煤矿安全监控系统异常监测数据处理方法

 　　煤矿安全监控系统是煤矿安全生产的重要保障系统，是煤矿安全生产的重要技术手段。本文主要研究煤矿安全监控系统异常监测数据的处理方法。

　　《煤矿安全》创刊于1970年，至今已有30多年的历史，它最初为不定期刊物，1973年被批准为部办全国性专业技术刊物，1974年1月改为国内公开发行，为双月刊，1980年改为月刊，是全国煤炭行业主要科技期刊之一。刊物主要内容是宣传国家有关煤矿安全的政策、法规;报道国内外煤矿安全领域的新成果，新技术以及安全装备、安全管理、安全培训等信息;剖析井下事故案例等。

　　目前我国煤矿均已安装安全监控系统，为防范和减少煤矿重特大事故发挥了重要的监控、预警作用。监控系统能够有效防范瓦斯事故的前提条件之一就是要做到数据准确，系统对要能够实时正确显示井下监测场所瓦斯等环境参数值，即要做到监测数据正常。

　　根据目前煤矿安全监控系统中异常监测数据的发生情况，分析异常数据的特征以及产生的原因，针对不同类型的异常监测数据，在监控系统对异常数据的处理以及现场工人在煤矿井下的维护处理等方面提出了相应的方法，该方法的应用对于完善和提高系统可靠性及易用性，发挥安全监控系统在事故监控及预警方面的作用具有积极意义。

　　1.引言

　　实际应用过程中，由于现场环境、设备维护以及监测设备故障等主客观原因的存在，监控系统监测数据异常的现象时有发生。能够发现异常数据，判断其产生的原因，对异常数据进行处理，提供现场解决办法，对监控系统的正确有效运行有着积极意义。

　　2.异常数据定义

　　监测数据是指在监控系统中反映煤矿井下现场环境参数及生产参数的数据，包括计算机采集到的分站发送的采集数据，分站等采集设备采集到的传感器发送的数据，在没有分站等中间采集设备的系统中，传感器直接传送到计算机的数据也在监测数据的范畴之内。异常监测数据指不能正确反映现场环境参数以及生产参数的监测数据，同时没有监测数据，即没有采集到现场参数数据，也应该是一种异常的监测数据。监测数据异常在监控系统中的表示形式主要有：模拟量传感器误报警、模拟量传感器误故障、开关量传感器的状态频繁变化、累计量传感器数值增长过快、模拟量传感器数值超出测量范围。

　　1)模拟量传感器误报警是指传感器所在检测位置的环境参数并没有达到报警值，在传感器本机上、连接传感器的分站上以及监控系统软件上，有一处或多处显示该检测位置的环境参数为报警状态。

　　2)模拟量传感器误故障是指模拟量传感器本身正常工作，在连接传感器的分站上以及监控系统软件上，有一处或多处无法采集到该传感器的数值，从而断定该传感器故障。

　　3)开关量传感器的状态频繁变化是指，传感器所监测的开关量(如风机的开停状态)不可能发生频繁变化，在连接传感器的分站以及监控系统软件上，有一处或多处显示被监测开关量频繁变化。

　　4)累计量传感器的数值增长过快是指，传感器所监测的累计量(生产过程中的提升钩数)不可能迅速的增长，在连接传感器的分站以及监控系统软件上，有一处或多处显示被监测累计量快速增长。

　　5)模拟量传感器数值超出测量范围是指，在连接传感器的分站上以及监控系统软件上，有一处或多处显示检测位置的环境参数超出了传感器的测量范围。

　　3.异常数据产生的原因及处理方法

　　经过对多个煤矿企业在用监控系统的调研，发现煤矿监控系统中有异常监测数据的情况普遍存在，产生的异常数据的主要原因归结为现场干扰、监控系统设备故障、监控系统设备安装维护不当等。

　　3.1现场干扰

　　普遍认为当传感器的信号电缆与其它大型用电设备的动力电缆并行敷设时，动力电缆形成的干扰感应到传感器的信号电缆上，容易在监控系统中形成异常数据。这些干扰信号主要有：(1)控制大型用电设备启动时动力电缆产生的浪涌干扰;(2)井下电力变频器产生的干扰;(3)大型电气设备附近的电磁干扰。干扰信号导致的最终结果是在系统中会出现一些误报警，究其原因是干扰信号使传感器的输出信号发生了变化，导致采集设备利用该信号计算出来的结果错误。

　　采集设备检测到的正常信号及干扰后的异常信号波形分别如图1(a)及(b)所示：

　　分站将输入的图1所示频率信号，硬件隔离、滤波、整形处理后的波形分别如图2、图3所示：

　　图2和图3所示频率信号的周期满足T0=T1+T2的关系，对于频率测量采用测周法，数据处理采用常用的去掉一个最大值和最小值后平均的方法，图3信号的频率值是图2信号频率值的2倍。以常用的量程为0～4%CH4对应输出频率为200Hz～1000Hz的甲烷传感器为例，分析此种情况下系统中显示的测点浓度值，假设现场实际的甲烷浓度为0%CH4，则传感器输出的频率信号频率值为200Hz，出现上图所示的干扰情况后，在分站侧采集的频率值则为400Hz，转换成气体浓度为1.0%CH4，所以就会出现，系统中显示的测点的数值远远大于现场实际环境参数值的情况。针对此种情况，在监控系统中可以做如下工作。

　　1)数据过滤

　　信号处理中可以增加干扰数据处理办法，某一时刻测量信号的频率是前一次测量信号频率的2倍，可以确定为干扰信号所致，测量结果可维持前一次测量值。在实际操作过程中，瓦斯等传感器的特点决定了，其数值不会出现迅速增大的情况，所以数据过滤时可以将大于前一测量频率1.8倍以上的数据过滤。

　　2)故障提示

　　虽然信号及数据可以做过滤处理，但是在干扰信号持续存在的情况下，并不能最终解决问题。持续的干扰信号，有可能干扰传感器的工作状态，导致传感器死机等故障，所以需要将井下当前的现场干扰情况上传至地面主机，以便通知相关人员进行现场处理，以确保系统的正常运行。干扰导致的故障信息可以采用上传故障代码的方式来完成。

　　3.2系统设备使用维护不当

　　煤矿安全监控系统系统复杂、设备众多、安装位置分散且变动频繁的特点，决定了设备的使用及维护工作量非常大，导致在使用及维护中出现许多问题，主要有电源使用不合理、电缆的维护不到位、设备的接线错误等，以下将分别说明其对系统数据的影响情况。

　　1)电源使用不合理，一台电源设备上接入传感器的功率超出电源的额定功率，当各设备处于正常工作状态下，电源设备可以对各传感器正常提供电源，但是当某些传感器出现报警等功耗增加情况时，电源将会进入过流保护状态，对外切断输出，则通过此设备供电的所有传感器将会停止工作，将会导致系统中出现无传感器数据的异常。2)传感器接头长期插拔导致接触不良、接线盒内出现接触不良以及短路现象、信号电缆破损是常见的电缆维护不到位的几种情况。电缆维护不到位，可能是电缆断路，也可能是电缆短路，在多芯电缆中，断路短路的可能是一芯，也可能是多芯，导致的结果可能是信号中断，可能是电源中断，也有可能是信号及电源同时中断，但是在采集设备侧，结果只有一个，那就是传感器输出的信号线上无信号，最终导致系统中无传感器的数据。

　　3)设备接线错误，主要是指在分站等采集设备上，将频率信号输出的设备接入到定义为开关量或累计量的端口上。开关量及累计量数据的采集均是通过判断信号的电平来完成的，对于开关量信号是通过采集电平信号的变化来判断设备开停，而对于累计量则是通过判断脉冲个数来实现。当频率量设备接入到开关量或累计量测点端口时，由于频率量的变化远远大于开关设备的开停次数或累计数的增长速度，导致开关量测状态频繁变化或生产参数变化异常。

　　解决以上问题首先要做的是正确的使用系统设备、加强系统的维护力度，除此之外，在系统上可以做出一些设计，对故障原因进行分析判断，给用户以提示，以便于提高系统维护的效率。

 

　　1)系统中增加对电源设备信息的采集功能。因为系统设备能否正确工作的一个重要前提就是，为其供电的电源设备对外输出正常。通过设备的电源信息可以很直观的了解设备的工作状态。可通过电源与分站通讯或电源与计算机通讯的方式来采集，采集的电源信息包括各路电源的电压及电流。

　　2)利用电源信息判断传感器无数据的原因。在系统软件中配置电源设备各路电源所接入的传感器，当传感器无数据时，通过判断电源电压是否为零，可以判断该传感器是处于电源线短路的情况;通过判断电源电流是否为零，可以做出电源线是否断开的情况。如果电源的电压及电流均不为零可以做出电缆信号线故障或传感器故障的提示。

　　3)通过相关传感器状态判断传感器无数据的原因。现场实际应用中，对于一根4芯的电缆，经常采用两台传感器共用一根电缆的接线方式，两台传感器共用2芯电源线。可以通过判断与其共用电源的传感器是否工作正常，如果该传感器工作正常，可以进行信号传输电缆信号线故障或传感器故障的提示。如果该传感器数据也为中断状态，可以进行电缆故障或电源故障的提示。

　　4)使采集设备的开关量、累计量采集端口具备频率信号采集功能，当端口上接入正常的开关量或累计量传感器时，可以正常的检测信号，当端口上接入了频率量传感器时，采集设备应能检测到此频率信号的大小，当其大于一定的数值(如10Hz)时，提示用户该端口上接入了错误的设备。

　　3.3系统设备故障

　　传感器的信号输出电路故障，肯定会导致传感器输出的信号异常，而传感器检测元件老化或损坏，导致传感器用于计算输出结果的输入值异常，最终也会导致传感器的输出信号异常，所以这两种系统设备的故障，是现场常见的导致传感器的数据超出量程范围的原因。超出测量范围有两种情况，分别是低端超出量程和高端超出量程。超出量程的表现为测量值不符合物理规律，如系统检测到某处瓦斯的浓度值为负数，系统检测到某处氧气的浓度值为120%。

　　在系统设计中，首先做到传感器根据其检测量的属性以及其量程对输出信号进行限制，保证其正常工作时系统中不会出现超量程的数据。在此前提下，可以对系统中超出量程范围的异常数据，做出系统设备故障类型的定位。

　　4.结语

　　本文总结了煤矿安全监控系统异常数据的种类，分析了各类异常数据产生的原因，并从监控系统的改进与设计方面，提出了对干扰信号在分站及软件上的过滤方法、故障的显示方法。从系统的角度，提出便于传感器故障类型判断以及现场维护的设计方法，将这些方法应用到煤矿安全监控系统中，对于提高系统的易用性及可靠性有一定的作用。

　　参考文献

　　[1]孙继平，冯德旺，赵振保，等.矿用线缆电快速瞬变脉冲群骚扰的传输特性[J].中国矿业大学学报，2009(1)：46-49.

　　[2]冯亚飞，肖运江.煤矿安全监控系统常见误报警原因分析及软件处理方法[J].工矿自动化，2013(4)：90-92.

　　[3]张立斌，蒋泽，王启峰.矿用传感器的伪数据滤除方法[J].工矿自动化，211(8)：1-4.

　　[4]邹哲强，张立斌，蒋泽，等.煤矿监控系统产生伪数据的原因和应对措施[J].工矿自动化，2013(9)：1-4.

　　[5]王保国，张晓东，韩冰飞.矿井安全监控系统误报警原因分析[J].科技信息，2012(4)：413.

　　[6]朱前伟.矿用本质安全电源的基本要求和设计方法[J].工矿自动化，2012(2)：26-29.