故障自診斷技術在煤礦傳感設備中的應用研究

梁光清

（1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039；2.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037）

2020 年國家八部委聯合印發了《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》，明確提出下一步要推進科技創新，提高智能化技術與裝備水平[1]。目前煤礦用傳感層設備智能化應用已經成為了煤礦行業的發展趨勢。傳感器作為智能化應用的關鍵部件，其性能和可靠性對整個系統的穩定運行起著至關重要的作用[2]。然而，由于傳感器工作環境的惡劣和長期運行的不可避免的疲勞損壞，傳感器的故障率相對較高。因此，如何及時準確地診斷傳感器故障，對于保障煤礦生產安全和提高生產效率具有重要意義。本文將介紹故障自診斷技術在煤礦用傳感層設備智能化應用中的研究現狀和發展趨勢，提出一種具有故障自診斷功能的礦用傳感器的設計方法，并對其應用進行探討。

1 礦用傳感層設備智能化應用研究現狀

1.1 礦用傳感器應用現狀

礦用傳感器是煤礦安全生產過程中負責數據采集的關鍵設備，隨著傳感器技術的不斷發展，煤礦用傳感層設備智能化應用的研究也越來越受到重視。目前煤礦用傳感層主要應用于煤礦安全監控系統、皮帶運輸監控系統、瓦斯抽放監控系統等，通過傳感器對煤礦的生產環境參量進行采集、傳輸、監測，實現對煤礦生產安全的實時監控和管理，傳感器的性能和可靠性對整個系統的穩定運行起著至關重要的作用[2]。

1.2 礦用傳感器智能化應用需求

礦用傳感器是煤礦安全監控系統中負責數據采集的關鍵設備，隨著自動化控制技術的發展，礦用傳感器的智能化應用需求也越來越受重視，逐漸成為研究熱點：①具有自我診斷和自我校準功能，能夠在故障和失效時及時發出警報并進行自我修復；②具有自適應功能，能夠根據環境的變化自動調整測量范圍和精度；③能夠實現多參數測量和多信號處理，從而提高了傳感器的信息處理能力和測量精度；④具有網絡化和遠程控制功能，能夠實現傳感器之間的互聯和遠程監控[3-5]。

2 故障自診斷技術

2.1 故障自診斷技術的概念

故障自診斷技術是指在傳感器工作過程中，通過對傳感器的工作狀態進行實時監測和分析，及時識別和定位傳感器的故障類型和位置，并提供相應的故障解決方案的一種技術手段[6]。

2.2 故障自診斷技術的分類

根據故障自診斷技術的實現方式，可以將其分為以下幾類[7-13]：①基于模型的故障自診斷技術。該技術是基于傳感器的物理模型和數學模型，通過對傳感器的工作狀態進行分析和比較，識別和定位傳感器的故障類型和位置，并提供相應的故障解決方案。②基于數據的故障自診斷技術。該技術是基于傳感器采集到的數據，通過對數據的處理和分析，識別和定位傳感器的故障類型和位置，并提供相應的故障解決方案。③基于專家系統的故障自診斷技術。該技術是基于專家系統的知識庫和推理機制，通過對傳感器的工作狀態進行分析和推理，識別和定位傳感器的故障類型和位置，并提供相應的故障解決方案。

3 故障自診斷技術在礦用傳感層設備中的應用

3.1 礦用傳感器故障自診斷方案總體設計

礦用本安型傳感器一般由DC-DC 電源模塊、模擬信號處理電路模塊、聲光報警電路模塊、模擬信號預處理電路模塊、MCU 控制電路模塊、AD 轉換處理電路、傳感器數字信號輸出電路模塊、傳感器電流/頻率信號輸出電路模塊、人機交互及顯示電路模塊、故障診斷電路模塊等功能電路組成。為實現傳感器故障診斷的可靠性，避免傳感器的硬件故障影響診斷電路的識別結果，本文設計了相對獨立的故障自診斷電路，對礦用傳感器的關鍵部件及信號進行實時采集及分析。

圖1 基于故障自診斷技術的礦用傳感器原理框圖Fig.1 Schematic diagram of mine sensor circuit based on fault self-diagnosis technology

3.2 故障診斷硬件設計

故障診斷電路模塊采用低功耗MCU 處理器，選用兆易創新GD32F 系列單片機，模擬信號采集12 位ADC 轉換模式，采集傳感器關鍵信號的模擬電壓；設計一路UART 信號與傳感器主控MCU 通訊；設計一路RS485 電路用于偵聽傳感器對外輸出數字信號電路。

故障診斷電路針對性采集傳感器關鍵部件或信號的實時變化情況，結合經驗數據庫模型，快速對采集信號做出實時分析，并判斷信號的健康程度，輸出傳感器檢測信號的故障狀態信息。如圖2 所示，一般情況下礦用傳感器的關鍵部件包括傳感檢測敏感元件、傳感元件供電電源、傳感器工作電源、輸出信號電源等；關鍵信號包括傳感元件檢測原始信號、傳感元件預處理信號、輸出電流/頻率信號、數字輸出信號等。

圖2 故障診斷電路原理框圖Fig.2 Schematic diagram of fault diagnosis circuit

3.3 礦用傳感器故障自診斷軟件設計

礦用傳感器軟件功能主要包括傳感元件數據采集及處理子程序、人機交互及顯示子程序、電流/頻率信號轉換子程序、RS485 信號通訊子程序，以及故障自診斷子程序等。傳感器根據故障等級設置感知數據的可信度系數，實時更新設備健康度狀態，并通過顯示子程序提示故障代碼。軟件流程如圖3所示。

圖3 基于故障自診斷技術的礦用傳感器軟件流程Fig.3 Software flow chart of mine sensor based on fault self-diagnosis technology

4 結語

礦用傳感器采用故障自診斷技術，能夠實時自我監測傳感器的工作狀態，識別和定位傳感器的故障類型和位置。在后續研究工作中，通過不斷增加故障采集方法，豐富設備故障識別庫，提高傳感器的深度自學習及邊緣計算能力，實現傳感器數據的快速采集、處理和分析，提供更加精準和實時的故障解決方案，對傳感器設備的工作狀態做到全面掌握，提高感知數據的精準性。

隨著故障自診斷技術的不斷發展，相信礦用傳感層設備智能化應用也將不斷拓展和深入，有利于提高各類礦用傳感器的可靠性和穩定性，對于保障煤礦生產安全和提高生產效率具有重要意義。