礦井提升機(jī)自適應(yīng)無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

閻東慧

(大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司， 山西 大同 037003)

0 引言

礦井提升機(jī)沿井筒提升煤炭、矸石、下放物料、升降人員和設(shè)備[1-2]，頻繁的啟停導(dǎo)致提升機(jī)電動(dòng)機(jī)、減速器、滾筒和天輪等部件極易發(fā)生故障[3-4]，所以，對(duì)提升機(jī)的運(yùn)行過程和運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測尤為重要。文獻(xiàn)[5]利用激光具有波長單一、光速快、測量時(shí)間間隔短、測量精度高的特點(diǎn)，實(shí)時(shí)測量提升機(jī)的方向、位置和速度。文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了一種可以同時(shí)監(jiān)測鋼絲繩張力、斷絲、罐道間距的動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)使用范圍單一的問題。文獻(xiàn)[7]基于信息融合技術(shù)將多傳感器獲得的信息進(jìn)行融合處理，建立了較為精確的提升機(jī)在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)。文獻(xiàn)[8]總結(jié)了立井提升用罐道測試的常用方法，比較了它們的原理、誤差來源、測試精度及經(jīng)濟(jì)性等，介紹了常見缺陷的故障模型，綜合分析了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。但以上文獻(xiàn)大多采用有線通信方式和光纜數(shù)據(jù)傳輸方式，其布線困難，設(shè)備安裝不便，日常檢修維護(hù)的工作量較大。

針對(duì)礦井提升機(jī)有線數(shù)據(jù)傳輸方式存在的問題，近些年國內(nèi)不少學(xué)者研究了無線數(shù)據(jù)傳輸方式。文獻(xiàn)[9]利用GPRS/CDMA網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了提升機(jī)監(jiān)測數(shù)據(jù)的無線傳輸。文獻(xiàn)[10]利用GPRS無線網(wǎng)絡(luò)傳輸提升機(jī)監(jiān)測數(shù)據(jù)，并利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。文獻(xiàn)[11-12]利用無線WiFi建立了提升機(jī)視頻監(jiān)視軟件和音頻通信軟件。這些無線傳輸方式雖然避免了有線通信方式的弊端，但其發(fā)射功率與頻率固定，天線輻射方向固定，導(dǎo)致了無線通信距離有限，信號(hào)無法根據(jù)井筒形狀和長度靈活覆蓋，通信信號(hào)也無法穩(wěn)定傳輸，設(shè)備功耗也較大，電磁波輻射能量效率不高，無法解決深部礦井的無線傳輸問題。

針對(duì)以上問題，本文以山西大同煤礦集團(tuán)同發(fā)東周窯煤業(yè)有限公司副立井提升機(jī)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了礦井提升機(jī)自適應(yīng)無線通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)的通信方式采用了工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，所有設(shè)備的數(shù)據(jù)都通過以太網(wǎng)接口輸入，無線通信部分采用了接收信號(hào)強(qiáng)度自動(dòng)感知、工作頻率和輻射波束自動(dòng)調(diào)整的自適應(yīng)天線，可將無線攝像儀、無線電話等礦用設(shè)備進(jìn)行無線互連，實(shí)現(xiàn)了提升機(jī)、罐耳、油缸、鋼絲繩及天輪等主要設(shè)施的視頻監(jiān)視、數(shù)據(jù)監(jiān)測及語音通信。當(dāng)提升機(jī)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)可根據(jù)立井井筒的結(jié)構(gòu)、深度與尺寸，自動(dòng)調(diào)整天線的工作頻率和輻射波束，使得位于井筒頂部的天線能夠始終對(duì)準(zhǔn)移動(dòng)中的提升機(jī)，通信設(shè)備的工作頻率和功率始終處于最佳狀態(tài)，無線信號(hào)的覆蓋效率高，通信距離遠(yuǎn)。

1 自適應(yīng)天線設(shè)計(jì)

自適應(yīng)天線是整個(gè)自適應(yīng)無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，決定著通信距離的遠(yuǎn)近和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，其中天線的工作頻率和輻射波束形狀是2個(gè)重要的研究內(nèi)容。

1.1 天線工作頻率的自適應(yīng)選擇

立井井筒狹長、內(nèi)壁不規(guī)則，結(jié)構(gòu)各異，各種鋼結(jié)構(gòu)件較多，存在著嚴(yán)重的電磁干擾。為了實(shí)現(xiàn)高效率遠(yuǎn)距離通信，必須根據(jù)井筒結(jié)構(gòu)選擇最佳的工作頻率。

筆者對(duì)同發(fā)東周窯煤業(yè)有限公司立井井筒進(jìn)行了大量的實(shí)地測試，發(fā)現(xiàn)1.5～2.7 GHz頻段內(nèi)無線通信距離和速率最優(yōu)，能夠滿足該公司立井無線通信要求。因此，把天線工作頻率選定在這個(gè)頻段內(nèi)，同時(shí)，為了獲得更好的輻射性能，將1.5～2.7 GHz設(shè)計(jì)成1.5～1.8，1.9～2.1，2.3～2.5，2.5～2.7 GHz 4個(gè)頻段。

設(shè)計(jì)了可以自動(dòng)選擇頻段的無線裝置，該裝置由ARM系列單片機(jī)和射頻鎖相環(huán)芯片組成，單片機(jī)與鎖相環(huán)芯片通過串口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。單片機(jī)控制射頻鎖相環(huán)的工作頻率隨不同環(huán)境條件下無線信號(hào)的強(qiáng)弱變化，實(shí)時(shí)選擇合適的天線工作頻率。

1.2 輻射波束的自適應(yīng)調(diào)整

輻射波束受輻射單元數(shù)量、單元位置、單元激勵(lì)的幅度、相位、結(jié)構(gòu)等參數(shù)的影響。天線內(nèi)置的ARM單片機(jī)根據(jù)接收到的信號(hào)強(qiáng)弱調(diào)節(jié)功分器和移相器的輸出，進(jìn)而調(diào)整輻射單元數(shù)量、單元位置、單元激勵(lì)的幅度、相位、結(jié)構(gòu)等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)輻射波束的自動(dòng)調(diào)整，其目的就是為了保證天線的最大波束始終指向移動(dòng)中的提升機(jī)。

提升機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，天線放置于井筒橫梁頂部，根據(jù)主提升機(jī)和副提升機(jī)的信號(hào)強(qiáng)弱進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。當(dāng)主提升機(jī)離天線較遠(yuǎn)時(shí)，接收到的主提升機(jī)信號(hào)就變?nèi)?，輻射波束就指向主提升機(jī)；當(dāng)副提升機(jī)離天線較遠(yuǎn)時(shí)，接收到的副提升機(jī)信號(hào)就變?nèi)?，輻射波束就指向副提升機(jī)，如圖1所示。

圖1 自適應(yīng)天線輻射波束Fig.1 Adaptive antenna radiation beam

輻射波束始終對(duì)準(zhǔn)距離最遠(yuǎn)的提升機(jī)，保證了輻射電磁波的主要能量始終對(duì)準(zhǔn)距離最遠(yuǎn)的提升機(jī)，設(shè)備的功率實(shí)時(shí)處于最佳狀態(tài)。

1.3 天線結(jié)構(gòu)

天線由大小相同的4個(gè)單元天線齊平排列，間距為yp，上兩層為大小不一的矩形輻射貼片，分別覆于厚1 mm的FR4介質(zhì)板上。由于饋電網(wǎng)絡(luò)會(huì)對(duì)天線輻射產(chǎn)生很大影響，所以, 將饋電網(wǎng)絡(luò)置于第3層的背面，電路接地面位于第3層的上表面，實(shí)物加工時(shí)會(huì)在介質(zhì)板之間加上塑料支柱作為支撐，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

(a) 俯視圖

(b) 側(cè)視圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

礦井提升機(jī)自適應(yīng)無線通信系統(tǒng)由前端采集設(shè)備、中間轉(zhuǎn)接設(shè)備及地面調(diào)度室設(shè)備3個(gè)部分構(gòu)成，如圖3所示。

2.1 前端采集設(shè)備

前端采集設(shè)備由無線攝像儀、無線電話、自適應(yīng)天線、礦用隔爆電池等防爆設(shè)備組成。在提升機(jī)內(nèi)部安裝無線攝像儀與無線電話，用來監(jiān)視提升機(jī)內(nèi)部狀況和通話。在油缸、鋼絲繩、天輪處安裝無線攝像儀，用來監(jiān)視天輪、油缸、鋼絲繩等設(shè)備的狀況。無線攝像儀、無線電話由礦用隔爆電池供電。

圖3 自適應(yīng)無線通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of adaptive wireless communication system

前端采集設(shè)備采集的視頻信號(hào)和音頻信號(hào)通過自適應(yīng)天線以無線信號(hào)的方式發(fā)送給中間轉(zhuǎn)接設(shè)備，用來監(jiān)視提升機(jī)內(nèi)部和其他各監(jiān)視點(diǎn)的狀況。無線攝像儀、無線電話及自適應(yīng)天線技術(shù)參數(shù)見表1—表3。

表1 無線攝像儀技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of wireless camera

表2 無線電話技術(shù)參數(shù)Table 2 Technical parameters of radiotelephone

表3 自適應(yīng)天線技術(shù)參數(shù)Table 3 Technical parameters of adaptive antenna

2.2 中間轉(zhuǎn)接設(shè)備

中間轉(zhuǎn)接設(shè)備由無線中繼分站(負(fù)責(zé)收集、處理信息)、自適應(yīng)天線、礦用隔爆電源組成，安裝于井筒頂部橫梁處。其主要作用是保證立井井筒內(nèi)無線信號(hào)的無盲區(qū)覆蓋和將前端采集設(shè)備采集的信息以無線信號(hào)的方式發(fā)射至地面調(diào)度室。無線中繼分站技術(shù)參數(shù)見表4。

表4 無線中繼分站技術(shù)參數(shù)Table 4 Technical parameters of wireless relay substation

2.3 地面調(diào)度室設(shè)備

地面調(diào)度室設(shè)備由無線中繼總站、自適應(yīng)天線、流媒體服務(wù)器、客戶端計(jì)算機(jī)等組成，主要作用是將自適應(yīng)天線接收到中間轉(zhuǎn)接設(shè)備發(fā)來的前端設(shè)備的信息，通過無線中繼總站分發(fā)給流媒體服務(wù)器、客戶端計(jì)算機(jī)，然后進(jìn)行處理。

3 系統(tǒng)功能

采用Java應(yīng)用程序和SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫技術(shù)，基于B/S架構(gòu)開發(fā)了礦井無線通信系統(tǒng)客戶端軟件，由視頻電話、語音廣播、廣播預(yù)案、廣播記錄、數(shù)據(jù)監(jiān)測、設(shè)備管理、視頻回放等模塊組成。客戶端軟件界面如圖4所示。

圖4 客戶端軟件界面Fig.4 Client software interface

(1) 通話功能。提升機(jī)內(nèi)電話與調(diào)度室電話之間可進(jìn)行雙向通話，當(dāng)提升機(jī)內(nèi)電話與調(diào)度室通信中斷后，主副提升機(jī)內(nèi)的電話機(jī)之間也能通話。

(2) 視頻監(jiān)視功能?？蓪?duì)天輪、井筒、罐耳及提升機(jī)內(nèi)部的狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視并顯示其狀況，可以分屏顯示、組合顯示、單屏放大顯示。支持錄像檢索、查詢、回放等功能，回放支持快放、慢放、放大、縮小等功能。天輪監(jiān)視畫面、井筒監(jiān)視畫面、提升機(jī)內(nèi)部監(jiān)視畫面如圖5—圖7所示。

圖5 天輪監(jiān)視畫面Fig.5 Hoisting sheave monitoring picture

(3) 安全廣播功能。緊急情況發(fā)生時(shí)可以實(shí)時(shí)全局緊急廣播，躲避災(zāi)險(xiǎn)發(fā)生。無緊急情況時(shí)，可以播放音樂和交接班廣播。

(4) 設(shè)備管理功能。對(duì)攝像儀、電話、網(wǎng)橋、繼電器等設(shè)備通過名稱和對(duì)應(yīng)的IP地址進(jìn)行配置和管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)橋通斷和繼電器電量的檢測以及繼電器開關(guān)的控制。

圖6 井筒監(jiān)視畫面Fig.6 Shaft monitoring picture

圖7 提升機(jī)內(nèi)部監(jiān)視畫面Fig.7 Hoist in-camera monitoring picture

此外，無線攝像儀具有紅外補(bǔ)光功能。當(dāng)環(huán)境照度過低時(shí)可自動(dòng)開啟紅外補(bǔ)光功能，保證在無光環(huán)境下也能看清視頻圖像。

井下設(shè)備的電源由礦用隔爆電池提供，充一次電可使用15 d以上，所有井下設(shè)備均滿足防爆標(biāo)準(zhǔn)。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

同發(fā)東周窯煤業(yè)有限公司副立井井筒直徑為8 m，裝備一對(duì)可以直接進(jìn)出3 t的小型無軌膠輪車非標(biāo)寬提升機(jī)，擔(dān)負(fù)小型材料、設(shè)備和人員的提升任務(wù)。提升機(jī)為型號(hào)為JKMD-3.25×4(I)E(帶減速器)落地式多繩提升機(jī)，滾筒直徑為3.25 m，滾筒寬度為1.8 m，提升高度為482.8 m，鋼絲繩間距為300 mm，天輪直徑為3.25 m，減速機(jī)傳動(dòng)比為11.2，最大提升速度為8.08 m/s，電動(dòng)機(jī)額定速度為546 r/min，電動(dòng)機(jī)額定功率為1 000 kW。

礦井提升機(jī)自適應(yīng)無線通信系統(tǒng)于2019年1月在同發(fā)東周窯煤業(yè)有限公司投入了現(xiàn)場應(yīng)用。利用便攜式頻譜儀測量井筒橫梁頂部天線和提升機(jī)內(nèi)設(shè)備的無線語音信號(hào)和無線視頻信號(hào)的輸出功率與頻率，發(fā)現(xiàn)當(dāng)提升機(jī)從井口運(yùn)行至井底的過程中，井筒橫梁頂部天線發(fā)射功率逐漸變大，變化范圍為-60～20 dB·m，工作頻率逐漸變小，變化范圍為1.5～2.7 GHz。說明當(dāng)提升機(jī)沿井筒運(yùn)行時(shí)，自適應(yīng)無線通信系統(tǒng)可針對(duì)不同的工況環(huán)境自動(dòng)調(diào)整工作參數(shù)，使其始終處于最佳狀態(tài)，無線信號(hào)的覆蓋效率高，通信距離遠(yuǎn)。整個(gè)過程平均功耗低于3 W，比固定功率的無線設(shè)備的功耗降低了70%。此外，各監(jiān)視點(diǎn)圖像清晰，語音通信流暢，無線傳輸無卡頓。系統(tǒng)視頻監(jiān)視畫面如圖8 所示。

圖8 視頻監(jiān)視畫面Fig.8 Video monitoring picture

5 結(jié)論

(1) 開發(fā)了集語音、視頻、廣播于一體的礦井提升機(jī)自適應(yīng)無線通信系統(tǒng)，設(shè)計(jì)的自適應(yīng)天線可根據(jù)井筒的結(jié)構(gòu)、深度與尺寸自動(dòng)調(diào)整工作參數(shù)，保證了無線信號(hào)的良好覆蓋。現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測提升機(jī)的運(yùn)行狀況，各監(jiān)測點(diǎn)圖像清晰，語音通信流暢，且設(shè)備功耗低。

(2) 后期將進(jìn)一步研究降低視頻與通話設(shè)備功耗的方法，延長蓄電池的使用時(shí)間。