一種膠帶機(jī)防掉人保護(hù)系統(tǒng)的研究

孫計(jì)爽

摘要：

煤礦用膠帶機(jī)保護(hù)裝置在井下自動(dòng)化運(yùn)輸過(guò)程中應(yīng)用非常廣泛。常用保護(hù)裝置包含但不限于： 防滑保護(hù)，堆煤保護(hù)，跑偏保護(hù)，溫度保護(hù)，煙霧保護(hù)，超溫灑水保護(hù)，防撕裂保護(hù)，張緊保護(hù)等。礦用膠帶機(jī)防掉人保護(hù)系統(tǒng)也是膠帶機(jī)保護(hù)中的一種，它主要為了解決當(dāng)人員掉落到膠帶機(jī)上并接近其敏感位置時(shí)，此保護(hù)裝置能夠通過(guò)無(wú)線測(cè)距和定位，快速準(zhǔn)確識(shí)別到人員信息，同時(shí)報(bào)警或者停止膠帶機(jī)的運(yùn)行，并就地發(fā)出聲光報(bào)警和向膠帶機(jī)沿線進(jìn)行預(yù)警播報(bào)發(fā)生位置和人員信息，避免災(zāi)難發(fā)生。

關(guān)鍵詞：煤礦 膠帶機(jī)保護(hù) 無(wú)線測(cè)距和定位 防掉人。

Abstract：

The protective ?device of belt conveyor used in ?coal mine is widely used in the ?process ?of underground ?automatic ?transportation.

Common ?protection ?devices ?include ?but ?are not limited to： anti slip protection， ?coal stacking protection， ?deviation ?protection， temperature ?protection， ?smoke ?protection， over ? temperature sprinkling protection， anti tearing protection， tension ?protection， etc. Protection system against of mine belt conveyor is also a kind of conveyor protection. It is mainly used to solve ?the problem that when a ?person falls ?on ?the conveyor ?and ?is ?close ?to ?its ?sensitive position， the protection device can quickly and ?accurately ?identify ?the ?personnel information n through ?wireless positioning， Warning or stop the operation of the belt conveyor ， and send out sound and light alarm ?locally ?and alarm along the ?conveyor Fault location and ?personnel ?information to avoid disaster.

Key words： ?coal ?mine ?belt ?conveyor protection， ?wireless distance measurement and positioning， preventing people from falling off

1.引言

一直以來(lái)，礦山自動(dòng)化為了解決膠帶機(jī)沿線各種設(shè)備故障的自動(dòng)檢出問(wèn)題，應(yīng)用了很多新技術(shù)以及新的方案，并且達(dá)到了預(yù)期良好的效果。但是膠帶機(jī)沿線仍然存在一些可能的隱患，至今還沒有被覆蓋到。無(wú)數(shù)的科技人員正在為了解決這些可能發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)而在各自的崗位上奮斗著，其中膠帶機(jī)防掉人保護(hù)也是其中一個(gè)可能的風(fēng)險(xiǎn)，需要盡快制定切實(shí)可行的解決方案來(lái)避免將來(lái)事故的發(fā)生。

本次研究的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一種膠帶機(jī)防掉人保護(hù)系統(tǒng)， 當(dāng)發(fā)生人員掉落到膠帶機(jī)

上后，可以被系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別，并且產(chǎn)生連鎖動(dòng)作，可以產(chǎn)生報(bào)警或者停止膠帶機(jī)運(yùn)行，并可以使得與該膠帶機(jī)連鎖的相關(guān)設(shè)備，進(jìn)行必要的聯(lián)動(dòng)，從而既可以保障人員安全，又可保證設(shè)備安全，把對(duì)礦山生產(chǎn)帶來(lái)的影響，降低到最小，從而實(shí)現(xiàn)礦山安全高效生產(chǎn)目的。

2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

礦用膠帶機(jī)防掉人保護(hù)系統(tǒng)由以下設(shè)備構(gòu)成：

（1） 無(wú)線人員定位基站

該裝置可以自動(dòng)識(shí)別接近該設(shè)備的人員，并獲取人員和裝置之間的距與位置。具備通訊接口，把檢測(cè)信息提供給遠(yuǎn)程的保護(hù)和監(jiān)控系統(tǒng); 具備關(guān)量輸出能力，接入沿線設(shè)備，可以產(chǎn)生急停。具備就地聲光報(bào)警功能，具備模擬量輸出功能。

（2）無(wú)線標(biāo)簽

該裝置可以由人員佩戴，當(dāng)該標(biāo)簽進(jìn)入無(wú)線人員定位基站探測(cè)范圍后，可被無(wú)線人員定位基站定位。

（3）無(wú)線/有線基站

該裝置至少可以支持RS485接口，以太網(wǎng)口，提供無(wú)線人員定位裝置通訊接入，基站通過(guò)光纖可以接入井下環(huán)網(wǎng)。

（4）下位機(jī)

下位機(jī)至少可以提供急停功能，下位機(jī)急停線和無(wú)線人員定位裝置的急停線連接，使用硬件觸發(fā)來(lái)降低系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間，開關(guān)量或者模擬量，并可通過(guò)CAN總線與監(jiān)控主機(jī)通訊。

（5）監(jiān)控主機(jī)

監(jiān)控主機(jī)的功能是執(zhí)行膠帶機(jī)，轉(zhuǎn)載機(jī)，刮板機(jī)的啟停和保護(hù)功能。在本系統(tǒng)中，主要使用它的急停，CAN通訊，MODBUS-TCP或 MODBUS-RTU通訊，來(lái)設(shè)置無(wú)線人員定位裝置并響應(yīng)無(wú)線人員定位 裝置的急停處理，和對(duì)沿線進(jìn)行語(yǔ)音預(yù)警播報(bào)，同時(shí)實(shí)時(shí)讀取無(wú)線人員定位裝置信息，在監(jiān)控主機(jī)主屏上進(jìn)行顯示。系統(tǒng)模型如下：

（1） 無(wú)線人員定位基站

無(wú)線測(cè)距和定位技術(shù)是無(wú)線人員定位基站的核心技術(shù)。要求定位精度高，定位速度快，對(duì)外界環(huán)境條件耦合性低，且生產(chǎn)制造工藝不能太復(fù)雜，具有很好地可維護(hù)性。

室內(nèi)人員測(cè)距和定位技術(shù)通常為Wi-Fi定位，藍(lán)牙定位，RFID定位，UWB定位等。影響定位的主要環(huán)境因素為： 障礙物，噪音，多徑效應(yīng)，粉塵顆粒等。

1）WI-FI 定位

WI-FI 定位技術(shù)另一種常用算法為指紋定位算法，就是先對(duì)信號(hào)源周圍的空間距離進(jìn)行大量信號(hào)強(qiáng)度采集，建立一個(gè)巨大數(shù)據(jù)庫(kù)，當(dāng)新加入的設(shè)備進(jìn)入該區(qū)間后，測(cè)量該設(shè)備的信號(hào)強(qiáng)度，再對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，來(lái)確定設(shè)備位置的方法。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，指紋算法的平均誤差一般在2m ～ 8M 之間。特點(diǎn)是僅依賴于現(xiàn)有WIFI網(wǎng)絡(luò)，受非視距離（NLOS）影響小，造價(jià)低，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，測(cè)量精度在米級(jí)，測(cè)量最大距離受WI-FI信號(hào)覆蓋距離影響。

2）藍(lán)牙定位

藍(lán)牙定位原理是基于RSSI（信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)）值，主流室內(nèi)定位技術(shù)主要使用網(wǎng)絡(luò)側(cè)定位。網(wǎng)絡(luò)側(cè)定位系統(tǒng)由藍(lán)牙終端（例如 Beacom，定位標(biāo)簽等），藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)，無(wú)線局域網(wǎng)和數(shù)據(jù)服務(wù)器構(gòu)成。事先知道藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)的坐標(biāo)位置，通過(guò)藍(lán)牙終端的RSSI值計(jì)算距離，后端數(shù)據(jù)服務(wù)器通過(guò)解析計(jì)算藍(lán)牙終端信息和RSSI值，得到藍(lán)牙終端的位置信息。特點(diǎn)是設(shè)備體積小，造價(jià)低，功耗低，受非視距離（NLOS）影響小。測(cè)量精度在米級(jí)，測(cè)量穩(wěn)定性容易受噪聲干擾。藍(lán)牙規(guī)范目前最高版本是5.0，其定位精度在2M，藍(lán)牙組織準(zhǔn)備推出5.1標(biāo)準(zhǔn)，此標(biāo)準(zhǔn)定位精度可以達(dá)到厘米級(jí)。

3）RFID定位

RFID定位常用的定位方式為RSSI，其原理是射頻信號(hào)的衰減量與距離的平方成反比。已知發(fā)射信號(hào)的功率，通過(guò)檢測(cè)接收信號(hào)的功率強(qiáng)度，即可得到信號(hào)傳輸?shù)木嚯x。其缺點(diǎn)是： 接受的信號(hào)容易受到環(huán)境影響，比如多徑干擾，LOS等，定位精度低。 此算法比較有名的是LANDMARC：采用有源RFID的位置感應(yīng)。

4）UWB定位

UWB（Ultra Wideband）是一種無(wú)載波通信技術(shù)，利用納秒至微秒級(jí)的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)。中國(guó)使用的頻段分布在6.0 到 9.0G HZ UWB芯片的主要供應(yīng)商為Decawave/ BeSpoon/ Novelda. 其測(cè)距方法通常使用雙邊雙向（SDSTWR）測(cè)距。

其計(jì)算公式為：

假設(shè)： 設(shè)備A主動(dòng)發(fā)起第一次測(cè)距消息設(shè)備，設(shè)備B接收設(shè)備A的消息，并反饋給設(shè)備A消息，設(shè)備A接收消息后，再次發(fā)送消息給設(shè)備B

Tround1：設(shè)備A發(fā)送消息的時(shí)間到設(shè)備A接收到設(shè)備B反饋消息時(shí)間

Treplay1：設(shè)備B接收到設(shè)備A的消息，到設(shè)備B反饋消息給設(shè)備A時(shí)間

Tround2：設(shè)備B發(fā)送反饋給設(shè)備A時(shí)間到設(shè)備B接收設(shè)備A時(shí)間

Treplay2：設(shè)備A接收到設(shè)備B反饋時(shí)間到設(shè)備A發(fā)送消息給設(shè)備B時(shí)間

雙邊雙相飛行時(shí)間誤差分析公式：

通過(guò)該方式，理論測(cè)距誤差在ps級(jí)別。UWB定位技術(shù)采用TOF 定位方式，有零維定位，一維定位，二維定位，三維定位等。

無(wú)線人員定位基站的組成如下：

無(wú)線人員定位基站中集成了無(wú)線測(cè)距模塊和中央處理器，通過(guò)無(wú)線測(cè)距模塊對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行測(cè)距，后由中央處理器根據(jù)多個(gè)定位模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，從而輸出定位信息。

無(wú)線人員定位基站對(duì)外提供RS485接口，支持ModelBusTCP/RTU協(xié)議，對(duì)外提供點(diǎn)表查詢接口。

常開和常閉端口對(duì)外提供急停和查詢接口。如果人員突然接近基站，會(huì)導(dǎo)致常開點(diǎn)和常閉點(diǎn)翻轉(zhuǎn)，觸發(fā)沿線急停。

本基站設(shè)計(jì)為可以同時(shí)查詢多個(gè)標(biāo)簽，低延時(shí)，測(cè)試精度在厘米級(jí)別。

本系統(tǒng)中擬定無(wú)線人員定位基站可以安裝于敏感位置的入口處，防止人員誤掉入。

（2）無(wú)線標(biāo)簽

本系統(tǒng)中，無(wú)線標(biāo)簽采用有源標(biāo)簽，采用TDOA算法，降低時(shí)鐘同步帶來(lái)的誤差，標(biāo)簽采用閑事長(zhǎng)時(shí)間定時(shí)喚醒機(jī)和忙時(shí)短時(shí)間喚醒方式，降低本身的功耗，達(dá)到長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)的效果。充電方式采用無(wú)線充電，便于大量標(biāo)簽的集中充電管理，電池可以連續(xù)工作20天，減少充電次數(shù)，延長(zhǎng)電池使用壽命。

無(wú)線標(biāo)簽為工作人員隨身攜帶，一般要求安裝在人員腰部，這樣既可以減少標(biāo)簽被物品或者障礙物遮擋的可能性，也達(dá)到減少對(duì)于工作妨礙的目的。

當(dāng)標(biāo)簽在報(bào)警范圍外（標(biāo)簽0位置），標(biāo)簽每隔10s喚醒一次;

當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入報(bào)警區(qū)域（標(biāo)簽1位置），標(biāo)簽每100ms喚醒一次;此時(shí)觸發(fā)服務(wù)器對(duì)沿線報(bào)警，同時(shí)本地的無(wú)線定位設(shè)備自報(bào)警。

當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入警區(qū)域（標(biāo)簽2位置），標(biāo)簽不休眠;此時(shí)觸發(fā)服務(wù)器對(duì)相關(guān)沿線設(shè)備控制急停。

（3）無(wú)線基站和下位機(jī)完成數(shù)據(jù)的傳遞。

無(wú)線基站提供485接口，光纖接口，以太網(wǎng)接口，電源接口等。

無(wú)線人員定位基站通過(guò)485接口接入無(wú)線基站，無(wú)線基站通過(guò)光纖和交換機(jī)接入井下環(huán)網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)服務(wù)器對(duì)于無(wú)線人員定位基站的配置和狀態(tài)，數(shù)據(jù)的查詢等。

下位機(jī)提供電源輸入/輸出，多路開關(guān)量和模擬量的輸入輸出;CAN通訊，急停，閉鎖接口等。下位機(jī)通過(guò)級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)皮帶沿線通訊和控制;下位機(jī)可以提供對(duì)于無(wú)線人員定位基站的供電，并接入無(wú)線人員定位基站的模擬量和開關(guān)量，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢和緊急情況發(fā)生時(shí)的急停動(dòng)作。

（4）監(jiān)控主機(jī)

監(jiān)控主機(jī)為整個(gè)系統(tǒng)的服務(wù)器端，采用嵌入式計(jì)算機(jī)，有10.4寸顯示屏及防爆鍵盤模塊，可以保證系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)所有人的機(jī)交互的工作順利進(jìn)行，包括系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、有效設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示、設(shè)備運(yùn)行信息的報(bào)警和記錄等。有多路模擬量和開關(guān)量輸入或者輸出端口，主要用于井下各種膠帶機(jī)的啟停控制，膠帶機(jī)沿線狀態(tài)監(jiān)控和保護(hù)，關(guān)聯(lián)設(shè)備的連鎖動(dòng)作，以及連接無(wú)線定位基站，并對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控。監(jiān)控主機(jī)具有聲光報(bào)警模塊，并可以對(duì)所有控制沿線進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào);監(jiān)控主機(jī)通訊接口為多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)RS485和標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)口，可以直接和具有通訊接口的設(shè)備通訊，也可以實(shí)現(xiàn)以本設(shè)備為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中的一員，與其他客戶端或者服務(wù)器實(shí)現(xiàn)信息共享。

下面從三個(gè)方面闡述控制器在應(yīng)用中作用。

1）.參數(shù)設(shè)置

為了確保在不同工況下都可以使用該設(shè)備，監(jiān)控主機(jī)采用了靈活配置參數(shù)的方式。主要的參數(shù)如下圖所示，如無(wú)線人員定位基站安裝位置、人員接近距、報(bào)警或者停車閥值、報(bào)警觸發(fā)或停車觸發(fā)設(shè)備所應(yīng)執(zhí)行策略和連鎖方式等等，可以根據(jù)工況可自行設(shè)定。

2）. 數(shù)據(jù)采集和處理

為了確保防掉人信號(hào)響應(yīng)可靠，控制器接入了三路信號(hào)，分別是實(shí)時(shí)距離模擬量信號(hào)、常開開關(guān)量信號(hào)、常閉開關(guān)量信號(hào)，如圖所示。一級(jí)保護(hù)：實(shí)時(shí)距離值。此時(shí)將人員距離防掉人基站的距離分成三個(gè)等級(jí)，安全距離，報(bào)警距離，停車距離。為了防止數(shù)據(jù)震蕩，增加數(shù)據(jù)點(diǎn)平滑處理算法，快速準(zhǔn)確的得到當(dāng)前真實(shí)距離。二級(jí)保護(hù)：正常常開信號(hào)。當(dāng)實(shí)際值小于等于停車距離，防掉人基站直接將信號(hào)閉合，控制器檢測(cè)閉合信號(hào)，停車。三級(jí)保護(hù)：正常常閉信號(hào)。當(dāng)實(shí)際值小于等于停車距離，防掉人基站直接將信號(hào)斷開，此時(shí)控制器的急停線被斷開，設(shè)備停車。此三級(jí)保護(hù)是逐層遞進(jìn)的，加強(qiáng)系統(tǒng)可靠性。

3）.報(bào)警

為了將報(bào)警信息準(zhǔn)確直觀的反應(yīng)給工作人員，本控制器會(huì)反饋處三種信息。語(yǔ)音、有色光線和顯示器上文字提示。在報(bào)警或者停車時(shí)，控制器的聲光報(bào)警器會(huì)發(fā)出報(bào)警內(nèi)容，同時(shí)發(fā)出一定頻率的有色光線。語(yǔ)音內(nèi)容和光線頻率可配置。在控制器上顯示常開信號(hào)動(dòng)作值、人員接近報(bào)警值、人員接近停車值，以及實(shí)時(shí)距離值。并且在報(bào)警或停車后，顯示詳細(xì)報(bào)警或停車信息，包括人員標(biāo)簽號(hào)、防掉人基站號(hào)、信號(hào)產(chǎn)出時(shí)的實(shí)時(shí)距離、以及時(shí)間等。解除報(bào)警后，信息清除，但是在歷史信息及歷史曲線中分別可以查詢到事件信息和發(fā)生概率。

3.系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

膠帶機(jī)防掉人保護(hù)系統(tǒng)在地面和井下進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，經(jīng)過(guò)測(cè)試驗(yàn)證，人員識(shí)別率100%; 警告區(qū)域，識(shí)別速度<0.5s，監(jiān)控主機(jī)位置跟隨反應(yīng)速度<1s;危險(xiǎn)區(qū)域，識(shí)別速度<100ms， 監(jiān)控主機(jī)沿線急停時(shí)間小于100ms.

井下測(cè)試中也發(fā)現(xiàn)了一些實(shí)驗(yàn)室未暴露的其它問(wèn)題，需要向后繼續(xù)改進(jìn)。

4.結(jié)束語(yǔ)

膠帶機(jī)防掉人保護(hù)系統(tǒng)為解決膠帶機(jī)防掉人保護(hù)提供了一種方法和經(jīng)驗(yàn)積累，也希望通過(guò)我們對(duì)于此技術(shù)的研究為更多在此方面探索的研究人員提供更多的啟發(fā)。膠帶機(jī)防掉人保護(hù)系統(tǒng)雖然已經(jīng)在礦上進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，并且達(dá)到了預(yù)期的效果，但是還需要在此基礎(chǔ)上，不斷地改進(jìn)系統(tǒng)的性能，擴(kuò)展應(yīng)用局限性。隨著新技術(shù)和新設(shè)備的產(chǎn)生和服務(wù)于生產(chǎn)，在不久的將來(lái)，期待該技術(shù)還會(huì)有更加長(zhǎng)足的進(jìn)步。

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