一种新型的井下无线通信组网方式.pdf

第 2期 2 0 0 3年 4月 工矿 自 动化 I nd u s t r y a n d M i n e Aut o ma t i o n NO． 2 Ap r ．2 0 03 ’ ’ ’ ’ 科 研 成果 ● q ◆4 - ◆_ - 一 ◆ ◆ - ◆ T 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 0 3 0 20 0 0 1 0 4 一 种新型的井下无线通信组网方式 孙继 平 ， 田子 建 ， 梁 亮 ， 刘 坤 1 ． 中国矿业大学信息研究所 ， 北京1 0 0 0 8 3 ； 2 ． 兖矿集团通信计算中心，山东 邹城2 7 3 5 0 0 摘要 介绍 了一种适合煤矿井下工作特点的无线通信组 网方式。组 网采用小区制频率复用技 术， 每个小 区的基站用 1个载频 ， 小区半径为 5 0 0 m， 小区基站有 3个话音信道、 1个专用信令信道， 多址采用 T D MA方 式。为改善呼损率和提 高通信 系统可靠性以防基站故障时出现盲区， 设计了直通方式， 使在 0 ． 5 k m 距 离内 移动 台之 间的话 音数 据 可以不 通过基 站 ， 并且各 自还 能接 收 本 小区基站 的信 令 以响应 高级别 的呼 叫。 关键词 矿 井 ； 无 线 通信 ；组 网 ；小 区制 ； 频 率 复用 ； T DMA 中 图分 类 号 T D 6 5 5 ． 3 文献 标识码 B A Ne w Ne t wo r ki n g Me t ho d o f Un d e r g r o u n d W i r e l e s s C ommu n i c a t i o n S UN J i p i n g ， TI AN Z i j i a n ， LI ANG L i a n g ， LI U Ku n 1 ． I n f o r ma t i o n R e s e a r c h I n s t i t u t e ， C h i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a ． 2 ． C o mmu n i c a t i o n a n d Co mp u t e r C e n t e r ，Y a n z h o u Mi n i n g G r o u p Co ． ，L t d ． ，Z o u c h e n g 2 7 3 5 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t A ne w ne t wo r ki n g me t h o d t h a t s u i t s wi t h u n de r g r o u n d wo r k i n g c o n di t i o n wa s i n t r o du c e d i n t h e p a p e r ． Ne t wo r k i n g a d o p t e d c e l l s y s t e m o f f r e q u e nc y r e u s i n g，b a s e s t a t i on h a d 1 c a r r i e r f r e q u e n c y，3 t r a f f i c c ha nn e l s a n d 1 s p e c i f i c s i gn a l i n g c h a n n e l ，r a d i u s o f a c e l l i s 5 0 0 m ，a d o p t e d TDM A a s me a s ur e o f mu l t i a d dr e s s． I n o r d e r t o i m p r o v e c a l l l o s s r a t e a n d u p da t e t h e s a f e t y o f c o mmu ni c a t i o n s y s t e m t o a v o i d a p p e a r i n g f a d e a r e a wh e n b a s e s t a t i on h a d f a u l t ，a me t hod whi c h a l l o we d t wo mo b i l e p h o n e t o p e r f o r m p o i n t t o p oi nt c o mm u n i c a t i o n d i r e c t l y a t t h e r a n ge o f 0． 5 km wa s i nt r o d u c e d． I n t h e p r o c e s s o f po i nt t o po i n t c o mmu ni c a t i o n，t wo mo b i l e p h on e c a n r e c e i v e s i n gl i n g o f b a s e s t a t i o n r e s p e c t i v e l y a s we l 1 ． Ke y wo r ds mi n e，wi r e l e s s c o mmun i c a t i o n，n e t wo r k i n g，c e l l s y s t e m ，f r e q u e n c y r e u s i n g，TDM A 0 引 言 在为兖 州煤业 集 团设计 的矿 井 9 0 0 M 数字 移动 通信系统 中， 组 网采用频率复用 的小 区制。每个小 区 的基 站 用 1 个 载 频 ， 小 区基 站 主要 完 成 移 动 台与 移动 台之 间以及 移动 台与 有线 用 户之 间 的话 音 通道 控制 和 接续 ， 负 责 小 区 内话 音 接续 控制 以及 完 成越 区移动台间通话信息的转发。井下是典型的受限空 间通信 ， 地形复 杂， 有很 多工 作面， 大部分 工作 面的 半径较小 ， 其上的工作人员也 少。假如每个工作面 都要设成一个小区 ， 对大型矿井来说 ， 基站的数 目会 收稿 日期 2 0 0 2一l 2 ～l 7 作者简介 孙继平 1 9 5 8一 ， 男 ， 山西人 ， 博 士 ， 教授 ， 博 士生导 师。现为中国矿业大学北京校区信息工程 研究所 所长 ， 长期从事 矿 井监控和移动通信等方面的教学与科研工作。 很多。笔者采用的射频收发部分是用 T I 公司 的低 功耗 1 6位单片机 MS P 4 3 0控制该公司的专用 R F半 双工芯 片 T R F 6 9 0 0 ， 在 此 硬 件 基 础 上 ， T R F 6 9 0 0的 数据传输速率应在 9 6 k b p s以下 。小区基站设计为 有 3个速率为 8 k b p s的话音业务信 道， 基站只需 1 套射 频 收发 装 置 ， 硬 件 电路 较 简 单 ， 开发 周 期 成 本 低。但对用户较多的小区来说 ， 3路话音信道略显不 足 。井 下 噪音较 大及 工作 特点 造成 在 同一 巷 道 或工 作 面 内的 通话 需 求 较 大 ， 而 这 些通 话 的两 移 动 台 之 间的距离都在其 R F收发器能有效持续的范围内， 可 让这两个移动台话音不通过基站直接通话 ， 这样做 的可行性是因为井下是典型的条状服务区， 实验表 明巷道 的弯 曲对 电磁 波 的影 响非 常 大 ， 整 个 系 统 可 只设一个直通频率。这样可使系统性能满足生产要 求 。 维普资讯 2 工矿 自动化 2 0 0 3年 4月 1 射 频芯 片 的特 点 基 站 和 移 动 台 的 射 频 部 分 是 相 同 的 ， 在 每 对 T R F 6 9 0 0通信时 ， 每次收、 发数据之前都必须有个数 据头 。数 据头主要作用 是提供 给处在接 收状 态 的 T R F 6 9 0 0内部预置式均衡器 1个训 练序列 ， 训练序 列是 0 1 0 1 数据流 ， 它使 TR F 6 9 0 0接收模块能适应 并识别 随后而 至的数字 电平 信号。训 练序列包括 T RF 6 9 0 0从 发 射 到 接 收 转 换 所 需 2 0 0 S的稳 定 时 间 ， 在传输速率为 8 0 k b p s时， 相 当于 1 6位的时间， TR F 6 9 0 0自动 均衡器 需 至少 2 0位 的训练 序列 ， 故 本 系统 中 至少需 3 6位 训练 序列 L l j 。 数据 头 由 6个 字节组 成 ， 它 的构 成 分 两种 情 况 一 种是直通帧和基站到移动台下行信令信道的数据 头 ， 它 除 了 5个字 节 的训 练 序列 之 外 ， 还 有 1个字 节 的帧同步， 直通帧是不分时隙的， 每次发送数据前都 要有帧 同步， 而下行的信令信道是基站 和移动台数 据帧的起始 时隙， 在下行信令信道数据头 的最后 1 个 字节是帧同步； 另一种是基站和移动 台数据帧中 的话音业务信道及上行信令信道 的数据头 ， 它完全 是 由 6个 字节 的训练 序列 组成 。 T R F 6 9 0 0在接收数据时分为学习模式和保持模 式 2个阶段 ， 在学习模式接收数据头 的训练序列 ， 在 保持模式接收同步字节和数据。基站的流程始终是 不变的， 或者说基站不动 ， 移动 台向基站 同步 ， 这样 做的条件 是 RF的延时是 固定不变的。R F的延时 由 T RF 6 9 0 0本身的延时和电磁波 的传输延时组成 ， 本系统 小 区半 径 为 0 ． 5 k m， 其最 大 传 输延 时 为 1 ． 6 7 S ， 远小于 1 位数据 1 2 ． 5 S的时间。 2多址方 式 的选用 和直通 的 实现 2 ． 1 基 站的 帧结 构 多址方式选用 T D MA， 采用专用信令信道方式 。 除了信令信道 ， 还有 3个话 音信道。TR F 6 9 0 0的传 输速率是 8 0 k b p s ， 一帧 8 0个字。小 区基站 的帧结 构 如表 1 所示 ， 一 帧 的时 间是 1 6 m s 。 2． 2直通 的 实现 移动 台 的呼 叫接 续 和 通话 形 式 有 两 种 一 种 是 呼叫和话音信号都通过基站的正常通话 ， 一种是不 通过基 站 的直 通 方 式 。两 种 方 式 的载 频 不 同 ， 需 进 行频率的切换， 频率切换和稳定的时间约为 4 0 0 I t s 。 在直通时 ， 直通的两移动台的通话不通过基站 ， 但直 通移动 台和本小区基站 同步 ， 直通移动台一直在各 自基站下行信令时隙接收基站的下行信令 ， 以响应 表 1 T DMA帧结 构 群呼、 急呼以及 其它信令。所有移动 台平常处于待 呼状态 ， 只在 它发 起呼 叫时 为主 呼状态 。 待呼状态 时， 一直在接收本小 区基站 的下行信 令时隙， 在收发保护的时间段中 ， MS P 4 3 0不做数据 的收发处理 ， 只做一个 简单 的记数等待。这段时 间 用作进行信令的处理是足够的。如果判断不是对该 移动台的呼叫 ， 在上行信令时隙开始将频率切换成 直通频率 ， 并将 T R F 6 9 0 0设为学习方式 ， 以直通频 率接 收训 练序 列 ， 连续 收到 波 形 偏差 不 超 过 2 0 ％的 0 1 0 1 数 据 流 则 认 为 收 到 训 练 序 列 。TR F 6 9 0 0的 接 收信号为 MS P 4 3 0定时器的输入捕获信号， 在此 中 断程序之前将 MS P 4 3 0定时器 Ti me r A 的 C C TL 2 设为双沿方式捕获 ， 该模式用于时间事件的精确定 位 ， TR F 6 9 0 0的接收信号作为 C C R 2的输入， 捕获／ 比较寄存器中的值 用 c c r 2表示 锁存为当电平有跳 变时刻定时器计数 的值 。在接 收过程 中， 数 据的上 升、 下降沿都会引起定时器 中断， 捕获值也被记录下 来 ， 并将当前捕获值与前一次捕获值相 比较求差值。 如果连续检测 8次该差值均在设定的脉冲宽度范围 内 ， 说 明接收 的是 训练序 列 。 C C TL 2中断程序检测 在直通频率上是 否有信 号， 如在规定的时间内能收到直通频率上的训练序 列， 表明直通频率上有 信号 ， 则设置 T R F 6 9 0 0为保 持方式 ， 接收呼叫。待呼移动 台接收直通呼 叫整个 过程 的部分 流程 如 图 1 所示 。 图 1中有 3处“ 等若干位” ， 其位数是不同的， 因 为 3处所在的时刻不同。当在直通频率上没有找到 信号时， 要等不同位数以凑 足时间， 保证在下一帧的 下行 信令时隙以基站载频接收信令 ， 待呼状态的被 叫帧结构 如表 2所示 。 维普资讯 第 2期 孙 继平等 一种 新 型的 井下无 线通信 组 网方式 3 图 1 待呼移动台接收直通呼叫 表 2 待呼状态被叫帧结构 当在键盘上输入有效 的被叫号码并按“ 呼 叫” 键 后 ， 结束待呼状态 ， 进入主呼状态。根据结束待呼状 态时直通频率是否被占用来确定此次呼叫是否先 由 直通呼出， 如直通频率被占用， 则直接以表 1中上行 信令时隙通过基站呼出， 否则先以直通 的方式呼叫。 移动台以直通方式主呼的帧结构如表 3所示 ， 其中 有 3个子帧 ， 每个子帧上下行 1 1 个字仍是分为 3个 字 的数 据头 和 8个 字 的数 据 。数 据头 中有 1字 节 的 子帧同步。发射的数据是被叫移动 台 I D， 采用一帧 里分 3个子帧是因为本系统各小区基站没有同步， 如果主、 被叫移动台在直通距离 内但又在不同小区， 主呼移动台只有采用这种办法才能保证在直通距离 内帧结构如表 2所示待呼移动台发射的应答响应能 够被收到。需说 明的是， 直通被 叫移动 台应答时 的 帧结构省略未画。如 3个子帧的接收时隙都未收到 被叫发 出应答的帧同步字节 ， 则下一帧移动台改为 正常呼叫； 如在 3个接收时隙的任意时隙收到被 叫 的帧同步字节 ， 则继续再进行 5个直通帧 ； 如某个接 收时隙在 5个帧 内都收到了帧同步字节 ， 则可认为 两移动台建立 了稳定连接， 首先确保两个移动台在 直通距离内， 然后主、 被 叫各 自启动 C VS D语音芯片 以 8 k b p s 速率通话 ， 否则主呼改为正常呼叫。 从生产实际出发 ， 为提高直通频率利用 ， 限定直 通 通话 不超 过 3 mi n 。本 系统 采 用 的 越 区 切 换 机制 是用于移动台检测基站信号强度 ， 当信号强度小于 某一 门限时 ， 则 向基站发越 区切换 申请 。 因 为直通 表 3 直通方式主呼帧结构 时两移动台都没有上行信令信道 ， 无法发越区切换 申请 ， 所以直通通话时间不宜过长。 3频率设 置 无论主呼还是待呼， 都需和所在基站的下行信 令时隙同步， 需在 1 6 ms 内进行 2次频率切换 ， 高效 的频 率 设 置 非 常 重 要 。 MS P 4 3 0通 过 串 口 写 入 T RF 6 9 0 0的 A、 B 、 C、 D 4个寄存器来控制收发频率。 A和 D工 作 模 式 为 mo d e 0 ， C 和 B工 作 模 式 为 mo d e l 。它们都是 2 4位的寄存器 ， 其 中 A／ B的最高 2位 、 C ／ D 的最 高 3位 是地 址 位 。TR F 6 9 0 0的 收发 频率是相 同的， 相应 有 4个 2 4位 的控 制字 A一、 B一、 C一和 Dwo r d 。其 中 A 和 D 对应 为 一 组 、 B 和 C对应为一组 ， 完成发射和接收 的频率和控制参 数设 定 ， 具 体 哪 一 组 为 发 射、 哪 一 组 为 接 收 由 MS P 4 3 0通过 mo d e s e l e c t 设定 的 T RF 6 9 0 0工作 模 式来 确定 。 T R F 6 9 0 0采用直接数字频率合成器 D D S 结合 锁相环 P L L 方式 由压控振荡器 VC O 产生所需频 率。当 T R F 6 9 0 0为发射时 ， D D S ／ P L L的 VC O输 出 频率 即为 T R F 6 9 0 0的发射频率 ； 当 T R F 6 9 0 0为接 收时， VC O输出频率与接收频率 的混频为1 0 ． 7 MH z 中频信号 。A／ B中分别是 mo d e 0 、 mo d e l的 D D S频 率控制字， 它与 VC O输出频率 -厂 0 u 的关系 f f o u N DDS z 二 式 中 N 为预 分频 器 的 分频 比， N 2 5 6 ； D D S z 为十进制控制字的数值 ， z0 ， 1分别代表 A、 B控制 字； f 为 T R F 6 9 0 0外接晶体频率 ， f 2 4 ． 5 7 6 MHz 。 TR F 6 9 0 0的收发 功能控制 是通过设 置控制 字 C、 D实现的， T R F 6 9 0 0的 F S K调制频偏 由D控制字 中的 8位 D E V字段控制 ， MS P 4 3 0通过对 TR F 6 9 0 0 mo d e 脚 的 控 制 实 现 对 T R F 6 9 0 0 的 收 、 发 转 换 。 mo d e 的高低电平分别对应 mo d e 0 、 mo d e l ， 所 以在频 率切换时， 只需将寄存器 A／ B重新写入 ， C ／ D不变。 维普资讯 第 2期 2 0 0 3年 4月 工矿 自 动化 I ndu s t r y a n d M i n e Aut o ma t i o n NO ． 2 Ap r ．2 0 0 3 ． _。◆ ’ ； 实验研 究 ◆ ◆ ◆” ◆ ◆ ’ 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 0 3 0 20 0 0 40 3 基于 P L C的跣汰机自动排料系统模糊控制 马 西征 ， 杨 洁明 ， 陈冬 冰 太原 理工 大学 机械 电子工 程研 究所 ， 山西 太原0 3 0 0 2 4 摘 要 依 据 P L C的控 制特 点 ， 介 绍 了模糊控 制技 术在跳 汰机 自动 排料 系统 中的应 用 ， 并给 出 了模 糊控 制 器的实现过程。 详述了采用模糊控制理论设计的 自动排料控制器的特点和参数调整方法。实践表明 该控制 器具有 良好 的控 制效 果 。 关 键词 跳汰 机 ；模 糊控制 ；自动排 料 系统 ；P L C 中图分 类号 T D 4 5 5 ． 1 文献标 识码 A F u z z y C o n t r o l o f Au t o d i s c h a r g i n g S y s t e m f o r J i g g e r Ba s e d o n PL C MA Xi z h e n g ， YANG J i e mi n g， C HEN D o n g b i n g I n s t i t u t e o f Me c h a n i c a l a n d E l ect r o n i c E n g i n e e r i n g ， T a i y u an Un i v e r s i t y o f T ech n o l o g y ， T a i y u a n 0 3 0 0 2 4 ， C h i n a Abs t r a c t The p a p e r i nt r o d u c e d t h e a p p l i c a t i o n o f f u z z y c o nt r o l t e c h n o l o g y i n a u t o - d i s c ha r gi ng s y s t e m f o r j i g g e r a n d g a v e r e a l i z i n g p r o c e s s o f f u z z y c o n t r o l l e r ．I t a l s o d e s c r i b e d t h e p e r f o r ma n c e s o f c o n t r o l l e r d e s i g n e d b y f u z z y c o n t r o l t h e o r y a n d a d j u s t i n g me t h o d f o r p a r a me t e r i n d e t a i l ．I t p r o v e d t h a t t h e c o n t r o l l e r h a d e x c e l l e n t c o n t r o l e f f e c t ． Ke y wo r d s j i g g e r ，f u z z y c o n t r o l ，a u t o d i s c h a r g i n g s y s t e m，PL C 0 引言 目前 ， 我 国选煤 厂 的主要选 煤设 备是 跳汰 机 ， 其 性能 的好 坏直 接影 响到生 产效 率 的高低 。但 是许 多 选煤 厂现用 跳 汰机 自动 化 程度 不 太 高 ， 其 结 构 存在 很 多不 足 之 处 。跳 汰机 作业 受 入 料 、 给 风 、 给水 、 床 层松散度等诸多因素的影响。国内目前较先进的自 动排料系统大多采用模拟 P I D控制 ， 这种方法在煤 质给 料波 动不 大 的情 况 下 还 可 以 ， 但 在煤 质 发 生较 大变 化 时 ， 尤 其是矸 石含 量 突然增 加 ， 则 控制误 差 就 收稿 日期 2 0 0 21 22 0 作者简介 马西征 1 9 7 6一 ， 男 ， 现在太原 理工大学机 械电子工 程研究所攻读硕士学位。 会逐步 增 大 ， 影 响 了选 煤质 量 ， 导 致产 品质量 难 以保 证 。随 着计算 机 控 制技 术 的飞 速发 展 ， 对 跳 汰 机排 料控制 系 统 进 行 数 字 控 制 已 显 得 越 来 越 重 要 。为 此 ， 我 们进 行 了排 料控 制 系统研究 ， 引入 了模 糊控 制 算法 ， 用可 编程 控制 器来执 行实现 。 1 排 料 系统的 基本控 制原 理 跳 汰机 自动 排料 系统 的控制 目的是希 望通过 控 制排料量的大小， 维持床层厚度的稳定。稳定 的床 层是跳 汰 机保持 良好 分选 状态 的重要 保证 。 排 料 系统 的基 本 控制 原 理 浮 标检 测 跳 汰室 内 床层厚度 ， 然后将床层厚度信号送入控制器， 控制器 根据给定 的理想床层厚度 以及实 际反馈 的床层厚 ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ 4 结语 产 特点 ， 系统 的呼损 率能 够满 足生 产要求 。 根据矿井特点而设计 的这种通信组网方式 ， 基 站的硬件设计简单 可靠 ， 除通过基站进行接续 和直 通两种方式 外， 移动 台还 可脱 网工作 ， 一 旦基站故 障 ， 不会有通信盲点。直通方式的建立 ， 符合井下生 参考文献 [ 1 ] 苏又平． 9 0 0 MHz 矿井数 字移 动通 信 系统 [ D] ． 北京 中国矿业大学 北 京校区 ， 2 0 0 2 ． 维普资讯