煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)抗干擾問題

陳碩鵬，陳藝童

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順113122；3.沈陽大學(xué)，遼寧 沈陽110044）

煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)在煤礦生產(chǎn)中起著十分重要作用，但是如何保證安全監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性，一直是煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展一個(gè)難題，這是因?yàn)槊旱V安全監(jiān)控系統(tǒng)的地下設(shè)施和線路的工作環(huán)境惡劣，容易受到以下負(fù)面因素的影響：高濕度、高粉塵、高水污染、外部電磁干擾嚴(yán)重、供電不穩(wěn)定、信號傳輸易受干擾、用戶處理不當(dāng)?shù)扔泻σ蛩兀鳛槊旱V安全監(jiān)測系統(tǒng)中的一個(gè)傳感器，會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤和中斷的情況。煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)是基于工業(yè)計(jì)算機(jī)和信息網(wǎng)絡(luò)的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，由于煤礦系統(tǒng)工作環(huán)境的復(fù)雜性，相關(guān)單位可以引入各種干擾信號進(jìn)行信號采集，維持煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行。在煤礦這樣強(qiáng)大的環(huán)境中，電磁干擾非常嚴(yán)重，容易使得煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)生故障，這種影響甚至使監(jiān)控系統(tǒng)不能正常工作，因此，需要采取不同的措施來保證監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性。

1 井下煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)干擾問題分類

1）井下環(huán)境干擾。相對而言，煤礦井下空間狹小，煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)信號線與電力電纜的距離相對較近。在某些地方，煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)信號線和電力電纜甚至掛在同一個(gè)電纜支架上。大型電器在啟動(dòng)和停止時(shí)，由于磁接觸而產(chǎn)生的接觸振動(dòng)會(huì)觸發(fā)極強(qiáng)的電磁脈沖輻射，而強(qiáng)電磁脈沖會(huì)完全降低傳感器信號[1]。

2）線路問題干擾。煤炭安全監(jiān)控系統(tǒng)良好的通信線路是保證安全監(jiān)控安全運(yùn)行的前提。例如，如果分支場中的壓力桿松動(dòng)，傳感器連接被氧化，電纜線路被氧化，線路通信將不穩(wěn)定，結(jié)果可能導(dǎo)致來自煤炭安全監(jiān)控系統(tǒng)的正確脈沖信號在傳輸過程中成為故障信號[2]。煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)信息是以數(shù)字的方式收集的，如果煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)問題，會(huì)出現(xiàn)許多無法解釋的假數(shù)字現(xiàn)象。

3）變頻設(shè)備等干擾。變頻器工作時(shí)，煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾。高強(qiáng)度電磁輻射在很大程度上污染了供電環(huán)境，干擾信號往往通過電源進(jìn)入變電站。如果更換監(jiān)護(hù)儀，使得變頻設(shè)備連接在同一條電源線上，可能造成嚴(yán)重后果[3]。如果電源線上有傳感器電纜，干擾信號可以很容易耦合對檢測設(shè)備端口造成誤碼干擾，嚴(yán)重阻塞變電站通信，甚至影響煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)。

2 干擾的抑制方法

干擾可分為內(nèi)部干擾和外部干擾。產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中應(yīng)考慮內(nèi)部干擾，主要避免與產(chǎn)品有關(guān)的外部干擾。因此，煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部和外部都可能受到影響[4]。

2.1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面干擾的抑制

引入光纖網(wǎng)絡(luò)可以解決煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)一次傳輸?shù)母蓴_問題，但是，對于井下對煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的干擾，主要來自變電站。在數(shù)據(jù)采集部分，地下電磁干擾可能進(jìn)入監(jiān)測系統(tǒng)，而個(gè)別微數(shù)據(jù)則用于監(jiān)測站；循環(huán)過濾，通常采用以下隨機(jī)過濾方法：過濾相關(guān)機(jī)構(gòu)應(yīng)按照正常程序執(zhí)行本程序，并完善以下生產(chǎn)控制系統(tǒng)。相關(guān)各機(jī)構(gòu)應(yīng)減少超出監(jiān)測系統(tǒng)控制范圍的現(xiàn)象恢復(fù)監(jiān)控系統(tǒng)的正常工作[5]。

目前，煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)從傳感器到變電站的信號傳輸系統(tǒng)大多采用20 000 Hz頻率系統(tǒng)。煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)在代換器工作在脈沖計(jì)數(shù)模式下，抗干擾和防御能力較差，導(dǎo)致煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)在這個(gè)環(huán)節(jié)中很容易引入干擾。煤礦變電站通過采用一種容性干擾的傳輸方式，消除煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)傳感器產(chǎn)生的干擾。

1）煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)采用接口濾波技術(shù)，在保留原有技術(shù)的基礎(chǔ)上，為了充分實(shí)現(xiàn)零干擾。必須全面實(shí)現(xiàn)傳感器輸出到變電站的數(shù)據(jù)全數(shù)字化升級。煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的替代品和傳感器應(yīng)重新制定一套全新的通信協(xié)議[6]。鑒于用戶升級無法完全更新，以及新老產(chǎn)品的兼容性的考慮，可以通過將多兼容系統(tǒng)添加到傳感器中，供用戶自己選擇設(shè)置。

2）多個(gè)CPU操作條件。煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)變電站監(jiān)控負(fù)責(zé)采購信號、轉(zhuǎn)換測量值、顯示驅(qū)動(dòng)器、邏輯評估、警報(bào)識別、供電、與地面網(wǎng)絡(luò)的通信等這些任務(wù)應(yīng)該獨(dú)立于CPU執(zhí)行。CPU負(fù)載很重，很容易出現(xiàn)異常工況，特別是為了實(shí)現(xiàn)整個(gè)分段的2 s快速流量控制，需要對現(xiàn)有的單元CPU處理方式進(jìn)行改造，這項(xiàng)工作的關(guān)鍵是幾個(gè)CPU需要良好的協(xié)調(diào)才能正常工作[7]。

3）改善電力供應(yīng)。煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的電源是許多干擾的入口。選用較好的保護(hù)措施，可使煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)從供電之初起就具有良好的防流效果，使監(jiān)測站不會(huì)出現(xiàn)，定期供電，變電站監(jiān)控重啟，嚴(yán)重干擾等故障問題。

4）系統(tǒng)通訊狀態(tài)。應(yīng)選擇一種抗干擾性好的通信狀態(tài)，抗干擾狀態(tài)可以與煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)并行存在。應(yīng)在不同的環(huán)境中采用了不同的通信方式和容錯(cuò)冗余校驗(yàn)技術(shù)，使監(jiān)控系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力[8]。

2.2 產(chǎn)品應(yīng)用方面干擾的抑制

煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)干擾有3個(gè)基本條件：干擾源；傳輸路徑；干擾對象。為了限制干擾，提高煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性，可以從這3個(gè)方面著手。

1）完善煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，應(yīng)該使得監(jiān)控系統(tǒng)盡量遠(yuǎn)離干擾源。由于井下電子設(shè)備的大量使用，即變頻設(shè)備的使用，嚴(yán)重影響了煤礦運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)的正常運(yùn)行等級。因此在建立通信線路時(shí)，應(yīng)當(dāng)設(shè)置監(jiān)測站、傳感器等設(shè)備盡量遠(yuǎn)離這些干擾源，將煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)干擾降到最低[9]。

2）中止傳輸路徑。煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)干擾的傳輸方式之一是輻射傳輸，另一種是輻射傳輸，干擾信號通常通過信號線、電源線、空間等作用于監(jiān)控系統(tǒng)，公共線路；中斷信號通過信號線與電源線的互聯(lián)，可以直接傳輸?shù)奖O(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性，這是最直接的干預(yù)方式，也是最常見的干預(yù)方式。對于線路連接，煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)線路應(yīng)盡可能短并扭曲，這樣雙絞線可以減少干擾。當(dāng)導(dǎo)體的電磁感應(yīng)發(fā)生變化時(shí)，感應(yīng)將消失。應(yīng)建立不靠近動(dòng)力線路的信號線，并且將電源線分開施工。應(yīng)使用絕緣材料或獨(dú)立電源，以促進(jìn)生產(chǎn)控制系統(tǒng)的改進(jìn)：此外，安全監(jiān)控系統(tǒng)的電源應(yīng)獨(dú)立于電源或安裝隔離措施；從而使隔離模型能夠在隔離前阻斷大部分的傳導(dǎo)干擾[10]。為了煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展，應(yīng)對電纜加以保護(hù)并有效錨固。

3）在輻射傳輸?shù)那闆r下，來自電磁場的輻射也會(huì)引起煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)某種不規(guī)則干擾。這種干擾很容易通過電力線傳輸?shù)矫旱V安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)中。當(dāng)信號線上的傳輸距離較長時(shí)，信號線也能接收到來自輻射波的干擾。所以防止這種耦合的常用方法是保護(hù)易受干擾的設(shè)備或電路[11]。

3 提高安全監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定性的主要措施

煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)傳感器應(yīng)由合格的驗(yàn)證機(jī)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證，并在進(jìn)入違規(guī)行為前附上檢驗(yàn)證證。嚴(yán)禁在井內(nèi)使用不合格的儀器，在下井前，無中斷等異常情況后可下井。如果煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)傳感器頭進(jìn)水，測量精度不符合要求；如有要求，應(yīng)立即將可能引起誤報(bào)的煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)傳感器提升到井上進(jìn)行維護(hù)和更換[12]。煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)傳感器頭應(yīng)每隔15 d使用新鮮空氣和標(biāo)準(zhǔn)氣調(diào)整甲烷傳感器，以確保煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)校準(zhǔn)符合要求。

4結(jié)語

煤礦井下環(huán)境復(fù)雜，干擾煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)問題嚴(yán)重，電磁干擾一直影響著煤礦安全。對煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)干擾問題進(jìn)行了分類；詳細(xì)論述了產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面干擾的抑制和產(chǎn)品應(yīng)用方面干擾的抑制；提出了提高安全監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定性的主要措施。煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)覆蓋地域廣，監(jiān)測點(diǎn)據(jù)多，而且煤礦安全檢查數(shù)據(jù)傳輸距離長而廣，應(yīng)采用有效的電磁防護(hù)方法，在不相互干擾的情況下，提高地下設(shè)備的電磁兼容性，以保證煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的抗干擾能力。