盛沟煤矿综合无线通信系统的设计与应用_图文.doc

第 32卷第 11期 煤 炭 学 报 Vol . 32 No . 11 2007年 11月 JOURNAL OF CH I N A COAL S OC I ETY Nov . 2007 文章编号 0253-99932007 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, Ti m . Folsom 1 11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 , 网原则和要求进行设计 , 系统 . 在 设计和测试过程中 , 根据盛沟煤矿的具体地形 , . 关键词 无线通信 ; 信息系统 ; 中图分类号 T 3 ca ti on of i n tegra ti on w i reless co mm un i ca ti on system i n Shenggou Coa l M i n e W EN Xiao 2l ong 1, S ONG Cun 2yi 1, CU IW ei 2, J I N Long 2zhe 1, Ti m . Fols om 1 11C ivil 21China Petroleum and Che m ical Corporation, B eijing 100029, China AbstractPut PHS communicati on technol ogy int o the use of communicati on of coal m ine, and make device reach t o the MA and anti -blast level, and according t o the require ment and p rinci p le of building net w ork in distributed contr ol syste m , it can get a ne w of integrati on wireless coal m ine co mmunicati on syste m testing syste m in 2006 . After many ti m es of testing and debugging, it gets syste m coll ocati on in reas on, and the intergrative sys 2 te m can fulfil the require ment of the coal m ine and get use ideally . Key wordswireless communicati on; infor mati on syste m; distributed contr ol syste m 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 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 -mailt ommy winvi p 1sina 1com 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 、 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 . . 2 综合无线通信系统 TS 2006系统 GS Co mmunicati on , CDMA Code D ivisi on Multi p le Access m 等无线通信技术 , 这些技术在工作频段 [3]. 理论上采用 GS M 或者 CDMA 方式通信效果会非常 好 , , , 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 Fig 11 Net w ork structure of TS2006Syste m 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 Syste m 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 TS 2006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 m an 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 4000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 I S DN 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 5km 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 , 10mW -RP 安装在要求防爆 的区域及煤矿井下 , 200mW -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 Net m an . 网管中心由 1套 Net m an 2006网管软件和 1台 PC 机构成 . 采用基于 TCP /I P 的 S NMP 协议和 Client/Server 开放式体系结构的 Net m an 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 m an, 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 TS 2006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 120kH 正弦波信号下 , 线路最大损耗不超过 40, 线路 的误码率 BER 小于 10-6; [, 而线路 的损耗 、 线径和环阻 3者又有一定的对应关系 , , 例如根据经验 值 , 通常对于 014mm 的线径 , 20800900Ω. 综合可知 , 选 取地面 200mW , 10500m 内均为系统覆盖区域 , 在覆 ; . 系统可实现 FSK Frequency Shift Keying , 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 ; 200mW 基站 、 10mW 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 20001905MHz , 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 19021050MHz; ②控制载频 C -ch 保护载频 . 第 26号载频为 19021350MHz; ③ 话音载频 T -ch . 1819001250MHz 33号 19041750MHz 载频 . 表 1 组控状态下 10mW 基站所能承受的话务量 Table 1 Vo i ce afford by 10mW -RP i n st a tus of team con trol 组控的基站数 10mW -RP 业务信道数 话务量 4211016333 117107629 317381 3018993 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 01899Erl . 组控状态下 10mW 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 0122Erlang/Sub 公网为 0105Erlang/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 200m , 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 200mW 基站和 2台 10mW 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 10mW 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 Fig 12 RP, PRC layout on the gr ound 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 717k m , RPC 5k m 从 RPC 到最末端基站距离 5km 内 , RPC在办公楼生产调度室配置 1 站 , 在 1 以控制 12所示 . 314 基站 图 3为 1号井 2号煤层平面图 . 井下无线通信主要依赖 10mW -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 500m 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 Fig 13 I chnography of No 12coal sea m, the 1st m ine 图 4 1号井 2号煤层基站布置 Fig 14 RP coll ocati on of No 12coal sea m, the 1st m ine 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 Motl og05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 4560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 Motl og05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 500m 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 Net m an 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 . Net m an 采用基于 T CP /I P 的 S NMP 协 议和 Client/Server 开放式体系结构的 Net m an2006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]. 控 , 最高级操作指令被授权可以更改网络配置 . 、 硬件升级非常便捷 . 4 结 语 经过 1、安全的运行 , 为该煤矿的生产调度提供了良 , 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 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. 328330. [2] 任玉飞 . 无线通信工程师手册 [M].北京 北京邮电大学出版社 , 2005. 139141. [3] 周华梅 . 短距离无线通信系统的设计 [J ].可编程控制器与工厂自动化 , 20063 3335. [4] 吕红庆 . 基于 L M I 方法的鲁棒控制器 AQM 设计 [J ].北京科技大学学报 , 20065 5760. [5] 柯建华 . 基于 RF I D 与 C AN 的煤矿井下人员定位系统研究 [J ].煤炭工程 , 200611 101104. [6] J i m my Davis . E mp l oyee may f ocus on costs of injuries [J ].Safety Health, 20047 1517. [7] 黎晓红 . A subs pace of channel esti m ati on of M I M O -ZI P -OF DM syste m [J ].中山大学研究生学刊 , 2006 3 4143. [8] 梁秀荣 . 煤炭安全监测监控系统有关问题的探讨 [J ].煤炭科学技术 , 20068 6970. [9] 刘 强 . 安全监测监控系统接入全矿井综合自动化系统的方法 [J ].工矿自动化 , 20066 8488. [10] 董洪亮 . 安家岭露天矿无煤区过度实施方案探讨 [J ].煤炭科学技术 , 200611 6771. [11] 龚建芳 . P LC 开放控制与通信总线系统 [J ].工矿自动化 , 20066 7273. [12] 阳献惠 . 现场总线技术及其应用 [M].北京 清华大学出版社 , 2004. 134136. [13] 陈德池 . 微处理器与现场总线技术 [M].长沙 中南大学出版社 , 2003. 219220. [14] Kid Lovani . Design of wireless syste m in coal m ine [J ].Communicati on World Tech, 200610 2123. [15] Herry Demonf om. New trend in coal m ine inf or mati on syste m and hard ware [J ].American Ne w I nf or mati on App licati on, 20051 3941. 5121