煤礦安全監控系統層級故障自診斷技術

黃 偉，陳 瑤，華月存，孫 超

（1.安徽煤礦安全監察局，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、煤塵、沖擊地壓等事故仍時有發生，嚴重制約了煤炭行業的健康發展，煤礦安全監控系統在預防安全事故、保障煤礦安全生產過程中發揮著重要作用[1-3]。近年來，我國煤礦安全監控系統取得長足發展，特別是在“十三·五”期間，國家煤礦安全監察局所倡導的《煤礦安全監控系統升級改造技術方案》[4]順利貫徹實施，使煤礦企業逐步完成安全監控系統的數字化升級改造，系統的安全性、穩定性得到顯著提高。然而仍有一些亟待解決的問題，特別是在安全監控系統信息采集、處理與傳輸技術上，存在電磁干擾、誤報警、網絡故障頻發、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，需要對煤礦安全監控系統的層級劃分和故障自診斷技術進行深入研究。

1 煤礦安全監控系統層級架構

煤礦安全監控系統主要用于監測礦井一氧化碳體積分數、甲烷體積分數、二氧化碳體積分數、氧氣體積分數、硫化氫體積分數、煙霧、溫度、風速、風壓、饋電狀態、通風機開停狀態、風門狀態、風筒狀態等，可實現甲烷超限報警，斷電和風電閉鎖控制等，能有效減少或避免瓦斯爆炸，并能有效監控瓦斯抽放、瓦斯突出、通風系統狀態和煤層自燃等[7]。根據行業技術特點和安全生產實際需求[8-9]，可將煤礦安全監控系統劃分為3 個層級：感知層、傳輸層、平臺層，煤礦安全監控系統層級架構如圖1。

各層級的具體內涵和功能如下：

1）感知層。由各種前端傳感和控制設備組成，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：傳感器可監測煤礦井下生產作業環境的變化情況，可在本地實時顯示數據并進行超限聲光報警，能及時將監測數據上傳至監控分站，斷電控制器用于接收監控分站控制指令并執行斷電操作。在感知層中，有來自井下環境和設備間的電磁干擾[10-11]，傳感器不具備故障自診斷功能，敏感元件失效、誤報警、數據誤幀等問題時有發生。

2）傳輸層。由數據采集和網絡傳輸設備組成，包括井下供電電源箱、井下監控分站、井下環網交換機、地面工業核心網交換機等。主要功能：供電電源箱為各種類型傳感器集中供電，監控分站采集傳感器的監測數據進行預處理和分類顯示，對斷電控制器進行控制，匯總數據經井下環網交換機、地面工業核心網交換機上傳至與地面調度管理中心。在傳輸層中，同樣存在環境和設備的電磁干擾，電源箱、監控分站、環網交換機很多不具備故障自診斷功能，電源故障、數據誤碼、網絡傳輸異常等問題時常發生。

3）平臺層。由地面調度管理終端設備組成，包括地面服務器、監控中心、調度中心等。主要功能：對礦井監測數據分析處理、實時顯示和存儲，集中監控各種設備工作狀態，維持系統的信息數據安全穩定，實現監測數據的遠程網絡通訊和信息共享。在平臺層中，基本的數據監測和業務管理功能已具備，但故障自診斷機制仍有待完善。

2 層級故障自診斷關鍵技術

2.1 傳感器故障自診斷

傳感器是監控系統的最基本單元，能直接決定整個系統的優劣，隨著微處理器技術的更新迭代，傳感器正逐步向多功能和智能化方向發展[12-14]。

礦用傳感器有多種類型，能檢測多個物理參量，煤礦應用場景要求傳感器在輸出測量值的同時，能夠對自身的工作狀態進行在線評估，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估計，用該估計值代替故障狀態下的輸出數據。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前端的信息感知；信號預處理模塊是對敏感元件輸出的信號進行放大、濾波、A/D 轉換等處理；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信息和算法對傳感器的工作狀態進行有效評估和診斷，判斷是否為故障狀態，該模塊是故障自診斷功能實現的關鍵部分。根據故障診斷模塊的判斷結果，產生最終的輸出數據，包括原始數據、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時，輸出的實際值是將歷史測量值重構得到的最優估計值。原始數據是由敏感元件初步采集并經過信號預處理模塊解析計算后得到的數值，可自定義保存在存儲器中，用于數據的比對和恢復。故障類型是由故障診斷模塊處理得到判定結果，無論有無故障，正常或故障模式信息連同數據打包后，通過CAN 或485 總線上傳到監控分站。測量值準確度反映了測量的精度，由統計學計算公式得到。

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：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：無論是催化燃燒式敏感元件還是電化學式敏感元件，當發生機械故障時，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機械故障[15]。

2）故障數據恢復。傳感器發生故障（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控系統運行，甚至引發安全生產事故[16-17]。傳感器故障自診斷是利用多個參數間的相關性和固定時間間隔內的監測數據，基于卡爾曼濾波和小波包變換理論的故障狀態數據重構方法進行數據重構，在故障狀態下完成數據恢復，代替故障數據輸出，保證系統在一段時間內正常運行，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生漂移故障，利用井下作業環境中的風速、溫度、濕度、氣體體積分數之間的相互耦合關系，基于最小二乘數據重構法，對測量數據進行有效補償。

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、監控分站故障、環網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、監控分站、環網交換機等井下設備供電，一旦發生故障，會影響安全監控系統的正常運行，故障短時間內無法排查容易引發安全事故。因此，需配置電源故障診斷單元，對變壓、穩壓、本安電路、備用電池組等關鍵點進行監測，及時確定故障點并上傳故障信息。

2）監控分站故障。各類傳感器數據上傳到監控分站進行信息匯總、預處理，生成數據包后由工業環網傳輸至地面調度管理中心，由于煤礦井下存在多種干擾源，且監控分站硬件電路的敏感性，會產生一定的數據誤碼，除了采用常規的濾波、接地和屏蔽等抗干擾方法外，還應對單個數據和每幀數據包進行奇偶校驗，以判斷數據的準確性；單獨在存儲器中設置一定單元存放關鍵數據，當診斷出錯時可及時修正、保護數據；利用軟件看門狗適時觸發復位操作，減少因干擾信號導致的死機情況。

3）環網交換機故障。環網節點交換機掉電后，環網鏈路中斷，為保證整個環網的暢通，配置了掉電光纖節點自恢復單元，可跳過本級交換機實現上下鏈路直接聯通；針對局部成環導致的網絡“風暴”、內部鏈路中斷故障，設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、遙控器設置失誤和設備帶電操作異常等，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、存儲和統計各類監測數據，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。為避免軟件出現異常，需定時備份數據，便于系統重啟后的數據恢復；設置故障指針，用于準確指向某個層級、某臺設備、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、設備復位等因素導致的故障信息丟失。

3）平臺層人為操作故障。對不同人員設定不同的操作權限，登入系統后相關信息即時保存，以便故障致因的溯源；建立系統運維操作與視頻監控、人臉識別的聯動準入機制，防止人為誤操作。

3 技術應用效果

以安徽某煤礦的安全監控系統作為試驗對象，將層級故障自診斷技術應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均為10 個。

1）感知層技術應用。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%；因外界干擾導致的10 種沖擊故障，常規方法是濾波、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種調校失誤），常規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）傳輸層技術應用。在傳輸層中，從數據誤碼、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 種數據誤碼，常規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 種穩壓電路故障、3 種電池組故障），常規方法是人工檢測，識別準確率為80%（4 種變壓器故障、2 種穩壓電路故障、2 種電池組故障），采用本文方法準確率為100%；10 種網絡傳輸故障（5 種斷電、3 種網絡風暴、2 種光纖斷路），常規方法采用人工檢測，識別準確率為70%（4 種斷電、1 種網絡風暴、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 種遙控器設置失誤和2 種設備帶電操作異常），常規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）平臺層技術應用。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 種參數配置操作錯誤），常規方法是人工檢測，識別準確率為60%（4 種線路錯接、2 種參數配置操作錯誤），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

通過應用效果對比分析可見，提出的層級故障自診斷技術，相比常規技術手段，具有更高的識別準確率，且能在較短時間內確定故障類型、位置并完成數據重構，節省了大量的時間和人力成本，提高了煤礦安全監控系統的容錯性。

4 結 語

介紹煤礦安全監控系統危級故障自診斷技術。層級故障自診斷技術是基于煤礦安全監控系統整體架構進行設計的，融合了傳感器、傳輸層、平臺層故障自診斷的技術特點，故障識別準確率高，在監控系統升級改造的進程中，解決了諸多固有問題。現場試驗效果良好，為監控系統故障診斷技術研究提供了合理路徑。