煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)層級故障自診斷技術(shù)

黃 偉，陳 瑤，華月存，孫 超

（1.安徽煤礦安全監(jiān)察局，安徽合肥 230001；2.淮南潤成科技股份有限公司，安徽淮南 232008）

當前，煤礦瓦斯、火災(zāi)、煤塵、沖擊地壓等事故仍時有發(fā)生，嚴重制約了煤炭行業(yè)的健康發(fā)展，煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)在預(yù)防安全事故、保障煤礦安全生產(chǎn)過程中發(fā)揮著重要作用[1-3]。近年來，我國煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)取得長足發(fā)展，特別是在“十三·五”期間，國家煤礦安全監(jiān)察局所倡導(dǎo)的《煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)升級改造技術(shù)方案》[4]順利貫徹實施，使煤礦企業(yè)逐步完成安全監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)字化升級改造，系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性得到顯著提高。然而仍有一些亟待解決的問題，特別是在安全監(jiān)控系統(tǒng)信息采集、處理與傳輸技術(shù)上，存在電磁干擾、誤報警、網(wǎng)絡(luò)故障頻發(fā)、傳感器智能化程度低、維護工作量大、人為誤操作等情況[5-6]。為了解決上述問題，需要對煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的層級劃分和故障自診斷技術(shù)進行深入研究。

1 煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)層級架構(gòu)

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)主要用于監(jiān)測礦井一氧化碳體積分數(shù)、甲烷體積分數(shù)、二氧化碳體積分數(shù)、氧氣體積分數(shù)、硫化氫體積分數(shù)、煙霧、溫度、風(fēng)速、風(fēng)壓、饋電狀態(tài)、通風(fēng)機開停狀態(tài)、風(fēng)門狀態(tài)、風(fēng)筒狀態(tài)等，可實現(xiàn)甲烷超限報警，斷電和風(fēng)電閉鎖控制等，能有效減少或避免瓦斯爆炸，并能有效監(jiān)控瓦斯抽放、瓦斯突出、通風(fēng)系統(tǒng)狀態(tài)和煤層自燃等[7]。根據(jù)行業(yè)技術(shù)特點和安全生產(chǎn)實際需求[8-9]，可將煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)劃分為3 個層級：感知層、傳輸層、平臺層，煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)層級架構(gòu)如圖1。

各層級的具體內(nèi)涵和功能如下：

1）感知層。由各種前端傳感和控制設(shè)備組成，包括有害氣體、溫度、壓力等傳感器和斷電控制器等。主要功能：傳感器可監(jiān)測煤礦井下生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境的變化情況，可在本地實時顯示數(shù)據(jù)并進行超限聲光報警，能及時將監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控分站，斷電控制器用于接收監(jiān)控分站控制指令并執(zhí)行斷電操作。在感知層中，有來自井下環(huán)境和設(shè)備間的電磁干擾[10-11]，傳感器不具備故障自診斷功能，敏感元件失效、誤報警、數(shù)據(jù)誤幀等問題時有發(fā)生。

2）傳輸層。由數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備組成，包括井下供電電源箱、井下監(jiān)控分站、井下環(huán)網(wǎng)交換機、地面工業(yè)核心網(wǎng)交換機等。主要功能：供電電源箱為各種類型傳感器集中供電，監(jiān)控分站采集傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行預(yù)處理和分類顯示，對斷電控制器進行控制，匯總數(shù)據(jù)經(jīng)井下環(huán)網(wǎng)交換機、地面工業(yè)核心網(wǎng)交換機上傳至與地面調(diào)度管理中心。在傳輸層中，同樣存在環(huán)境和設(shè)備的電磁干擾，電源箱、監(jiān)控分站、環(huán)網(wǎng)交換機很多不具備故障自診斷功能，電源故障、數(shù)據(jù)誤碼、網(wǎng)絡(luò)傳輸異常等問題時常發(fā)生。

3）平臺層。由地面調(diào)度管理終端設(shè)備組成，包括地面服務(wù)器、監(jiān)控中心、調(diào)度中心等。主要功能：對礦井監(jiān)測數(shù)據(jù)分析處理、實時顯示和存儲，集中監(jiān)控各種設(shè)備工作狀態(tài)，維持系統(tǒng)的信息數(shù)據(jù)安全穩(wěn)定，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠程網(wǎng)絡(luò)通訊和信息共享。在平臺層中，基本的數(shù)據(jù)監(jiān)測和業(yè)務(wù)管理功能已具備，但故障自診斷機制仍有待完善。

2 層級故障自診斷關(guān)鍵技術(shù)

2.1 傳感器故障自診斷

傳感器是監(jiān)控系統(tǒng)的最基本單元，能直接決定整個系統(tǒng)的優(yōu)劣，隨著微處理器技術(shù)的更新迭代，傳感器正逐步向多功能和智能化方向發(fā)展[12-14]。

礦用傳感器有多種類型，能檢測多個物理參量，煤礦應(yīng)用場景要求傳感器在輸出測量值的同時，能夠?qū)ψ陨淼墓ぷ鳡顟B(tài)進行在線評估，可指示當前測量值的準確度范圍。傳感器具備故障自診斷功能，即當傳感器發(fā)生故障時，不僅可及時檢測傳感器的故障，判斷故障類型，還能對輸出值進行最優(yōu)估計，用該估計值代替故障狀態(tài)下的輸出數(shù)據(jù)。傳感器自診斷功能模塊如圖2。

圖2 傳感器自診斷功能模塊Fig.2 Self-diagnostic functional module of sensors

傳感器自診斷功能模塊可分為敏感元件、信息預(yù)處理模塊、智能處理模塊、顯示存儲模塊、電源模塊、故障診斷模塊6 個部分。其中敏感元件用于系統(tǒng)前端的信息感知；信號預(yù)處理模塊是對敏感元件輸出的信號進行放大、濾波、A/D 轉(zhuǎn)換等處理；智能處理模塊即傳感器最核心的高速微控制器；故障診斷模塊利用相關(guān)信息和算法對傳感器的工作狀態(tài)進行有效評估和診斷，判斷是否為故障狀態(tài)，該模塊是故障自診斷功能實現(xiàn)的關(guān)鍵部分。根據(jù)故障診斷模塊的判斷結(jié)果，產(chǎn)生最終的輸出數(shù)據(jù)，包括原始數(shù)據(jù)、測量值準確度、測量值輸出和故障類型。

當傳感器處于正常工作狀態(tài)時，輸出的實際值即為敏感元件獲取的測量值，而當傳感器處于故障狀態(tài)時，輸出的實際值是將歷史測量值重構(gòu)得到的最優(yōu)估計值。原始數(shù)據(jù)是由敏感元件初步采集并經(jīng)過信號預(yù)處理模塊解析計算后得到的數(shù)值，可自定義保存在存儲器中，用于數(shù)據(jù)的比對和恢復(fù)。故障類型是由故障診斷模塊處理得到判定結(jié)果，無論有無故障，正?；蚬收夏Ｊ叫畔⑦B同數(shù)據(jù)打包后，通過CAN 或485 總線上傳到監(jiān)控分站。測量值準確度反映了測量的精度，由統(tǒng)計學(xué)計算公式得到。

1）敏感元件失效故障判定。機械故障和靈敏度過度衰減都會導(dǎo)致敏感元件失效。通過實驗研究，得到敏感元件失效故障自診斷的判定依據(jù)：當催化燃燒式甲烷敏感元件靈敏度降低到40%以下，即認定敏感元件失效；當電化學(xué)敏感元件靈敏度下降到15%也判定為敏感元件失效。敏感元件機械故障自診斷的判定依據(jù)：無論是催化燃燒式敏感元件還是電化學(xué)式敏感元件，當發(fā)生機械故障時，敏感元件的實際輸出值會超過正常值，將正常狀態(tài)輸出值的±70%所在點作為臨界點，超過±70%的范圍即判定敏感元件出現(xiàn)機械故障[15]。

2）故障數(shù)據(jù)恢復(fù)。傳感器發(fā)生故障（沖擊故障、周期性干擾故障等），實際測量值會偏離正常值，誤差不斷累積將會影響煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)運行，甚至引發(fā)安全生產(chǎn)事故[16-17]。傳感器故障自診斷是利用多個參數(shù)間的相關(guān)性和固定時間間隔內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，基于卡爾曼濾波和小波包變換理論的故障狀態(tài)數(shù)據(jù)重構(gòu)方法進行數(shù)據(jù)重構(gòu)，在故障狀態(tài)下完成數(shù)據(jù)恢復(fù)，代替故障數(shù)據(jù)輸出，保證系統(tǒng)在一段時間內(nèi)正常運行，從而盡快更換故障傳感器。

3）漂移補償。由于部件老化，溫濕度、壓力等因素影響，傳感器的測量值會發(fā)生漂移故障，利用井下作業(yè)環(huán)境中的風(fēng)速、溫度、濕度、氣體體積分數(shù)之間的相互耦合關(guān)系，基于最小二乘數(shù)據(jù)重構(gòu)法，對測量數(shù)據(jù)進行有效補償。

4）傳感器人為誤操作故障。主要是電源正負極反接、按鈕（或按鍵）錯誤和傳感器調(diào)校操作失誤等，是通過報警器或指示燈就地顯示，并將故障類型和時間等信息進行本地存儲和即時上傳。

2.2 傳輸層故障自診斷

傳輸層故障主要包括電源箱故障、監(jiān)控分站故障、環(huán)網(wǎng)交換機故障和人為誤操作故障。

1）電源箱故障。電源箱為傳感器、監(jiān)控分站、環(huán)網(wǎng)交換機等井下設(shè)備供電，一旦發(fā)生故障，會影響安全監(jiān)控系統(tǒng)的正常運行，故障短時間內(nèi)無法排查容易引發(fā)安全事故。因此，需配置電源故障診斷單元，對變壓、穩(wěn)壓、本安電路、備用電池組等關(guān)鍵點進行監(jiān)測，及時確定故障點并上傳故障信息。

2）監(jiān)控分站故障。各類傳感器數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控分站進行信息匯總、預(yù)處理，生成數(shù)據(jù)包后由工業(yè)環(huán)網(wǎng)傳輸至地面調(diào)度管理中心，由于煤礦井下存在多種干擾源，且監(jiān)控分站硬件電路的敏感性，會產(chǎn)生一定的數(shù)據(jù)誤碼，除了采用常規(guī)的濾波、接地和屏蔽等抗干擾方法外，還應(yīng)對單個數(shù)據(jù)和每幀數(shù)據(jù)包進行奇偶校驗，以判斷數(shù)據(jù)的準確性；單獨在存儲器中設(shè)置一定單元存放關(guān)鍵數(shù)據(jù)，當診斷出錯時可及時修正、保護數(shù)據(jù)；利用軟件看門狗適時觸發(fā)復(fù)位操作，減少因干擾信號導(dǎo)致的死機情況。

3）環(huán)網(wǎng)交換機故障。環(huán)網(wǎng)節(jié)點交換機掉電后，環(huán)網(wǎng)鏈路中斷，為保證整個環(huán)網(wǎng)的暢通，配置了掉電光纖節(jié)點自恢復(fù)單元，可跳過本級交換機實現(xiàn)上下鏈路直接聯(lián)通；針對局部成環(huán)導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)“風(fēng)暴”、內(nèi)部鏈路中斷故障，設(shè)計了信息自動存儲和即時故障上傳模塊，有助于故障點的快速定位。

4）傳輸層人為誤操作故障。主要是電源正負錯接、按鍵錯誤、遙控器設(shè)置失誤和設(shè)備帶電操作異常等，通過顯示屏或指示燈就地顯示，同時對發(fā)生故障的類型和時間等信息進行即時存儲和上傳。

2.3 平臺層故障自診斷

平臺層一方面要采集、處理、存儲和統(tǒng)計各類監(jiān)測數(shù)據(jù)，還需要對不同層級的故障信息進行分析、存儲和推送等操作。平臺層故障主要包括軟件故障、硬件故障和和人為誤操作故障。

1）軟件故障。為避免軟件出現(xiàn)異常，需定時備份數(shù)據(jù)，便于系統(tǒng)重啟后的數(shù)據(jù)恢復(fù)；設(shè)置故障指針，用于準確指向某個層級、某臺設(shè)備、某類故障和故障位置點等具體信息。

2）硬件故障。通過軟件系統(tǒng)定時巡檢，及時排查硬件故障并備份；建立故障信息多層緩存機制（即就近緩存），避免因斷電、線路故障、設(shè)備復(fù)位等因素導(dǎo)致的故障信息丟失。

3）平臺層人為操作故障。對不同人員設(shè)定不同的操作權(quán)限，登入系統(tǒng)后相關(guān)信息即時保存，以便故障致因的溯源；建立系統(tǒng)運維操作與視頻監(jiān)控、人臉識別的聯(lián)動準入機制，防止人為誤操作。

3 技術(shù)應(yīng)用效果

以安徽某煤礦的安全監(jiān)控系統(tǒng)作為試驗對象，將層級故障自診斷技術(shù)應(yīng)用前后效果進行了不同層級的對比分析，每種故障類型樣本數(shù)均為10 個。

1）感知層技術(shù)應(yīng)用。在感知層中，從敏感元件失效、沖擊故障、漂移故障、人為誤操作故障方面，對傳感器故障自診斷技術(shù)前后效果進行對比。傳感器故障識別準確率對比見表1，其中10 種敏感元件失效（5 種甲烷、5 種一氧化碳），常規(guī)方法采用人工測量，識別準確率為70%（4 種甲烷、3 種一氧化碳敏感元件失效），采用本文方法準確率為100%；因外界干擾導(dǎo)致的10 種沖擊故障，常規(guī)方法是濾波、接地和屏蔽，識別準確率為70%，采用本文方法準確率為100%；10 種漂移故障（5 種溫度漂移、5 種零點漂移），常規(guī)方法采用人工測量，識別出4 種溫度漂移、2 種零點漂移，識別準確率為60%，采用本文方法準確率為90%（1 種零點漂移未識別）；10 種人為誤操作故障（6 種電源正負極反接、2 種按鍵錯誤、2種調(diào)校失誤），常規(guī)方法只能識別電源正負極反接，識別準確率為60%，采用本文方法準確率為100%。

表1 傳感器故障識別準確率對比Table 1 Identification accuracy comparison of sensor fault

2）傳輸層技術(shù)應(yīng)用。在傳輸層中，從數(shù)據(jù)誤碼、電源故障、漂移故障、人為誤操作故障方面，對傳輸層故障自診斷技術(shù)前后效果進行對比。傳輸層故障識別準確率對比見表2，其中10 種數(shù)據(jù)誤碼，常規(guī)方法采用人工測量和軟件校驗，識別準確率為80%，采用本文方法準確率為100%；10 種電源故障（5 種變壓器故障、2 種穩(wěn)壓電路故障、3 種電池組故障），常規(guī)方法是人工檢測，識別準確率為80%（4 種變壓器故障、2 種穩(wěn)壓電路故障、2 種電池組故障），采用本文方法準確率為100%；10 種網(wǎng)絡(luò)傳輸故障（5 種斷電、3 種網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴、2 種光纖斷路），常規(guī)方法采用人工檢測，識別準確率為70%（4 種斷電、1 種網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴、2 種光纖斷路），采用本文方法準確率為100%；10 種人為誤操作故障（4 種電源正負錯接、2種按鍵錯誤、2 種遙控器設(shè)置失誤和2 種設(shè)備帶電操作異常），常規(guī)方法只能識別電源正負錯接，識別準確率為40%，采用本文方法準確率為100%。

表2 傳輸層故障識別準確率對比Table 2 Identification accuracy comparison of transmission layer fault

3）平臺層技術(shù)應(yīng)用。在平臺層中，從軟件故障、硬件故障、人為誤操作故障方面，對平臺層故障自診斷技術(shù)前后效果進行對比。平臺層故障識別準確率對比見表3，其中10 種軟件故障，常規(guī)方法采用人工查找和后臺檢索，部分故障無法準確定位，識別準確率為80%，采用本文方法準確率為100%；10 種硬件故障（5 種斷電、5 種斷路故障），常規(guī)方法是人工檢測，識別準確率為70%（4 種斷電、3 種斷路故障），采用本文方法準確率為100%；10 種人為誤操作故障（5 種線路錯接、5 種參數(shù)配置操作錯誤），常規(guī)方法是人工檢測，識別準確率為60%（4 種線路錯接、2 種參數(shù)配置操作錯誤），采用本文方法準確率為100%。

表3 平臺層故障識別準確率對比Table 3 Identification accuracy comparison of platform layer fault

通過應(yīng)用效果對比分析可見，提出的層級故障自診斷技術(shù)，相比常規(guī)技術(shù)手段，具有更高的識別準確率，且能在較短時間內(nèi)確定故障類型、位置并完成數(shù)據(jù)重構(gòu)，節(jié)省了大量的時間和人力成本，提高了煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的容錯性。

4 結(jié) 語

介紹煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)危級故障自診斷技術(shù)。層級故障自診斷技術(shù)是基于煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)進行設(shè)計的，融合了傳感器、傳輸層、平臺層故障自診斷的技術(shù)特點，故障識別準確率高，在監(jiān)控系統(tǒng)升級改造的進程中，解決了諸多固有問題?，F(xiàn)場試驗效果良好，為監(jiān)控系統(tǒng)故障診斷技術(shù)研究提供了合理路徑。