矿井提升机自适应无线通信系统设计(1).pdf

工矿自动化 In d us t r y a n d Min eAut o ma t io n 第46卷第5期 2020年5月 Vo l 46No 5 Ma y 2020 i经验交流t 文章编号671-251X202005-0099-05DOI10. 13272/j. issn . 1671-251x. 2020010004 矿井提升机自适应无线通信系统设计 阎东慧 大同煤矿集团有限责任公司，山西大同037003 扫码移动阅读 摘要目前，矿井提升机有线通信系统布线繁琐、检修复杂，而无线通信系统因发射功率、频率和天线辐 射方向固定，存在无线通信距离有限、信号无法根据井筒形状和长度灵活覆盖、通信信号不稳定等弊端。针 对上述问题，设计了一种矿井提升机自适应无线通信系统该系统所有设备的数据均通过以太网接口输入, 无线通信部分采用接收信号强度自动感知、工作频率和辐射波束自动调整的自适应天线，可以将无线摄像 仪、无线电话等矿用设备进行无线互连，实现提升机、罐耳、油缸、钢丝绳及天轮等主要设施的视频监视、数据 监测及语音通信当提升机运行时，系统根据立井井筒的结构、深度与尺寸，自动调整位于井筒顶部的天线 的工作参数，使得天线能够始终对准移动中的提升机，通信设备的工作频率和功率始终处于最佳状态，保证 了无线信号的良好覆盖。现场应用结果表明，提升机运行时地面调度人员能够实时监视天轮、井筒、罐耳及 提升机内部状况，可随时与提升机内人员通话，图像清晰，语音通信流畅，且设备功耗低 关键词矿井提升机；无线通信；自适应天线；辐射波束；全双工通话；无线视频监视 中图分类号TD633/655 文献标志码A Design o f a n a d a pt ivew ir el ess c o mmun ic a t io n sy s t emf o r min eho ist YAN Do n ghui Da t o n g Co a l Min e Gr o up Co . , Lt d . , Da t o n g 037003, Chin a Abstract At pr esen t , min e ho ist s w ir ed c o mmun ic a t io n sy st em is c o mpl ic a t ed in w ir in g a n d ma 0n t en a n c e,ho w ever ,d uet o f xed t r a n sm0s s0o n po w er ,f r equen c y a n d r a d 0a t 0o n d 0r ec t 0o n o f a n t en n a ,t he m0n eho 0st qsw 0r el essc o mmun 0c a t 0o n sy st em ha sd 0sa d va n t a geso f l m0t ed w 0r el essc o mmun 0c a t 0o n d 0st a n c e, t hes0gn a l c a n n o t bef l ex0bl y c o ver ed a c c o r d 0n gt o sha pea n d l en gt ho f sha f t ,a n d c o mmun 0c a t o n s0gn a l 0s un st a bl e. In v0ew o f t he a bo ve pr o bl ems, a n a d a pt ve w 0r el ess c o mmun 0c a t 0o n sy st em f o r m0n eho 0st w a s d es0gn ed .The d a t a o f al equ0pmen t s0n t he sy st em 0s 0n put t hr o ugh Et her n et 0n t er f a c e,a n d w 0r el ess c o mmun 0c a t 0o n pa r t a d o pt s t he a d a pt ve a n t en n a w 0t h a ut o ma t 0c sen s0n g o f r ec e0ved s0gn a l st r en gt h, a ut o ma t c a d jus t men t o f w o r k 0n gf r equen c y a n d r a d 0a t 0o n bea m,w h0c hc a n w 0r el essl y 0n t er c o n n ec t w 0r el ess c a mer a ,w 0r el ess t el epho n e a n d o t her m0n e-used equ0pmen t s,so a s t o r ea l ze v0d eo mo n 0t o r 0n g,d a t a mo n t o r 0n ga n d vo 0c ec o mmun 0c a t o n o f ma 0n equ0pmen t ssuc ha sho 0st ,c a geea r ,o l c y l n d er ,st eel w 0r e r o pea n d ho 0st 0n gshea ve.When t heho 0st 0s0n o per a t 0n g,t hesy st em c a n a ut o ma t 0c al y a d just w o r k 0n g pa r a met er so f t hea n t en n a l o c a t ed a t t het o po f t hesha f t a c c o r d 0n gt o st r uc t ur e,d ept ha n d s0zeo f ver t 0c a l sha f t , so t ha t t he a n t en n a c a n a l w a y s be a l gn ed w t h t he mo v0n g ho 0st , c o mmun 0c a t o n s equ0pmen t 收稿日期收稿日期2020-01-02;修回日期修回日期2020-05-06;责任编辑张强责任编辑张强。 基金项目基金项目大同煤矿集团科技研究与幵发项目2016JD0015 作者简介作者简介阎东慧1984 ，男山西大同人，工程师，硕士，，硕士，主要从事矿山机电设备的研究与应用工作,E-ma il y l 984x 163. c o m。 引用格式引用格式阎东慧矿井提升机自适应无线通信系统设计工矿自动化，2020,46599-103 YAN Do n ghui. Design o f a n a d a pt ive w ir el ess c o mmun ic a t io n sy st em f o r min e ho ist [J-. In d ust r y a n d Min e Aut o ma t io n, 2020 46599-1037 100 .工矿自动化46 o per a t in g f r equen c y a n d po w er is a l w a y s in t he best st a t e, en sur in g go o d c o ver a ge o f w ir el ess sign a l s. The iel d a ppl ic a t io n ver if ie*w hen t heho i*t i*in o per a t in g,t hegr o un d d i*pa t c hin gper *o n n el c a n r ea l -t imel y mo n it o r in t er n a l c o n d it io n s o f t he ho ist in g shea ve, sha f t , c a ge ea r s a n d ho ist , a n d c a n r ea l ize t el epho n e a n d br o a d c a st in g w it h t he r el eva n t per so n n el in t he c a ge a t a n y t ime, t he ima ge is c l ea r , t he vo ic e c o mmun ic a t io n is smo o t h, a n d t he equipmen t po w er c o n sumpt io n is l o w . Key words min e ho ist ; w ir el ess c o mmun ic a t io n; a d a pt ive a n t en n a ; r a d ia t io n bea m; f ul l d upl ex c a l l; w ir el essvid eo mo n it o r in g 0引言 矿井提升机沿井筒提升煤炭、歼石、下放物料、 升降人员和设备［12］ 频繁的启停导致提升机电动 机、减速器、滚筒和天轮等部件极易发生故障,所 以，对提升机的运行过程和运行状态进行监测尤为 重要。文献［5］利用激光具有波长单一、光速快、测 量时间间隔短、测量精度高的特点，实时测量提升机 的方向、位置和速度。文献［6］设计了一种可以同时 监测钢丝绳张力、断丝、罐道间距的动态监测系统, 解决了传统监测系统使用范围单一的问题。文 献［7］基于信息融合技术将多传感器获得的信息进 行融合处理，建立了较为精确的提升机在线监测与 故障诊断系统。文献［8］总结了立井提升用罐道测 试的常用方法，比较了它们的原理、误差来源、测试 精度及经济性等,介绍了常见缺陷的故障模型，综合 分析了各种方法的优缺点和适用范围。但以上文献 大多采用有线通信方式和光缆数据传输方式,其布线 困难,设备安装不便，日常检修维护的工作量较大。 针对矿井提升机有线数据传输方式存在的问 题，近些年国内不少学者研究了无线数据传输方式。 文献［9］利用GPRS /CDMA网络实现了提升机监 测数据的无线传输。文献［10］利用GPRS无线网 络 升机 测 据， 网络技术 测数据进行处理。文献［11-12］利用无线WiF i建立 了提升机视频监视软件和音频通信软件。这些无线 传输方式虽然避免了有线通信方式的弊端，但其发 射功率与频率固定，天线辐射方向固定，导致了无线 通信距离有限，信号无法根据井筒形状和长度灵活 覆盖，通信信号也无法稳定传输，设备功耗也较大， 电磁波辐射能量效率不高，无法解决深部矿井的无 线传输问题。 针对以上问题，本文以山西大同煤矿集团同发 东周窑煤业有限公司副立井提升机为研究对象，设 计了矿井提升机自适应无线通信系统，该系统的通 信方式采用了工业以太网标准，所有设备的数据都 通过以太网接口输入，无线通信部分采用了接收信 号强度自动感知、工作频率和辐射波束自动调整的 自适应天线，可将无线摄像仪、无线电话等矿用设备 进行无线互连，实现了提升机、罐耳、油缸、钢丝绳及 天轮等主要设施的视频监视、数据监测及语音通信。 当提升机运行时，系统可根据立井井筒的结构、深度 与尺寸，自动调整天线的工作频率和辐射波束，使得 位于井筒顶部的天线能够始终对准移动中的提升 机，通信设备的工作频率和功率始终处于最佳状态, 无线信号的覆盖效率高，通信距离远。 1自适应天线设计 通信 备， 决定 通信 远 和 据 ， 其中 工作 率和 波束 状 2 重 研究内容。 1. 1 天线工作频率的自适应选择 立井井筒狭长、内壁不规则，结构各异，各种钢 结构件较多，存在着严重的电磁干扰。为了实现高 效率远 通信， 据 佳 工 作频率。 者 发 周窑 业 立 进 了大量的实地测试，发现1 5〜2. 7 GHz频段内无 线通信距离和速率最优，能够满足该公司立井无线 通信要求。因此，把天线工作频率选定在这个频段 内，同时，为了获得更好的辐射性能，将1 5〜 2. 7 GHz 设计成 1. 5 〜1. 8,1. 9 〜2. 1,2. 3 〜2. 5, 2. 5〜2. 7 GHz 4个频段。 计 动 装 ， 该装 由ARM系列单片机和射频锁相环芯片组成，单片 机与锁相环芯片通过串口实现数据交互。单片机控 制射频锁相环的工作频率随不同环境条件下无线信 号的强弱变化，实时选择合适的天线工作频率。 1. 2 辐射波束的自适应调整 辐射波束受辐射单元数量、单元位置、单元激励 的幅度、相位、结构等参数的影响。天线内置的 ARM单片机根据接收到的信号强弱调节功分器和 移相器 ， 进 、 位 、 激 度、 相位、 等 ， 波束 的自动调整，其目的就是为了保证天线的最大波束 2020 5 阎东慧矿井提升机自适应无线通信系统设计・101・ 始终指向移动中的提升机。 升机实际运 ，天线放置于井筒横梁顶部， 根据主提升机和副提升机的信号 进 动调 。当主提升机 远时，接收 主提升机 信号就变弱，辐射波束 向主提升机；当副提升机 远时，接收 副提升机信号就变弱，辐射 波束 向副提升机，如图1所示。 自适应天线 主提升机 图1自适应天线辐射波束 F ig.1 Ad a pt ivea n t en n a r a d ia t io n bea m 辐射波束始终 远的提升机，保证了 辐射电磁波的主 终 远 升 机，设备的功率 佳状态。 1. 3 天线结构 天线由大小相同的4个单元天线齐平排列，间 距为九，」 为大小不一的矩 ，分别 1 mm的F R4介质板上。由于馈电网络会 生很大影响，所以， 电网络 第3 ，电路 位于第3 表面，实 物加工时会在介质板 塑料支柱作为支撑， 图2所示。 a 俯视图 图3自适应无线通信系统结构 F ig.3 S t r uc t ur eo f a d a pt ivew ir el es sc o mmun ic a t io n sy s t em 部安装无线摄像仪与无线电话，用来监视提升机内 部状况和通话。在油缸、钢丝绳、天轮 装 摄 像仪， 轮、油缸、钢丝绳等设备的状况 摄像仪、无线电话由矿 电池供电。 端采集设备采集 信号和音频信号通过 信号的方式发送给中 备， 升机内部和其他 点的状况- 摄像仪、 电话 技术 攵 见表1表3。 表1无线摄像仪技术参数 Ta bl e1 Tec hn ic a l pa r a met er so f w ir el essc a mer a 电发射功率/夜视分速率/ 电压/Vd B ・ m 功 率/ppi Mbit・ s1 12201920X 1 080 10 〜100 表2无线电话技术参数 Ta bl e2 Tec hn ic a l pa r a met er so f r a d io t el epho n e 电电发 功 率/声音通信速率/ 压/Vd B ・ m度/d B 方式 Mbit・ s1 122090 双工 10〜100 表3 技术 Ta bl e3 Tec hn ic a l pa r a met er so f a d a pt ivea n t en n a 增益/d B功率/W口 式 20100N型 双 [ 下萝贴片 ..................................j..........， ，了zB曳磔空〜 馈电网络 b 图 图2 F ig.2 Ad a pt ivea n t en n a s t r uc t ur e 2.2 中间转接设备 中 备由无线中继分站负责收集、处理 信息、、 、矿 电源组成，安装 筒 部横梁处。其主要作 保证立 信 号 盲 和 端采集设备采集的信息 ； 线信号的方式发 度室。 中继分站技 术 表4。 2系统设计系统设计 矿井提升机自适应无线通信系统由前端采集设 备、中 备 度室设备3个部分构成， 如图3所示。 2. 1 前端采集设备 端采集设备由无线摄像仪、无线电话、自适应 天线、矿 电池等 备组成。在提升机内 Ta bl e4 Tec hn ic a l pa r a met er s o f w ir el ess r el a y sub st a t io n 表4无线中继分站技术参数 电电发 功 率/受灵通信速率/ 压/Vd B・ m度/d B・m离/k m Mbit・ s1 1220901 10〜100 2. 3 地面调度室设备 度室设备由无线中继总站、自适应天线、 ・102・ 工矿自动化 46 流媒体服务器、客户端计算机等组成，主要作用是将 收到中 备发来的前端设备的 信息，通 中继总站分发给流媒体服务器、客户 端计算机，然后进行处理。 3系统功能能 采用Ja va应用程序和S QL S er ver 2005数据库 技术，基于B/S架构开发了矿井无线通信系统客户 端软件，由 电话、语音广播、广播预案、广 1 录、数据监测、设备管理、视频回放等模块组成。客 户端软件界面如图4所示。 图4客户端软件界面 F ig.4 Cl ien t so f t w a r ein t er f a c e 1 通话功能。提升机内电话与调度室电话之 间可进行双向通话，当提升机内电话与调度室通信 中断后，主副提升机 电话机 也能通话。 2 功能。 轮 升机内部的状况进 显示其状况，可以 分屏显示、组合显示、单屏放大显示。支持录像检 索、查询、回放等功能，回放支持快放、慢放、放大、缩 小等功能。天轮监视画面、井筒监视画面、提升机内 部监视画面如图5图7所示。 图5 天轮监视画面 F ig.5 Ho ist in g shea ve mo n it o r in g pic t ur e 3 广播功能。紧急情况发生时可以实时 全局紧急广播，躲避灾险发生。无紧急情况时，可以 播放音乐和交接班广播。 4 设备管理功能。对摄像仪、电话、网桥、继 电器等设备通过名称和 IP地址进行配置和 管理， 网桥通断和 继电 器电 测 继 电器 制。 图6 画 F ig.6 S ha f t mo n it o r in gpic t ur e 图7提升机内部监视画面 F ig.7 Ho ist in -c a mer a mo n it o r in g pic t ur e 此外，无线摄像仪具有红外补光功能。当环境 照度过低 动开启红外补光功能，保证 光 也 图像。 备的电源由矿用隔爆电池提供，充一次 电 15 d ，所 备均满足 I 标准。 4现场应用现场应用 同发东周窑煤业有限公司副立井井筒直径为 8 m,装备一 进出3t的小 轨胶轮车 非标宽提升机，担负小型材料、设备和人 升任 务。提升机为型号为JKMD3.25X4IE带减速 器落地式多绳提升机，滚筒直径为3. 25 m,滚筒宽 度为1.8 m,提升高度为482. 8 m,钢丝绳间距为 300 mm， 轮 为 3725 m， 速 机 动 为 11. 2,最大提升速度为8. 08 m/s ,电动机额定速度 为546 r /min,电动机额定功率为1 000 k W。 矿 升机 通信系统于2019年 1月 发东周窑煤业 投 携式 仪测 横梁顶部 和提升机 备 音信号和 信号 功率 与频率，发 升机从井口运 程中, 横梁顶部 发射功率 变大，变化范围为 60〜20 d B・m,工作频率逐渐变小，变化范围为 1.5〜2.7 GHz。说明 升机 运 ，自适 应无线通信 不 工况 动 工 作 ，使其始终 佳状态，无线信号 效 率高，通信 远。 程平均功耗低于3W,比 定功率 备的功耗降低了 70。此外，各 2020 5 阎东慧矿井提升机自适应无线通信系统设计 ・103・ 监视点图像清晰，语音通信流畅，无线传输无卡顿 系统视频监视画面如图8所示。 图8视频监视画面 F ig 8 Vid eo mo n it o r in gpic t ur e 5结论结论 1 1 开发了集语音、视频、广播于一体的矿井提 升机自适应无线通信 ，设计的自 据 、深度与尺寸自动 工作参数，保证 信号 。 表明，该系 测提升机的运行状况，各监测点图像清 ，语音通信流畅，且设备功耗低。 2 2 后期将进一步研究降低视频与通话设备功 耗的方法，延长蓄电池 参考文献ReferencesReferences [1 -刘芬，孟淑琴.矿井提升机振动监测系统的设计及其 故障诊断[J-.工矿自动化,2008,342 108-110. 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