【摘要】根據(jù)目前煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中異常監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的發(fā)生情況，分析異常數(shù)據(jù)的特征以及產(chǎn)生的原因，針對(duì)不同類型的異常監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)異常數(shù)據(jù)的處理以及現(xiàn)場(chǎng)工人在煤礦井下的維護(hù)處理等方面提出了相應(yīng)的方法，該方法的應(yīng)用對(duì)于完善和提高系統(tǒng)可靠性及易用性，發(fā)揮安全監(jiān)控系統(tǒng)在事故監(jiān)控及預(yù)警方面的作用具有積極意義。

【關(guān)鍵詞】煤礦；安全監(jiān)控系統(tǒng)；異常；數(shù)據(jù)；處理

1.引言

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)是煤礦安全生產(chǎn)的重要保障系統(tǒng)，是依靠科技進(jìn)步、實(shí)現(xiàn)煤礦現(xiàn)代化和安全生產(chǎn)的重要技術(shù)手段。目前我國(guó)煤礦均已安裝安全監(jiān)控系統(tǒng)，為防范和減少煤礦重特大事故發(fā)揮了重要的監(jiān)控、預(yù)警作用。監(jiān)控系統(tǒng)能夠有效防范瓦斯事故的前提條件之一就是要做到數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，系統(tǒng)對(duì)要能夠?qū)崟r(shí)正確顯示井下監(jiān)測(cè)場(chǎng)所瓦斯等環(huán)境參數(shù)值，即要做到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)正常。但是，實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、設(shè)備維護(hù)以及監(jiān)測(cè)設(shè)備故障等主客觀原因的存在，監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。能夠發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，判斷其產(chǎn)生的原因，對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提供現(xiàn)場(chǎng)解決辦法，對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的正確有效運(yùn)行有著積極意義。

2.異常數(shù)據(jù)定義

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是指在監(jiān)控系統(tǒng)中反映煤礦井下現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)及生產(chǎn)參數(shù)的數(shù)據(jù)，包括計(jì)算機(jī)采集到的分站發(fā)送的采集數(shù)據(jù)，分站等采集設(shè)備采集到的傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)，在沒(méi)有分站等中間采集設(shè)備的系統(tǒng)中，傳感器直接傳送到計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)也在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的范疇之內(nèi)。異常監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)指不能正確反映現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)以及生產(chǎn)參數(shù)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)沒(méi)有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，即沒(méi)有采集到現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)數(shù)據(jù)，也應(yīng)該是一種異常的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常在監(jiān)控系統(tǒng)中的表示形式主要有：模擬量傳感器誤報(bào)警、模擬量傳感器誤故障、開(kāi)關(guān)量傳感器的狀態(tài)頻繁變化、累計(jì)量傳感器數(shù)值增長(zhǎng)過(guò)快、模擬量傳感器數(shù)值超出測(cè)量范圍。

1）模擬量傳感器誤報(bào)警是指?jìng)鞲衅魉跈z測(cè)位置的環(huán)境參數(shù)并沒(méi)有達(dá)到報(bào)警值，在傳感器本機(jī)上、連接傳感器的分站上以及監(jiān)控系統(tǒng)軟件上，有一處或多處顯示該檢測(cè)位置的環(huán)境參數(shù)為報(bào)警狀態(tài)。

2）模擬量傳感器誤故障是指模擬量傳感器本身正常工作，在連接傳感器的分站上以及監(jiān)控系統(tǒng)軟件上，有一處或多處無(wú)法采集到該傳感器的數(shù)值，從而斷定該傳感器故障。

3）開(kāi)關(guān)量傳感器的狀態(tài)頻繁變化是指，傳感器所監(jiān)測(cè)的開(kāi)關(guān)量（如風(fēng)機(jī)的開(kāi)停狀態(tài)）不可能發(fā)生頻繁變化，在連接傳感器的分站以及監(jiān)控系統(tǒng)軟件上，有一處或多處顯示被監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)量頻繁變化。

4）累計(jì)量傳感器的數(shù)值增長(zhǎng)過(guò)快是指，傳感器所監(jiān)測(cè)的累計(jì)量（生產(chǎn)過(guò)程中的提升鉤數(shù)）不可能迅速的增長(zhǎng)，在連接傳感器的分站以及監(jiān)控系統(tǒng)軟件上，有一處或多處顯示被監(jiān)測(cè)累計(jì)量快速增長(zhǎng)。

5）模擬量傳感器數(shù)值超出測(cè)量范圍是指，在連接傳感器的分站上以及監(jiān)控系統(tǒng)軟件上，有一處或多處顯示檢測(cè)位置的環(huán)境參數(shù)超出了傳感器的測(cè)量范圍。

3.異常數(shù)據(jù)產(chǎn)生的原因及處理方法

經(jīng)過(guò)對(duì)多個(gè)煤礦企業(yè)在用監(jiān)控系統(tǒng)的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)煤礦監(jiān)控系統(tǒng)中有異常監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的情況普遍存在，產(chǎn)生的異常數(shù)據(jù)的主要原因歸結(jié)為現(xiàn)場(chǎng)干擾、監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備故障、監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備安裝維護(hù)不當(dāng)?shù)取?/p>

3.1 現(xiàn)場(chǎng)干擾

普遍認(rèn)為當(dāng)傳感器的信號(hào)電纜與其它大型用電設(shè)備的動(dòng)力電纜并行敷設(shè)時(shí)，動(dòng)力電纜形成的干擾感應(yīng)到傳感器的信號(hào)電纜上，容易在監(jiān)控系統(tǒng)中形成異常數(shù)據(jù)。這些干擾信號(hào)主要有：（1）控制大型用電設(shè)備啟動(dòng)時(shí)動(dòng)力電纜產(chǎn)生的浪涌干擾；（2）井下電力變頻器產(chǎn)生的干擾；（3）大型電氣設(shè)備附近的電磁干擾。干擾信號(hào)導(dǎo)致的最終結(jié)果是在系統(tǒng)中會(huì)出現(xiàn)一些誤報(bào)警，究其原因是干擾信號(hào)使傳感器的輸出信號(hào)發(fā)生了變化，導(dǎo)致采集設(shè)備利用該信號(hào)計(jì)算出來(lái)的結(jié)果錯(cuò)誤。

采集設(shè)備檢測(cè)到的正常信號(hào)及干擾后的異常信號(hào)波形分別如圖1（a）及（b）所示：

分站將輸入的圖1所示頻率信號(hào)，硬件隔離、濾波、整形處理后的波形分別如圖2、圖3所示：

圖2和圖3所示頻率信號(hào)的周期滿足T0=T1 +T2的關(guān)系，對(duì)于頻率測(cè)量采用測(cè)周法，數(shù)據(jù)處理采用常用的去掉一個(gè)最大值和最小值后平均的方法，圖3信號(hào)的頻率值是圖2信號(hào)頻率值的2倍。以常用的量程為0～4%CH4對(duì)應(yīng)輸出頻率為200Hz～1000Hz的甲烷傳感器為例，分析此種情況下系統(tǒng)中顯示的測(cè)點(diǎn)濃度值，假設(shè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的甲烷濃度為0%CH4，則傳感器輸出的頻率信號(hào)頻率值為200Hz，出現(xiàn)上圖所示的干擾情況后，在分站側(cè)采集的頻率值則為400Hz，轉(zhuǎn)換成氣體濃度為1.0%CH4，所以就會(huì)出現(xiàn)，系統(tǒng)中顯示的測(cè)點(diǎn)的數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際環(huán)境參數(shù)值的情況。針對(duì)此種情況，在監(jiān)控系統(tǒng)中可以做如下工作。

1）數(shù)據(jù)過(guò)濾

信號(hào)處理中可以增加干擾數(shù)據(jù)處理辦法，某一時(shí)刻測(cè)量信號(hào)的頻率是前一次測(cè)量信號(hào)頻率的2倍，可以確定為干擾信號(hào)所致，測(cè)量結(jié)果可維持前一次測(cè)量值。在實(shí)際操作過(guò)程中，瓦斯等傳感器的特點(diǎn)決定了，其數(shù)值不會(huì)出現(xiàn)迅速增大的情況，所以數(shù)據(jù)過(guò)濾時(shí)可以將大于前一測(cè)量頻率1.8倍以上的數(shù)據(jù)過(guò)濾。

2）故障提示

雖然信號(hào)及數(shù)據(jù)可以做過(guò)濾處理，但是在干擾信號(hào)持續(xù)存在的情況下，并不能最終解決問(wèn)題。持續(xù)的干擾信號(hào)，有可能干擾傳感器的工作狀態(tài)，導(dǎo)致傳感器死機(jī)等故障，所以需要將井下當(dāng)前的現(xiàn)場(chǎng)干擾情況上傳至地面主機(jī)，以便通知相關(guān)人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)處理，以確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行。干擾導(dǎo)致的故障信息可以采用上傳故障代碼的方式來(lái)完成。

3.2 系統(tǒng)設(shè)備使用維護(hù)不當(dāng)

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)復(fù)雜、設(shè)備眾多、安裝位置分散且變動(dòng)頻繁的特點(diǎn)，決定了設(shè)備的使用及維護(hù)工作量非常大，導(dǎo)致在使用及維護(hù)中出現(xiàn)許多問(wèn)題，主要有電源使用不合理、電纜的維護(hù)不到位、設(shè)備的接線錯(cuò)誤等，以下將分別說(shuō)明其對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的影響情況。

1）電源使用不合理，一臺(tái)電源設(shè)備上接入傳感器的功率超出電源的額定功率，當(dāng)各設(shè)備處于正常工作狀態(tài)下，電源設(shè)備可以對(duì)各傳感器正常提供電源，但是當(dāng)某些傳感器出現(xiàn)報(bào)警等功耗增加情況時(shí)，電源將會(huì)進(jìn)入過(guò)流保護(hù)狀態(tài)，對(duì)外切斷輸出，則通過(guò)此設(shè)備供電的所有傳感器將會(huì)停止工作，將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)中出現(xiàn)無(wú)傳感器數(shù)據(jù)的異常。

2）傳感器接頭長(zhǎng)期插拔導(dǎo)致接觸不良、接線盒內(nèi)出現(xiàn)接觸不良以及短路現(xiàn)象、信號(hào)電纜破損是常見(jiàn)的電纜維護(hù)不到位的幾種情況。電纜維護(hù)不到位，可能是電纜斷路，也可能是電纜短路，在多芯電纜中，斷路短路的可能是一芯，也可能是多芯，導(dǎo)致的結(jié)果可能是信號(hào)中斷，可能是電源中斷，也有可能是信號(hào)及電源同時(shí)中斷，但是在采集設(shè)備側(cè)，結(jié)果只有一個(gè)，那就是傳感器輸出的信號(hào)線上無(wú)信號(hào)，最終導(dǎo)致系統(tǒng)中無(wú)傳感器的數(shù)據(jù)。

3）設(shè)備接線錯(cuò)誤，主要是指在分站等采集設(shè)備上，將頻率信號(hào)輸出的設(shè)備接入到定義為開(kāi)關(guān)量或累計(jì)量的端口上。開(kāi)關(guān)量及累計(jì)量數(shù)據(jù)的采集均是通過(guò)判斷信號(hào)的電平來(lái)完成的，對(duì)于開(kāi)關(guān)量信號(hào)是通過(guò)采集電平信號(hào)的變化來(lái)判斷設(shè)備開(kāi)停，而對(duì)于累計(jì)量則是通過(guò)判斷脈沖個(gè)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)頻率量設(shè)備接入到開(kāi)關(guān)量或累計(jì)量測(cè)點(diǎn)端口時(shí)，由于頻率量的變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于開(kāi)關(guān)設(shè)備的開(kāi)停次數(shù)或累計(jì)數(shù)的增長(zhǎng)速度，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)量測(cè)狀態(tài)頻繁變化或生產(chǎn)參數(shù)變化異常。

解決以上問(wèn)題首先要做的是正確的使用系統(tǒng)設(shè)備、加強(qiáng)系統(tǒng)的維護(hù)力度，除此之外，在系統(tǒng)上可以做出一些設(shè)計(jì)，對(duì)故障原因進(jìn)行分析判斷，給用戶以提示，以便于提高系統(tǒng)維護(hù)的效率。

1）系統(tǒng)中增加對(duì)電源設(shè)備信息的采集功能。因?yàn)橄到y(tǒng)設(shè)備能否正確工作的一個(gè)重要前提就是，為其供電的電源設(shè)備對(duì)外輸出正常。通過(guò)設(shè)備的電源信息可以很直觀的了解設(shè)備的工作狀態(tài)?？赏ㄟ^(guò)電源與分站通訊或電源與計(jì)算機(jī)通訊的方式來(lái)采集，采集的電源信息包括各路電源的電壓及電流。

2）利用電源信息判斷傳感器無(wú)數(shù)據(jù)的原因。在系統(tǒng)軟件中配置電源設(shè)備各路電源所接入的傳感器，當(dāng)傳感器無(wú)數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)判斷電源電壓是否為零，可以判斷該傳感器是處于電源線短路的情況；通過(guò)判斷電源電流是否為零，可以做出電源線是否斷開(kāi)的情況。如果電源的電壓及電流均不為零可以做出電纜信號(hào)線故障或傳感器故障的提示。

3）通過(guò)相關(guān)傳感器狀態(tài)判斷傳感器無(wú)數(shù)據(jù)的原因。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于一根4芯的電纜，經(jīng)常采用兩臺(tái)傳感器共用一根電纜的接線方式，兩臺(tái)傳感器共用2芯電源線?？梢酝ㄟ^(guò)判斷與其共用電源的傳感器是否工作正常，如果該傳感器工作正常，可以進(jìn)行信號(hào)傳輸電纜信號(hào)線故障或傳感器故障的提示。如果該傳感器數(shù)據(jù)也為中斷狀態(tài)，可以進(jìn)行電纜故障或電源故障的提示。

4）使采集設(shè)備的開(kāi)關(guān)量、累計(jì)量采集端口具備頻率信號(hào)采集功能，當(dāng)端口上接入正常的開(kāi)關(guān)量或累計(jì)量傳感器時(shí)，可以正常的檢測(cè)信號(hào)，當(dāng)端口上接入了頻率量傳感器時(shí)，采集設(shè)備應(yīng)能檢測(cè)到此頻率信號(hào)的大小，當(dāng)其大于一定的數(shù)值（如10Hz）時(shí)，提示用戶該端口上接入了錯(cuò)誤的設(shè)備。

3.3 系統(tǒng)設(shè)備故障

傳感器的信號(hào)輸出電路故障，肯定會(huì)導(dǎo)致傳感器輸出的信號(hào)異常，而傳感器檢測(cè)元件老化或損壞，導(dǎo)致傳感器用于計(jì)算輸出結(jié)果的輸入值異常，最終也會(huì)導(dǎo)致傳感器的輸出信號(hào)異常，所以這兩種系統(tǒng)設(shè)備的故障，是現(xiàn)場(chǎng)常見(jiàn)的導(dǎo)致傳感器的數(shù)據(jù)超出量程范圍的原因。超出測(cè)量范圍有兩種情況，分別是低端超出量程和高端超出量程。超出量程的表現(xiàn)為測(cè)量值不符合物理規(guī)律，如系統(tǒng)檢測(cè)到某處瓦斯的濃度值為負(fù)數(shù)，系統(tǒng)檢測(cè)到某處氧氣的濃度值為120%。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，首先做到傳感器根據(jù)其檢測(cè)量的屬性以及其量程對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行限制，保證其正常工作時(shí)系統(tǒng)中不會(huì)出現(xiàn)超量程的數(shù)據(jù)。在此前提下，可以對(duì)系統(tǒng)中超出量程范圍的異常數(shù)據(jù)，做出系統(tǒng)設(shè)備故障類型的定位。

4.結(jié)語(yǔ)

本文總結(jié)了煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)異常數(shù)據(jù)的種類，分析了各類異常數(shù)據(jù)產(chǎn)生的原因，并從監(jiān)控系統(tǒng)的改進(jìn)與設(shè)計(jì)方面，提出了對(duì)干擾信號(hào)在分站及軟件上的過(guò)濾方法、故障的顯示方法。從系統(tǒng)的角度，提出便于傳感器故障類型判斷以及現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)的設(shè)計(jì)方法，將這些方法應(yīng)用到煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中，對(duì)于提高系統(tǒng)的易用性及可靠性有一定的作用。

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作者簡(jiǎn)介：王啟峰（1982—），男，山東蒼山人，碩士，工程師，現(xiàn)供職于中煤科工集團(tuán)常州研究院有限公司，主要從事煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)工作。