礦井摩擦式提升機(jī)智能無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

侯宇明， 范海云

（1.山西天地煤機(jī)裝備有限公司， 山西 太原 030000； 2.汾西礦業(yè)集團(tuán)曙光煤礦， 山西 孝義 032300）

引言

煤礦提升機(jī)是保障煤礦安全高效生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，必須對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。提升機(jī)的監(jiān)測(cè)傳統(tǒng)的方法主要為有線通信和光纜傳輸，布線工程量大且后期的維護(hù)及檢修難度大，近年來又逐步興起了井筒無線通信的研發(fā)利用，但同樣也存在通信距離受限、信號(hào)不穩(wěn)定、設(shè)備能耗大等問題[1-4]。針對(duì)這些問題，以JKMD-3.25×4ZI 型多繩摩擦提升機(jī)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)一套無線通線系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)主要設(shè)施及構(gòu)配件的在線監(jiān)控及無線通信，保障提升機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 提升機(jī)無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

JKMD-3.25×4ZI 型提升機(jī)的無線通信系統(tǒng)主體架構(gòu)分四個(gè)模塊，包括前端采集模塊、中間轉(zhuǎn)接模塊、地面處理模塊以及連接各模塊的無線通信模塊，總體架構(gòu)如圖1 所示，具體結(jié)構(gòu)情況如下：

1）前端采集模塊。前端采集模塊負(fù)責(zé)監(jiān)控信息數(shù)據(jù)的采集，包括安裝在提升機(jī)油缸、鋼絲繩、天輪等關(guān)鍵處的無線攝像儀，無線電話和自適應(yīng)天線等，工作模式是在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提升機(jī)工作狀況，采集到的音、視頻信號(hào)通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換無線傳遞給中間專接模塊，前端設(shè)備由專用隔爆電池供電。

2）中間轉(zhuǎn)接模塊。中間轉(zhuǎn)接模塊的核心是無線中繼分站，其信號(hào)須覆蓋至提升機(jī)及立井井筒的全部范圍，主要功能是接收采集模塊發(fā)送來的信息并初步處理，然后發(fā)送至地面處理模塊。本系統(tǒng)所使用的無線中繼分站主要參數(shù)均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，其供電電壓為12 V，發(fā)射功率為20 dB·m，有效通信距離超過1 000 m，無線數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到10～100 Mbit·s-1。

圖1 無線通信系統(tǒng)主體架構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

3）地面處理模塊。地面處理模塊一般設(shè)置在礦井地面調(diào)度室或監(jiān)控機(jī)臺(tái)，主要由自適應(yīng)天線、無線中繼總站、流媒體服務(wù)器、客戶端計(jì)算機(jī)及顯示屏幕等組成，是人機(jī)交互的載體，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收集、分析、處理，識(shí)別故障并及時(shí)對(duì)故障進(jìn)行處置。

4）無線通信模塊。在整個(gè)系統(tǒng)中起到紐帶作用，通信及數(shù)據(jù)接口均采用了工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，其中智能天線是數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵，可將系統(tǒng)模塊內(nèi)全部設(shè)備進(jìn)行無線連接，極大提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)木群托省?/p>

2 智能天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在整個(gè)無線通信系統(tǒng)中，無線通信模塊中的智能天線最為關(guān)鍵，不僅可保障通信的穩(wěn)定和高效，而且可保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪h(yuǎn)距離和全覆蓋。其智能化主要體現(xiàn)在對(duì)通信工作頻率及輻射波指向的實(shí)時(shí)調(diào)整[5-6]，使其發(fā)揮更優(yōu)的通信效果。

1）智能天線結(jié)構(gòu)。智能天線的主板主要是由安裝在介質(zhì)板（FR4）上的四個(gè)天線單元組成的，每個(gè)天線單元包括上、下兩層貼片，并由下部的饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行聯(lián)通，下層貼片與饋電網(wǎng)絡(luò)之間有饋電探針聯(lián)通，同時(shí)在設(shè)計(jì)時(shí)通過塑料支柱規(guī)避輻射影響，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下頁(yè)圖2 所示。

2）通信工作頻率的智能調(diào)整。無線通信信號(hào)主要在立井井筒中傳遞，因井筒較長(zhǎng)，井筒壁表面平整度、潮濕度、粉塵附著、附屬結(jié)構(gòu)等會(huì)影響信號(hào)傳遞，造成電磁干擾，無線通信工作頻率的選擇至關(guān)重要。經(jīng)過對(duì)礦井副井筒的實(shí)地踏勘及測(cè)試，得出在1.4～2.8 GHz 范圍內(nèi)通信效果最佳，并將該頻段進(jìn)一步細(xì)化為 1.4～1.7 GHz、1.8～2.1 GHz、2.1～2.4 GHz、2.5～2.8 GHz 四個(gè)頻段，根據(jù)實(shí)際工況下無線信號(hào)的強(qiáng)弱，由智能天線自動(dòng)選擇合適的頻段，確保信號(hào)傳遞的速度和精度。

圖2 智能天線主板結(jié)構(gòu)示意圖

3）輻射波指向的智能調(diào)整。設(shè)計(jì)的智能天線安裝在井筒架橫梁頂部，由于礦井提升機(jī)罐籠（分主、副罐籠）在井筒中不斷上、下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，天線向主、副罐籠發(fā)出的輻射信號(hào)強(qiáng)度是實(shí)時(shí)變化的。為了保障信號(hào)不因距離過遠(yuǎn)而過度受損，由智能天線內(nèi)置的單片機(jī)根據(jù)信號(hào)強(qiáng)弱變化，調(diào)整輻射單元的工作數(shù)量、工作強(qiáng)度以及工作相位等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)所發(fā)出的輻射波進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，并保證最大最強(qiáng)的輻射波一直指向距離較遠(yuǎn)的提升罐籠，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的穩(wěn)定收發(fā)。

3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)及應(yīng)用

礦井提升機(jī)智能無線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控、提升機(jī)（罐籠）與調(diào)度室雙向通話、語音廣播喊話、數(shù)據(jù)采集記錄、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、智能故障識(shí)別、設(shè)備管理、人機(jī)交互等功能，所開發(fā)的人機(jī)交互客戶端界面如圖3 所示。

對(duì)礦井JKMD-3.25×4ZI 型多繩摩擦提升機(jī)安裝所研發(fā)的智能無線通信系統(tǒng)，重點(diǎn)對(duì)無線信號(hào)的強(qiáng)度及智能天線的工作情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，智能天線按照設(shè)計(jì)要求安裝在井筒架橫梁頂部，發(fā)現(xiàn)當(dāng)主提升機(jī)由上井口運(yùn)行至井底時(shí)，天線發(fā)出輻射波的功率逐漸增大，而通信工作頻率則逐漸減小，說明當(dāng)提升機(jī)運(yùn)行過程中，智能天線對(duì)通信工作頻率及輻射波指向進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，使通信效率處于最佳狀態(tài)。系統(tǒng)運(yùn)行后監(jiān)控視頻清晰無卡頓，語音通話穩(wěn)定流暢，設(shè)備監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài)良好。

圖3 人機(jī)交互客戶端界面示意圖

4 結(jié)語

煤礦立井尤其是千米深井的無線通信歷來是礦井通信技術(shù)的薄弱環(huán)節(jié)，國(guó)內(nèi)許多礦井至今未實(shí)現(xiàn)立井井筒的無線通信，對(duì)提升機(jī)運(yùn)行環(huán)節(jié)的監(jiān)控還處于比較傳統(tǒng)的階段。本文所研究的礦井提升機(jī)智能無線通信系統(tǒng)對(duì)立井井筒有較好的適應(yīng)性，能夠?qū)崿F(xiàn)視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控、語音通話、故障監(jiān)測(cè)、人機(jī)交互等功能，無線信號(hào)清晰穩(wěn)定，且能夠?qū)崿F(xiàn)無線通信的自適應(yīng)調(diào)整，從而保障數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸和整個(gè)立井提升范圍的全覆蓋。