煤礦用傳感器現(xiàn)狀及研究方向探討

【摘要】針對煤礦用傳感器使用過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析梳理和總結(jié)，并結(jié)合實(shí)際的工程應(yīng)用提出了一些針對性的解決思路，并對今后傳感器類產(chǎn)品研究方向進(jìn)行探討，提出一些意見和思路。

【關(guān)鍵詞】煤礦；傳感器；誤報(bào)警；維護(hù)

概述

煤礦安全一直以來備受重視，特別是煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，其是否能夠安全、可靠的運(yùn)行直接影響著煤礦安全和生產(chǎn)。隨著《煤礦安全規(guī)程》、AQ6201-2006、AQ1029-2007及其他各類標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施[1]，煤礦對安全的重視程度達(dá)到了空前，使得煤礦井下的傳感器越來越豐富，本文就煤礦用傳感器的使用過程中出現(xiàn)的一些現(xiàn)象和問題作一闡述和總結(jié)，并結(jié)合多年的煤礦實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)提出了相應(yīng)的解決思路及研究方向進(jìn)行探討。

1.礦用傳感器使用現(xiàn)狀

1.1 傳感器的誤報(bào)問題

煤礦井下安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)中的傳感器90%以上采用頻率傳輸，在實(shí)際的使用過程中時(shí)常出現(xiàn)“冒大數(shù)”、“倍頻”等現(xiàn)象，從傳輸上分析其原因主要有：

（1）傳感器信號(hào)向分站傳輸?shù)闹剖酱蠖疾捎?00～1000Hz頻率，分站采集采用脈沖計(jì)數(shù)方式，抗干擾能力較差，當(dāng)線路出現(xiàn)接觸不良或電磁干擾就會(huì)造成假信號(hào)。當(dāng)出現(xiàn)傳感器的插頭氧化、電纜接線盒螺栓沒有壓緊、信號(hào)接觸不良等原因[2]，或者現(xiàn)場人員拉動(dòng)傳感器的信號(hào)電纜時(shí)，會(huì)造成信號(hào)通信的時(shí)斷時(shí)續(xù)，就可能出現(xiàn)“冒大數(shù)”現(xiàn)象。另外隨著傳輸距離的延長其頻率信號(hào)也會(huì)發(fā)生畸變，其低電平被“抬高”，當(dāng)高低電平的壓差小于分站側(cè)光耦的導(dǎo)通電壓時(shí)其分站原有采集的狀態(tài)發(fā)生突變，從而也會(huì)出現(xiàn)頻率翻倍的“倍頻”現(xiàn)象。

（2）井下大型設(shè)備的不斷增加，井下機(jī)電設(shè)備啟停時(shí)發(fā)出的電磁干擾。

井下機(jī)電設(shè)備在開啟和關(guān)閉瞬間能產(chǎn)生極為強(qiáng)烈的電磁干擾脈沖，從分站到傳感器線路都比較長，許多礦井傳感器線路與動(dòng)力電纜平行或交叉的掛在一起，等效于一個(gè)緊耦合回路。而強(qiáng)電磁脈沖比常規(guī)信號(hào)電平高的多，能將其耦合到分站設(shè)備中，使其無法識(shí)別是正常信號(hào)還是干擾脈沖。強(qiáng)的干擾脈沖也能在瞬間完全淹沒傳感器信號(hào)，從而造成“冒大數(shù)”現(xiàn)象。當(dāng)然頻繁的電磁啟動(dòng)脈沖與信號(hào)疊加后也會(huì)造成嚴(yán)重的“大數(shù)”干擾[3]。

（3）井下可控硅變頻調(diào)速設(shè)備也越來越多，其工作時(shí)對外會(huì)發(fā)出強(qiáng)烈地電磁干擾，嚴(yán)重污染電源、信號(hào)傳輸?shù)沫h(huán)境，極大的影響著煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)的正常傳輸。

1.2 傳感器維護(hù)和管理問題

目前煤礦傳感器種類眾多，現(xiàn)階段主要包括甲烷、一氧化碳、二氧化碳、氧氣、風(fēng)速、硫化氫、溫度、負(fù)壓、煙霧、水位、粉塵、風(fēng)筒開關(guān)、風(fēng)門開關(guān)、饋電、開停等，各類型檢測原理各異，產(chǎn)品設(shè)計(jì)廠家眾多，如瓦斯檢測就可以分為催化、熱導(dǎo)、紅外、光纖和激光等，而瓦斯傳感器具有煤礦安標(biāo)證的廠家超過100家，其外殼形狀各異，顯示方式、輸出接口等也各不相同。這就給礦上的維護(hù)等帶來不便，其主要問題有：

（1）傳感器接線的復(fù)雜化

由于傳感器設(shè)計(jì)時(shí)沒有統(tǒng)一設(shè)計(jì)，模塊設(shè)計(jì)不統(tǒng)一，這樣各類型傳感器的接線等也各有不同，這就要求礦方人員記住多種不同類型傳感器的接線方法，在人員更新或交接過程中常出現(xiàn)因接線出錯(cuò)而引起的傳感器故障和設(shè)備的誤動(dòng)作。

（2）定期維護(hù)復(fù)雜化

由于氣體類傳感器的檢測元件大多為消耗型元件，定期需要更換（通常一年左右），檢測元件分接線方式或插拔方式，但由于各類傳感器外殼等不統(tǒng)一，而且更換元件時(shí)需要拆動(dòng)多個(gè)結(jié)構(gòu)件才能實(shí)現(xiàn)更換；另外由于元件的更換其特性等與電路需匹配，需重新進(jìn)行校準(zhǔn)，對礦上維護(hù)人員要求較高，也增加了傳感器的維護(hù)難度和維護(hù)可靠性問題。

（3）簡單故障排除復(fù)雜化

現(xiàn)場的大部分故障可通過傳輸指示燈，狀態(tài)指示燈的不同顏色和不同狀態(tài)來進(jìn)行判斷，但由于其各類型傳感器非標(biāo)準(zhǔn)模塊化設(shè)計(jì)，其指示燈各異，顏色各異這就大大增加了煤礦維護(hù)人員的維護(hù)難度。

（4）不便于制作防護(hù)罩

很多礦井在工作面和掘進(jìn)工作面等地方，為了更好的保護(hù)傳感器而另行制作了防水防砸的防護(hù)罩，但是傳感器形狀各異制作不便，維護(hù)也帶來了不便；

1.3 現(xiàn)有瓦斯傳感器存在的問題

國內(nèi)占據(jù)著瓦斯傳感器用量的95%以上市場是催化燃燒和熱導(dǎo)型瓦斯傳感器。在測量中它們的檢測部件要與瓦斯發(fā)生化學(xué)燃燒反應(yīng)，檢測部件會(huì)因化學(xué)反應(yīng)而受損，易中毒、表面積炭和量程狹窄是這類傳感器不可避免的缺陷，這就是此類瓦斯傳感器反應(yīng)速度慢、壽命短和調(diào)校周期短的根本原因所在，是其自身難以克服的。

由于催化燃燒型瓦斯傳感器存在著調(diào)校周期短和元件壽命短的問題，這就需要對傳感器進(jìn)行定期標(biāo)校（7～15天）和定期更換檢測元件，其維護(hù)量相對較大。當(dāng)前煤礦人手不足且技術(shù)維護(hù)相對薄弱，對瓦斯傳感器維護(hù)和管理難度較大，越來越多的煤礦用戶對現(xiàn)有瓦斯傳感器提出免維護(hù)、延長傳感器使用壽命及傳感器實(shí)現(xiàn)免標(biāo)校的要求。通過新技術(shù)的應(yīng)用，來提高瓦斯傳感器的穩(wěn)定性和易維護(hù)性是當(dāng)前煤礦的迫切需要。

1.4 單測點(diǎn)多傳感器維護(hù)問題

煤礦很多測點(diǎn)都相對固定，而每個(gè)測點(diǎn)都存在兩個(gè)或多個(gè)傳感器的情況，如中央變電所、避難硐室和皮帶機(jī)頭等處某個(gè)測定位置一般需要測量瓦斯、溫度、一氧化碳等，其位置固定基本不變，且離分站電源的距離都相對較近，現(xiàn)有傳感器布線時(shí)需要鋪設(shè)多根電纜線，很多都鋪設(shè)麻煩，這樣也帶來其維護(hù)的麻煩。另外在煤機(jī)設(shè)備上根據(jù)目前行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定需要配套傳感器的種類在不斷增加，當(dāng)多個(gè)傳感器在煤機(jī)設(shè)備上掛接時(shí)其安裝等都較為不便，多電纜的方式也給設(shè)備維護(hù)帶來麻煩。

2.解決問題的總體思路

2.1 傳感器的誤報(bào)問題解決思路

針對“冒大數(shù)”、“倍頻”現(xiàn)象及其發(fā)生的機(jī)理，數(shù)字傳輸方式可有效避免此類問題的發(fā)生，由于數(shù)字傳輸中可加入大量的校驗(yàn)和判斷機(jī)制，當(dāng)出現(xiàn)某一位數(shù)據(jù)出錯(cuò)時(shí)可通過校驗(yàn)或判斷來驗(yàn)證數(shù)據(jù)的有效性等，從而避免將無效數(shù)據(jù)上傳。另外隨著對傳感器的自診斷、故障分析上傳等要求不斷的提出，原有的頻率傳輸已難滿足要求，而數(shù)字傳輸編碼等靈活，能有效的將其自身故障、診斷、電源信息等進(jìn)行上傳。分站等主傳輸都采用數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳輸其穩(wěn)定性和可靠性是可以得到保障。

但是頻率型傳輸占據(jù)著95%以上的市場，不同廠家間傳感器的接入目前也只能通過頻率傳輸方式進(jìn)行，針對“冒大數(shù)”、“倍頻”現(xiàn)象，對頻率傳輸方式有必要進(jìn)行進(jìn)一步的研究形成標(biāo)準(zhǔn)化模塊，來有效解決傳統(tǒng)頻率傳輸方式的不足。

2.2 傳感器維護(hù)和管理問題解決思路

各類傳感器傳輸接口方式的模塊化、采集處理部分模塊化、顯示部分和其他可模塊化的進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化模塊設(shè)計(jì)，簡化元件更換過程；其設(shè)計(jì)過程可以鑒戒英國Trolex特羅克斯的設(shè)計(jì)理念，采用二次儀表加變送器的方式來開發(fā)傳感器，變送器實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測量的采集，二次儀表只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)顯示和傳輸，使其國內(nèi)應(yīng)用的礦用傳感器結(jié)構(gòu)統(tǒng)一，維護(hù)簡單，更換方便。

2.3 現(xiàn)有瓦斯傳感器存在的問題的解決思路

新技術(shù)的引入----光纖激光傳感器，光纖氣體傳感器是80年代后期出現(xiàn)的一種新型傳感器。經(jīng)過二十多年的發(fā)展，它已應(yīng)用在社會(huì)生活的許多方面：工業(yè)氣體在線監(jiān)測、有害氣體分析、環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測和爆炸氣體檢測以及對火山噴發(fā)氣體的分析。工業(yè)上的需要和人們對環(huán)境的關(guān)注使得光纖氣體傳感器的發(fā)展非常迅速。有資料表明，美國1996年～2002年光纖氣體傳感器年均增長率為27%～30%，而我國對光纖傳感器的市場需求也很大。光纖氣體傳感器發(fā)展迅速是因?yàn)樗兄鴤鹘y(tǒng)傳感器不可比擬的優(yōu)勢。

（1）非接觸式遙測能力：光纖傳輸損耗小，可允許光信息進(jìn)行長距離傳輸，從而能在遠(yuǎn)距離的安全地帶進(jìn)行遙控遙測；

（2）測量的安全性：光纖電絕緣性好、不受電磁干擾、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，適合在強(qiáng)電磁干擾和易燃、易爆、高溫等惡劣環(huán)境下測量，這是光纖傳感器優(yōu)于電類氣體傳感器的重要特點(diǎn)；

（3）傳感單元結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定可靠。

目前國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀，其應(yīng)用方式有分布式和單體式。如英國某公司最新光纖氣體傳感技術(shù)，采用了信號(hào)集中處理和傳感器元件分開的方式，其應(yīng)用目前主要垃圾填埋場、天然氣管道、隧道氣體檢測等環(huán)境，其整套設(shè)備在國內(nèi)做過實(shí)驗(yàn)室測試及煤礦的一些實(shí)際應(yīng)用，結(jié)合其原理及應(yīng)用特點(diǎn)如下[4]：

（1）通過標(biāo)準(zhǔn)的光纜，可以實(shí)現(xiàn)多達(dá)300個(gè)點(diǎn)的氣體濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測，其傳輸距離達(dá)20公里以上；

（2）中央控制單元以外的系統(tǒng)完全是無電源工作，并有很好的電磁抗干擾度；

（3）堅(jiān)固易插拔的傳感器模塊，響應(yīng)時(shí)間快（1～5秒），不受低氧環(huán)境，催化中毒，其它氣體及濕度過高的環(huán)境影響；

（4）具有自我校準(zhǔn)特性，它提供固有的校準(zhǔn)穩(wěn)定性，確保整個(gè)系統(tǒng)只需要在中央控制器上做單一的一次校準(zhǔn)，使用過程無需標(biāo)校；

（5）氣體靈敏度高，測量范圍寬（如甲烷0～100%），可以檢測多種氣體，沒有氣體交叉干擾的問題。

此類產(chǎn)品的主要問題是各測點(diǎn)本身不具備聲光報(bào)警功能，受煤礦安全標(biāo)準(zhǔn)的限制，另一方面激光器等主要元件成本過高，導(dǎo)致了本系統(tǒng)在造價(jià)上十分的昂貴。

2.4 單測點(diǎn)多傳感器維護(hù)問題的解決思路

引入新型的傳感器可自由配接檢測種類的多參數(shù)傳感器；可實(shí)現(xiàn)對各類參數(shù)的采集測量，可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際需要進(jìn)行自由的組合的多參數(shù)傳感器；

3.研究方向探討

針對現(xiàn)有煤礦傳感器使用的實(shí)際情況，并結(jié)合自身長期從事煤礦工作的經(jīng)驗(yàn)，對于今后傳感器產(chǎn)品開發(fā)過程中建議增加以下幾部分內(nèi)容：

（1）傳感器傳輸需增加數(shù)字接口，并對頻率傳輸方式進(jìn)行研究，采用新的方式方法實(shí)現(xiàn)頻率傳輸；

（2）傳感器的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)，可以采用二次儀表加變送器方式進(jìn)行，更換變送器即可實(shí)現(xiàn)對傳感器的更新，降低礦上的實(shí)際使用成本；

（3）光纖激光甲烷檢測技術(shù)的研究：基于光纖激光甲烷檢測技術(shù)分別研究其分布式及單體式方式，發(fā)揮其各自的優(yōu)勢；可解決長距離傳輸及傳感器免標(biāo)校等實(shí)際問題。

（4）多參數(shù)采集傳感器的開發(fā)：可自由配接檢測種類的多參數(shù)傳感器的研究；可實(shí)現(xiàn)對各類參數(shù)的采集測量，可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際需要進(jìn)行自由的組合的多參數(shù)傳感器。

4.結(jié)語

作為一名長期從事煤礦安全生產(chǎn)的工作者，深刻的認(rèn)識(shí)到傳感器的穩(wěn)定直接影響著煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定，并聯(lián)系著煤礦的生產(chǎn)是否能夠安全的運(yùn)行，傳感器監(jiān)測和傳輸穩(wěn)定，使用周期長，能大大的降低煤礦工人的維護(hù)時(shí)間和成本。就目前煤炭市場的大環(huán)境，開發(fā)一款維護(hù)簡單、更換成本低、能夠重復(fù)利用的高可靠傳感器是十分必要的。

參考文獻(xiàn)

[1]王曉陽.KJ95N型煤礦綜合監(jiān)控系統(tǒng)[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，28（2）：397-399.

[2]馮亞飛，肖運(yùn)江.煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)常見誤報(bào)警原因分析及軟件處理方法[J].工礦自動(dòng)化，2013，39（4）：90-92.

[3]王保國，張曉東，冰飛.礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)誤報(bào)警原因分析[J].科技信息，2012，15（4）：413.

[4]蔣澤，劉茂榮.多點(diǎn)光纖氣體傳感系統(tǒng)在煤礦中應(yīng)用的可行性探討[J].工礦自動(dòng)化，2011（7）：41-44.

作者簡介：郭玉彪（1970—），男，山西壺關(guān)人，工程師，長期從事煤礦自動(dòng)化方面工作。