煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)偽數(shù)據(jù)的甄別及對策

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［摘要］針對煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)普遍存在偽數(shù)據(jù)，嚴(yán)重困擾各級、各部門、各煤礦企業(yè)管理人員有效識(shí)別監(jiān)測數(shù)據(jù)的真?zhèn)螁栴}。通過實(shí)地調(diào)研、理論分析、現(xiàn)場應(yīng)用等手段，對偽數(shù)據(jù)的特點(diǎn)和來源進(jìn)行了綜合分析，通過分析，提出了調(diào)校數(shù)據(jù)的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)、邏輯關(guān)聯(lián)識(shí)別技術(shù)、類別自動(dòng)識(shí)別技術(shù)、系統(tǒng)自診斷識(shí)別技術(shù)等進(jìn)行偽數(shù)據(jù)的甄別。鑒于電磁輻射、浪涌等干擾源，所產(chǎn)生的偽數(shù)據(jù)，提出了改變傳感器的頻率信號(hào)輸出方式、提高監(jiān)控設(shè)備抗干擾能力、降低傳感器整機(jī)功耗、提高傳感器外殼防護(hù)等級等有效預(yù)防偽數(shù)據(jù)產(chǎn)生的對策。

［關(guān)鍵詞］安全監(jiān)控系統(tǒng)；偽數(shù)據(jù)；甄別；對策

0引言

目前，各煤礦企業(yè)均已安裝了煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、查詢、打印、報(bào)警、斷電等相關(guān)功能，為煤礦的安全生產(chǎn)發(fā)揮作重要的作用。由于煤礦井下復(fù)雜的電磁環(huán)境干擾，尤其是在長距離數(shù)據(jù)傳輸過程中存在瞬態(tài)脈沖、浪涌等尤為突出，導(dǎo)致監(jiān)測到的數(shù)據(jù)中存?zhèn)螖?shù)據(jù)現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。其以“誤報(bào)警、誤斷電”的形式出現(xiàn)，一直困擾各級、各部門、各煤礦企業(yè)管理人員，需要專業(yè)人員進(jìn)行專一地分析、處理，才能夠判斷出監(jiān)測數(shù)據(jù)的真?zhèn)巍＿@樣不僅增加了工作量，更為嚴(yán)重的是真?zhèn)螖?shù)據(jù)同時(shí)存在，人員意識(shí)疏忽，可能導(dǎo)致真實(shí)的報(bào)警信息不能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)處理，造成嚴(yán)重的安全隱患和后果。因此，很有必要對煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、甄別、判斷、準(zhǔn)確剔除偽數(shù)據(jù)，提高監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性、數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

1偽數(shù)據(jù)的定義及特點(diǎn)

監(jiān)控系統(tǒng)偽數(shù)據(jù)是指與現(xiàn)場實(shí)際情況不相符的監(jiān)測數(shù)據(jù)和狀態(tài)。偽數(shù)據(jù)的一種典型表現(xiàn)是監(jiān)測數(shù)據(jù)瞬間出現(xiàn)大值（俗稱冒大數(shù)）或者突然出現(xiàn)0值，造成監(jiān)控系統(tǒng)誤報(bào)警或者失效，監(jiān)測數(shù)據(jù)失真［1］。偽數(shù)據(jù)非常明顯的特點(diǎn)就是“數(shù)據(jù)瞬間變化較大，持續(xù)時(shí)間較短”，在受到動(dòng)力電纜控制設(shè)備啟動(dòng)產(chǎn)生的浪涌干擾、井下電力變頻器產(chǎn)生的干擾、大型電器設(shè)備附近的干擾、外界電磁場干擾情況下尤為嚴(yán)重。

2煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)偽數(shù)據(jù)的產(chǎn)生

安全監(jiān)控系統(tǒng)偽數(shù)據(jù)的情況主要發(fā)生在模擬量傳感器中。偽數(shù)據(jù)產(chǎn)生的原因主要有以下6方面：①傳感器輸出的頻率信號(hào)在傳輸至監(jiān)控分站過程中由于外部電磁場的干擾而發(fā)生突變，出現(xiàn)瞬間大值。②監(jiān)控分站至地面中心站之間采用RS485傳輸方式的線路干擾。長距離傳輸信號(hào)，由線路分布電容和分布電感組成低通濾波器將損失信號(hào)；線路阻抗又不連續(xù)，傳輸線信號(hào)反射惡化；節(jié)點(diǎn)太多，純阻性負(fù)載過重，影響遠(yuǎn)端設(shè)備通信［2］。③現(xiàn)場施工過程中由于人員在移動(dòng)傳感器期間，傳感器出現(xiàn)高空跌落、航空插頭或接線盒內(nèi)線路接觸不良或者線路短路。④現(xiàn)場人員在沖洗巷道期間，傳感器進(jìn)水導(dǎo)致?lián)p壞，傳感器輸出非正常頻率而出現(xiàn)的高值或0值現(xiàn)象。⑤傳感器整機(jī)功耗較大。由于煤礦開采工作面較長，鋪設(shè)線路也長，線路中的接線盒較多，線電阻增加，線路上的電壓損失較大。因此，在監(jiān)控分站電源箱輸出的本安額定電壓不變的情況下，傳感器端輸入的電壓比較低或電源紋波較大時(shí)，導(dǎo)致傳感器內(nèi)部電路工作不正常、傳感器處于臨界狀態(tài)，造成傳感器自身工作狀態(tài)不穩(wěn)定，從而產(chǎn)生誤報(bào)警［3］。⑥地面操作人員在進(jìn)行設(shè)備類型、量程選擇定義時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤，導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。

3煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)偽數(shù)據(jù)甄別

要想從根本上剔除偽數(shù)據(jù)，就必須從監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備、現(xiàn)場管理、應(yīng)用等方面下功夫。必須從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)中進(jìn)行挖掘、分析、判斷數(shù)據(jù)的真?zhèn)危?－5］。

3.1調(diào)校數(shù)據(jù)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)

調(diào)校是各煤礦企業(yè)定期對傳感器進(jìn)行零點(diǎn)、精度、線性的調(diào)整，在這調(diào)校過程中，傳感器數(shù)據(jù)變化有個(gè)過程。通過調(diào)校數(shù)據(jù)變化規(guī)律，可以看到，調(diào)校是事先預(yù)知并且需要進(jìn)入傳感器相應(yīng)功能才能夠進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)調(diào)整，因此可以通過2種途徑對傳感器調(diào)校狀態(tài)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別。①通過中心站軟件預(yù)先將需要調(diào)校的測點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)注“調(diào)?！睜顟B(tài)，自動(dòng)將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)識(shí)別為調(diào)校數(shù)據(jù)。②通過傳感器進(jìn)入相應(yīng)功能，輸出特定頻率或代碼的方式，中心站軟件識(shí)別到特定頻率或代碼后，自動(dòng)將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)識(shí)別為調(diào)校數(shù)據(jù)。

3.2邏輯關(guān)聯(lián)識(shí)別技術(shù)

傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)是基于單點(diǎn)監(jiān)測方式，而采用邏輯關(guān)聯(lián)監(jiān)測模式，是以工作面或掘進(jìn)頭為目標(biāo)對象，如：工作面?zhèn)鞲衅?、上隅角傳感器、回風(fēng)流傳感器、回風(fēng)中部傳感器為基礎(chǔ)進(jìn)行邏輯關(guān)聯(lián)，通過中心站軟件運(yùn)算，得出關(guān)聯(lián)邏輯測點(diǎn)。所有測點(diǎn)在同一坐標(biāo)軸上，實(shí)時(shí)同步顯示各監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)的變化，自動(dòng)對關(guān)聯(lián)中的各監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)、狀態(tài)進(jìn)行比對、判斷、分析。當(dāng)監(jiān)測到各測點(diǎn)數(shù)據(jù)均出現(xiàn)上升趨勢時(shí)，判斷為真實(shí)報(bào)警；當(dāng)只有某一測點(diǎn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)瞬間大值后又迅速恢復(fù)正常時(shí)，判讀為偽數(shù)據(jù)、誤報(bào)警。如：掘進(jìn)工作面主風(fēng)機(jī)和備風(fēng)機(jī)進(jìn)行邏輯關(guān)聯(lián)，只有當(dāng)主備風(fēng)機(jī)同時(shí)停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)（邏輯測點(diǎn)同時(shí)停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)）才發(fā)出聲光報(bào)警。

3.3類別自動(dòng)識(shí)別技術(shù)

傳感器種類繁多，同一類型傳感器的量程也有不同。因此，要求井下安裝人員與地面值班人員密切配合，才能夠?qū)崿F(xiàn)中心站定義類型和現(xiàn)場安裝類型一致，否則就會(huì)出現(xiàn)上下數(shù)據(jù)不一致的情況。類別自動(dòng)識(shí)別技術(shù)就是監(jiān)控分站將采集到的傳感器類別以特定的代碼傳輸給中心站軟件，中心站將收到的代碼類別與定義的類別進(jìn)行比對、判斷，若兩者類別不一致，則發(fā)出“類別不一致”提示，而不是傳輸一個(gè)偽數(shù)據(jù)，從而避免偽數(shù)據(jù)的產(chǎn)生。

3.4系統(tǒng)自診斷識(shí)別技術(shù)

自診斷識(shí)別技術(shù)，就是利用事先編制好的檢測程序?qū)x器自身的主要部分進(jìn)行自動(dòng)檢測，并對故障進(jìn)行定位。利用自診斷技術(shù)主要對傳感器檢測（敏感）元件、信號(hào)輸出電路、電源電路、監(jiān)控分站主通信電路、采樣電路等關(guān)鍵部分電路及元件信號(hào)實(shí)時(shí)檢測，當(dāng)輸出信號(hào)偏離正常誤差值時(shí)，自動(dòng)切斷輸出信號(hào)，不會(huì)輸出偽數(shù)據(jù)，也不會(huì)影響其他設(shè)備間的正常運(yùn)行。

4防止偽數(shù)據(jù)產(chǎn)生的對策措施

4.1改變傳感器信號(hào)輸出方式和主通信傳輸介質(zhì)

（1）改變傳感器頻率信號(hào)輸出方式。改變傳感器頻率信號(hào)輸出方式可以防止傳感器輸出信號(hào)在傳輸過程中產(chǎn)生的偽數(shù)據(jù)［3］。目前，90%以上的礦用模擬量傳感器通常采用脈沖恒壓型輸出電路。由于受傳輸線路阻抗和傳感器整機(jī)功耗較大的影響，導(dǎo)致傳感器的輸入電壓過低和輸出頻率信號(hào)低電平被抬高，同時(shí)由于傳輸線路上分布電容的影響，導(dǎo)致頻率信號(hào)由高電平變?yōu)榈碗娖降姆烹姇r(shí)間過長，而導(dǎo)致低電平被抬高，當(dāng)受到外界電磁干擾時(shí)容易產(chǎn)生“倍頻”而出現(xiàn)偽數(shù)據(jù)的問題。因此，在頻率信號(hào)傳輸過程中，要縮短傳輸線路上分布電容的充放電時(shí)間，降低頻率信號(hào)低電平的幅值。基于上述原因，頻率輸出電路可以采用差分信號(hào)傳輸，其輸出信號(hào)的高電平為+3~+5V，輸出的低電平為－3~－5V，這樣不會(huì)因?yàn)榉植茧娙莸拇嬖诙绊戭l率信號(hào)高低電平的上升和下降的時(shí)間。（2）將監(jiān)控分站至地面中心站之間的電纜傳輸方式改為光纜傳輸方式，既可以提高傳輸速率和巡檢周期，又可以避免主傳輸過程中產(chǎn)生干擾。

4.2提高監(jiān)控設(shè)備抗干擾能力

提高監(jiān)控設(shè)備自身抗干擾能力是最有效的途徑之一。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，就應(yīng)該考慮在各通信輸入輸出端口增加抗浪涌、抗輻射、抗靜電、防群脈沖電路和元件，提高監(jiān)控設(shè)備自身的抗干擾能力。①在分站輸入端和傳感器輸出端口處采用共軛磁環(huán)；②在端口兩線間采用TVS管和高頻濾波電容；③I/O端口和內(nèi)部電路充分隔離并盡量減少分布耦合電容；④抗浪涌采用吸能元件、尖峰抑制、電源隔離與儲(chǔ)能等措施；⑤抗輻射采用模塊化設(shè)計(jì)、噪聲濾波等措施；⑥抗靜電采用增加電氣間隙、屏蔽、靜電釋放等措施；⑦防群脈沖采用硬件濾波及改進(jìn)軟件濾波算法等措施。

4.3降低傳感器整機(jī)功耗

傳感器的傳輸距離與整機(jī)功耗有密切的關(guān)系，功耗越低，傳輸距離就越遠(yuǎn)，也就相應(yīng)地滿足現(xiàn)場的實(shí)際需要。因此，低功耗傳感器研發(fā)設(shè)計(jì)過程中，需要注意以下幾方面：①改變傳感器檢測元件與處理器分開供電的傳統(tǒng)模式，優(yōu)化處理電路，降低整機(jī)功耗；②選擇低功耗的集成芯片和電路；③選用高效率的DC/DC電源模塊，提高電源轉(zhuǎn)換效率，降低傳感器功耗。

4.4提高傳感器外殼防護(hù)等級

從產(chǎn)品設(shè)計(jì)上考慮，不斷提高傳感器外殼防護(hù)等級，將防護(hù)等級為IP54的傳感器升級為IP65或者更高的防護(hù)等級。4.5加強(qiáng)現(xiàn)場管理（1）現(xiàn)場通信線纜的鋪設(shè)應(yīng)遠(yuǎn)離動(dòng)力電纜和變頻設(shè)備，間隔距離盡量在1m以上。（2）通信電纜應(yīng)采用屏蔽電纜，屏蔽層應(yīng)在集中處與大地連接。（3）監(jiān)控分站的內(nèi)接地和外接地要良好。

5結(jié)論

（1）通過對監(jiān)控系統(tǒng)偽數(shù)據(jù)的特點(diǎn)和偽數(shù)據(jù)的來源進(jìn)行分析，提出了偽數(shù)據(jù)的甄別技術(shù)和有效的預(yù)防對策措施。（2）通過調(diào)校數(shù)據(jù)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)、邏輯關(guān)聯(lián)識(shí)別技術(shù)、類別自動(dòng)識(shí)別技術(shù)、系統(tǒng)自診斷識(shí)別技術(shù)，可以有效剔除偽數(shù)據(jù)，達(dá)到監(jiān)測數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)的真實(shí)性。（3）通過采取改變傳感器信號(hào)輸出方式和主通信傳輸介質(zhì)、提高監(jiān)控設(shè)備抗干擾能力、降低傳感器整機(jī)功耗、提高傳感器外殼防護(hù)等級和加強(qiáng)現(xiàn)場管理等手段，可以有效防止傳感器偽數(shù)據(jù)的產(chǎn)生。

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作者：王廷 何云文 單位：  國家能源集團(tuán)烏海能源公司 中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司