盛沟煤矿综合无线通信系统的设计与应用.pdf

第32卷第11期煤 炭 学 报Vol . 32 No. 11 2007年11月JOURNAL OF CH I NA COAL SOCIETYNov . 2007 文章编号 0253 - 9993 2007 11 - 1211 - 05 盛沟煤矿综合无线通信系统的设计与应用 温晓龙 1 ,宋存义 1 ,崔 巍 2 ,金龙哲 1 , Tim.Folsom 1 1 1北京科技大学 土木与环境工程学院,北京 100083 ; 21中国石化股份有限公司,北京 100029 摘 要通过引入PHS通信技术,并将设备作本质安全和防爆处理,然后根据工业现场总线组 网原则和要求进行设计,就可以实现一种全新方式的矿用综合无线通信系统TS2006系统 . 在 设计和测试过程中,根据盛沟煤矿的具体地形,经过反复调试,最终作出了合理的系统布置. 关键词无线通信;信息系统;现场总线系统 中图分类号TD65513 文献标识码 A 收稿日期 2007-01-15 责任编辑高雪梅 基金项目北京市教育委员会建设资助项目XK100080432 作者简介温晓龙1980 - ,男,山西忻州人,博士研究生.E - mailtommywinvip1sina1com Design and application of integration wireless commun ication system in Shenggou CoalM ine WEN Xiao2long 1 ,SONG Cun2yi 1 , CU IWei 2 , J I N Long2zhe 1 , Tim.Folsom 1 11Civil 21China Petroleum and Chem ical Corporation, Beijing 100029,China Abstract Put PHS communication technology into the use of communication of coalmine, and make device reach to theMA and anti - blast level,and according to the requirement and principle of building net work in distributed control system, it can get a new of integration wireless coalmine communication system testing system in 2006.Aftermany ti mes of testing and debugging, it gets system collocation in reason,and the intergrative sys2 tem can fulfil the requirement of the coalmine and get use ideally . Key words wireless communication; infor mation system; distributed control system 传统的煤矿通信设备由于故障率高、体积笨重、信号较差等原因已经越来越不能满足现代生产的需 要,其中最难以解决的一个问题就是井下通信的效率、质量一直无法改善 [1 ]. 井下生产环境比较复杂, 信号衰减和干扰都比较大,对设备和线路要求很高,必须满足耐高温、高湿和防爆特性.盛沟煤矿井下条 件较为复杂,以往采用的通信设备效率差,信号不好,故障率也比较高,严重影响了井下的生产调度,该 矿决定更新通信系统,并在1号井2号煤层工作面首先做系统设计和测试. 1 传统矿用通信方式的局限 盛沟煤矿目前采用的通信方式主要有固定防爆电话和对讲机.①固定防爆电话.固定防爆电话是 煤矿主要的通信方式,本安型的固定防爆电话可以用在井下含有瓦斯的场合作为通信联络的工具 [2 ]. 这 种方式的主要局限是应用范围小,且只在定点之间通话,采用这种方式线路维护繁琐,且井下有些需要 通信的场所,固定电话是无法到达的.②对讲机.对讲机只能采用单工方式,群呼,体积笨重,对指挥 煤 炭 学 报 2007年第32卷 和调度中特殊群体的保密要求的实现比较困难,携带也不方便.数部对讲机同时工作时,由于共用一个频 段,用户之间的干扰大,话音质量差.采用这种方式远远达不到工作要求,现在该矿不得不用信号灯方式 进行辅助通信.对讲机的信号来源于泄漏电缆,铺设泄漏电缆成本高、老化快,而且由于没有集中维护和 告警软件,所以不能及时发现和排除故障.对讲机实现井上和井下人员之间通信非常困难,使得组建统一 的通信系统和通信网络这一目标无法实现. 随着现代化煤矿对生产和安全的要求逐步提高,传统的矿用通信方式的局限性越来越明显.电磁设备 越来越多,对设备的抗干扰能力提出了更高的要求.传统设备故障率高,而设备的易维护性、线路的低故 障率直接决定了生产效率的提高.所以,井上、井下,整个矿区、公众信息网络的互联以及通信设备与现 场工业总线之间的互联在传统的设备和网络下是无法实现的.盛沟煤矿进行技术更新的初衷也在于此. 2 综合无线通信系统TS2006系统的设备与网络参数 现在矿用主流无线通信系统多是基于GS MGlobe System obile Communication , CDMACode DivisionMultiple Access或者PHS Personal Handyphone System 等无线通信技术,这些技术在工作频段 和设备的采用上都与旧有矿用通信技术完全不同 [3 ]. 理论上采用GS M或者CDMA方式通信效果会非常 好,但是经过初步系统设计,发现成本较高,不宜采用 [4 ]. 采用PHS技术可以满足矿用通信需求,在系 统的实现和维护、经济性等方面都比较理想,所以决定用PHS技术来设计通信系统. 图1 TS2006系统的网络结构 Fig11 Network structure of TS2006 System 根据PHS的建网要求和工业现场总线组网原则,组 建综合无线通信系统暂称TS2006系统, Testing System in 2006 ,系统网络结构如图1所示,组网时选用的所有 网元都符合矿山环境安全要求 MA 认证和防爆电气设备 合格证的设备. 211 TS2006系统的设备描述 TS2006系统包括局端接入设备RT、基站控制器 RPC、基站RP、手机PS和Net man网络管理系 统等网元. 1局端设备RT.TS2006系统通过RT以1号 信令PR I与数字交换机LE相连接接入公共网络,从而使系统的终端可以得到交换机用户具有的 所有功能对每个手持终端均可设置呼出权限,内外线隔离 [5 ]. RT亦是独立交换机,系统内手机间的 通信在RT内实现内部交换 1 个RT可支持4 000个手持终端 , 可以通过并线实现无线和有线电话同号 业务.RT通过控制系统可连接多个RPC,有效地保证了系统网络的畅通. 2基站控制器RPC.RPC用于控制和管理RP,其间通过ISDN数字传输标准进行信号传输;能 提供42Erl话务量, RPC控制着RP在服务区的电源分配和话音路径的集线处理 [6 ]. 每套RPC有8个基站 接口卡插槽,可插入8块基站接口卡,每块基站接口卡有4个端口,则每套RPC最多可以接入32个RP. RPC的数量按RP配置数量确定, RPC有效工作范围是半径5 km区域.RPC因其已有防爆设施,亦可布 置于井下,以光缆与RT相连接,保证井下通信的顺畅. 3基站RP.TS2006系统中无线接口的模块是基站RP.RP完成用户端与接入网之间的信息 传递,采用一对阻燃双绞线与RPC连接.系统采用大小基站混合组网方式, 10 mW - RP安装在要求防爆 的区域及煤矿井下, 200 mW - RP安装于地面;在不同区域配置不同增益值及方向的天线.RP本身无源, 通过阻燃双绞线由RPC进行线路馈电.由于具有动态信道分配的功能,故系统无论何时都可通过增加RP 的数目来实现扩容,无须涉及复杂的频率规划.在工程实施中,可根据需要提供支架和防盗罩等; RP均 为防雷基站. 4手机PS.PS是TS2006系统的无线终端设备.其模块电路已按本质安全型防爆电路进行了防 2121 第11期温晓龙等盛沟煤矿综合无线通信系统的设计与应用 爆安全处理;信号通过RP的射频调制波发射,只要是在RP覆盖范围之内,PS可畅用于地面、井下实现 无线通信,具有良好的抗噪性 [7 ]. 5网络管理系统Netman.网管中心由1套Netman 2006网管软件和1台PC机构成.采用基于 TCP/ IP的SNMP协议和Client/Server开放式体系结构的Netman网管系统,所有网元包括RT, RPC, RP 使用1套统一的网管平台Net man,全面实现对TS2006系统的操作和维护工作 [8 ]. 另外,还可与本地网管 中心实现对接,并能提供Q3协议接口. 212 TS2006系统的网络参数 1覆盖区域及无线设计容量.系统覆盖区域与系统内基站设置有关,基站的线路距离是由所允许 的线路损耗决定的 [9 ] ,在120 kH正弦波信号下,线路最大损耗不超过40 dB;在最大线路损耗下,线路 的误码率BER小于10 - 6 ;线路的损耗可用专用线路损耗测试仪测量 [10 ] ,但测量步骤较繁锁,而线路 的损耗、线径和环阻3者又有一定的对应关系,通常根据线路的环阻来判断线路的好坏,例如根据经验 值,通常对于014 mm的线径,允许的最大距离为215～310 km,对应环阻在800～900Ω.综合可知,选 取地面200 mW基站半径2 km以内,井下10 mW基站直线距离双向各500 m内均为系统覆盖区域,在覆 盖区域内可确保通信网络正常使用;其无线设计容量为实际终端通信数量.系统可实现FSK Frequency Shift Keying制式的来电显示,系统支持扩展数据功能和扩容 [11 ]. 从各覆盖区域的具体情况出发,整个系统采用的设计原则是根据工作区地理形状、人员密度、话务 量等具体情况采用分区设计;200 mW基站、10 mW小功率基站混合组网配合使用,原则上采用无缝链 接,确保重点区域的覆盖效果和高话务量. 2射频规划原则.系统采用分区覆盖、大小功率基站混和组网的方式,既保证覆盖区域,又满足了 话务量不同密度分布的要求 [12 ]. 根据国家无线电管理委员会规定的频段2 000～1 905 MHz ,所设计的 无线通信系统的工作频段①控制载频C - ch.第24号载频为1 9021050 MHz;②控制载频 C - ch 保护载频.第26号载频为1 9021350 MHz;③话音载频T - ch.18 1 9001250 MHz～33号 1 9041 750 MHz载频. 表1 组控状态下10 mW基站所能承受的话务量 Table 1 Voice afford by 10 mW - RP in status of team control 组控的基站数 10 mW - RP 业务信道数话务量 421101633 31171076 2931738 1301899 3系统话务量计算.对10mW - RP而言,可提 供4个物理信道,其中1个控制信道和3个话音信道, 根据空中信道5的呼损,查Erlang_B表可得单个基站 支持的话务量为01899 Erl .组控状态下10 mW基站所 能承载的话务量见表1. 提供的话务量基于Erlang_B话务模型,所有基站 采用远端供电,不必另装电源线.针对不同的区域,用 户平均话务量设计目标不同.在办公、生产等较繁忙区 域,话务量也较大,而在空旷区域,由于人口较稀疏则 要求的话务量也较少 [13]. 技术方案采用平均话务量 0122 Erlang/Sub 公网为0105 Erlang/Sub. 4呼损的设定.空中信道呼损为5;有线系统呼损为1. 3 针对现场区域的设计及测试 TS2006系统首先使用在1号井上、井下的综合通信系统的设计中.1号井2号采掘工作面距离地面 200 m,属于高瓦斯矿井,以前采用泄露通信和防爆电话,效果不是很好.矿方提出所设计的综合通信系 统必须满足以下要求①实现盛沟地下矿办公楼及1号井地面与井下区域内的整体无线通信系统.②无 线通信系统的覆盖范围为地上全部以及井下80以上的范围,要求80以上区域实现通信无缝链接.③ 实现可视化监控与系统设置.根据以上要求,分5步设计所需通信系统. 3121 煤 炭 学 报 2007年第32卷 311 地上覆盖区域界定 办公楼、1号井井口要实现整体无线通信,根据区域尺寸及设备参数,决定设置1台200 mW基站和 2台10 mW基站覆盖办公楼区域和门前两条道路.在1号井井口设置1台10 mW基站进行网络覆盖. 312 局端设备RT设计 为保证资源的充分利用,网络话务量无阻塞,以及整体通信的要求,决定配置1台局端设备于总生产 调度室内, 1台RT就可以满足所需的话务量要求.经PR I接口与数字调度交换机连接,接入公共网络并 连接所需的基站控制器. 图2 地上区域RT, RPC布置 Fig12 RP, PRC layout on the ground 313 基站控制器RPC的设计 系统设计为保证办公楼与1号井地面、井下实现无线通信, 并考虑办公楼与1号井相距717 km, RPC有效通信控制距离为 5 km 从RPC到最末端基站距离 5 km内 , 所以配置2台 RPC在办公楼生产调度室配置1套RPC控制办公楼处地面基 站,在1号井井口胶带室内配置1台RPC 用以有光缆连接 以控制1号井地上、井下基站.具体布置如图2所示. 314 基站RP的设计 图3为1号井2号煤层平面图.井下无线通信主要依赖10 mW - RP,这种基站体积小巧,可以在各 种地形灵活组建通信网络,而且防爆性能好,具有本质安全属性,可以适用于井下的工作环境.利用若干 RP进行合理配置,就可以满足矿方要求,每个RP可以控制直线双向直线500 m范围内的通信,但是遇 到有线路变化或者障碍物时,信号会有一定的衰减.布置RP时,直线位置按照RP的工作范围均匀布置, 遇到有弯道特别是弯道较大时,尽量把RP布置在弯角处,这样可以获得较好的通信效果 [14 ] ;尽量避开电 磁和机械设备,布置时要考虑较少外部接触,边布置边进行通信测试,一定要确保最大限度地没有通信盲 区,尤其是在RP的工作区域边缘和多台RP的交叉区域处,一定要保证网络的覆盖.经过反复计算和试 验,决定总共在2号煤层设27处基站,统一接入1号井井口胶带室内RPC, RP的详细布置如图4所示. 图3 1号井2号煤层平面图 Fig13 Ichnography ofNo12 coal seam,the 1stmine 图4 1号井2号煤层基站布置 Fig14 RP collocation ofNo12 coal seam,the 1stmine 在图4中,中央主运大巷、东翼主运大巷、中央辅运大巷、东翼辅运大巷共布置11台RP以保障运 输巷道的通信需要,中央主运大巷基站设置要兼顾覆盖煤仓胶带端头处;S4101工作面主运、辅运巷设置 5台RP保证工作面及其运输巷道的通信需要;在各回风巷设置4台RP以保证回风巷内巡检等通信需要; 其余7处设置在各处道路,以满足总体通信需求. 测试采用第3方Motlog05网络监控软件进行流量监控,发现有19处RP网络带宽平均使用率处在 45～60之间处在这个区间说明该RP工作量较为合适 , 占到全部RP数量的7014;其余8处RP 的网络带宽平均使用率也达到30以上,说明系统整体设计较为合理,没有出现严重的资源浪费;经过 4121 第11期温晓龙等盛沟煤矿综合无线通信系统的设计与应用 Motlog05分布统计, TS2006系统平均话务接通率达到9119 ,主要生产区域接通率达到9811 ,完全达 到了设计目标和矿方需求,在每个RP双向直线500 m区域内,信号衰减最大为1 ,处于正常水平. 315 手机PS和网络管理系统Netman配置 手机配置采用按需、分档逐步到位原则.手机配置100台,按矿领导、相关科室领导、安全员、生产 班组成员的数量进行发放,倒班工作的班组只需配备一组手机即可.Netman采用基于TCP/ IP的SNMP协 议和Client/Server开放式体系结构的Netman2006网管系统,所有网元使用1套统一的网管平台,全面实 现对TS2006系统的操作和维护工作.另外,还可与本地网管中心实现对接,并能提供Q3协议接口,全 面实现系统冗余备份和故障自检 [15 ]. 在各级控制机及矿上主控机上均可以实现对网络运行状况的全面监 控,最高级操作指令被授权可以更改网络配置.预置了增值服务和系统升级模块,今后对网络进行软件、 硬件升级非常便捷. 4 结 语 经过1个月的测试使用,TS2006系统基本实现了稳定、安全的运行,为该煤矿的生产调度提供了良 好的通信支持,企业的生产效率得到了大幅的提高,而且该系统对安全生产、事故抢险也有很大帮助.通 过设计,使用TS2006系统,矿方要求得到了很好的实现,全矿的通信系统找到了合理的整合方式.相比 原来采用的通信方式,TS2006实现了技术上的飞跃,该系统有较好的通信质量、较低的电磁干扰,体积 小巧轻便,可以实现设备防爆和本质安全、系统化的网络设计以及便捷维修等优点,尤其适合各类井下作 业的工矿企业使用. 参考文献 [1] 罗伯特.威廉姆斯.PHS技术原理与应用实现[M ].北京人民邮电出版社, 2004.328～330. 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