田成金

（北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司，北京100013）

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一種基于RFID方式的采煤機(jī)位置檢測系統(tǒng)的研究

田成金

（北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司，北京100013）

采煤機(jī)位置檢測技術(shù)是綜采工作面智能控制技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一，是綜采工作面實(shí)現(xiàn)智能化、無人化采煤的重要基礎(chǔ)和先決條件。通過分析現(xiàn)有的3種主要檢測技術(shù)和應(yīng)用中存在的問題，提出了一種基于RFID方式的采煤機(jī)位置檢測技術(shù)，并按照工作面的要求進(jìn)行了檢測系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)和通信方案設(shè)計(jì)，選取了適應(yīng)于煤礦井下金屬環(huán)境下的標(biāo)簽，對搭建的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了實(shí)際測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)計(jì)方案能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

綜采工作面；采煤機(jī)位置；射頻識別技術(shù)

隨著我國煤炭綜采技術(shù)水平的發(fā)展和提高，綜采成套裝備的發(fā)展取得了長足進(jìn)步，正在向智能化方向發(fā)展。采煤機(jī)位置檢測系統(tǒng)是綜采成套裝備的重要組成部分，準(zhǔn)確的采煤機(jī)位置是綜采成套裝備實(shí)現(xiàn)智能化采煤的前提條件。目前常用的采煤機(jī)位置檢測技術(shù)有以下3種:一是基于齒輪計(jì)數(shù)或編碼器的采煤機(jī)位置檢測技術(shù)；二是基于紅外線檢測原理的采煤機(jī)位置檢測技術(shù)；三是基于慣性測量單元（Inertial measurement unit）的采煤機(jī)位置檢測技術(shù)。3種檢測技術(shù)和系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中均存在著一些客觀問題，齒輪計(jì)數(shù)方式的采煤機(jī)位置檢測技術(shù)和裝置存在2個(gè)問題，一是校正功能可靠性低，校正傳感器安裝位置不能高于刮板輸送機(jī)，位置偏低，經(jīng)常被煤流壓埋，損壞幾率較大；二是維護(hù)不方便，由于傳感器等裝置安裝在采煤機(jī)里面，每次維護(hù)需要拆卸厚重的蓋板?；诩t外線檢測原理的采煤機(jī)位置檢測技術(shù)和系統(tǒng)存在兩個(gè)方面的問題，第一個(gè)方面是每個(gè)支架都需要安裝一套接收器和一根防爆鎧裝電纜，成本高昂；第二個(gè)方面是紅外線檢測需要角度合適才能接收到發(fā)射器發(fā)射的信號，由于接收器必須安裝在支架靠近采煤機(jī)和人行通道側(cè)，接收機(jī)的探頭經(jīng)常被觸碰，角度發(fā)生變化而無法接收發(fā)射器的信號?；趹T性測量單元的采煤機(jī)位置檢測技術(shù)和系統(tǒng)在美國和澳大利亞得到成功應(yīng)用，我國還未有商業(yè)應(yīng)用，原因是成本較高。由此可見，研制一種檢測單元簡捷、易維護(hù)、性價(jià)比高的新型的采煤機(jī)位置檢測裝置非常必要［1-5］。

1　射頻識別技術(shù)應(yīng)用的可行性分析

采煤機(jī)位置通常以采煤機(jī)的中間部位位于以整數(shù)數(shù)字編號的液壓支架的位置來表示，通常在1～300之間，該表示方法是數(shù)字式的跳躍式，這是目前最通用的表示方法。圖1表示的是正在執(zhí)行自動化采煤時(shí)工作面各設(shè)備的位置狀況，其中標(biāo)注號碼的是液壓支架，虛線表示刮板輸送機(jī)，20號支架上方處表示采煤機(jī)。圖中所示采煤機(jī)由機(jī)頭向機(jī)尾方向運(yùn)行，當(dāng)前的采煤機(jī)位置為21［6］。

射頻識別（Radio Frequency Identification，簡稱RFID）技術(shù)能夠通過無線電磁波的傳播和感應(yīng)識別目標(biāo)物體，對于識別離散的單個(gè)物體具有非常好的鑒別能力。一個(gè)射頻識別系統(tǒng)基本由閱讀器和電子標(biāo)簽及上位機(jī)構(gòu)成，并且閱讀器和標(biāo)簽之間是非接觸式，兩者利用射頻信號在空間的傳播特性和空間耦合的傳輸特性，在人工不干預(yù)的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)對靜止或移動物體的自動識別［7-10］，其優(yōu)勢是同時(shí)能夠識別多個(gè)目標(biāo)，且能夠工作于惡劣的環(huán)境，具有操作快捷、方便等特點(diǎn)。目前廣泛應(yīng)用于煤礦出入井人員管理和井下區(qū)域人員定位系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)的物體識別和定位、物流系統(tǒng)的物件管理、煤礦設(shè)備綜合管理系統(tǒng)等領(lǐng)域［11-14］。鑒于此，由于綜采工作面的液壓支架是一排整齊的單獨(dú)的個(gè)體，在采煤機(jī)經(jīng)過時(shí)均處于前后運(yùn)動的靜止?fàn)顟B(tài)，而采煤機(jī)位置信號實(shí)際上就是每個(gè)液壓支架的標(biāo)識編號，因此每個(gè)標(biāo)簽內(nèi)部可以儲存一個(gè)代表液壓支架的編號，通過設(shè)置閱讀器的發(fā)射功率設(shè)定閱讀器的讀寫距離使讀寫器掃描附近的標(biāo)簽，這樣當(dāng)讀寫器讀取標(biāo)簽編碼并將此編碼傳送給上位機(jī)時(shí)，上位機(jī)便可確定閱讀器在哪個(gè)標(biāo)簽附近，通過將閱讀器安裝于采煤機(jī)機(jī)身上，便可確定采煤機(jī)的實(shí)際位置。因此本論文將基于射頻識別技術(shù)開展采煤機(jī)位置檢測技術(shù)的研究。

圖1　采煤機(jī)位置示意

2　采煤機(jī)位置檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

采煤機(jī)在工作面中是動態(tài)運(yùn)行的，液壓支架在工作面只有推進(jìn)方向的前后移動，而在工作面方向的位置固定，無左右移動，結(jié)合RFID技術(shù)具有強(qiáng)大的定位功能，因此能夠應(yīng)用于該系統(tǒng)進(jìn)行采煤機(jī)的定位，具體思路如下:RFID讀寫器安裝在采煤機(jī)上，標(biāo)簽安裝在液壓支架上，兩者安裝在同一水平上，當(dāng)帶有讀寫器的采煤機(jī)在工作面上移動時(shí)，根據(jù)讀寫器的讀寫距離和讀寫角度，讀寫器應(yīng)該能夠同時(shí)讀到一個(gè)或多個(gè)標(biāo)簽，利用軟件算法解析確定一個(gè)數(shù)據(jù)作為采煤機(jī)當(dāng)前的位置數(shù)據(jù)；與上位機(jī)通信采用無線通信的方式。

因此該系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)是通過應(yīng)用RFID定位技術(shù)和無線傳輸技術(shù)，開發(fā)一套基于上述兩種技術(shù)的采煤機(jī)位置檢測裝置，用于實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)在工作面的位置定位，并能將定位數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)，為綜采工作面自動化采煤提供依據(jù)。檢測裝置包括兩個(gè)部分，其中一部分是位置感知發(fā)射器，安裝于采煤機(jī)上，其主要功能是實(shí)現(xiàn)位置信號的感知和發(fā)射數(shù)據(jù)信息，另一部分是位置無線傳送接收中繼器（簡稱無線接收器），安裝于液壓支架上，用于接收感知發(fā)射器發(fā)送的位置信息并將信息傳輸?shù)揭簤褐Ъ茈娨嚎刂葡到y(tǒng)?？傮w設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2　采煤機(jī)位置檢測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1感知發(fā)射器框架設(shè)計(jì)

采煤機(jī)位置感知發(fā)射器的設(shè)計(jì)主要是實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽信息的讀取、處理和發(fā)送，因此其框圖設(shè)計(jì)如圖3所示，其硬件部分主要包括以下幾個(gè)方面:

圖3　感知發(fā)射器設(shè)計(jì)

微處理器 作為中央處理器，是采煤機(jī)位置感知發(fā)射器的中樞系統(tǒng)，負(fù)責(zé)控制指令的發(fā)出、數(shù)據(jù)的運(yùn)算、整體協(xié)調(diào)指揮整個(gè)裝置的運(yùn)行。

電源處理單元 外部電源為從采煤機(jī)引入的12V本質(zhì)安全型電源，此電源需經(jīng)過處理變成裝置需要的5V，3.3V等電壓等級的電源等。

RFID讀寫器單元 此單元用于和微處理器通信，從微處理器接收指令并按照指令讀取標(biāo)簽數(shù)據(jù)，然后將接收到的指令返回給微處理器。

無線發(fā)射器單元 此單元用于和微處理器通信，從微處理器接收指令和采煤機(jī)位置數(shù)據(jù)，按照指令發(fā)送采煤機(jī)位置數(shù)據(jù)。兩者之間利用串口相互連接。

2.2無線接收器框架設(shè)計(jì)

采煤機(jī)位置無線接收器的設(shè)計(jì)主要是實(shí)現(xiàn)位置數(shù)據(jù)的接收并向液壓支架電液控制系統(tǒng)傳送接收到的位置數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)顯示位置數(shù)據(jù)，因此其框圖設(shè)計(jì)如圖4所示，其硬件部分主要包括以下幾個(gè)方面:

圖4　無線接收器總體設(shè)計(jì)

微處理器 作為中央處理器是無線接收器的中樞系統(tǒng)，負(fù)責(zé)控制指令的發(fā)出、數(shù)據(jù)的運(yùn)算處理、程序的運(yùn)行、整體協(xié)調(diào)指揮控制整個(gè)裝置的運(yùn)行。

電源處理單元 外部電源為從液壓支架電液控制系統(tǒng)引入的12V本質(zhì)安全型電源，此電源需經(jīng)過處理變成裝置需要的5V，3.3V等電壓等級的電源等。

無線接收單元 此單元用于和微處理器通信，從微處理器接收指令，實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)位置數(shù)據(jù)的無線接收，并且將接收到的數(shù)據(jù)傳送給微處理器。兩者之間利用串口相互連接。

液壓支架電液控制系統(tǒng) 和微處理器以串口形式連接，根據(jù)微處理器的指令要求，將采煤機(jī)位置數(shù)據(jù)發(fā)送給液壓支架電液控制系統(tǒng)，此部分實(shí)現(xiàn)兩種電路接口向液壓支架電液控制系統(tǒng)傳送數(shù)據(jù)。

調(diào)試接口 用于和上位機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)仿真調(diào)試。

2.3無線傳輸方案設(shè)計(jì)

無線發(fā)射器集成于感知發(fā)射器中，安裝于采煤機(jī)上，接收器安裝于液壓支架頂梁上，與支架控制器連接，并由支架控制器提供12V工作電源。兩者之間實(shí)現(xiàn)通信，采煤機(jī)位置由無線發(fā)射器發(fā)送到空間電磁場，無線接收器從空間電磁場接收采煤機(jī)位置并傳送給液壓支架控制器，從而完成采煤機(jī)位置信息的傳送。

如圖5所示，綜采工作面等距離安裝多個(gè)接收器，多點(diǎn)接收的方式滿足設(shè)計(jì)要求。具體的工作流程如下:當(dāng)采煤機(jī)由機(jī)頭向機(jī)尾移動時(shí)，無線發(fā)射器發(fā)射指令和信號與機(jī)頭附近處于接收范圍內(nèi)的無線接收器建立連接，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)位置數(shù)據(jù)的傳送，當(dāng)采煤機(jī)向機(jī)尾方向移動時(shí)，機(jī)頭附近的無線接收器與采煤機(jī)的距離逐漸增大，當(dāng)距離增大到該無線接收器無法收到發(fā)射器的數(shù)據(jù)時(shí)，該無線接收器自動斷開與無線發(fā)射器的連接，無線發(fā)射器逐漸與相近的無線接收器建立連接，實(shí)現(xiàn)無線接收器連接的交替，至少保證一個(gè)接收器能夠工作。同理，當(dāng)采煤機(jī)由機(jī)尾向機(jī)頭方向行走時(shí)實(shí)現(xiàn)無線發(fā)射器由機(jī)尾向機(jī)頭方向的交替?？筛鶕?jù)工作面的情況隨時(shí)調(diào)整接收器的數(shù)量，滿足冗余設(shè)計(jì)原則。

圖5　無線傳輸方案設(shè)計(jì)

2.4電子標(biāo)簽的選型和性能指標(biāo)

2.4.1電子標(biāo)簽的選型方案論證

電子標(biāo)簽可以根據(jù)內(nèi)部是否有電源分為主動式標(biāo)簽（有源標(biāo)簽）、被動式標(biāo)簽（無源標(biāo)簽）和半主動式標(biāo)簽（半有源標(biāo)簽）3類。

主動式標(biāo)簽內(nèi)部具有電源供應(yīng)器，除用于供應(yīng)內(nèi)部芯片所需電源外，還主動地向閱讀器發(fā)送返回?cái)?shù)據(jù)。優(yōu)點(diǎn)是讀寫距離相對較遠(yuǎn)，可重復(fù)讀寫，記憶容量較大；缺點(diǎn)是體積較大且需要更換電池，價(jià)格比較昂貴，壽命較短，主要應(yīng)用于軍事、運(yùn)輸管理等領(lǐng)域。被動式標(biāo)簽沒有內(nèi)部供電電源，其內(nèi)部集成電路通過接收到的RFID閱讀器發(fā)送的電磁波進(jìn)行驅(qū)動，當(dāng)標(biāo)簽接收到足夠強(qiáng)度的電磁波時(shí)，向閱讀器發(fā)出數(shù)據(jù)。優(yōu)點(diǎn)是無需電源、體積小巧、價(jià)格低廉、壽命較長；缺點(diǎn)是只能唯讀且通訊距離較短，主要用于儲存識別資料。半主動式標(biāo)簽也稱為半有源式電子標(biāo)簽，其特點(diǎn)是標(biāo)簽中安裝的電池僅用于為標(biāo)簽的電路提供電源，和閱讀器之間的通信方式采用反向散射調(diào)制方式，通過閱讀器激發(fā)標(biāo)簽產(chǎn)生。半有源標(biāo)簽集成了有源標(biāo)簽和無源標(biāo)簽的優(yōu)點(diǎn)，具有內(nèi)部電池，但僅對標(biāo)簽內(nèi)要求供電維持?jǐn)?shù)據(jù)的電路提供支持，其能量并不轉(zhuǎn)換為射頻能量。標(biāo)簽進(jìn)入工作狀態(tài)前，相當(dāng)于無源標(biāo)簽；當(dāng)進(jìn)入閱讀器的讀出區(qū)域時(shí)，受到閱讀器發(fā)出的射頻信號激勵(lì)，進(jìn)入工作狀態(tài)時(shí)，標(biāo)簽與閱讀器之間信息交換的能量支持以閱讀器供應(yīng)的射頻能量為主，從而具有了有源標(biāo)簽讀寫距離遠(yuǎn)和無源標(biāo)簽壽命長、免維護(hù)的優(yōu)勢。

該系統(tǒng)應(yīng)用的標(biāo)簽需要安裝在液壓支架上，要求體積小巧，性價(jià)比高，適應(yīng)環(huán)境的能力強(qiáng)，讀取成功率高，半有源式電子標(biāo)簽非常適合，因此該系統(tǒng)適宜選取半有源式電子標(biāo)簽。標(biāo)簽在安裝時(shí)需要面對采煤機(jī)安裝在液壓支架上，因此其安裝的背部材料是金屬，周圍也是金屬環(huán)境，因此適合于選取金屬標(biāo)簽，增強(qiáng)可讀率。根據(jù)這些要求，最終選取了PowerM-W604型標(biāo)簽。

2.4.2電子標(biāo)簽的性能指標(biāo)

調(diào)研時(shí)發(fā)現(xiàn)由以色列 PowerID公司生產(chǎn)的PowerM-W604是一款堅(jiān)固、使用壽命長的電池輔助金屬標(biāo)簽，能夠用于追蹤貨盤集裝箱、單元裝載設(shè)備和運(yùn)送集裝箱等設(shè)備，是一款非常好的金屬標(biāo)簽。

PowerM標(biāo)簽是一種RFID標(biāo)簽，特別為可靠跟蹤金屬物品而設(shè)計(jì)，感應(yīng)距離最遠(yuǎn)可達(dá)40m，其對金屬物品的跟蹤具有理想的效果，常用于鋼坯及線圈、汽車零件、航空航天產(chǎn)品、IT基礎(chǔ)設(shè)施、金屬容器等金屬制品的物流運(yùn)輸。PowerM標(biāo)簽具有輕薄、靈活特性和環(huán)境友好型的電池供電技術(shù)，因而能夠提供卓越的標(biāo)簽性能。該內(nèi)嵌電池省卻了標(biāo)簽從讀取器獲取能量觸發(fā)標(biāo)簽的過程，解決了被動標(biāo)簽從RFID讀寫器獲取能量而難以獲得理想性能的局限。

PowerM是企業(yè)在尋求金屬物品跟蹤需求方案的一種理想解決方案，具有低成本跟蹤、高可靠性、壽命長等特征，與其他電子標(biāo)簽相比具有一些優(yōu)勢:一是符合Gen.2協(xié)議，可使用通行的硬件和軟件；二是具有集成電源，無需從讀寫器獲取散射發(fā)射的能量而獲得近乎100%可靠的識讀率；三是具有超高頻RFID，頻率范圍860～960MHz；四是工作壽命長，長達(dá)5a的使用壽命，非常適合集裝箱、滾籠和運(yùn)輸容器的追蹤，同時(shí)能夠適應(yīng)于井下環(huán)境，滿足要求；五是能夠達(dá)到有源標(biāo)簽的性能而又具有無源標(biāo)簽的特征；六是適合惡劣環(huán)境應(yīng)用，特別適用于金屬物品如鋼板線圈、IT基礎(chǔ)設(shè)施、滾籠等追蹤管理。具有如下特性:

3　測 試

3.1讀取距離與功率值的測試

發(fā)射功率由上位機(jī)對標(biāo)簽讀取模塊進(jìn)行設(shè)置，可設(shè)置不同的功率值，為了選取合適的讀取距離，首先通過設(shè)置不同的功率對標(biāo)簽和讀寫器的正面直線距離進(jìn)行了測試，當(dāng)對 RF_Power置10dBm，17dBm和22dBm后，測得的讀寫距離如表1所示。

表1　標(biāo)簽感應(yīng)距離測試

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的要求和冗余原則，舍棄了前兩個(gè)功率值，功率值為 22dBm，直面距離達(dá)到6.75m，基本滿足系統(tǒng)要求，故將該功率值作為應(yīng)用的功率值。

3.2標(biāo)簽感知距離測試

在確定功率值后，利用該功率值來實(shí)施本步的測試。將標(biāo)簽粘貼在一塊鐵板上并固定在一個(gè)支架上，將感知發(fā)射器同水平放置并移動，首先由近及遠(yuǎn)測試感應(yīng)距離，記錄在什么距離時(shí)超出讀寫器的讀寫范圍。然后由遠(yuǎn)及近測試感應(yīng)距離，記錄什么時(shí)候進(jìn)入感應(yīng)器的讀寫范圍。同樣，將感知發(fā)射器由左向右和由右向左移動，記錄感應(yīng)的臨界值，測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2　標(biāo)簽感應(yīng)距離測試

由表2看出，測試的幾個(gè)方向的標(biāo)簽讀寫距離介于5.86～6.77m之間，達(dá)到了設(shè)計(jì)條件，完全能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

4　結(jié)束語

自動化和智能化成為我國煤炭綜采成套裝備當(dāng)前和未來一段時(shí)間發(fā)展的重要方向，這勢必要求各個(gè)單機(jī)的智能化技術(shù)水平大幅提升。采煤機(jī)位置檢測系統(tǒng)作為煤炭綜采成套裝備實(shí)現(xiàn)自動化采煤的重要依據(jù)，在整個(gè)智能化控制系統(tǒng)中占據(jù)重要作用，因此本文針對這一課題對目前的技術(shù)進(jìn)行分析，提出一種實(shí)現(xiàn)方法，成功實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)位置的檢測。與其他幾種檢測方式相比，該套檢測系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)如下:該套系統(tǒng)與計(jì)數(shù)方式或編碼器方式相比，無需在行走箱內(nèi)安裝元部件，減小了故障率，采用無線傳輸技術(shù)的通信方式節(jié)省了傳輸電纜，可靠性提高；與紅外線檢測技術(shù)相比，系統(tǒng)采用RFID技術(shù)，其發(fā)射器和接收器的安裝要求低，維護(hù)量大幅降低；與基于計(jì)數(shù)方式采集和無線短距離通信傳輸?shù)牟擅簷C(jī)位置檢測裝置相比，故障率降低、系統(tǒng)可靠性提高；系統(tǒng)元部件明顯少于前述3種檢測方式，成本大幅降低，適用性得到提高。

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［責(zé)任編輯：鄒正立］

A Position Detection System of Coal Cutter Based on RFID Mode

Tian Cheng-jin
（Beijing Tiandi Ma'ke Elector-hydraulic Control System Co.，Ltd.，Beijing 100013，China）

Coal cutter position detecting technology is one key technology of intelligent technique of fully mechanized coal mining face，it is an important foundation and postulate of intelligent and unmanned operation coal mining for fully mechanized coal mining face.The problems of the three major detecting techniques and application were analyzed，then a position detecting technique of coal cutter based on RFID mode was put forward，and integrated design of detecting system and communication scheme design that under working face standard were done，and then a label that adapt to metal environment of underground was selected，the system design scheme was test in practical，the results showed that the scheme could satisfied design requirements.

fully mechanized coal mining face；coal cutter position；RFID

TD632.1

A

1006-6225（2016）04-0005-05

2015-12-24

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.04.002

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）資助項(xiàng)目（2013AA06A410）

田成金（1979-），男，山東費(fèi)縣人，副研究員，碩士研究生，從事煤礦綜采工作面智能控制技術(shù)方面的研究開發(fā)工作。

［引用格式］田成金.一種基于RFID方式的采煤機(jī)位置檢測系統(tǒng)的研究［J］.煤礦開采，2016，21（4）：5-9.