閻東慧

(大同煤礦集團有限責任公司， 山西 大同 037003)

0 引言

礦井提升機沿井筒提升煤炭、矸石、下放物料、升降人員和設備[1-2]，頻繁的啟停導致提升機電動機、減速器、滾筒和天輪等部件極易發(fā)生故障[3-4]，所以，對提升機的運行過程和運行狀態(tài)進行監(jiān)測尤為重要。文獻[5]利用激光具有波長單一、光速快、測量時間間隔短、測量精度高的特點，實時測量提升機的方向、位置和速度。文獻[6]設計了一種可以同時監(jiān)測鋼絲繩張力、斷絲、罐道間距的動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)使用范圍單一的問題。文獻[7]基于信息融合技術將多傳感器獲得的信息進行融合處理，建立了較為精確的提升機在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)。文獻[8]總結了立井提升用罐道測試的常用方法，比較了它們的原理、誤差來源、測試精度及經(jīng)濟性等，介紹了常見缺陷的故障模型，綜合分析了各種方法的優(yōu)缺點和適用范圍。但以上文獻大多采用有線通信方式和光纜數(shù)據(jù)傳輸方式，其布線困難，設備安裝不便，日常檢修維護的工作量較大。

針對礦井提升機有線數(shù)據(jù)傳輸方式存在的問題，近些年國內(nèi)不少學者研究了無線數(shù)據(jù)傳輸方式。文獻[9]利用GPRS/CDMA網(wǎng)絡實現(xiàn)了提升機監(jiān)測數(shù)據(jù)的無線傳輸。文獻[10]利用GPRS無線網(wǎng)絡傳輸提升機監(jiān)測數(shù)據(jù)，并利用神經(jīng)網(wǎng)絡技術對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理。文獻[11-12]利用無線WiFi建立了提升機視頻監(jiān)視軟件和音頻通信軟件。這些無線傳輸方式雖然避免了有線通信方式的弊端，但其發(fā)射功率與頻率固定，天線輻射方向固定，導致了無線通信距離有限，信號無法根據(jù)井筒形狀和長度靈活覆蓋，通信信號也無法穩(wěn)定傳輸，設備功耗也較大，電磁波輻射能量效率不高，無法解決深部礦井的無線傳輸問題。

針對以上問題，本文以山西大同煤礦集團同發(fā)東周窯煤業(yè)有限公司副立井提升機為研究對象，設計了礦井提升機自適應無線通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)的通信方式采用了工業(yè)以太網(wǎng)標準，所有設備的數(shù)據(jù)都通過以太網(wǎng)接口輸入，無線通信部分采用了接收信號強度自動感知、工作頻率和輻射波束自動調(diào)整的自適應天線，可將無線攝像儀、無線電話等礦用設備進行無線互連，實現(xiàn)了提升機、罐耳、油缸、鋼絲繩及天輪等主要設施的視頻監(jiān)視、數(shù)據(jù)監(jiān)測及語音通信。當提升機運行時，系統(tǒng)可根據(jù)立井井筒的結構、深度與尺寸，自動調(diào)整天線的工作頻率和輻射波束，使得位于井筒頂部的天線能夠始終對準移動中的提升機，通信設備的工作頻率和功率始終處于最佳狀態(tài)，無線信號的覆蓋效率高，通信距離遠。

1 自適應天線設計

自適應天線是整個自適應無線通信系統(tǒng)的關鍵設備，決定著通信距離的遠近和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕渲刑炀€的工作頻率和輻射波束形狀是2個重要的研究內(nèi)容。

1.1 天線工作頻率的自適應選擇

立井井筒狹長、內(nèi)壁不規(guī)則，結構各異，各種鋼結構件較多，存在著嚴重的電磁干擾。為了實現(xiàn)高效率遠距離通信，必須根據(jù)井筒結構選擇最佳的工作頻率。

筆者對同發(fā)東周窯煤業(yè)有限公司立井井筒進行了大量的實地測試，發(fā)現(xiàn)1.5～2.7 GHz頻段內(nèi)無線通信距離和速率最優(yōu)，能夠滿足該公司立井無線通信要求。因此，把天線工作頻率選定在這個頻段內(nèi)，同時，為了獲得更好的輻射性能，將1.5～2.7 GHz設計成1.5～1.8，1.9～2.1，2.3～2.5，2.5～2.7 GHz 4個頻段。

設計了可以自動選擇頻段的無線裝置，該裝置由ARM系列單片機和射頻鎖相環(huán)芯片組成，單片機與鎖相環(huán)芯片通過串口實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。單片機控制射頻鎖相環(huán)的工作頻率隨不同環(huán)境條件下無線信號的強弱變化，實時選擇合適的天線工作頻率。

1.2 輻射波束的自適應調(diào)整

輻射波束受輻射單元數(shù)量、單元位置、單元激勵的幅度、相位、結構等參數(shù)的影響。天線內(nèi)置的ARM單片機根據(jù)接收到的信號強弱調(diào)節(jié)功分器和移相器的輸出，進而調(diào)整輻射單元數(shù)量、單元位置、單元激勵的幅度、相位、結構等參數(shù)，實現(xiàn)輻射波束的自動調(diào)整，其目的就是為了保證天線的最大波束始終指向移動中的提升機。

提升機實際運行時，天線放置于井筒橫梁頂部，根據(jù)主提升機和副提升機的信號強弱進行自動調(diào)整。當主提升機離天線較遠時，接收到的主提升機信號就變?nèi)?，輻射波束就指向主提升機；當副提升機離天線較遠時，接收到的副提升機信號就變?nèi)酰椛洳ㄊ椭赶蚋碧嵘龣C，如圖1所示。

圖1 自適應天線輻射波束Fig.1 Adaptive antenna radiation beam

輻射波束始終對準距離最遠的提升機，保證了輻射電磁波的主要能量始終對準距離最遠的提升機，設備的功率實時處于最佳狀態(tài)。

1.3 天線結構

天線由大小相同的4個單元天線齊平排列，間距為yp，上兩層為大小不一的矩形輻射貼片，分別覆于厚1 mm的FR4介質(zhì)板上。由于饋電網(wǎng)絡會對天線輻射產(chǎn)生很大影響，所以, 將饋電網(wǎng)絡置于第3層的背面，電路接地面位于第3層的上表面，實物加工時會在介質(zhì)板之間加上塑料支柱作為支撐，結構如圖2所示。

(a) 俯視圖

(b) 側視圖

2 系統(tǒng)設計

礦井提升機自適應無線通信系統(tǒng)由前端采集設備、中間轉(zhuǎn)接設備及地面調(diào)度室設備3個部分構成，如圖3所示。

2.1 前端采集設備

前端采集設備由無線攝像儀、無線電話、自適應天線、礦用隔爆電池等防爆設備組成。在提升機內(nèi)部安裝無線攝像儀與無線電話，用來監(jiān)視提升機內(nèi)部狀況和通話。在油缸、鋼絲繩、天輪處安裝無線攝像儀，用來監(jiān)視天輪、油缸、鋼絲繩等設備的狀況。無線攝像儀、無線電話由礦用隔爆電池供電。

圖3 自適應無線通信系統(tǒng)結構Fig.3 Structure of adaptive wireless communication system

前端采集設備采集的視頻信號和音頻信號通過自適應天線以無線信號的方式發(fā)送給中間轉(zhuǎn)接設備，用來監(jiān)視提升機內(nèi)部和其他各監(jiān)視點的狀況。無線攝像儀、無線電話及自適應天線技術參數(shù)見表1—表3。

表1 無線攝像儀技術參數(shù)Table 1 Technical parameters of wireless camera

表2 無線電話技術參數(shù)Table 2 Technical parameters of radiotelephone

表3 自適應天線技術參數(shù)Table 3 Technical parameters of adaptive antenna

2.2 中間轉(zhuǎn)接設備

中間轉(zhuǎn)接設備由無線中繼分站(負責收集、處理信息)、自適應天線、礦用隔爆電源組成，安裝于井筒頂部橫梁處。其主要作用是保證立井井筒內(nèi)無線信號的無盲區(qū)覆蓋和將前端采集設備采集的信息以無線信號的方式發(fā)射至地面調(diào)度室。無線中繼分站技術參數(shù)見表4。

表4 無線中繼分站技術參數(shù)Table 4 Technical parameters of wireless relay substation

2.3 地面調(diào)度室設備

地面調(diào)度室設備由無線中繼總站、自適應天線、流媒體服務器、客戶端計算機等組成，主要作用是將自適應天線接收到中間轉(zhuǎn)接設備發(fā)來的前端設備的信息，通過無線中繼總站分發(fā)給流媒體服務器、客戶端計算機，然后進行處理。

3 系統(tǒng)功能

采用Java應用程序和SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫技術，基于B/S架構開發(fā)了礦井無線通信系統(tǒng)客戶端軟件，由視頻電話、語音廣播、廣播預案、廣播記錄、數(shù)據(jù)監(jiān)測、設備管理、視頻回放等模塊組成?？蛻舳塑浖缑嫒鐖D4所示。

圖4 客戶端軟件界面Fig.4 Client software interface

(1) 通話功能。提升機內(nèi)電話與調(diào)度室電話之間可進行雙向通話，當提升機內(nèi)電話與調(diào)度室通信中斷后，主副提升機內(nèi)的電話機之間也能通話。

(2) 視頻監(jiān)視功能?？蓪μ燧?、井筒、罐耳及提升機內(nèi)部的狀況進行實時監(jiān)視并顯示其狀況，可以分屏顯示、組合顯示、單屏放大顯示。支持錄像檢索、查詢、回放等功能，回放支持快放、慢放、放大、縮小等功能。天輪監(jiān)視畫面、井筒監(jiān)視畫面、提升機內(nèi)部監(jiān)視畫面如圖5—圖7所示。

圖5 天輪監(jiān)視畫面Fig.5 Hoisting sheave monitoring picture

(3) 安全廣播功能。緊急情況發(fā)生時可以實時全局緊急廣播，躲避災險發(fā)生。無緊急情況時，可以播放音樂和交接班廣播。

(4) 設備管理功能。對攝像儀、電話、網(wǎng)橋、繼電器等設備通過名稱和對應的IP地址進行配置和管理，實現(xiàn)對網(wǎng)橋通斷和繼電器電量的檢測以及繼電器開關的控制。

圖6 井筒監(jiān)視畫面Fig.6 Shaft monitoring picture

圖7 提升機內(nèi)部監(jiān)視畫面Fig.7 Hoist in-camera monitoring picture

此外，無線攝像儀具有紅外補光功能。當環(huán)境照度過低時可自動開啟紅外補光功能，保證在無光環(huán)境下也能看清視頻圖像。

井下設備的電源由礦用隔爆電池提供，充一次電可使用15 d以上，所有井下設備均滿足防爆標準。

4 現(xiàn)場應用

同發(fā)東周窯煤業(yè)有限公司副立井井筒直徑為8 m，裝備一對可以直接進出3 t的小型無軌膠輪車非標寬提升機，擔負小型材料、設備和人員的提升任務。提升機為型號為JKMD-3.25×4(I)E(帶減速器)落地式多繩提升機，滾筒直徑為3.25 m，滾筒寬度為1.8 m，提升高度為482.8 m，鋼絲繩間距為300 mm，天輪直徑為3.25 m，減速機傳動比為11.2，最大提升速度為8.08 m/s，電動機額定速度為546 r/min，電動機額定功率為1 000 kW。

礦井提升機自適應無線通信系統(tǒng)于2019年1月在同發(fā)東周窯煤業(yè)有限公司投入了現(xiàn)場應用。利用便攜式頻譜儀測量井筒橫梁頂部天線和提升機內(nèi)設備的無線語音信號和無線視頻信號的輸出功率與頻率，發(fā)現(xiàn)當提升機從井口運行至井底的過程中，井筒橫梁頂部天線發(fā)射功率逐漸變大，變化范圍為-60～20 dB·m，工作頻率逐漸變小，變化范圍為1.5～2.7 GHz。說明當提升機沿井筒運行時，自適應無線通信系統(tǒng)可針對不同的工況環(huán)境自動調(diào)整工作參數(shù)，使其始終處于最佳狀態(tài)，無線信號的覆蓋效率高，通信距離遠。整個過程平均功耗低于3 W，比固定功率的無線設備的功耗降低了70%。此外，各監(jiān)視點圖像清晰，語音通信流暢，無線傳輸無卡頓。系統(tǒng)視頻監(jiān)視畫面如圖8 所示。

圖8 視頻監(jiān)視畫面Fig.8 Video monitoring picture

5 結論

(1) 開發(fā)了集語音、視頻、廣播于一體的礦井提升機自適應無線通信系統(tǒng)，設計的自適應天線可根據(jù)井筒的結構、深度與尺寸自動調(diào)整工作參數(shù)，保證了無線信號的良好覆蓋?，F(xiàn)場應用結果表明，該系統(tǒng)可實時監(jiān)測提升機的運行狀況，各監(jiān)測點圖像清晰，語音通信流暢，且設備功耗低。

(2) 后期將進一步研究降低視頻與通話設備功耗的方法，延長蓄電池的使用時間。