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)，嚴重困擾各級、各部門、各煤礦企業(yè)管理人員有效識別監(jiān)測數(shù)據(jù)的真?zhèn)螁栴}。通過實地調(diào)研、理論分析、現(xiàn)場應(yīng)用等手段，對偽數(shù)據(jù)的特點和來源進行了綜合分析，通過分析，提出了調(diào)校數(shù)據(jù)的自動識別技術(shù)、邏輯關(guān)聯(lián)識別技術(shù)、類別自動識別技術(shù)、系統(tǒng)自診斷識別技術(shù)等進行偽數(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輸出方式、提高監(jiān)控設(shè)備抗干擾能力、降低傳感器整機功耗、提高傳感器外殼防護等級等有效預(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)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、存儲、查詢、打印、報警、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)象時有發(fā)生。其以“誤報警、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)人員進行專一地分析、處理，才能夠判斷出監(jiān)測數(shù)據(jù)的真?zhèn)?。這樣不僅增加了工作量，更為嚴重的是真?zhèn)螖?shù)據(jù)同時存在，人員意識疏忽，可能導(dǎo)致真實的報警信息不能夠及時發(fā)現(xiàn)處理，造成嚴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)進行分析、甄別、判斷、準確剔除偽數(shù)據(jù)，提高監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性、數(shù)據(jù)的準確性。
1偽數(shù)據(jù)的定義及特點
監(jiān)控系統(tǒng)偽數(shù)據(jù)是指與現(xiàn)場實際情況不相符的監(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)非常明顯的特點就是“數(shù)據(jù)瞬間變化較大，持續(xù)時間較短”，在受到動力電纜控制設(shè)備啟動產(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，由線路分布電容和分布電感組成低通濾波器將損失信號；線路阻抗又不連續(xù)，傳輸線信號反射惡化；節(jié)點太多，純阻性負載過重，影響遠端設(shè)備通信［2］。③現(xiàn)場施工過程中由于人員在移動傳感器期間，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，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)生誤報警［3］。⑥地面操作人員在進行設(shè)備類型、量程選擇定義時出現(xiàn)錯誤，導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)不準確。
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。必須從實時數(shù)據(jù)中進行挖掘、分析、判斷數(shù)據(jù)的真?zhèn)危?－5］。
3.1調(diào)校數(shù)據(jù)自動識別技術(shù)
調(diào)校是各煤礦企業(yè)定期對傳感器進行零點、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)知并且需要進入傳感器相應(yīng)功能才能夠進行相應(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)進行識別。①通過中心站軟件預(yù)先將需要調(diào)校的測點進行標(biāo)注“調(diào)?！睜顟B(tài)，自動將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)識別為調(diào)校數(shù)據(jù)。②通過傳感器進入相應(yīng)功能，輸出特定頻率或代碼的方式，中心站軟件識別到特定頻率或代碼后，自動將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)識別為調(diào)校數(shù)據(jù)。
3.2邏輯關(guān)聯(lián)識別技術(shù)
傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)是基于單點監(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)進行邏輯關(guān)聯(lián)，通過中心站軟件運算，得出關(guān)聯(lián)邏輯測點。所有測點在同一坐標(biāo)軸上，實時同步顯示各監(jiān)測點數(shù)據(jù)的變化，自動對關(guān)聯(lián)中的各監(jiān)測點數(shù)據(jù)、狀態(tài)進行比對、判斷、分析。當(dāng)監(jiān)測到各測點數(shù)據(jù)均出現(xiàn)上升趨勢時，判斷為真實報警；當(dāng)只有某一測點數(shù)據(jù)出現(xiàn)瞬間大值后又迅速恢復(fù)正常時，判讀為偽數(shù)據(jù)、誤報警。如：掘進工作面主風(fēng)機和備風(fēng)機進行邏輯關(guān)聯(lián)，只有當(dāng)主備風(fēng)機同時停止運轉(zhuǎn)時（邏輯測點同時停止運轉(zhuǎn)時）才發(fā)出聲光報警。
3.3類別自動識別技術(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，否則就會出現(xiàn)上下數(shù)據(jù)不一致的情況。類別自動識別技術(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)自診斷識別技術(shù)
自診斷識別技術(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行自動檢測，并對故障進行定位。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實時檢測，當(dāng)輸出信號偏離正常誤差值時，自動切斷輸出信號，不會輸出偽數(shù)據(jù)，也不會影響其他設(shè)備間的正常運行。
4防止偽數(shù)據(jù)產(chǎn)生的對策措施
4.1改變傳感器信號輸出方式和主通信傳輸介質(zhì)
（1）改變傳感器頻率信號輸出方式。改變傳感器頻率信號輸出方式可以防止傳感器輸出信號在傳輸過程中產(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低電平被抬高，同時由于傳輸線路上分布電容的影響，導(dǎo)致頻率信號由高電平變?yōu)榈碗娖降姆烹姇r間過長，而導(dǎo)致低電平被抬高，當(dāng)受到外界電磁干擾時容易產(chǎn)生“倍頻”而出現(xiàn)偽數(shù)據(jù)的問題。因此，在頻率信號傳輸過程中，要縮短傳輸線路上分布電容的充放電時間，降低頻率信號低電平的幅值?；谏鲜鲈颍l率輸出電路可以采用差分信號傳輸，其輸出信號的高電平為+3~+5V，輸出的低電平為－3~－5V，這樣不會因為分布電容的存在而影響頻率信號高低電平的上升和下降的時間。（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)計時，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、電源隔離與儲能等措施；⑤抗輻射采用模塊化設(shè)計、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軟件濾波算法等措施。
4.3降低傳感器整機功耗
傳感器的傳輸距離與整機功耗有密切的關(guān)系，功耗越低，傳輸距離就越遠，也就相應(yīng)地滿足現(xiàn)場的實際需要。因此，低功耗傳感器研發(fā)設(shè)計過程中，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等級
從產(chǎn)品設(shè)計上考慮，不斷提高傳感器外殼防護等級，將防護等級為IP54的傳感器升級為IP65或者更高的防護等級。4.5加強現(xiàn)場管理（1）現(xiàn)場通信線纜的鋪設(shè)應(yīng)遠離動力電纜和變頻設(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)的特點和偽數(shù)據(jù)的來源進行分析，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)自動識別技術(shù)、邏輯關(guān)聯(lián)識別技術(shù)、類別自動識別技術(shù)、系統(tǒng)自診斷識別技術(shù)，可以有效剔除偽數(shù)據(jù)，達到監(jiān)測數(shù)據(jù)、報警數(shù)據(jù)的真實性。（3）通過采取改變傳感器信號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、降低傳感器整機功耗、提高傳感器外殼防護等級和加強現(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： 國家能源集團烏海能源公司 中煤科工集團重慶研究院有限公司
