劉改葉

（大同煤礦集團有限責任公司同大科技研究院，山西 大同 037003）

薄煤層工作面空間狹窄，地質(zhì)情況復雜，而且采高低，煤塵大，人員難以直立作業(yè)，因此安全隱患多，加之各種設備類型繁多，造成勞動強度大，維護難度大，安全狀況差[1-3]。隨著煤礦開采信息化與自動化程度的不斷深入，工作面內(nèi)多類型數(shù)據(jù)的通信需求越來越多，而且其重要性也越來越大。由于薄煤層工作面工況的特殊性，有線通信方式的缺點越來越突出，電纜損壞與斷裂經(jīng)常發(fā)生，影響了生產(chǎn)的安全性，增加了維護難度，因此在井下采用無線通信方式越來越受到重視[4-5]。針對薄煤層工作面開發(fā)一套不用布線、易于安裝、低功耗智能化的無線語音數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實意義與經(jīng)濟效益。

為了提高薄煤層工作面的生產(chǎn)安全系數(shù)，降低井下維護難度，推進綜采自動化，大同煤礦集團針對薄煤層賦存地質(zhì)條件和工況，基于本質(zhì)安全型設計思路，綜合運用低功耗技術、無線通信技術和自動化控制等技術，利用無線中繼分站、無線數(shù)據(jù)耦合器和無線語音終端進行組網(wǎng)，實現(xiàn)了薄煤層綜采工作面內(nèi)的無線語音通訊，以及采煤機的無線數(shù)據(jù)傳輸與控制，為提升薄煤層工作面裝備技術水平和安全系數(shù)開創(chuàng)了新的途徑。

1 系統(tǒng)方案設計

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該無線語音數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)包含KTZ18W 無線中繼分站、KHJ18W 無線數(shù)據(jù)耦合器和KTW5 無線語音終端等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。無線數(shù)據(jù)耦合器可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線轉(zhuǎn)接與無線收發(fā)，無線中繼分站實現(xiàn)遠距離無線信號的中繼傳輸，無線語音終端實現(xiàn)語音對講和打點功能。所有設備均是無線互聯(lián)，當其中某個或某幾個無線中繼分站有故障情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)重新互聯(lián)、自動組網(wǎng)。

圖1 無線語音數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 無線數(shù)據(jù)耦合器

無線數(shù)據(jù)耦合器由數(shù)據(jù)處理與控制單元MCU、無線傳輸芯片、射頻信號放大芯片、電源處理電路、通訊接口電路、看門狗電路與外置天線組成。MCU 采用32 位ARM 系列微控制器，工作頻率≥100MHz；無線數(shù)據(jù)收發(fā)頻率范圍為300MHz～2.7GHz，輸出功率大于等于100mW，接收靈敏度≤-90dBm，采用全雙工通訊模式；電源管理部分采用9～36V 寬電壓輸入，實現(xiàn)對其余功能電路單元的供電；數(shù)據(jù)通信接口包括RS232、RS485 和開關量；無線傳輸芯片控制所有無線收發(fā)單元完成無線數(shù)據(jù)的收發(fā)切換、無線信號的調(diào)制解調(diào)，并與MCU 連接進行數(shù)據(jù)交互；射頻信號放大單元實現(xiàn)無線信道上下行鏈路的信號放大、無線信號的發(fā)射和接收；外置天線形式采用全向天線。

1.3 無線中繼分站

無線中繼分站由數(shù)據(jù)處理與控制單元MCU、無線傳輸芯片、射頻信號放大芯片、電源處理電路、看門狗電路與外置天線組成。MCU 采用32 位ARM 系列微控制器，工作頻率≥100MHz；無線數(shù)據(jù)收發(fā)頻率范圍為300MHz～2.7GHz，輸出功率大于等于100mW，接收靈敏度≤-120dBm，采用半雙工/全雙工通訊自動切換模式；電源管理部分采用9～36V 寬電壓輸入，實現(xiàn)對其余功能電路單元的供電；無線傳輸芯片控制所有無線收發(fā)單元完成無線數(shù)據(jù)的收發(fā)切換、無線信號的調(diào)制解調(diào)，并與MCU 連接進行數(shù)據(jù)交互；射頻信號放大單元實現(xiàn)無線信道上下行鏈路的信號放大、無線信號的發(fā)射和接收；外置天線形式采用全向天線。

無線信號的遠距離中繼傳輸部分由多個無線中繼分站組成，中繼方式靈活，每個無線中繼分站無需考慮安裝順序，中繼接力方式包括兩種：逐個中繼方式和跳越式中繼。逐個中繼方式適用于無線中繼器之間距離較遠，系統(tǒng)對傳輸可靠性要求不高，但是需要超遠距離無線傳輸?shù)那闆r。跳躍式中繼方式適用于無線中繼器之間的距離較近，系統(tǒng)對傳輸?shù)目煽啃砸髽O高，而通信距離又不是很遠的情況。這種方式通過設置較多的冗余鏈路，實現(xiàn)一個或多個中繼分站出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)仍然可以正常通信的功能。

1.4 無線語音終端

無線語音終端由數(shù)據(jù)處理與控制單元MCU、語音采集芯片、音頻功率放大器、無線傳輸芯片、射頻信號放大芯片、電源處理電路、看門狗電路與外置天線組成。MCU 采用32 位ARM 系列微控制器，工作頻率≥100MHz；無線數(shù)據(jù)收發(fā)頻率范圍為300MHz～2.7GHz，輸出功率大于等于100mW，接收靈敏度≤-100dBm，采用半雙工/全雙工自動切換通訊模式；電源管理部分采用電池實現(xiàn)對其余功能電路單元的供電；語音部分采用數(shù)字化采樣與傳輸；無線傳輸芯片控制所有無線收發(fā)單元完成無線數(shù)據(jù)的收發(fā)切換、無線信號的調(diào)制解調(diào)，并與MCU 連接進行數(shù)據(jù)交互；射頻信號放大單元實現(xiàn)無線信道上下行鏈路的信號放大、無線信號的發(fā)射和接收；外置天線形式采用全向天線。

2 工業(yè)性試驗

該系統(tǒng)于2017 年6 月開始在云岡礦8411 薄煤層綜采工作面進行項目調(diào)研和無線傳輸測試，于2018 年6 月開始安裝試用。設備布置如圖2 所示。工作面長度為100m，共安裝支架70 架，6 臺礦用無線中繼分站均勻分布在工作面與順槽中，每兩臺之間的間隔為15 個支架，設備安裝在液壓支架頂部，無線數(shù)據(jù)耦合器分別安裝在采煤機內(nèi)部和順槽設備列車上，礦工每人配一臺無線語音終端。試用期間，無線中繼分站和無線數(shù)據(jù)耦合器信號傳輸穩(wěn)定可靠，誤碼率≤10-6，語音對講清晰無雜音，設備運行穩(wěn)定，安裝簡單，容易維護。

圖2 工作面設備布置圖

3 結(jié)論

本文針對薄煤層工作面的特殊工況，從提高生產(chǎn)安全系數(shù)和工作效率出發(fā)，基于系統(tǒng)的本質(zhì)安全設計思路，利用無線中繼分站、無線數(shù)據(jù)耦合器與無線語音終端構(gòu)建了成套的無線語音數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)，工作面內(nèi)實現(xiàn)了無線信號的全面覆蓋且無盲區(qū)，礦工利用無線語音終端實現(xiàn)了無線語音對講與打點，采煤機實現(xiàn)了無線數(shù)據(jù)的傳輸與控制。使用結(jié)果表明，該系統(tǒng)的使用大大提升了薄煤層工作面的工作效率、裝備技術水平和安全系數(shù)。