基于UWB技術(shù)的采煤機(jī)位置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

王雪松

(太重煤機(jī)有限公司，山西 太原 030032)

·試驗(yàn)研究·

基于UWB技術(shù)的采煤機(jī)位置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

王雪松

(太重煤機(jī)有限公司，山西 太原 030032)

采用UWB(超寬帶)技術(shù)實(shí)現(xiàn)綜采工作面采煤機(jī)位置和方向監(jiān)測(cè)，介紹了硬件設(shè)計(jì)方案、距離計(jì)算方式和定位的處理過(guò)程。該檢測(cè)系統(tǒng)具有安裝方便、成本低、抗干擾能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)性高等特點(diǎn)，能滿(mǎn)足煤礦自動(dòng)化、智能化采煤的技術(shù)需求。

UWB(超寬帶)；采煤機(jī)位置；采煤機(jī)方向；監(jiān)測(cè)；定位方法

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型發(fā)展，煤炭行業(yè)加快了產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和轉(zhuǎn)型速度，減少全國(guó)煤礦數(shù)量，增加大型煤礦的比重。同時(shí)，在各大中型煤礦中，推進(jìn)落實(shí)自動(dòng)化、智能化采煤的進(jìn)度。在煤礦綜采工作面中，采煤機(jī)位置和方向是實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)、液壓支架和刮板輸送機(jī)3種主要生產(chǎn)設(shè)備聯(lián)合智能化動(dòng)作的重要信息。因此，能可靠、快速地獲得采煤機(jī)的位置和方向極其重要。

目前，主要有2種采煤機(jī)位置和方向監(jiān)測(cè)方法：齒輪計(jì)數(shù)和紅外監(jiān)測(cè)。齒輪計(jì)數(shù)是通過(guò)監(jiān)測(cè)采煤機(jī)行走齒輪的轉(zhuǎn)速和方向，并結(jié)合工作面的長(zhǎng)度，計(jì)算出采煤機(jī)行走的位置和方向[1，2]. 最后，該信息以CAN或RS485總線(xiàn)接口的方式，通過(guò)采煤機(jī)隨機(jī)電纜的信號(hào)線(xiàn)傳輸至監(jiān)控中心。這種方式存在的缺點(diǎn)是：計(jì)數(shù)器的安裝比較困難；隨機(jī)電纜的信號(hào)線(xiàn)易受三相交流電1 140 V或3 300 V的干擾；其傳輸速率不能太高，一般只有9.6 kbps；隨機(jī)電纜易斷，造成通信中斷。紅外監(jiān)測(cè)則在采煤機(jī)上安裝紅外發(fā)射器，在每臺(tái)液壓支架上安裝紅外接收器，通過(guò)雙方的收發(fā)確定采煤機(jī)的位置和方向。這種方式需要安裝的紅外接收器較多，存在成本較高、安裝和維護(hù)工作量較大的缺點(diǎn)[3].

UWB(Ultra Wideband)的中文名為超寬帶，該技術(shù)采用超過(guò)1GHz帶寬且不用載波的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)[4]. 本文提出通過(guò)測(cè)量UWB無(wú)線(xiàn)信號(hào)的傳輸時(shí)間來(lái)確定UWB收發(fā)裝置之間的距離，進(jìn)而計(jì)算出安裝在采煤機(jī)上的UWB無(wú)線(xiàn)發(fā)射主機(jī)的位置[5，6]. 同時(shí)，根據(jù)采煤機(jī)位置的變化，推斷采煤機(jī)的運(yùn)行方向。該方法具有穿透能力強(qiáng)、定位精確、傳輸速率高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

1 設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)連接圖見(jiàn)圖1. 整個(gè)系統(tǒng)主要由UWB無(wú)線(xiàn)收發(fā)主機(jī)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)：主機(jī))、UWB無(wú)線(xiàn)收發(fā)從機(jī)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)：從機(jī))、巷道監(jiān)控主機(jī)以及相關(guān)的連接線(xiàn)纜組成。主機(jī)安裝在采煤機(jī)上，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)收發(fā)和處理定位信息、時(shí)間校準(zhǔn)等功能。從機(jī)安裝在液壓支架上，每隔10臺(tái)液壓支架安裝1個(gè)，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)定位信息的應(yīng)答處理、與相鄰從機(jī)通信、與巷道監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋Ｍ粫r(shí)間，至少有兩個(gè)從機(jī)接收到主機(jī)的定位信息。監(jiān)控主機(jī)則利用其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)位置和方向信息的圖文顯示、存儲(chǔ)、查詢(xún)以及把數(shù)據(jù)分享至其它監(jiān)控設(shè)備等功能。

1.1 主從機(jī)硬件設(shè)計(jì)

電路原理示意圖見(jiàn)圖2. 主機(jī)和從機(jī)采用相同的電路結(jié)構(gòu)，主要由單片機(jī)模塊、UWB調(diào)制解調(diào)器、恒溫晶振、天線(xiàn)、電池和電源緩沖模塊等組成。

圖1 系統(tǒng)連接圖

圖2 電路原理示意圖

通常采煤機(jī)的運(yùn)行速度比較慢，較快的為20 m/min，因此，不用頻繁地計(jì)算采煤機(jī)的位置信息。如果每5 s計(jì)算一次，采用2節(jié)干電池供電，從機(jī)至少可使用2年。較為例外的是：主機(jī)的計(jì)算量相對(duì)較大，需要由采煤機(jī)供電；從機(jī)1和巷道監(jiān)控主機(jī)通信時(shí)，較為耗電，需要額外提供電源。電源緩沖模塊電源原理示意圖見(jiàn)圖3.

圖3 電源緩沖模塊電源原理示意圖

結(jié)合采煤機(jī)電源輸出和礦用電子產(chǎn)品的基本特性，在電源緩沖電路的設(shè)計(jì)上采用2個(gè)二極管。另外，為了防止在上電瞬間，輸入電壓過(guò)大，造成后級(jí)電路元器件的損壞，采用了1個(gè)MOS管作為緩沖電路的主芯片。在上電瞬間，MOS管截止，電流經(jīng)過(guò)電阻R38，也就是通過(guò)電阻分壓，以降低后級(jí)電路的電壓。電壓的跳變時(shí)間，主要由C51和R42決定。即，當(dāng)C51充滿(mǎn)電后，MOS管導(dǎo)通，電流不經(jīng)過(guò)R38. 這時(shí)，VIN和VOUT幾乎相等，兩者相差D7和D8兩個(gè)二極管的壓降。

1.2 距離計(jì)算方式

在本設(shè)計(jì)方案中，采用TOA作為測(cè)距的主要方法，由于需要傳輸數(shù)據(jù)，故結(jié)合TDOA的應(yīng)答通信方式。即由主機(jī)定期地主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)，在該數(shù)據(jù)中包括時(shí)間校準(zhǔn)信息、上一次的定位結(jié)果、接收從機(jī)號(hào)等。相應(yīng)的從機(jī)接收到該信息后，在校準(zhǔn)時(shí)間的同時(shí)，返回一個(gè)應(yīng)答幀給主機(jī)，包括接收時(shí)間、巷道傳輸?shù)拿睢⑾噜弿臋C(jī)距離、接收從機(jī)號(hào)等。主機(jī)則通過(guò)接收到的時(shí)間計(jì)算與該從機(jī)的距離。

1.3 天線(xiàn)防護(hù)設(shè)計(jì)

采煤機(jī)運(yùn)行的工況非常惡劣，經(jīng)常會(huì)有煤塊往下掉。主機(jī)的天線(xiàn)需要裸露在外面，不能放置在采煤機(jī)控制箱里面。為了降低多徑傳輸、反射等影響，并且主機(jī)和從機(jī)的安裝位置相對(duì)固定，在天線(xiàn)的選擇上，選用定向天線(xiàn)，為一個(gè)特定形狀的PCB板。在實(shí)際使用時(shí)，PCB板難以承載煤塊掉下來(lái)的力量。為了加強(qiáng)對(duì)天線(xiàn)的保護(hù)，設(shè)計(jì)了1個(gè)5 mm厚的塑料天線(xiàn)保護(hù)殼。該保護(hù)殼在一定程度上會(huì)使無(wú)線(xiàn)信號(hào)衰減，然而經(jīng)實(shí)測(cè)，對(duì)主機(jī)和從機(jī)的收發(fā)距離影響不大。

1.4 系統(tǒng)處理過(guò)程

事先在監(jiān)控主機(jī)上設(shè)置好相鄰從機(jī)的距離、液壓支架中心距、第1臺(tái)和最后1臺(tái)從機(jī)的安裝位置、主機(jī)和從機(jī)的收發(fā)頻率等信息。然后，主機(jī)定期發(fā)送定位信息請(qǐng)求幀，從機(jī)接收到之后立刻返回應(yīng)答幀。主機(jī)通過(guò)接收到的應(yīng)答數(shù)據(jù)幀的時(shí)間，計(jì)算出主機(jī)與最近2臺(tái)從機(jī)的距離。相鄰2個(gè)從機(jī)之間會(huì)通信，并實(shí)時(shí)更新它們之間的距離信息。主機(jī)通過(guò)應(yīng)答幀獲得這兩臺(tái)從機(jī)所安裝的液壓支架編號(hào)和它們之間的距離后，采用三角函數(shù)計(jì)算公式，計(jì)算出主機(jī)在液壓支架垂直位置上距離2臺(tái)從機(jī)的長(zhǎng)度。并結(jié)合液壓支架的中心距，得出采煤機(jī)的位置。通過(guò)比較連續(xù)3次采煤機(jī)位置信息的變化，得出采煤機(jī)的運(yùn)行方向。主機(jī)計(jì)算出來(lái)的位置信息，以UWB無(wú)線(xiàn)的方式傳給從機(jī)，最終，通過(guò)從機(jī)1的RS485或CAN總線(xiàn)，把位置信息傳輸給巷道的監(jiān)控主機(jī)。

1.5 誤差校準(zhǔn)

工作面兩邊巷道中心距之間一般有100～310 m的長(zhǎng)度，期間的煤層高低起伏，且有一定的傾角。無(wú)線(xiàn)信號(hào)在這樣的空間里面?zhèn)鬏敚y免會(huì)受到干擾，且計(jì)算出來(lái)的距離有一定的誤差。消除的方法是在刮板輸送機(jī)兩邊埋藏磁鐵塊，在采煤機(jī)上通過(guò)干簧管檢測(cè)。由于磁鐵塊的相對(duì)位置固定，該位置和UWB無(wú)線(xiàn)方式計(jì)算出來(lái)的相比較，通過(guò)其差值自行校準(zhǔn)無(wú)線(xiàn)定位的數(shù)據(jù)，從而確保本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的精度。

1.6 安裝位置

由于UWB屬于超高頻信號(hào)，若受到金屬、人體、煤塊等遮擋，無(wú)線(xiàn)信號(hào)容易衰減或發(fā)生多徑傳輸?shù)默F(xiàn)象，這時(shí)計(jì)算出來(lái)的距離精度大大降低。因此，在以金屬為主的采煤機(jī)和液壓支架的設(shè)備中，尋找合適的安裝位置極為重要。為了避免無(wú)線(xiàn)傳輸通道受到遮擋，通常把主機(jī)安裝在采煤機(jī)的左/右牽引部，其天線(xiàn)朝向從機(jī)的安裝位置，并在靠近煤壁的方向加裝防護(hù)罩，防止煤塊把天線(xiàn)砸壞。從機(jī)則安裝在液壓支架立柱前面的頂板上，以避免行人的影響。另外，從機(jī)的天線(xiàn)朝向主機(jī)的安裝位置。

2 結(jié) 論

本文將UWB技術(shù)應(yīng)用在煤礦綜采工作面中，不僅實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)位置和方向的監(jiān)測(cè)，而且在安裝和使用中較為獨(dú)立，可脫離液壓支架電液控制系統(tǒng)和采煤機(jī)的電氣控制系統(tǒng)，且具有功耗低、定位精確、安裝方便等特點(diǎn)，符合煤礦綜采工作面的使用條件，具有很好的應(yīng)用前景。

[1] 王亦清.采煤機(jī)位置監(jiān)測(cè)智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械，2010，10(8)：18-20.

[2] 夏護(hù)國(guó).采煤機(jī)位置監(jiān)測(cè)裝置的原理與應(yīng)用[J].礦山機(jī)械，2007，11(2)：28-29.

[3] 張連昆.基于超聲波技術(shù)的采煤機(jī)位置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2010，5(4)：7-9.

[4] 蔡新梅.UWB技術(shù)在船舶避碰領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].艦船電子工程，2014，8(5)：11-12.

[5] 楊 楠.基于UWB的礦井人員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2015，2(1)：16-18.

[6] 蔡新梅.基于UWB技術(shù)的船舶避碰系統(tǒng)抗干擾研究[J].艦船電子工程，2015，1(6)：8-10.

[7] 戴 龍.基于通訊行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的UWB系統(tǒng)概述[J].網(wǎng)絡(luò)與信息工程，2014，11(2)：17-18.

[8] 景新幸.一種1 V低電壓全數(shù)字3.1～10.6 GHz IR-UWB發(fā)射機(jī)[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2014，12(3)：13-14.

[9] 賀廣宇.UWB高精度定位中的信道估計(jì)及均衡技術(shù)研究[J].西安電子科技大學(xué)，2010，7(4)：15-17.

Position Monitoring System of Shearer Based on UWB Technology

WANG Xuesong

Ultra wide band technology is used to monitor the position and direction of shearer in fully mechanized coal mining face, and the hardware design scheme, distance calculation method and positioning process are introduced. The detection system has the characteristics of convenient in installation, low in cost, strong in anti-interference, reflect the realtime data in live. It satisfies the technical requirements for coal mining automation and intelligent coal mining.

Ultra wide band; Shearer location; Shearer direction; Monitoring; Location method

2016-00-00

王雪松(1982—)，男，河北井陘人，2007年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，工程師，主要從事煤機(jī)自動(dòng)化設(shè)計(jì)與研究工作

(E-mail)wxs-119@163.com

TD421.6

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1672-0652(2016)09-0004-03