无线通信技术在无极绳脱轨监测中的应用.pdf

2 0 1 7年第 1 O期 堪茬 舛技 1 3 1 无线通信技术在无极绳脱轨监测 中的应用 马泉磊 陶海龙 张 立 临沂矿业集团菏泽煤电公司彭庄煤矿，山东 郓城2 7 4 7 0 0 摘要 为解决井下因车辆脱轨发现不及时而引发重大人身伤亡事故的问题，本文提 出了一种基于无线通信技术的无极 绳连 续牵引车脱轨监 测 系统的 实现方法 ，可 实现对无极 绳连 续牵引车运行状 态的 实时监测 ，及 时发现梭 车脱轨 、报 警并停 车，有效地保证了无极绳连续牵引车的安全运行。 关键词 无极绳连续 牵引车 脱轨 监测 无线通信 中图分类号T D 6 3 4 T P 2 7 7 文献标识码 B d o i l O ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 5 2 8 0 1 ． 2 0 1 7 ． 1 0 ． 0 5 4 Ap pl i c a t i on of wi r e l e s s c o m muni c a t i o n t e c hno l o g y i n m o ni t o r i ng o f e ndl e s s r o pe c o nt i nuo us t r a c t o r de r a i l m e n t Ma Q u a n l e i T a o Ha i l o n g Z h a n g L i L i n m i n i n g g r o u p ， H e z e c o a l e l e c t r i c i t y c o m p a n y , P e n g Z h u a n g c o a l mi n e ， S h a n d o n g Y u n c h e n g 2 7 4 7 0 0 Ab s t r a c t I n o r d e r t o s o l v e s i g n i fi c a n t p e r s o n a l i n j u r y p r o b l e ms t h a t c a u s e d b y t h e v e h i c l e d e r a i l me n t i s n o t d i s c o v e r e d i n t i me ， t h i s p a p e r p u t s f o r wa r d a me t h o d t o r e a l i z e t h e mo n i t o rin g s y s t e m o f e n d l e s s r o p e c o n t i n u o u s t r a c t o r d e r a i l me n t b a s e d o n t h e wi r e l e s s c o mmu n i c a t i o n t e c h n o l o g y , wh i c h c a n a c h i e v e r e a l t i me mo n i t o r i n g o f c o n t i n u o u s r u n n i n g s t a t e o f t h e e n d l e s s r o p e ， d i s c o v e r the s h u t t l e c a r d e r a i l me n t ， a l a r m a n d p a r k i n g ， e ff e c t i v e l y e n s u r e the s a f e o p e r a t i o n o f the e n d l e s s r o p e c o n t i n u o u s t r a c t o r ． Ke y wo r d s e n d l e s s r o p e c o n t i n u o u s tra c t o r d e r a i l me n t mo n i t o rin g wi r e l e s s c o mmu n i c a t i o n 在煤矿井下的辅助运输系统 中，无极绳连续牵 引车是主要的轨道运输方式之一，它具有运输速度 快，运输距离长和适应巷道变化起伏等特点。无极 绳连续牵引车系统由绞车、张紧装置、梭车、钢丝 绳、尾轮、压绳轮、托绳轮和导 向装置组成，主要 组成部分由钢丝绳连接成一体 如图 1 。绞车是 无极绳连续牵引车的动力源，由三相异步电动机提 供动力 ， 采用减速机或变速箱将动力传至绞车滚筒。 借助钢丝绳和滚筒之间的摩擦力使钢丝绳运动，梭 车与运输车相连并通过绳卡固定在钢丝绳上随钢丝 绳在轨道上运动，从而完成辅助运输任务。 图 1 无极绳连续牵引车系统组成 无极绳连续牵引车系统在运行过程中，钢丝绳 收稿 日期 2 0 1 7 0 5 2 2 作者简介马泉磊 1 9 8 6 - ，男，汉族，山东昌邑人 ，毕业于山东 科技大学，工学学士，助理工程师，现任临矿集团菏泽煤电公司彭 庄煤矿准备工区技术 员。 张力达到几十千牛 ，在煤矿井下巷道起伏变化大及 拐弯等复杂运输条件下运行时，梭车脱轨的事故时 有发生。梭车一旦出现脱轨未能及时发现并停车 ， 轻则将造成钢丝绳及牵引车设备损坏，重则出现断 绳跑车事故 ，造成人员伤亡。为解决因车辆脱轨发 现不及时而引发事故扩大的问题 ，研制无极绳连续 牵引车脱轨监测系统势在必行，从而保证煤矿井下 辅助运输系统的安全运行。 1 无极绳连续牵引车系统脱轨监测的难点和方案 在无极绳连续牵引车系统运行过程中，梭车沿 轨道运动，位置不断变化 ，在轨道的任何位置都有 可能出现脱轨的情况。因而脱轨监测传感器必须安 装在梭车上。脱轨监测传感器跟随梭车沿轨道运动， 监测信号无法通过固定信号电缆传输至信号处理模 块；另外 ，监测传感器安装在梭车上 ，无法通过电 缆直接供 电。基于以上两方面的原因，经过综合分 析，采用无线信号传输技术解决脱轨监测传感器信 号的传输问题。 l 3 2 童 瞒蒺 料技 2 0 1 7 年 第 1 0 期 2 无线信号传输技术分析 2 ． 1 目前工业领域的无线网络标准 1 B l u e t o o t h 蓝 牙 B l u e t o o t h是 一 种 近 距离无线通讯的技术标准。蓝牙采用分散式网络结 构以及快跳频和短包技术，支持点对点及点对多点 通信。B l u e t o o t h技术在煤矿井下瓦斯等安全监控系 统中应用较广泛 ，但 由于传输距离短 ，显然不适合 短则几百米 ，长则上千米的轨道运输。 2 wi ． F i wi F i 技术成熟 、传输速率高 、网 组能力强、覆盖范围广 ，但是功率高 、技术复杂 、 实现的成本较高。Wi F i 技术在煤矿井下人员定位 系统 中应 用广泛。wi F i 工作在 2 ． 4 G H z 频段 内， 最大数据传输速率为 1 1 Mp b s ，使用范围在室外为 3 0 0 m，在办公环境 中为 1 0 0 m，且只允许一种标准 的信号发送 ，显然不满足要求。 3 Z i g B e e Z i g B e e 是一种新兴的低功率、 低数据速率 、低成本 、低复杂度的无线网络技术， 是一个由多个无线数据传输模块组成的无线数据传 输网络平台，十分类似于移动通信的 C D MA ／ GS M 网。每一个 Z i g B e e网络数据传输模块类似于移动 网路的一个基站 ，在整个网络范围内，它们之间可 以进行相互通信 ，每个网络节点问的距离可以从标 准 的 7 5 m，扩展到几 百米甚至 几千米 。主要 应用领 域包括无线数据采集 、无线工业控制、消费性电子 设备、汽车 自动化 、家庭和楼宇自动化 、医用设备 控制、远程网路控制等场合。 2 ． 2 Z i g B e e 技 术优 势 1 功率低在低功率待机模式下 ，两节普 通五号 电池可使用 6 ～ 2 4 个 月。 2成本低Z i g B e e 数据传输速率低，协议 简单，大大降低了成本。 3 网络容量大网络最多可容纳 6 5 0 0 0个 设备 。 4延 时短典型搜 索设 备 时延 为 3 0 ms ， 休眠激活时延为 1 5 ms ，活动设备信道接入时延为 1 5 ms 。 5 网络的自组织、自愈能力强 ，通信可靠。 6 数据安全 Z i g B e e 提供了数据完整性检 查和健全功能，采用 A E S ． 1 2 8 加密算法，各个应用 可灵活确定其安全属性。 可见，Z i g B e e 技术在低功率、低成本和组网能 力上具有无可 比拟的应用优势 。 通过综合分析几种工业无线通信技术 ，笔者认 为Z i g B e e 在低信噪比的环境下具有很强的抗干扰能 力。在相同环境下 ，抗干扰能力远远好于 B l u e t o o t h 和 Wi F i 。 2 ． 3 标 准选 取 通过比较可以发现，Z i g B e e 无线通信技术特别 适合煤矿井下无极绳连续牵引车脱轨监测系统具有 低功率、低成本、占有系统资源少、组网方便 、传 输距离远等优势。因此 ，选用 Z i g B e e 无线通信技 术开发无极绳连续牵引车脱轨监测系统。 3 基于 Z i g B e e的监测系统设计 本文设计的无极绳连续牵引车脱轨监测系统如 图 2 所示。该系统主要由检测发射模块 、接收传输 模块和接收报警模块组成。由安装在无极绳连续牵 引车梭车上的检测发送模块检测到脱轨信号并通过 Z i g B e e 无线传输芯片发送给安置在牵引车所在巷道 帮部的多个接收传输模块中的一个或多个 ，接收传 输模块在收到脱轨报警信号后通过无线或有线通信 方式把信号发送给接收报警显示模块 ，接收报警显 示模块根据接收到的信号来进行报警显示，提示操 作人员停止牵引车的运行，同时 自动切断电源 ，停 止牵引车运行并闭锁 。 图 2基 于 Z i g B e e 技术的无极绳连续 牵引车脱轨监测 系统 1 检测发射模块 模块由接近开关 、无线 发送装置、电池组组成 图 3 。两个接近开关分 别安装固定在梭车对角的两个轮子附近，感应面贴 近轨道来感应轮子是否脱轨。这样不管出现什么样 的脱轨总有一个接近开关能够感应到并输出信号。 无线发送装置固定在梭车上 ，当装置接收到接近开 关发送 的脱轨信号并经过处理后，驱动 Z i g B e e 模 块把报警信号通过无线方式发送给接收传输模块。 2 接收传输模块 模块由无线接收装置、 电源模块组成 图4。无线接收装置按照一定距 离依次安装在无极绳连续牵引车轨道所在的巷道帮 部 ，接 收牵 引车运行过程 中可能 出现的 由检测发 射 模块发送的脱轨报警信号。装置接收到信号后通过 2 0 1 7 年第 l O 期 始蒺 斜技 1 3 3 C A N总线方式或无线方式传送给接收报警显示模 块 。 图 3 检 测发射模 块组成 匮 一日 围 图 4接 收 传 输 模 块 组 成 3 接收报警显示模块 图 5 模块通过 Z i g B e e 模块或 C A N总线接收由接收传输模块发送过 来的数据信号，通过解析后判断脱轨情况 ，通过显 示模块进行报警显示处理，并作出停电、闭锁反应。 4 结论 将 Z i g B e e 无线通信技术应用于煤矿无极绳连续 牵引车脱轨监测系统能很好地满足系统对低功耗、 低成本无线通讯 的需求。基于 Z i g B e e 无线通信技 术组网方便、抗干扰能力强的优点 ，特别适合于煤 矿井下轨道运输系统的监测监控。此种监测系统也 可用于其他场合轨道运输的监测监控。 IU 图 5 接收报警显示模块 【 参考书目】 [ 1 ] 庞海娟 ． Z i g B e e 技术在矿井人 员管理 系统 中的应 用 [ D】 ． 曲阜 曲阜师范大学，2 0 1 0 ． [ 2] 唐远尧 ． 基于Z i g B e e的无线数据采集系统设计与 实现 [ D] ． 成都西南交通大学，2 0 0 9 ． [ 3] 闫沫 ．Z i g B e e协议栈的分析与设计 [ D 】 ． 厦 门厦 门大学 。2 0 0 7 ． [ 4] 曹卓 ． 基于Wi r e l e s s H AR T协议的流量变送器设计 [ D】 ． 成都 电子科技大学，2 0 1 0 ． [ 5 ] 郭鲜，李郴 ，郑岚，等 ． 煤矿井下人 员定位系统 的现状和发展 [ J 】 ．2 0 0 8 ， 2 3 3 3 4 ． 上接 第 1 3 0页 表 3 悬臂水平摇动位置偏差 测量次 截割头 高度 实测 数值 偏 差 mm 相对误差 ／ ％ 数 to ni m m 1 l 5 7 9 1 4 7 6 7 3 4 ． 9 2 1 4 81 1 4 2 5 5 6 3 ． 9 3 1 4 7 4 1 4 0 3 71 5 ． 1 4 1 5 2 8 1 4 6 6 6 2 4 ． 2 5 1 5 3 0 1 4 4 7 8 3 5 ． 4 4结论 通过对矿用掘进机电控系统设计，实现了悬臂 式掘进机的 自动控制，通过上位机监控界面对其进 行监控 ，使得操作人员可以准确、实时的完成对掘 进机的采掘活动情况监控。 悬臂掘进机垂直及水平 摆动的操作试验结果表明，其位置偏差满足采掘要 求，具有较高的准确性。 【 参考书目】 [ 1 ] 李鸿岩， 苏宏彪 ， 杨林 ． 数字化掘进机电控 系统 [ J ] ． 科技创新与应用，2 0 1 7 2 1 2 4 ． [ 2] 布朋生 ． 矿用掘进截割电动机远程监控 系统的设 计 与实现 [ J ] ． 煤矿机 电，2 0 1 6 4 8 6 8 8 ． [ 3] 滕丽丽 ， 滕俊章 ． 基于P L C的悬臂式掘进机电控 系统 的 设 计 与 实 现 [ J ] ． 煤 矿 机 械 ，2 0 1 4 4 1 3 3 1 34． [ 4 ] 朱文忠 ． 基于 P L C的煤矿掘进机电控 系统的可靠 性设计与 实现 [ J ] ． 煤矿机械 ，2 0 1 3 8 2 6 9 - 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