煤矿安全监控系统可靠性指标的测定方法.pdf

第 4期 2 01 0年 4月 工矿 自 动化 I nd us t r y a nd M i n e Au t oma t i o n No ． 4 Ap r ． 2 0 1 0 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 0 0 4 --0 0 0 1 0 4 煤矿安全监控系统可靠性指标的测定方法 邹 哲强 煤炭科学研究总院常州 自动化研究院， 江苏 常州 2 1 3 0 1 5 摘要 对煤矿安全监控 系统可靠性指标测定 中失效范围的确定、 试验 系统规模的限定、 试验应力的设计、 试验方案的选择等关键问题提 出了一些设想， 提 出了2种煤矿安全监控 系统可靠性指标测定方法， 即直接测 试 法和 间接 测定 法 ， 并 比较 了各 自的优缺点 。通过 比较 ， 认 为采 用 间接 测定 法比较适合煤 矿安 全监 控 系统的 可靠性指标测 定 。 关键词 煤矿；安全监控 系统 ；可靠性指标 ； 测定 中图分类号 T D 7 6 文献标识码 A M e a s ur i n g Me t h o d o f Re l i a b i l i t y I n d e xe s o f Sa f e t y M o n i t o r i ng a n d Co nt r o l S y s t e m o f Co a l M i n e ZOU Zh e q i a n g C h a n g z h o u Au t o ma t i o n Re s e a r c h I n s t i t u t e o f Ch i n a Co a l Re s e a r c h I n s t i t u t e ，C h a n g z h o u 2 1 3 0 1 5 ，C h i n a Ab s t r a c t Th e p a pe r d i s c u s s e d ke y p r o b l e ms o f me a s u r e me n t o f r e l i a bi l i t y i n d e xe s o f s a f e t y mo ni t o r i ng a n d c o nt r o l s y s t e m o f c o a l m i ne s uc h a s d e t e r mi na t i o n o f i nv a l i d a t i o n r a n ge ， s e t o f s c a l e o f t e s t s y s t e m ， de s i g n of t e s t s t r e s s a n d s e l e c t i on o f t e s t s c he m e ， a nd pr op os e d t wo me a s u r i n g me t ho ds o f r e l i a b i l i t y i n de x e s o f s a f e t y mo ni t o r i ng a nd c o nt r ol s y s t e m o f c o a l mi ne n a me d d i r e c t m e a s ur i n g m e t h o d a nd i n d i r e c t me a s u r i ng m e t h od．Thr ou g h c o m p a r i s o n o f t he t wo me t ho ds “ a d v a n t a g e s a n d di s a d v a n t a g e s ，t h e c o nc l us i o n wa s g o t t e n t h a t t h e i n d i r e c t me a s u r i n g me t h o d i s mo r e s u i t a b l e f o r me a s u r e me n t o f r e l i a b i l i t y i n d e x e s o f s a f e t y mon i t or i n g a n d c on t r o l s y s t e m of c o a l mi ne ． Ke y wo r d s c o a l mi n e，s a f e t y mon i t or i n g a n d c on t r o l s y s t e m ，r e l i a bi l i t y i nd e x，me a s u r e me n t 0引言 煤矿安全监控系统作为煤矿瓦斯防治中重要的 安全监控设备，在煤 矿安全生产 中发挥 了重要作 用 。正 因如此 ， 社会 各 界对 煤 矿 安全 监控 系统 也提 出了更高的要求 。目前煤矿用户对煤矿安全监控系 统的关注焦点是如何提高系统工作的可靠性 ， 国家 安监总局和科技部也把“ 高可靠煤矿安全监控系统 研究” 列为“ 十一五” 国家科技支撑项 目。 收稿 日期 2 0 0 9 1 2 1 5 基金项目 2 0 0 9年度 国家科技支撑计划项 目 2 0 0 9 B AK5 4 B 0 5 作者简 介 邹哲强 1 9 6 2 一 ， 男， 江苏无锡人 ， 高级 工程师 ， 长期 从事煤矿 自动化技术领域 的研究工作 。E ma i l z z q c a r i ． c o rn． c n 要研究煤矿安全监控系统 的可靠性问题， 首先 需要研究监控系统可靠性的测量或评价方法 。目前 安 全生 产 行业 标 准 AQ6 2 O l -- 2 o o 6 { 煤 矿 安 全 监 控 系统通用技术要求 提出了“ 系统平均无故障工作时 间 MTB F 应不小于 8 0 0 h ” 的指标， 但 由于对测试 方法没有作出具体 的规定 或者说测试方法可操作 性不强 ， 国内所有的煤矿安全监控系统都没有把可 靠性作为一个考核指标 ， 各系统在现场使用中实际 的 MTB F也没有测量数据。鉴于此 ， 本文提出煤矿 安全监控系统可靠性指标的测定方法 ， 作为研究高 可靠性煤矿安全监控系统的一项基础性工作。 1 失效范 围的确定 失效是指不能完成规定的功能， 可以认 为设备 ． _ ◆ ． ～果 一 一成 一 一研 一 一科 一 I◆ ◆ 2 工矿 自动化 2 0 1 0年 1月 的指示灯不亮即为失效， 也可 以规定不能完成关键 功能才算失效 。所 以要测量系统 的可靠性指标， 首 先要 确定 系统 的失效 判据 ， 即划 定失效 定义 中“ 规 定 功能” 的范围。不同的失效范围直接影响可靠性指 标的试验结果 ， 从而导致系统的可靠性指标没有可 比性 。不仅如此， 划定合理 的失效范围有利于抓住 系统使用中的主要矛盾， 使 系统的可靠性指标在安 全生产中具有较大的参考价值 。 根据以上分析 ， 笔者认为， 对煤矿安全监控系统 失效范围的划定局限于行业标准中的强制要求部分 是一种较合理的选择， 标准 中的可选部分和各厂家 设计时扩展的功能都 不宜划定在失效范 围内。另 外 ， 性能指标 中统计性 的测量指标 比如传输误码 率 也不宜考虑在内， 因为这种失效不能在可靠性试 验 过程 中快速 判定 。 2 试 验 系统规 模 的限定 不同的系统规模也会使系统的可靠性指标没有 可 比性 ， 所 以有 必 要统 一 限定 试 验 系统 的规 模 。对 此 ， 笔者认为可以规定“ 能实现标准中所有强制要求 的最小 规模 的系统 ” 为 标 准试 验 规模 。 比如为 了 实 现异地断电功能， 根据上述最小规模的要求， 至少需 要 2台分站 。另 外考虑 到各系统 中某一类设 备本身 还有不同复杂度 的多种规格产品， 为防止出现用于 可靠性测试的“ 专用设备” ， 还应规定 具有多种规格 的设备必须使用复杂度最高或设计可靠性最低的产 品组成最 小规模 系统 。比如一个 系统有 4口、 8口、 1 6口分站可供配套时， 必须用 l 6口分站组成最小 规模系统进 行测试 。 当然也可以用其它原则确定系统规模 ， 比如按 系统现场常用配置中各设备的比例组成最小规模系 统 ， 但一定要考虑规模不宜太大、 规则统一合理， 使 不同系统的可靠性指标具有可比性。 3 试 验应 力的设计 不 同的试验应力是影响可靠性试验结果的又 一 大因素。 为了保证可靠性试验的结果尽量符合真 实情况 ， 应该使试验应力的设计尽量接近实际情况。 但全国各地煤矿的环境条件各不相 同， 同时要在实 验室环境下完全模拟现场条件也是不可能的， 所 以 应设计一套合理的应力组合作为测试的统一标准。 煤矿安全监控系统中各设备的使用环境可以简 单地 分为井上 控制室 环境和井 下环境两 大类 。井 上 控制室环境的试验应力组合可以参照 G B 1 1 4 6 3中 I组的温度、 电应力条件 ， 但由于煤矿安全监控系统 是长期工作， 可不设关机时段， 但开关机上电冲击应 力还是应 该考 虑 的 ， 可 以规定 每 隔 4 8 h 或更 长 时 间 进行 一次 主控 机关机 再开机程 序 ， 这样 既施加 了 开关机上 电冲击应力 ， 还 可以同时测试监 控主机 双机备份的可靠性 。煤矿井下的环境条件 比井上控 制室恶劣得多， 笔者认为井下环境的试验应力组合 应考虑电压波动、 温度、 湿度、 开关机上电冲击 、 供 电 电压跌落 、 电气浪涌、 机械碰撞等因素。 4 试验 方案 的选 择 煤矿安全监控系统是典型的电子产品， 一般认 为电子产品的失效率随时间的变化关 系呈“ 浴盆 曲 线” ， 已过早期失效阶段尚未进入老化失效阶段的电 子设备的失效率近似为常数 ， 所以对煤矿安全监控 系统可靠性指标的测定可以采用 GB 5 0 8 0 ． 7介绍 的 方法进行试验 。标准推荐使用定时定数截尾试验， 即试验先达到截尾时间时， 认为可靠性指标达到要 求 ； 而当试验中独立故障数先达到截尾数时 ， 认为可 靠性指标没有达到要求。 在选择具体试验方案时， 理想的试验方案应该 是可靠性指标达到要求时 ， 以 1 0 0 的概率认可； 没 有达到要求时， 1 0 0 拒绝。但建立在抽样原理基础 上的试验方案不可能是理想的， 只能做到当可靠性 指标达到某上限时 ， 以较高的概率认可 ， 可靠性指标 低于 或接近 某下限时， 以较高的概率拒绝。为了 体现对用户负责的原则 ， 试验方案 中的可靠性指标 下限应为技术指标中规定的可靠性指标最小值 ， 当 然这样做对生产方是有些不公平的。为了对生产方 公平 ， 可 靠性指标 的上 、 下限应尽 量接近 。但 可靠性 指标上、 下限越接近的方案试验时间越长 ， 所以一般 折中的方案可取 G B 5 0 8 0 ． 7中表 1 2的 5 3方案。 当生产 方 对 产 品质 量有 较 大把 握 ， 同 意取 高 的 MT B F上 限 时 ， 可 取 G B 5 0 8 0 ． 7中表 1 2的 5 4方 案 ， 以采用 较少 的试 验时 间 。笔者认 为 ， 当系统 没有 可靠性预计数据可供参考时 ， 应选择较低 的风险概 率 如 a 一 一1 O 。但考虑到 已经取试验方案中 的可靠性指标下限为技术指标中规定的可靠性指标 最小值 ， 所以适 当放大风险概率也是可 以的。如果 把风险放大 到 a 一口 2 0 ， 则 可取 G B 5 0 8 0 ． 7中 表 1 2的5 7方案， 试验时间可进一步缩短。 5 2种 系统 可靠性 指标测定 方法及 比较 煤矿安全监控 系统可靠性指标 的测定其实是 2 0 1 0年第 4期 邹哲强 煤矿安全监控 系统可靠性指标的测定方法 3 一 种估计 ， 可以采用 2种方法 一种是直接测试法 ， 能作为参考， 不能作为测定。 即对 整个 系 统 按 G B 5 0 8 0 ． 7的方 法进 行 试 验 ， 得 到 5 ． 1 直接 测试 法 整个系统的 MTB F指标 ； 第二种方法是间接测定法 根据 GB 1 1 4 6 3 8 6的推荐 ， 可靠性试验的样本 计算法 ， 即对组成系统的设备分别按 G B 5 0 8 0 ． 7 数应不小于一批中生产量的 1 O ， 一般不少于 2台 的方法进行试验， 得到各设备 或子系统 的 MTB F 套 。试验样本数越多 ， 在同样的参数估计精度条 指标 ， 然后按照系统中各设备 或子系统 的可靠性 件下， 整个试验时问越短； 而在同样的试验时间条件 联接关系计算出整个系统的 MTB F指标 。 下 ， 参数估计精度越高。但煤矿安全监控系统组成 对 系统或设 备 的可靠 性试验 可 以在 实验室 环境 庞 大复杂 ， 不 允许大 量抽样 ， 一般 以 2 ～3 套 为宜 。 下进行 ， 也可以在现场使用条件下进行。但对于煤 如果对整个系统做可靠性指标的测定 ， 当系统 矿安全监控系统 ， 由于现场使用条件下不可能多套 的 MT B F下 限取 8 0 0 h时， 试验样本数按 3套算， 系统同时试验， 而且不 同的现场环境条件很难保证 按以上第 4节讨论的 3个方案 ， 主要参数及达标试 一 致性， 所以现场使用条件下的可靠性试验结果只 验时长如表 1 所示。 表 1 3个方案的 主要参数 及达标试 验时长 方案 MTB F下 限／ h MT B F上限／ h 截尾时间／ h 3套截尾天数／ d 截尾故障数 风险概率／ 2 4 0 0 4 0 0 0 2 4 0 0 5 ． 2 间 接 测 定 法 由于系统是 由设备构成 的， 所以可 以用直接测 试法测定各设备 或子系统 的可靠性指标后 ， 应用 系统可靠性理论计算出系统的可靠性指标l_ 1 q] 。 对 于煤矿安 全监 控 系统 ， 可 以划分 成 以下 几 个 设备 子系统 AQ6 2 0 1 第 4 ． 5 ． 1条规定必须配置 的每种传感器、 断电执行器、 分站 、 本安电源、 数据传 输系统、 监控主机 。从可靠性角度看 ， 这些设备 子 系统 是以串联方式组成的系统， 即任一设备 子系 统 失效， 系统即为失效 按上述最小系统规模需要 2台分站 的假 定， 这 2台分 站之 间依 然是 串联关 系 。根据系统可靠性理论， 对于失效率为常数或失 效密度 为指数 分布 的产 品 ， 串联 系统 的 MT B F和组 成系统 的各设备 子系 统 的 MTB F的关 系为n ] 1 ／ 系统 MT B F 一1 ／ 设备1 MTB F 1 ／ 设备2 MTB F ⋯⋯ 1 ／ 设 r n MT B F 1 由此可以得出， 若系统 由 个设备 以串联关系 构成， 要达到系统 MTB F为 8 0 0 h的指标， 个设备 的平 均 MT B F至少应 为 8 0 0 n h 。 目前煤矿安全监控系统中的大多数设备还没有 采用设备冗余 ， 只有监控主机标准规定必须采用双 机备用方式。由于备用系统的可靠性指标计算比较 复杂 ， 特别是其中切换装置的故障率难 以确定 ， 所以 可以把双机备用的主机作为一个子系统看待， 该子 系统和其它设备仍然是 串联关系 ， 可先用直接测试 法测定该子系统的可靠性指标 ， 再用式 1 估算整个 系统的 MTB F。其它如带冗余 功能 的数据传输系 统 同样可 以这样考 虑 。 5 ． 3 2种 测 定 方 法 的 比 较 直接测试 法应该是 比间接测定法更 接 近真值的 方法 ， 因为它在考虑 系统组成时包括 了各种细节。 而间接测定 法在进行系统 分解时， 必然会忽 略掉 一 些细节 。但煤矿安全监控系统应用直接测试法也 存 在一些 缺点 1 由于直接测试法直接得出的是系统的可靠 性指标， 对于系统 中各设备的可靠性分析不够深入。 2 当系统中某个设备经过改进或改用其它型 号的替换产品后， 就需要对整个系统重新进行可靠 性 指标测定 。 而 以上 2条也恰 恰是 间接测定法 的优 点 1 由于要对构成“ 最小系统” 的所有设备 或 子系统 测定可靠性指标， 所以容易发现系统中可靠 性指标 较低 的设 备 ， 便 于确定 改进 目标 。 2 当系统中某个设备经过改进或改用其它型 号的替换产品后 ， 不需要对整个系统 重新进行可靠 性指标测定， 只需要对改进过的设备进行可靠性指 标测定。在对某个具体设备测试时可以选择较多的 样本数量 ， 缩短试验时间。若是改用其它型号的产 品来替换 ， 甚至可 以直接使用替换产 品的可靠性指 标 ， 不用再进行测试 。 问接测定法的缺点 由于间接测定法需要测定 出构成最小系统的所有设备 或子系统 的可靠性指 第 4期 2 0 1 0年 4月 工矿 自 动 化 I n du s t r y a n d M i ne Aut oma t i o n No ． 4 AD r ．2 0 1 0 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 0 0 4 --0 0 0 4 0 3 煤矿井下中央变电所内电磁干扰测试及分析 孙继平 ， 王福 增 0 1 ． 中国矿业大学 北京 煤炭资源与安全开采国家重点实验室 ， 北京 1 0 0 0 8 3 ； 2 ． 河北农业大学信息科学与技术学院， 河北 保定0 7 1 0 0 0 摘要 通过对煤矿井下中央变电所电磁环境进行测试分析， 得 出如下结论 1 中央变电所设备正常运 行 时， 高压开关附近存在低 频干扰 ； 2 中央变 电所变压器正常运行 时， 干扰主要在 5 0 0 MHz以下， 在 1 0 0 MHz 附近产生较大干扰 ， 产生的最大干扰比背景噪声高出 4 0 d B肚 V／ m 左右； 3 中央变电所内开关 闭合 瞬 间会产 生较 大的电磁干扰 ， 干扰 主要 在 1 ． 5 GHz以下 ， 低 频 干扰 较 大 ， 最大值 达 到 1 9 3 d BF V／ m； 4 中央变电所设备正常工作时， 辐射电磁场达到一级标准 1 V／ m ； 但在开关闭合瞬间， 在 1 MHz以下电 磁 干扰较 大 ， 超过 GB 9 1 7 5 8 8环境 电磁 波卫 生标准 中规 定的二级 标准 。 关键 词 矿 井 ；中央 变电所 ；电磁 环境 ；电磁 干扰 ；测试 中图分类号 T D 6 1 1 ． 2 ； T N 0 3 文献标识 码 A Te s t i n g a n d An a l y z i n g o f EMI i n Ce n t r a l S ub s t a t i o n o f Co a l M i ne Und e r gr o u nd S UN j i p i n g ， W ANG Fu z e n g 1 ． S t a t e Ke y La b ．o f Co a l Re s o u r c e s a n d S a f e Mi n i n g o f CUMT． Be i j i n g ，Be i j i n g 1 0 0 0 8 3，Ch i n a 2． Co l l e ge of I nf o r m a t i on S c i e nc e a n d Te c hn ol o gy o f Ag r i c ul t u r e Uni v e r s i t y o f H e be i ， Ba o d i n g 0 7 1 0 0 0，Ch i n a 收稿日期 2 0 0 9 1 2 0 4 基金项 目 国家自然科学基金项 目 5 0 6 7 4 0 9 3 ， 国家科技支撑计 划 项 目 2 0 0 6 B AK 0 3 B 0 0 作者简介 孙继平 1 9 5 8 一 ， 男 ， 山西翼城人 ， 博 士， 中国矿业大 学 北京 教授 ， 博 士研究生导师 ， 长期从事矿井监控及通信方面的研 究工作 ， 出版著作 1 o部 ， 发表学术论文 1 0 0余篇， 制定 中华人 民共和 国安全生产行业和煤炭行业标 准 1 O余项 ， 拥 有专利 6 项 ， 获国家科 技进 步奖 1 项 、 部级科技进步一等奖 5项 。 标 ， 而且设备的可靠性指标应高于系统的可靠性指 标 ， 所以进行第一次全面测试时 ， 测试总时间可能会 更长一些 。 6 结语 本文讨论了煤矿安全监控系统可靠性指标的测 定 方法 ， 提出 了确定 系统失 效范 围、 限定 试验 系统 规 模和试验环境应力设计 的一些设想 ， 提出了 2种系 统可靠性指标测定方法并比较了各 自的优缺点。通 过比较， 笔者认为采用间接测定法 比较适合煤矿安 全监控系统可靠性指标的测定。 参考文献 [ 1 ] 张增照 ， 潘 勇． 电子产品可靠性预计 [ M] ． 北京 科 学 出版社， 2 0 0 7 ． 卢明银， 徐人平． 系统可靠性[ M] ． 北京 机械工业 出版 社 ， 2 0 0 8 ． 国家标准局． G B 5 0 8 0 ． 1 8 6 设 备可靠 性试验 总要求 [ s ] ． 北京 中国标准出版社 ， 1 9 8 7 ． 国家标准局． G B 5 0 8 0 ． 7 8 6设备可靠性试验 恒定失 效率假设下的失效率与平均无故障时间的验证试验方 案I s ] ． 北京 中国标准 出版社， 1 9 8 7 ． 中华人 民共和 国机械 电子工业部． G B 1 1 4 6 3 8 9电子 测量仪 器 可 靠性 试 验 [ S ] ． 北 京 中国 标 准 出版 社 ， 1 9 89 ． 国家安全 生产监督 管理 总局． A Q6 2 O l --2 o o 6煤矿安 全监控 系统通用技术要求 [ S ] ． 北京 煤炭工业出版社 ， 2 00 6． ] ] ] ] ] l竺J