基于礦井3G通信網(wǎng)絡的防爆膠輪車監(jiān)測系統(tǒng)

天地（常州）自動化股份有限公司 劉豐禎

引言

煤礦井下運輸系統(tǒng)中，以膠帶機為主運輸運送原煤，輔助運輸系統(tǒng)承擔人員、設備和生產(chǎn)物資的運輸任務，機車運輸是輔助運輸?shù)闹饕绞街弧７辣瑹o軌膠輪車不受軌道限制，機動靈活、適應性強、安全高效、應用范圍廣，是一種較為先進的輔助運輸機車，自上世紀80年代引入國內(nèi)后發(fā)展迅速。中國中西部大型煤炭集團的下屬礦井基本采用防爆無軌膠輪車作為輔助運輸工具，極大程度上降低了工人的勞動強度，提高了生產(chǎn)效率；簡化了輔助運輸環(huán)節(jié)，減少了事故點，提高了工效和安全性。

為保證煤礦安全，有效保護車輛，礦用防爆無軌膠輪車安全規(guī)程規(guī)定下井防爆膠輪車必須安裝機車監(jiān)控保護裝置，對車輛的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測和停車保護。但監(jiān)控保護裝置的監(jiān)測數(shù)據(jù)僅以儀表形式供駕駛員參考，而各大礦井均缺乏監(jiān)管車輛運行狀態(tài)的設備和系統(tǒng)，由于司機素質(zhì)參差不齊，運輸過程時常發(fā)生超速行駛等違章駕駛事件，信息不能實時監(jiān)控導致礦井膠輪車運輸管理部門無法掌握相關信息，所以礦井膠輪車運輸中的違章事件得不到有效的監(jiān)管、違章操作不能有效地遏制、車輛保護措施不能有效實施，甚至危及到車輛、人員和礦井安全。

防爆膠輪車的靈活度高，但由于車輛經(jīng)防爆處理后的，車身自重較高，燃油效率低，油耗普遍較高，百公里油耗達100L，運營成本高。礦井膠輪車運輸系統(tǒng)中不完善或缺乏的調(diào)度指揮設施，導致上下井中負載不足，或僅半程裝配物料、半程空載，頻繁指揮車輛執(zhí)行物資單送達、單回收的任務，出車率居高不下，影響輔助運輸系統(tǒng)的運營效率和成本。各大礦井均建立了小靈通等礦井移動通信系統(tǒng)，在礦井中作業(yè)人員能與他們的通信對象保持及時有效的聯(lián)系，人員活動將得到有效的組織，能夠提高作業(yè)效率，減少生產(chǎn)貽誤。針對輔助運輸系統(tǒng)的機車通訊系統(tǒng)普遍采用泄漏通信的方式，信號遠距離傳送效果差，泄漏電纜的續(xù)接架構可靠性低，實施效果普遍較差。并且機車通訊設備的響度低、抗噪聲能力差，基本滿足電機車環(huán)境，但無法適應噪音強烈的防爆膠輪車運行環(huán)境。部分礦井借助移動通信系統(tǒng)，為膠輪車運輸部門配套小靈通、WIFI手機等人員通訊設備，音量小、需要定期充電，在膠輪車運行環(huán)境中的使用效果更弱于現(xiàn)有的機車通訊設備。礦井的膠輪車運輸系統(tǒng)需要加強調(diào)度指揮，提高運輸效率、降低出車率，節(jié)省輔助運輸系統(tǒng)的運營燃油成本。

機車監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)以礦井已有的無線通信覆蓋網(wǎng)絡和車輛出廠安裝的監(jiān)控保護裝置為基礎，通過配套的車載3G通信終端裝備和管理軟件，實現(xiàn)煤礦井下防爆膠輪車運行工況信息的實時監(jiān)測和運輸過程的調(diào)度指揮，能夠提高膠輪車運輸?shù)男?，能夠加強礦井輔助運輸?shù)陌踩芾?，遏制違章駕車事件，并為輔助運輸系統(tǒng)運營的統(tǒng)計考核、車輛的維護保養(yǎng)提供依據(jù)信息。

1 系統(tǒng)總體架構

礦井3G通信網(wǎng)絡與地面商用通信網(wǎng)絡相比，數(shù)據(jù)傳輸帶寬受到較大的限制、上行帶寬不足2M，但防爆無軌膠輪車運輸數(shù)據(jù)量較小、變化速率低，不涉及控制和反饋、對傳輸帶寬和實時性要求不高，因此，借助礦井建設的3G通信網(wǎng)絡實現(xiàn)井下車輛運行狀態(tài)的實時監(jiān)控是完全可行的。防爆膠輪車監(jiān)測系統(tǒng)僅需為無軌膠輪車配置具備3G數(shù)據(jù)傳輸功能的通信終端，并設置服務器的網(wǎng)絡地址和端口號；系統(tǒng)運行時，終端與服務器建立連接，將車輛運行工況數(shù)據(jù)通過3G網(wǎng)絡上傳到監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)服務器?；诘V井3G網(wǎng)絡的防爆膠輪車監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構如圖1所示。

圖1 基于礦井3G網(wǎng)絡的防爆膠輪車監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構

圖2 通信終端框圖

數(shù)據(jù)服務器通過通信網(wǎng)絡獲取車輛通信終端上傳的車輛環(huán)境參數(shù)和運行參數(shù)，進行數(shù)據(jù)信息的顯示、統(tǒng)計、存儲和查詢。車輛通信終端在投入運行前，需要通過系統(tǒng)軟件設置設備的工作參數(shù)，如數(shù)據(jù)接口的速率、數(shù)據(jù)格式、服務器的網(wǎng)絡IP地址和端口號等。

2 通信終端設計

2.1 車輛工況數(shù)據(jù)獲取

系統(tǒng)獲取的無軌膠輪車運行工況數(shù)據(jù)來源于車輛裝配的監(jiān)控保護裝置。國內(nèi)廠商研制的防爆膠輪車配套的機車監(jiān)控保護裝置以YE0.3/24型柴油機車監(jiān)控保護儀[2-3]為主。該保護儀由監(jiān)控主機、顯示器和傳感元件組成，監(jiān)測并顯示車輛的行駛速度、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、發(fā)動機表面溫度、排氣溫度、冷卻水溫度、機油溫度、冷卻水水位、機油壓力和環(huán)境瓦斯等參數(shù)，超限時聲光報警、控制停車，可以統(tǒng)計行駛里程、發(fā)動機運轉(zhuǎn)時間和油耗等信息，具備RS232和RS485總線傳輸接口。通信終端設計與監(jiān)控保護儀配接的總線通信接口，監(jiān)聽獲取監(jiān)控保護儀檢測的無軌膠輪車的實時運行數(shù)據(jù)。

2.2 終端設計

通信終端（見圖2）設計為輕便的礦用澆封兼本安型，體積??；澆封電源模塊輸入為機車供配電裝置提供的非安直流24V電源，經(jīng)電源保護柵處理成本安12V直流電源、由DCDC電路降壓為5V，為設備內(nèi)各電路單元供電。微處理器采用Cor t ex-M3內(nèi)核的ARM芯片，通過集成的多路UART與內(nèi)部3G模塊相接，或轉(zhuǎn)換為RS232接口與外部的機車監(jiān)控儀相接。為提高通信終端與不同型號的機車監(jiān)控保護裝置的兼容性，通信終端預留了CAN總線接口。

國內(nèi)移動通信設備生產(chǎn)廠商推出了諸多3G通信模組，內(nèi)部嵌入網(wǎng)絡傳輸?shù)腡CP協(xié)議，具備UART、USB等通訊接口，可直接使用微處理器向其發(fā)送“@”指令控制模組實現(xiàn)建立網(wǎng)絡連接和數(shù)據(jù)接收、發(fā)送功能。通信終端接收機車監(jiān)控儀的運行數(shù)據(jù)，并通過3G模組向設定的監(jiān)控中心IP地址發(fā)送實時數(shù)據(jù)，接口電路如圖3所示。

2.3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件可實時顯示車載通信終端上傳的車輛溫度、液位、速度、甲烷、機油壓力等運行參數(shù)數(shù)據(jù)，參數(shù)超限或設備故障時系統(tǒng)軟件報警提示。軟件可通過定位系統(tǒng)獲取車輛位置信息，并按照巷道圖實時顯示。

圖3 采用華為MC323的3G通信接口電路

調(diào)度指揮系統(tǒng)軟件可對系統(tǒng)采集獲取的數(shù)據(jù)實時存儲到服務器，并提供查詢和報表打印功能；調(diào)度指揮系統(tǒng)軟件具有統(tǒng)計分析功能，可以統(tǒng)計車輛運行里程、發(fā)動機運行時間，可分析出車率，為車輛管理和保養(yǎng)提供依據(jù)；系統(tǒng)軟件提供數(shù)據(jù)共享端口，便于車輛運維管理等其它系統(tǒng)調(diào)用。

3 結(jié)語

神華神東煤炭集團公司錦界煤礦，在用下井車輛200余臺，運輸范圍長達30km。該煤礦為加強車輛管理，建設了基于礦井CMDA2000制式的3G通信網(wǎng)絡的防爆膠輪車監(jiān)測系統(tǒng)，并連續(xù)運行6個月無故障。

基于礦井3G通信網(wǎng)絡的無軌膠輪車監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)井下車輛運行工況的實時監(jiān)測，有利于礦井加強對輔助運輸系統(tǒng)、設備、人員的監(jiān)管，為運輸安全提供保障。系統(tǒng)以礦井已有的3G通信網(wǎng)絡為基礎，不僅能夠避免重復建設投入，也可充分利用3G網(wǎng)絡良好的無線傳輸特性，保證系統(tǒng)的可靠性。與數(shù)據(jù)業(yè)務相比，礦井3G通信網(wǎng)絡的通訊通話功能更為專業(yè)，系統(tǒng)可借助該網(wǎng)絡和終端進一步實現(xiàn)機車調(diào)度通訊功能，提高礦井的輔助運輸效率。

[1]MT/T989—2006 礦用防爆柴油機無軌膠輪車通用技術條件[M].國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局:煤炭工業(yè)出版社.

[2]李飛,陳亞等.一種新型的膠輪車安全保護裝置[J].常州:工礦自動化,2009.

[3]張立斌,汪學明,程劉勝.一種新型礦用柴油機車保護裝置的設計[J].常州:工礦自動化,2011.

[4]王永軍.3G無線通訊系統(tǒng)在大柳塔煤礦的應用[J].西安:陜西煤炭,2013.