基于433MHz技術(shù)的采煤機與順槽設(shè)備無線通訊方案

文/王雪松 王慧明

基于433MHz技術(shù)的采煤機與順槽設(shè)備無線通訊方案

文/王雪松 王慧明

采煤機作為綜采工作面的核心設(shè)備，與順槽設(shè)備遠(yuǎn)程通訊的數(shù)據(jù)實時穩(wěn)定傳輸能力決定著遠(yuǎn)程監(jiān)控采煤機的可靠性和安全性。采煤機與順槽設(shè)備通訊具有距離長、采煤機的移動性、工作時電纜往返折返性、周圍環(huán)境惡劣等特點，因此對通訊設(shè)備有著特殊技術(shù)要求。本文針對有線通訊在采煤機與順槽設(shè)備通訊的缺點，以及井下在用無線通訊技術(shù)的瓶頸問題，提出一種適用于采煤機與順槽設(shè)備通訊的可靠、經(jīng)濟、合理的無線通訊技術(shù)方案。

一、各傳輸方式的特點

1.有線通訊方式

有線通訊方式的傳輸媒介采用采煤機供電電纜內(nèi)的雙絞屏蔽控制芯線或井下專用的鎧裝光纜。由于采煤機與順槽設(shè)備距離較長（500m左右），經(jīng)實際使用和概率測算，電纜或光纜在采煤機往返工作時，平均三個月即會出現(xiàn)線芯折斷或虛接等故障，導(dǎo)致通訊中斷，難以滿足通訊的持續(xù)穩(wěn)定性。且井下環(huán)境惡劣，維護更換難度大，大大增加了自動化工作面的維護運營成本。

2.無線通訊方式

無線通訊方式多采用Wi-Fi或4G技術(shù)，其共同特點：數(shù)據(jù)帶寬大，傳輸效率快。Wi-Fi在工作面繞射能力較差，布置基站較多（300米工作面隔50米布置一個），在基站之間漫游時，會有數(shù)秒的中斷延時，嚴(yán)重影響采煤機遠(yuǎn)程控制的安全；4G具有通訊距離遠(yuǎn)，實時、可靠傳輸數(shù)據(jù)，但設(shè)備成本昂貴（單套100萬元以上）。

3.無線433MHz技術(shù)

433MHz是我們國家的免申請段發(fā)射接收頻率，屬于ISM頻段，無需授權(quán)許可即可直接使用。433MHz抗干擾強，并支持各種點對點，一點對多點的無線數(shù)據(jù)通訊方式，具有收發(fā)一體、安全隔離、安裝隔離、使用簡單、性價比高、穩(wěn)定可靠等特點，同時433MHz技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸速率能達(dá)到100Kbps，而采煤機收發(fā)數(shù)據(jù)量約為200Bytes，響應(yīng)時間要求小于20ms，完全滿足采煤機執(zhí)行器件動作的實時性。同時，該技術(shù)采用高效GFSK調(diào)制方式，內(nèi)置硬件CRC檢錯和點對多點通信地址控制，自動重發(fā)功能。因此，只需遵守一定的發(fā)射功率，不對其他頻段造成干擾即可使用，與Wi-Fi、4G相比，具有波長短、繞性好，穿透強、成本低等優(yōu)點，更適合井下工作面惡劣工況環(huán)境。目前433MHz無線通訊技術(shù)在國內(nèi)外采煤機遙控系統(tǒng)廣泛應(yīng)用，如果將此技術(shù)應(yīng)用于采煤機數(shù)據(jù)上傳，將有效提高傳輸?shù)目煽啃院桶踩浴?/p>

二、采煤機與順槽設(shè)備無線通訊方案解析

本方案通過在液壓支架和采煤機中增加433MHz無線設(shè)備，它們直接進行無線通訊，液壓支架中無線設(shè)備還負(fù)責(zé)把通訊數(shù)據(jù)通過中繼與順槽設(shè)備進行數(shù)據(jù)傳輸，從而克服順槽距離長、無法中繼、易折斷等缺點。

本方案中采用型號為Si4432的高性能射頻收發(fā)器。SI4432工作頻段為240.0MHz～930.0MHz，輸出功率可達(dá)+20dBm，接收靈敏度達(dá)到-121dBm，可提供對數(shù)據(jù)包處理、數(shù)據(jù)緩沖FIFO、接收信號強度指示(RSSI)、空閑信道評估(CCA)、喚醒定時器、低電壓檢測、溫度傳感器、8位AD轉(zhuǎn)換器和通用輸入/輸出口等功能的硬件支持。

此無線技術(shù)方案由采煤機位置設(shè)備、采煤機無線設(shè)備、液壓支架無線設(shè)備、中繼設(shè)備、順槽設(shè)備組成。

采煤機上的無線模塊為主站，液壓支架上的N多個無線模塊為從站，從站通過有線與順槽的主控器進行通訊，技術(shù)關(guān)鍵點是當(dāng)采煤機在多個從站之間不停游走，如何能與最近的從站進行通訊，需要用到芯片的RSSI功能，即接收信號強度指示，當(dāng)一只模塊與另一只模塊進行通訊時，接收到對方發(fā)回的信息的同時，RSSI寄存器中可以檢側(cè)到接收的無線信號的強度，根據(jù)RSSI值的大小可以判斷不同從站與主站的相對遠(yuǎn)近關(guān)系，RSSI值最大的即是最近的從站。

這就需要在內(nèi)存中建一個結(jié)構(gòu)型數(shù)組，其中有從站地址號和RSSI值，程序不停的掃描附近的從站，并且更新這一數(shù)組，每次更新的同時按RSSI進行從大到小的排序，在該數(shù)組中的第一個即是離采煤機最近的液壓支架上的無線模塊從站。

安裝位置與作用如下：

采煤機位置設(shè)備。安裝在采煤機上，用于在工作面上定位采煤機位置。

采煤機無線設(shè)備。安裝在采煤機上，與液壓支架無線設(shè)備通訊，收發(fā)煤機數(shù)據(jù)與指令。

液壓支架無線設(shè)備。安裝在液壓支架上，間隔一定距離安裝，并具有有線通訊；用于與采煤機無線設(shè)備通訊，同時把數(shù)據(jù)通過有線傳輸給順槽設(shè)備。

中繼設(shè)備。安裝在液壓支架上，在一定距離的液壓支架無線設(shè)備有線傳輸之間安裝，用于對于通訊信號進行功率放大與中轉(zhuǎn)，從而保證通訊速率及通訊的實時性、可靠性。

順槽設(shè)備。安裝在順槽集控中心，是煤機指令的發(fā)送者與數(shù)據(jù)的接收者。設(shè)備在工作面的布置如圖1所示。

圖1設(shè)備布置圖

三、采煤機與順槽設(shè)備無線通訊方案工作流程

系統(tǒng)上電后，首先進行初始化自檢，然后按照如下流程工作：

1．采煤機無線設(shè)備（主）與液壓支架無線設(shè)備通訊（從）。當(dāng)系統(tǒng)啟動以后，采煤機無線設(shè)備首先根據(jù)位置設(shè)備確定自己在工作面中的位置，通過計算，激活離自己最近的液壓支架無線設(shè)備，并與之建立通訊，進行數(shù)據(jù)傳輸，其他液壓支架無線設(shè)備則處于待命狀態(tài)；在工作中，當(dāng)采煤機行走時，采煤機無線設(shè)備根據(jù)位置數(shù)據(jù)及行走方向，啟動離自己最近的液壓支架無線設(shè)備，建立與其通訊，然后斷開離自己漸遠(yuǎn)的液壓支架無線設(shè)備通訊。

2．液壓支架無線設(shè)備與順槽設(shè)備通訊。當(dāng)系統(tǒng)啟動以后，與采煤機無線設(shè)備建立通訊的液壓支架無線設(shè)備，取得令牌，即控制權(quán)，與順槽設(shè)備建立通訊，進行數(shù)據(jù)傳輸；當(dāng)采煤機無線設(shè)備與另一液壓支架無線設(shè)備建立通訊時，令牌也隨著轉(zhuǎn)移，獲得令牌的液壓支架無線設(shè)備繼續(xù)與順槽設(shè)備進行數(shù)據(jù)傳輸，保持傳輸?shù)倪B續(xù)性、穩(wěn)定性。工作流程如圖2所示。

圖2工作流程圖

四、結(jié)語

本方案通過改變采煤機與順槽設(shè)備的通訊媒介與傳輸路徑，即由有線改為無線，由采煤機至順槽設(shè)備改為采煤機至液壓支架至中繼設(shè)備至順槽設(shè)備，采用基于433MHz技術(shù)的無線通訊方案，克服了原有通訊的缺點，使采煤機與順槽的通訊更可靠、穩(wěn)定、實時，相信在以后的自動化、智能化工作面中必將有著廣闊的應(yīng)用前景。

（作者單位：太原重型機械集團煤機有限公司）

（責(zé)任編輯：周 瓊）