一，无法满足对井下中央变电所的实时监测与智能响应。

本文结合芯片技术、无线传感器网络技术、嵌入式技术、Linux系统、智能算法等[4-6]，设计并研制了“煤矿井下中央变电所分布式智能采集分析系统”。该系统能对井下中央变电所现存设备集成，构造多源感知终端的统一接口；同时，该系统能进行信号分析、特征处理，融合智能化诊断技术提供在线状态监测、故障诊断等基础服务，提升井下中央变电所智能化水平。

1 中央变电所分布式智能采集分析系统

1.1 智能采集分析系统网络的构建

智能采集分析系统网络架构如图1所示，在煤矿井下中央变电所中，需要对高压柜、PT柜与低压柜等进行监测。利用智能采集分析终端集成的电流传感器、红外成像传感器、摄像头、噪声传感器、测距传感器、TEV传感器、振动传感器、温湿度传感器、烟雾传感器与气体传感器等，系统能全面的采集相应数据并监测变电所的实时状态。智能采集分析终端组成了井下中央变电所无线传感器网络。这些终端通过井下以太网通信或者无线通信链路实现与中央变电所环网的数据互通。利用煤矿井下的基础有限网络，井下中央变电所环网能够与井上服务器通信。接着，服务器将数据存储并推送到监测分析系统。

图1 智能采集分析系统网络架构图

1.2 智能采集分析系统终端

智能采集分析终端硬件包括：Samsung Exynos4412主处理器及驱动电路、NVIDIA Jetson TX2计算模块、FPGA处理器、数据与程序存储器、固态存储、电源管理部分、以太网通信接口、RS485通信接口、红外成像传感器及驱动电路、振动传感器及驱动电路、TVE传感器及驱动电路等。如图2所示，Samsung Exynos4412主处理器是智能采集分析系统的中枢，负责整个终端系统的调度；NVIDIA Jetson TX2计算模块内嵌NVIDIA Pascal GPU，具有8GB内存59.7GB/s内存带宽，NVIDIA Jetson TX2主要实现在线故障诊断与智能检测算法；FPGA处理器主要对摄像头与红外热成像传感器采集的图像信号进行处理；电源管理模块能够为主板上的原器件提供工作电压；数据存储、程序存储与固态存储为数据与程序提供存储空间；以太网通信接口用来实现终端与变电所环网的通信；噪声传感器、温湿度传感器、烟雾传感器、振动传感器、测距传感器、TEV传感器与气体传感器等可以采集相对应的数据。

图2 智能采集分析系统终端硬件框图

2 智能采集分析系统终端硬件电路设计

2.1 红外成像传感器电路设计

红外成像传感器电路如图3所示，采用的芯片为AMG8833。AMG8833芯片工作电压为3.3V，通信协议为I2C，其检测距离在7m之内，测量温度范围在0～80℃之间[7]。AMG8833的驱动电路简洁，仅有电容(C1、C2、C3与C4)与电阻(R1与R2)。在本文中，该芯片被集成到智能采集分析终端上，主要负责监测高压柜、PT柜与低压柜中可能出现的“短路失火”、“鼠类小动物”与“温度异常”等问题。当AMG8833芯片监测到异常信号时，智能采集分析终端会根据采集到的数据信号做出响应。同时，将采集到的异常数据转发至煤矿井上监测中心。

图3 红外成像传感器电路图

2.2 振动传感器电路设计

振动传感器电路如图4所示，其中振动传感器采用的是SE830，模数转换器采用的是PCF8591芯片。SE830的工作电压为24V，测量精度为±5%，具有频率范围宽与稳定性高的优点[8]。PCF8591将SE830输出的模拟信号转换为数字信号，并将数字信号输出到主处理器。整个振动传感器电路简洁，易于实现。这降低了该部分电路的开发难度，提高了智能采集分析终端的开发效率。智能采集分析终端集成振动传感器的目的是监测高压柜、PT柜与低压柜的实时状态。

图4 振动传感器电路图

2.3 电流传感器电路设计

图5 ACS712-05B-T芯片驱动电路图

ACS712-05B-T芯片驱动电路如图5所示。该芯片电路结构清晰且精度高[9]。ACS712-05B-T的工作电压为5V，采用小型贴片SOIC8封装，便于集成到本文的智能采集分析终端中。ACS712-05B-T的量程有±5A、±20A与±30A共3种。在量程范围内，ACS712-05B-T检测到的信号具有良好的线性关系，总输出误差率为1.5%，这保障了电流信号检测的准确性。在本文设计的智能采集分析终端中，ACS712-05B-T监测开关电源的电流信号，并提供过电流故障保护功能。

2.4 RS485和以太网通信接口电路设计

RS485芯片与以太网芯片电路如图6所示。其中，RS485为双向通信总线协议，具有稳定性强的特点。它的驱动电路由三极管PMDT3904及相关元器件构成[10]。在本文的智能采集分析终端中用来接入总线通信协议的设备。ENC28J60是终端以太网通信芯片。它兼容IEEE 802.3协议，内部具有DMA模块，可以实现快速数据吞吐与硬件支持的IP校验和计算[11]。ENC28J60的组成电路包括晶振X1、电容、电阻与工作状态指示灯等。在该系统中负责将终端采集的数据以及预警信号转发到井下中央变电所环网。

图6 RS485芯片与以太网芯片电路图

3 智能采集分析终端软件设计

3.1 智能采集分析终端软件系统

智能采集分析系统终端软件操作系统结构如图7所示。本文智能采集分析终端的主处理器Exynos4412搭配FPGA辅助处理器与GPU辅助处理器，配合Linux操作系统，能完成中央变电所相关设备接入以及实时数据采集处理、智能分析与传输等功能。Linux操作系统提供了大量的基础支持软件，拥有强大完整的网络协议栈，完善的设备驱动模型与大量的开源服务软件包[12，13]。

图7 智能采集分析系统终端软件操作系统框图

在该系统中，根据选择的Exynos4412主处理器，搭建软件系统平台，完成Linux操作系统的裁剪和移植；根据选用的信号采集与数据传输接口芯片，完成驱动程序的移植[14]。在系统软件的基础上进行应用软件设计，完成设备数据的采集，实时数据模型分析、处理与识别算法库，控制系统软件接口等开发工作。驱动软件为应用层软件提供了统一的服务接口，驱动程序直接与硬件设备进行交互，完成设备的初始化，以及与设备直接的数据通信，并向操作系统文件系统提供设备文件操作接口。应用层使用相应的系统调用，就可以完成对设备的操作以及与设备之间的通信。

3.2 智能采集分析终端软件工作流程

智能采集分析终端的软件工作流程如图8所示。在供电后，终端就被启动了。首先，主处理器芯片Exynos4412初始化；接着，Linux系统初始化并运行；在此基础上，Jetson TX2、FPGA与各传感器芯片被初始化并运行，同时智能采集终端的以太网络与无线网络完成与中央变电所环网的连接。此时，终端开始实时采集设备信息并将信息转发到煤矿井上监测中心。

图8 智能采集分析终端软件工作流程

当智能采集分析终端监测到异常信号时，终端首先调用内置的“数据分析模型处理与识别算法库”，同时触发中央变电所内预警装置并将“异常信息”转发到煤矿井上监测中心。当终端判断能解决“异常问题”时，便触发“响应事件”，完成对“异常事件”的处理，并将完成事件的消息转发到监测中心，待工作人员复查。当终端判断无法解决“异常事件”时，井上服务器就会根据采集的信息对“异常事件”进行处理或触发人工处理机制，直至“异常事件”被解决。

4 系统网络信号传输性能测试

首先，准备10台智能采集分析终端，终端代号分别为Z0-Z9。然后搭建煤矿井下中央变电所环网，并测试井下环网与井上监测中心之间的通信链路，确保系统通信正常。在煤矿井下中央变电所，同时给10台终端供电，并设置每台终端向井上监测中心发送10000个数据包。除此之外，监测中心的服务器计算系统对每个数据包的响应时间。智能采集分析系统丢包率与平均响应时间最终的统计信息见表1。经计算，系统网络的平均丢包率为0.114%，系统网络的平均响应时间为1.685s，能够满足煤矿实际应用的需求。

表1 智能采集分析系统丢包率与平均响应时间

5 结 论

1)本文构建了煤矿井下中央变电所分布式智能采集分析系统。该系统可利用井下终端实现多源数据的采集与统一接入，并提供信特征处理、实时计算等智能化功能与状态监测、故障预警等基础服务。经测试，系统网络的平均丢包率与平均响应时间分别为0.114%和1.685s，这满足了煤矿现场的应用需求，为煤矿井下中央变电所的正常运行提供了一定的安全保障。

2)智能采集分析终端能够分担监测中心数据分析平台的计算工作，在保证应用的实时性和数据的安全性的同时，节省了带宽与能耗。智能采集分析终端能同时接受来自计算服务中心的下行指令数据和来自多源传感器的上行感知数据。这既能向下实现对系统及设备的感知与控制，又能向上实现对感知结果的上传及数据的融合转发。提升了监测系统的智能化水平。