基于自適應(yīng)天線的煤礦提升機無線傳輸系統(tǒng)研究

史慶順

【摘 要】 煤礦提升機監(jiān)控采用有線傳輸時存在布線、檢修困難等問題，而傳統(tǒng)的無線傳輸方式則存在信號覆蓋范圍小、無法適應(yīng)井筒復(fù)雜環(huán)境的弊端。為了提高提升機監(jiān)控效率以及提升機運行安全保證能力，提出一種提升機無線傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用的自適應(yīng)天線依據(jù)無線信號強弱對發(fā)射頻率、工作狀態(tài)等參數(shù)進行調(diào)整，從而構(gòu)建覆蓋井筒的無線局域網(wǎng)并將提升機中的無線攝像頭、無線電話等設(shè)備進行無線連接，實現(xiàn)對天輪、鋼絲繩、罐籠內(nèi)部等設(shè)施的遠(yuǎn)程視頻、音頻監(jiān)控?，F(xiàn)場應(yīng)用后，無線傳輸系統(tǒng)視頻、音頻數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量佳，傳輸過程中不存在卡滯、信號中斷問題。研究成果可在一定程度上提升煤礦提升機運行保證能力。

【關(guān)鍵詞】 礦井運輸;提升機;井筒;無線傳輸

井工開采時提升機是煤炭、矸石、設(shè)備以及人員等上下井的主要設(shè)備，提升機頻繁啟動會引起天輪、減速器、電動機等易損件出現(xiàn)故障，因此對提升機運行狀態(tài)、過程等進行監(jiān)控對提高提升機運行可靠性具有重要意義。

1無線傳輸自適應(yīng)天線

天線是無線傳輸系統(tǒng)核心設(shè)備之一，天線性能直接影響無線傳輸數(shù)據(jù)可靠性以及傳輸距離。

1.1天線傳輸頻率優(yōu)選

提升機井筒內(nèi)壁會有明顯的凹凸、結(jié)構(gòu)狹長，內(nèi)部布置有各種鋼結(jié)構(gòu)以及運輸設(shè)備，且井筒內(nèi)電磁環(huán)境較為復(fù)雜。為了提升無線傳輸效率，必須根據(jù)井筒結(jié)構(gòu)優(yōu)選最佳的無線傳輸頻率。通過對山西某礦350m覆井井筒進行大量的實測，發(fā)現(xiàn)頻率段在1.5GHz～2.7GHz間時無線傳輸覆蓋范圍以及傳輸可靠性最優(yōu)，可滿足井筒數(shù)據(jù)無線傳輸需要。為了更好地適應(yīng)井筒無線傳輸需要，將1.5～2.7GHz劃分成3個頻段（分別為1.5～1.7、1.9～2.1、2.3～2.6）。采用基于射頻鎖相環(huán)、ARM單片機等構(gòu)成的無線傳輸天線，可根據(jù)無線信號強弱自動選擇合適的工作頻率。

1.2輻射波束

輻射波束跟輻射單元位置、數(shù)量、單元激勵的相位、結(jié)構(gòu)以及幅度等參數(shù)密切相關(guān)。無線傳輸天線內(nèi)置的ARM根據(jù)無線傳輸信號強弱調(diào)整移相互器、功分器輸出，并調(diào)整輻射單元位置、數(shù)量以及單元激勵的相位等參數(shù)，從而實現(xiàn)輻射波束自適應(yīng)調(diào)整，從而確保無線傳輸天線的最大輻射波束始終面向移動中的罐籠。將無線天線布置在井筒上部橫梁之上，根據(jù)無線信號強弱自動調(diào)整工作狀態(tài)，具體輻射波束范圍見圖1。

1.3無線傳輸中的自適應(yīng)天線結(jié)構(gòu)

天線結(jié)構(gòu)包括有4個整齊排布的單元天線，間距相等，單元天線上兩層為矩形輻射貼片，均覆蓋在FR4介質(zhì)板上（厚度為1mm）。由于饋電網(wǎng)絡(luò)會產(chǎn)生較大的電磁輻射，為此將饋電網(wǎng)絡(luò)置于第三層貼片之上。具體天線結(jié)構(gòu)見圖2。

2無線傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

提升機無線傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中前端采集設(shè)備通過無線網(wǎng)絡(luò)經(jīng)中繼器傳輸至地面調(diào)度設(shè)備，具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖3。

2.1.1前端采集設(shè)備

前端采集設(shè)備主要由無線電話、無線攝像頭、傳輸天線等構(gòu)成，其中在罐籠以及天輪位置均布置有無線攝像頭。

通過在罐籠內(nèi)布置無線攝像頭以及無線電話可實時掌握罐籠內(nèi)部情況，在天輪、油缸以及鋼絲繩等關(guān)鍵位置布置無線攝像頭可監(jiān)測設(shè)備運行情況，及時發(fā)現(xiàn)存在的潛在故障。無線攝像頭及無線電話采集的視頻以及音頻信號通過傳輸天線以無線信號形式傳輸給中間轉(zhuǎn)接設(shè)備。具體前端采集設(shè)備內(nèi)自適應(yīng)無線天線、無線攝像頭及無線電話工作參數(shù)見表1。

2.1.2中繼器

中繼器內(nèi)結(jié)構(gòu)主要包括有2個無線天線（分別負(fù)責(zé)信號接收、信號傳輸）、中級分站等，將中繼器布置在井筒頂部橫梁上，從而確保井筒內(nèi)無信號盲區(qū)，并將前端采集裝置收集到的無線信號傳輸給地面調(diào)度室。具體中繼器技術(shù)參數(shù)見表2。

2.1.3地面調(diào)度室

地面調(diào)度室內(nèi)設(shè)備包括有無線天線、服務(wù)器以及專用PC等，其中無線天線用以接收中繼器傳輸?shù)臒o線信號，服務(wù)器對視頻數(shù)據(jù)、語音數(shù)據(jù)進行分析、處理后，在專用PC上顯示。

2.2系統(tǒng)功能

遠(yuǎn)程語音通話：提升機內(nèi)的無線電話可與監(jiān)控室內(nèi)的電話進行直接通話，同時主、副井筒罐籠內(nèi)的無線電話也可互相通話，從而在一定程度上提升信息傳輸效率。

遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控：通過無線攝像頭實現(xiàn)對罐籠、井筒內(nèi)部以及天輪、鋼絲繩等實時監(jiān)控，從而為后續(xù)的故障排除、糾正作業(yè)人員違規(guī)操作等創(chuàng)造良好條件。

安全廣播：當(dāng)提升機運行時出現(xiàn)緊急情況時，可通過安全廣播提醒人員緊急撤離。無意外情況發(fā)生時可播放交班信息或者音樂，緩解工作人員疲憊精神狀態(tài)。

3現(xiàn)場應(yīng)用分析

山西某礦副井井筒直徑為8.0m，配備落地式多繩提升機（型號JKMD-3.25×4（I）E）滾筒寬度、直徑分別為1.8m、3.25m，最大提升高度為482.8m，天輪直徑3.25m，鋼絲繩間距為300mm，采用的減速器傳動比為11.2，提升速度最大8.08m/s。電動機額定運行功率為1000kW、轉(zhuǎn)速為546r/min。

礦井提升機無線傳輸系統(tǒng)于2020年5月投入使用，在使用過程中采用便攜式頻譜儀對提升機罐籠、井筒橫梁頂部位置的無線攝像頭、無線電話以及無線天線等輸出功率、頻率等進行測定。提升機罐籠從井口向井底車場運輸過程中頂部恒梁上無線天線發(fā)射頻率呈逐漸增加趨勢，距離變化范圍介于-60～20db·m;工作頻率呈逐漸降低趨勢，具體頻率范圍在1.5～2.7GHz間。表明井筒布置的無線傳輸系統(tǒng)可根據(jù)運行環(huán)境需要對工作參數(shù)進行調(diào)整，確保系統(tǒng)無線傳輸質(zhì)量始終處于最佳狀態(tài)。無線傳輸系統(tǒng)無線信號可實現(xiàn)井筒全覆蓋、傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸質(zhì)量佳。無線傳輸平均能耗在3W以內(nèi)，相對于其他固定頻率的無線傳輸設(shè)備能耗降低約73%，此外無線傳輸系統(tǒng)傳輸?shù)囊曨l畫面清晰、音頻流暢，基本無卡頓現(xiàn)象。

4總結(jié)

針對礦井井筒狹長、電磁環(huán)境復(fù)雜以及設(shè)備安裝、檢修困難等問題，提出了一種集視頻、語音等功能為一體的無線傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用的自適應(yīng)天線可根據(jù)無線信號強弱調(diào)整信號傳輸頻率以及傳輸功率，確保井筒內(nèi)無線數(shù)據(jù)可始終高質(zhì)量傳輸。

現(xiàn)場應(yīng)用后，無線傳輸系統(tǒng)獲取到的音頻、視頻均無卡滯情況，傳輸輸電以及可靠性可滿足提升機安全監(jiān)控需要。

【參考文獻】

[1]肖揚.多路信號無線傳輸技術(shù)研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2020.

[2]趙新平.煤礦井下高低壓開關(guān)測溫?zé)o線傳輸系統(tǒng)研究與應(yīng)用[J].電子技術(shù)與軟件工程，2020（9）：219-220.

[3]馬光，史二聽，曲立文，等.煤礦主提升設(shè)備動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)[J].工礦自動化，2011，37（12）：93-95.

[4]李娟莉，王健，楊兆建.基于三層信息融合的提升機制動系統(tǒng)故障診斷[J].振動、測試與診斷，2018，38（2）：407-412，426.

[5]魏志成，王勤賢，楊兆建.基于GPRS/CDMA的礦井提升機關(guān)鍵運行數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計[J].煤礦機械，2014，35（7）：217-219.

[6]劉霞，高靜，龐雪.無線視頻監(jiān)控在罐籠提升過程中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017（15）：136.

[7]何偉，靳昌軍，劉瑞存，等.無線傳輸?shù)奶嵘龣C故障診斷系統(tǒng)[J].能源技術(shù)與管理，2016，41（1）：115-117.

[8]陳輝，羅建中，鄭懷鵬，等.基于無線傳輸?shù)亩嗬K摩擦式提升機載荷監(jiān)測系統(tǒng)[J].礦山機械，2010，38（13）：47-50.