煤矿井下人员定位系统关键技术探讨.pdf

第 3 1 卷第 0 9期 2 0 1 0年0 9月 煤 矿 机械 Co a l Mi n e Ma c hi n e r y V0 1 ．3 1 No ．O 9 S e p ．2 01 0 煤矿井下人员定位系统关键技术探讨 史 大伟 。何 继 兰 1 ． 鹤岗矿业集团 新岭煤矿 ，黑龙江 鹤 岗 1 5 4 1 0 0 ； 2 ． 山东省地质探矿机械厂，济南 2 5 0 0 1 4 摘要煤矿井下人 员定位技术一直发展缓慢 ，现有的井下人 员定位 系统也存在 着定位精度 差和通信可靠性低等 问题 ， 针对井下人 员定位技术的特点． 研究设计 了井下人 员定位管理 系统 。 采 用 无线 射频 技 术和 现 场 总线 网络 组 态的 方 法 ， 提 出 了 系统 的 整体 设计 方案 ． 并在 此 基 础上 重 点 从 系统 现 场 总线 的 网络 组 态和数 据接 口设 计 2个 角度切 入 ， 进 行 了深入 的探 讨研 究 ． 实现 了对 系统 定位数据的可靠传输 。 对于进一步提 高煤矿井下人员定位技术及其管理 系统的可靠性和 实效性具 有一定指导和借鉴意义 关 键词 煤 矿安 全 ；射频技 术 ； 人 员 定位 ；现 场总线 ；定位数 据 中图分 类号 T D 4 2 1 文献标 志码 A 文章 编号 1 0 0 30 7 9 4 2 0 1 0 0 90 0 8 20 3 Di s c u s s i o n o n Ke y Te c h n o l o g i e s o f Pe r s o n n e l Lo c a t i o n S y s t e m i n Co a l M i ne S HI Da we i 。HE J i - l a n z 1 ．He g a n g C o a l Mi n g Gr o u p Xi n l i n g C o a l Mi n e ， He g a n g 1 5 41 0 0 ， C h i n a ； 2 ． S h a n d o n g P r o s p e c t i n g Ge o l o g y Ma c h i n e r y Wo r k s ， J i n a n 2 5 0 0 1 4 ， C h i n a Ab s t r a c t P e r s o n n e l l o c a t i o n t e c h n o l o g y i n c o a l mi n e d e v e l o p e d s l o w l y ，a n d t h e r e a r e a l s o s o me p r o b l e ms ，l i k e p o o r l o c a t i o n a c c u r a c y a n d l o w r e l i a b i l i t y o f c o mmu n i c a t i o n i s s u e s ，i n t h e e x i s t e d p e r s o n n e l l o c a t i o n s y s t e m， a i mi n g a t t h e f e a t u r e s o f p e r s o n n e l l o c a t i o n t e c h n o l o g y ， t h e mi n e ma n a g e me n t p e r s o n n e l l o c a t i o n a n d ma n a g e me n t s y s t e m wa s s t u d i e d a n d d e s i g n e d ， t h e r a d i o f r e q u e n c y t e c h n o l o gy a n d fi e l d b u s n e t wo r k c o n f i g u r a t i o n we r e b o t h a d o p t e d t o c o n s t r u c t t h e wh o l e p e r s o n n e l l o c a t i o n s y s t e m， a n d b a s e d o n p o i n t i n g o u t i t s o v e r a l l d e s i g n p l a n ， t h e fi e l d b u s n e t wo r k c o n fi g u r a t i o n a n d d a t a i n t e r f a c e we r e a l s o a n a l y z e d i n d e t a i l ，w h i c h r e a l i z e d h i g h r e l i a b i l i t y o f t r a n s mi t t i n g t h e l o c a t i o n d a t a ． Al l t h i s wo r k i s s i g n i fi c a t i v e f o r e n h a n c i n g r e l i a b i l i t y a n d e f f e c t o f p e r s o n n e l l o c a t i o n t e c h n o l o gy a n d i t s ma n a g e me n t s y s t e m i n c o a l mi n e ． Ke y wo r d s mi n e s a f e t y ； r a d i o f r e q u e n c y t e c h n o l o gy ； p e r s o n n e l l o c a t i o n；fi e l d b u s ；l o c a t i o n d a t a 0引言 1 井下人员定位 系统总体设计 当前 ． 对于煤矿井下生产 的设备故障诊断及监 控 、 井下环境危险因素探测等方面均已实现较快发 展 ． 但是如何保障井下矿工的安全 ． 实现对井下作 业人员的实时沟通与定位 ． 一直未取得突破性 的进 展 ． 导致 出现该瓶颈的主要原因是因为一直 缺乏有 效可靠 的无线通信方式。另一方面 。 我 国部分煤炭 研 究 所 及科 研 机构 已经 设 计 出 了适 用 于 井 下 人 员 定位 的无线定位系统 ． 但是普遍存在着定位精度效 果差 、 无线通信可靠性低等缺陷 ． 因此 。 研制一种具 有较高定位精度和通信可靠性的井下人 员定位管 理系统 已经迫在眉睫 本文将采用无线射频技术 ． 从数据通信接 口和 现场总线网络组态设计的 2个角度保障井 下人员 定位系统的定位精度及通信可靠性 ， 这对于进一步 提高和发展井下人员安全定位管理系统技术 的应 用具有一定借鉴意义 煤矿井下人员定位与管理 系统是融合 了多学 科知识和技术 的一种控制识别系统 ． 该人员定位系 统借鉴 了非接触式测量的基本原理 ． 通过对井下移 动人员信息的非接触式采集 ． 实现对井下作业人员 信息的 自动辨识 。 从而实现 目标 的 自动化管理 井 下 人员 定位 系统示 意 图如 图 1 所示 图 1 煤矿井下人员定位 系统示意图 1 ． 井下人员分 布图 2 ． 地面监控室3 ． 2 监测点4 ． 3 监测点5 ． 井 下巷道6 ． 1 监测点7 ． 矿井 口监测点 由图 1 可知 ． 煤矿井下的各监测点可以作为井 下人员 信息 的各 采集 点 ， 通 过采 集设 备 射频读 第 3 l 卷第 0 9 期 煤矿井下人员定位系统关键技术探讨史大伟 ． 等 V o 1 ． 3 1 N o ． 0 9 卡器 与井下人员随身携带的员工卡 内含射频标 签 之间的无线通讯 ． 来 实现对井下人 员位置信息 的采集 该信息通过现场总线网络上传给地面监控 室内的上位计算机 ． 并 由管理软件 自动 为此信息添 加对应的采集时间并存储 ． 这样就实现 了对井下人 员在时间和空间上的定位 ． 也对井下人员的分布情 况与行 进轨迹 进行 了有 效 管理 本文所设计的井下人员定位系统 ． 主要包含硬 件 和软件 2块系统 。 硬件包括射频模块 ． 网络传输 模块 。 通信数据接 口模块 ． 软件系统主要包括信息 采集及 自动辨识定位等 。 煤矿井下人员定位与管理系统各组成部分 的 功能与要求 1 射频模块 主要分为射频读卡器 包括 天 线 、 射频标签 、 防爆电源和备用 电池四部分。 ①射频读卡器 主要 负责对井下作业人员身 上所佩戴的信息卡进行非接触式信息采集 ． 完成信 息编码． 并能够与上位机 P C机通信 ②射频标签 主要记录员工的信息 ． 借 助于该 信息实现对员工身份的 自动辨识 ． 该标签设计在员 工随身佩戴的信息卡之 内． 以非接触 的方式与射频 读卡器完成信息传输通信 ③ 防爆电源井下电源是有一定 防爆要求 的。 因此射频读卡器的电源应当符合防爆标准 ④备用 电池 作为后备 电力为射频读卡 器供 电． 保障系统正常工作。 2 网络传输模块 网络传输模块 主要是完成 射频模块与上位机系统之 间的数据传输 ． 实现将井 下作业人员 的身份辨识信息从井下传输到井上上 位机 图像显 示 系统 中 3 通信数据接 口模块 负责将现场总线形式 R S 4 8 5和 C AN 转换为 R S 2 3 2形式 ， 将射频识别系 统获得的数据上传给上位计算机 。 4 上位机软件系统其上运行所开发的管理软 件。 完成数据的巡检、 采集、 处理、 显示、 保存等功能。 2井下 人员定 位 系统关键 技 术探讨 2 ． 1 系统现 场总 线 网络 组 态设计 煤矿井下人员定位与管理系统 的现场 总线 网 络 示意 图如 图 2所 示 图 2所示的系统其实就是一个现场总线系统 ． 射频读卡器属于智能设备 该设备以无线通讯 的形 式获取信息 ． 并通过设备的通讯功能将信息上传到 现场总线网络上 ．以网络节点的形式分布在煤矿 井下各观测点 ． 利用井下阻燃通讯 电缆连接 。 最终 通过数据接 口与工控机一起构成现场总线 网络 射 频读卡器 的数量可以根据煤矿的规模大小而增减 本设计中 。 R S 4 8 5可以支持到 2 5 6个 。 C A N可 以支 持到 1 1 O个 。 这样 。 有利于系统的扩容与升级 。所 开发 的射频读卡器上面同时具有 2种 总线接 口． 而 在实际应用中通常只会选择其中一种 人 智 I 工 控 机I I R S 2 3 2通 讯 I 数 据 接 口 l I 上 ． 总 线 网 络 I ．上 射 射 射 频 频 频 读 读 读 卡 卡 卡 器 器 器 1 2 图 2 系统 的 现 场 总 线 网 络组 态 示 意 图 1 R S 4 8 5总线 的网络组态设计 R S 4 8 5总线网络采用主从式的总线结构 ．主机 和下位机之间采用 自定义的主从式通信协议 ． 下位 机 的地址采用循环编码。在本系统 中． 数据接 口为 主机 。 射频读卡器为下位机 ， 或称为从机 。由于采用 了主从式总线结构 ． 当从机需要使用程序管理功能 时 ， 必须首先 向主机提 出申请 ， 只有 当主机批准后 。 从机才能够使用该功能 ． 因此 。 主从式总线 的各个 通信终端必须能够实现同步通信机制 这里 ， 总线 电缆采用双芯屏蔽 电缆 ， 屏 蔽端连 接到射频读 卡器的外壳 。为了避免干扰 ． 每个射频 读卡器都应该接地。为 了避免反射 的影响 ． 在线路 的两端应加上与线路特性相匹配的终端电阻 R T． 阻 值为 1 2 0 Q 由于射频读卡器的 R S 4 8 5总线接 口芯 片采用的是 MA X3 0 8 3 E．驱动器最多可带 2 5 6个接 收器 ． 所 以． 这里的射频读卡器 的数量 Ⅳ≤2 5 6 。 2 C A N总线的网络组态设计 设计 C A N总线 的串行网络 主要是考虑其 网络 扩展容易 ．增删节点方便且成本较低等因素。C A N 为多主方式 、 全双工工作 ， 一个节点发送消息 。 多个 节点接收消息 C A N总线支持基于数据 的工作方 式 ． 消息可 以在任何时候 由任何节点发送到空 闲的 总线上 。 并被其他所有节点接收。 判断后 ， 决定是否 使用该消息 本系统中 C A N总线网络通信介质采用双绞线 ． 总线的每个末 端接有终端 电阻 R T以抑制信号反 射 ． 采用双绞线为通信介质时 ． 一般选取 RT I O 0 ～ 1 2 0 Q 双 绞线 的特 性 阻抗为 1 2 0 Q 。在 实 际组建 网络时 ． 相关组 网参数应 当根据 现场 的情 况来确 一 83 第 3 1卷第 0 9期 2 0 1 0年0 9月 煤 矿 机 械 C o a l Mi n e Ma c h i n e r y Vo l - 3 l No ． O 9 S e p ． 2 01 0 新型内啮合高压齿轮流量计C o s m o s m o t i o n 运动仿真分析 鱼花 ， 王永生 ， 张军 1 ． 江西工业工程职业技术学院 ， 江西 萍乡 3 3 7 0 5 5 ； 2 ． 安徽 理工大学 机械工程学 院，安徽 淮南 2 3 2 0 0 1 摘 要 设 计 了一种 新 型 的 内啮 合 高压 齿 轮 流量 计 ，建 立 了流量 计 的 三 维仿 真模 型 ，应 用 S 0 l i d W0 r k s对其进行运动学仿真研 究，分别分析 了齿轮 内啮合和外啮合时不 同齿数啮合情况 下． 齿轮 的角速度脉动率与流量计的流量脉动的关系。 同时也研究了齿轮模数对脉动率的影响。 3对 内 啮合流量脉动进行叠加后． 其脉动率为 1 ． 1 ％， 研究表明 该型 内齿轮 高压流量计可以应用于液压 系 统 高压 侧流 量测 量 关 键词 内齿轮 流量 计 角速度 ；齿轮模 数 ； 流 量脉 动 ； 运 动仿 真 中图分类号 T H8 1 4 文献标志码 A文章编号 1 0 0 30 7 9 4 2 0 1 0 0 90 0 8 40 3 M o ti o n S i mu l a ti o n S t u d y o f Ne w I n t e r n a l Ge a r Fl o w- me t e r Ba s e d o n Co s mo s mo t i o n YU Hu a 。 W ANG Yo n g - s h e n g ， ZHANG J u n f 1 ． J i a n g x i P o l y t e c h n i c Co l l e g e ， P i n g x i a n g 3 3 7 0 5 5 ， C h i n a ； 2 ． Ma c h i n e r y En g i n e e r i n g I n s t i t u t e An h u i Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Hu a i n a n 2 3 2 0 0 1 ， C h i n a Ab s t r a c t De s i g n a n e w t y p e h i g h p r e s s u r e i n t e r n a l g e a r fl o w- me t e r ． S t u d y i t s ’mo t i o n s i mu l a t i o n b y U S i n g S o l i d Wo r k s ． e r i t s ’t h r e e d i me n s i o n s i mu l a t i o n mo d e l w a s e s t a b l i s h e d ．T h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n g e a r a n g u l a r v e l o c i t y p u l s a t i o n a n d fl o w p u l s a t i o n o f fl o w - me t e r a t d i f f e r e n t me s h i n g c o n d i t i o n s i n c l u d i n g i n t e r n a l g e a r s a n d e x t e rna l we r e a n a l y s e d ． T h e i n fl u e n c e o f g e a r s mo d u l u s o n p u l s a t i o n w a s s t u d i e d a t t h e s a me t i me ．F l o w p u l s a t i o n i s 1 ． 1 ％ a f t e r p l u s o f t h r e e p a i r s i n t e r n a l me s h i n g g e a r s fl o w p u l s a t i o n ． T h e r e s u l t s h o w t h a t t h i s n e w t y p e g e a r f l o w me t e r c a n b e u s e d i n h i g h p r e s s u r e h y d r a u l i c s y s t e m ． Ke y wo r d s i n t e r n a l g e a r fl o w- me t e r ； a n g u l a r v e l o c i t y； mo d u l u s； fl o w p u l s a t i o n； s i mu l a t i o n _ ．-◆- ．一◆。◆-◆_●- ●- ◆-◆。◆- ◆。◆-◆-◆●。◆- ● 。◆-◆- 。◆‘◆-◆-◆- ◆●-◆-◆’◆-●-◆’ ◆-●-◆-◆‘◆- ●-◆-◆- ● 。◆ ◆’◆。 ◆‘ 定 。 目前市场上 比较流行的 C A N总线接 13器件有 2 。 2 系统数据接 口设计 两 大 类 1 独 立 的 C A N总 线 通 信 控 制 器 ， 如 在本系统 中． 每一个射频读卡器可以看作是 以 单片机为核心的下位机 ， 每一个下位机都具有 2种 总线通讯接 13形式 R S 4 8 5和 C AN，而工控机并不 具备这 2种通讯接 13形式。因此 ． 需要设计一个专 门的数据接 口． 将这 2种通讯形式转换为工控机 的 通讯接 口形式 由于工控机的 R S 2 3 2通讯方式具有 使用线路少 、 成本低 、 为工控机的标准接 口、 不需要 驱动等优点 ．再加上本系统中传输的数据量不大 ， 通讯速率要求也不太高 ． 可以将这 2种接 IZ l 形式转 换 为工控 机 的 R S 2 3 2接 口。即该 数据 接 口具 备 R S 4 8 5 ／ R S 2 3 2和 C A N ／ R S 2 3 2功能 本系统设计中数 据接 口的功能原 理 如图 3所示 。 图 3数 据 接 口 的功 能 原 理 框 图 根据图 3所示 ． 数据接 口可 以认为也是一个 以 单片机为核心的设备 ．该设备能够同时面向 R S 4 8 5 接 13和 C A N接 13． 经过内部控制器的转换 ， 将数据 格式转换为与工控机通信所要求 的 R S 2 3 2数据格 式 ． 由此完成数据接 口的转换和传输功能。 S J AI O 0 0 2 集成 了 C A N总线通信控制器的微处理 器 ， 如 P 8 7 C 5 9 1等 ， 考虑系统 的设计成本 。 这里选用 的是 P H I L I P S公 司的 C A N总线 通信 接 口控 制器 S J A1 O 0 0 。S J AI O 0 0是一种独立控制器。 用于移动 目 标和一般工业环境 中的区域网络控制 ． 它能够在实 现对数据传输 的同时 ， 根据硬件接线 的设计 ． 利用 其 自身的工作模式 的设定 ．使数据的输出以期望的 通用工业格式进行输出和传输 ． 例如 R S 2 3 2格式 因 此只需要将 S J AI O 0 0与整个系统的主 C P U芯片进 行硬件连线设计 ． 以确定 C A N接 口控制器的工作模 式． 从而能够保证以 R S 2 3 2格式输出相关的数据 R S 4 8 5接口与 R S 2 3 2接口之间的数据转换相对 比较容易． 甚至可以采用专用的集成芯片即可实现 参考文献 [ 1 ] 张益强， 郑铭， 张其 善． 远距离无源射频识别 系统 设计[ J J ． 遥测遥 控， 2 0 0 4 ， 2 5 4 4 5 4 9 ． [ 2 3 徐钊． 郑红 党． 刘玉 东． 基 于 C AN总线 的煤矿监测监 控系统研究 [ J ] ． 中国矿业 大学学报， 2 0 0 4 ， 3 3 4 4 2 1 4 2 3 ． [ 3 ] 彭 可， 陈岚， 陈际达． 基于 R S 一 4 8 5协议的单 片机对等 分布式控制 网络 [ J ] ． 中南工业大学学报， 2 0 0 2 ， 3 3 3 3 0 9 3 1 2 ． 作者简 介史大伟 1 9 5 7 一 ， 河北乐亭人， 工程师， 毕业于黑龙江 电视大学机电专业． 现就 职于鹤 岗矿业集 团新 岭煤矿 ． 发 表论 文 多 篇 ． ． ． 8 4．．- 责任 编 辑 于秀 文 收 稿 日期 2 0 1 0 0 6 0 3 ～ 0 ～ 舞 一