基于自適應(yīng)天線(xiàn)的煤礦提升機(jī)無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)研究

史慶順

【摘 要】 煤礦提升機(jī)監(jiān)控采用有線(xiàn)傳輸時(shí)存在布線(xiàn)、檢修困難等問(wèn)題，而傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)傳輸方式則存在信號(hào)覆蓋范圍小、無(wú)法適應(yīng)井筒復(fù)雜環(huán)境的弊端。為了提高提升機(jī)監(jiān)控效率以及提升機(jī)運(yùn)行安全保證能力，提出一種提升機(jī)無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用的自適應(yīng)天線(xiàn)依據(jù)無(wú)線(xiàn)信號(hào)強(qiáng)弱對(duì)發(fā)射頻率、工作狀態(tài)等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從而構(gòu)建覆蓋井筒的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)并將提升機(jī)中的無(wú)線(xiàn)攝像頭、無(wú)線(xiàn)電話(huà)等設(shè)備進(jìn)行無(wú)線(xiàn)連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)天輪、鋼絲繩、罐籠內(nèi)部等設(shè)施的遠(yuǎn)程視頻、音頻監(jiān)控。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)視頻、音頻數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量佳，傳輸過(guò)程中不存在卡滯、信號(hào)中斷問(wèn)題。研究成果可在一定程度上提升煤礦提升機(jī)運(yùn)行保證能力。

【關(guān)鍵詞】 礦井運(yùn)輸;提升機(jī);井筒;無(wú)線(xiàn)傳輸

井工開(kāi)采時(shí)提升機(jī)是煤炭、矸石、設(shè)備以及人員等上下井的主要設(shè)備，提升機(jī)頻繁啟動(dòng)會(huì)引起天輪、減速器、電動(dòng)機(jī)等易損件出現(xiàn)故障，因此對(duì)提升機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、過(guò)程等進(jìn)行監(jiān)控對(duì)提高提升機(jī)運(yùn)行可靠性具有重要意義。

1無(wú)線(xiàn)傳輸自適應(yīng)天線(xiàn)

天線(xiàn)是無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)核心設(shè)備之一，天線(xiàn)性能直接影響無(wú)線(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)可靠性以及傳輸距離。

1.1天線(xiàn)傳輸頻率優(yōu)選

提升機(jī)井筒內(nèi)壁會(huì)有明顯的凹凸、結(jié)構(gòu)狹長(zhǎng)，內(nèi)部布置有各種鋼結(jié)構(gòu)以及運(yùn)輸設(shè)備，且井筒內(nèi)電磁環(huán)境較為復(fù)雜。為了提升無(wú)線(xiàn)傳輸效率，必須根據(jù)井筒結(jié)構(gòu)優(yōu)選最佳的無(wú)線(xiàn)傳輸頻率。通過(guò)對(duì)山西某礦350m覆井井筒進(jìn)行大量的實(shí)測(cè)，發(fā)現(xiàn)頻率段在1.5GHz～2.7GHz間時(shí)無(wú)線(xiàn)傳輸覆蓋范圍以及傳輸可靠性最優(yōu)，可滿(mǎn)足井筒數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)傳輸需要。為了更好地適應(yīng)井筒無(wú)線(xiàn)傳輸需要，將1.5～2.7GHz劃分成3個(gè)頻段（分別為1.5～1.7、1.9～2.1、2.3～2.6）。采用基于射頻鎖相環(huán)、ARM單片機(jī)等構(gòu)成的無(wú)線(xiàn)傳輸天線(xiàn)，可根據(jù)無(wú)線(xiàn)信號(hào)強(qiáng)弱自動(dòng)選擇合適的工作頻率。

1.2輻射波束

輻射波束跟輻射單元位置、數(shù)量、單元激勵(lì)的相位、結(jié)構(gòu)以及幅度等參數(shù)密切相關(guān)。無(wú)線(xiàn)傳輸天線(xiàn)內(nèi)置的ARM根據(jù)無(wú)線(xiàn)傳輸信號(hào)強(qiáng)弱調(diào)整移相互器、功分器輸出，并調(diào)整輻射單元位置、數(shù)量以及單元激勵(lì)的相位等參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)輻射波束自適應(yīng)調(diào)整，從而確保無(wú)線(xiàn)傳輸天線(xiàn)的最大輻射波束始終面向移動(dòng)中的罐籠。將無(wú)線(xiàn)天線(xiàn)布置在井筒上部橫梁之上，根據(jù)無(wú)線(xiàn)信號(hào)強(qiáng)弱自動(dòng)調(diào)整工作狀態(tài)，具體輻射波束范圍見(jiàn)圖1。

1.3無(wú)線(xiàn)傳輸中的自適應(yīng)天線(xiàn)結(jié)構(gòu)

天線(xiàn)結(jié)構(gòu)包括有4個(gè)整齊排布的單元天線(xiàn)，間距相等，單元天線(xiàn)上兩層為矩形輻射貼片，均覆蓋在FR4介質(zhì)板上（厚度為1mm）。由于饋電網(wǎng)絡(luò)會(huì)產(chǎn)生較大的電磁輻射，為此將饋電網(wǎng)絡(luò)置于第三層貼片之上。具體天線(xiàn)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

2無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

提升機(jī)無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中前端采集設(shè)備通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)中繼器傳輸至地面調(diào)度設(shè)備，具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

2.1.1前端采集設(shè)備

前端采集設(shè)備主要由無(wú)線(xiàn)電話(huà)、無(wú)線(xiàn)攝像頭、傳輸天線(xiàn)等構(gòu)成，其中在罐籠以及天輪位置均布置有無(wú)線(xiàn)攝像頭。

通過(guò)在罐籠內(nèi)布置無(wú)線(xiàn)攝像頭以及無(wú)線(xiàn)電話(huà)可實(shí)時(shí)掌握罐籠內(nèi)部情況，在天輪、油缸以及鋼絲繩等關(guān)鍵位置布置無(wú)線(xiàn)攝像頭可監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的潛在故障。無(wú)線(xiàn)攝像頭及無(wú)線(xiàn)電話(huà)采集的視頻以及音頻信號(hào)通過(guò)傳輸天線(xiàn)以無(wú)線(xiàn)信號(hào)形式傳輸給中間轉(zhuǎn)接設(shè)備。具體前端采集設(shè)備內(nèi)自適應(yīng)無(wú)線(xiàn)天線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)攝像頭及無(wú)線(xiàn)電話(huà)工作參數(shù)見(jiàn)表1。

2.1.2中繼器

中繼器內(nèi)結(jié)構(gòu)主要包括有2個(gè)無(wú)線(xiàn)天線(xiàn)（分別負(fù)責(zé)信號(hào)接收、信號(hào)傳輸）、中級(jí)分站等，將中繼器布置在井筒頂部橫梁上，從而確保井筒內(nèi)無(wú)信號(hào)盲區(qū)，并將前端采集裝置收集到的無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳輸給地面調(diào)度室。具體中繼器技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

2.1.3地面調(diào)度室

地面調(diào)度室內(nèi)設(shè)備包括有無(wú)線(xiàn)天線(xiàn)、服務(wù)器以及專(zhuān)用PC等，其中無(wú)線(xiàn)天線(xiàn)用以接收中繼器傳輸?shù)臒o(wú)線(xiàn)信號(hào)，服務(wù)器對(duì)視頻數(shù)據(jù)、語(yǔ)音數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理后，在專(zhuān)用PC上顯示。

2.2系統(tǒng)功能

遠(yuǎn)程語(yǔ)音通話(huà)：提升機(jī)內(nèi)的無(wú)線(xiàn)電話(huà)可與監(jiān)控室內(nèi)的電話(huà)進(jìn)行直接通話(huà)，同時(shí)主、副井筒罐籠內(nèi)的無(wú)線(xiàn)電話(huà)也可互相通話(huà)，從而在一定程度上提升信息傳輸效率。

遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控：通過(guò)無(wú)線(xiàn)攝像頭實(shí)現(xiàn)對(duì)罐籠、井筒內(nèi)部以及天輪、鋼絲繩等實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而為后續(xù)的故障排除、糾正作業(yè)人員違規(guī)操作等創(chuàng)造良好條件。

安全廣播：當(dāng)提升機(jī)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)緊急情況時(shí)，可通過(guò)安全廣播提醒人員緊急撤離。無(wú)意外情況發(fā)生時(shí)可播放交班信息或者音樂(lè)，緩解工作人員疲憊精神狀態(tài)。

3現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用分析

山西某礦副井井筒直徑為8.0m，配備落地式多繩提升機(jī)（型號(hào)JKMD-3.25×4（I）E）滾筒寬度、直徑分別為1.8m、3.25m，最大提升高度為482.8m，天輪直徑3.25m，鋼絲繩間距為300mm，采用的減速器傳動(dòng)比為11.2，提升速度最大8.08m/s。電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行功率為1000kW、轉(zhuǎn)速為546r/min。

礦井提升機(jī)無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)于2020年5月投入使用，在使用過(guò)程中采用便攜式頻譜儀對(duì)提升機(jī)罐籠、井筒橫梁頂部位置的無(wú)線(xiàn)攝像頭、無(wú)線(xiàn)電話(huà)以及無(wú)線(xiàn)天線(xiàn)等輸出功率、頻率等進(jìn)行測(cè)定。提升機(jī)罐籠從井口向井底車(chē)場(chǎng)運(yùn)輸過(guò)程中頂部恒梁上無(wú)線(xiàn)天線(xiàn)發(fā)射頻率呈逐漸增加趨勢(shì)，距離變化范圍介于-60～20db·m;工作頻率呈逐漸降低趨勢(shì)，具體頻率范圍在1.5～2.7GHz間。表明井筒布置的無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)可根據(jù)運(yùn)行環(huán)境需要對(duì)工作參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，確保系統(tǒng)無(wú)線(xiàn)傳輸質(zhì)量始終處于最佳狀態(tài)。無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)無(wú)線(xiàn)信號(hào)可實(shí)現(xiàn)井筒全覆蓋、傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸質(zhì)量佳。無(wú)線(xiàn)傳輸平均能耗在3W以?xún)?nèi)，相對(duì)于其他固定頻率的無(wú)線(xiàn)傳輸設(shè)備能耗降低約73%，此外無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)傳輸?shù)囊曨l畫(huà)面清晰、音頻流暢，基本無(wú)卡頓現(xiàn)象。

4總結(jié)

針對(duì)礦井井筒狹長(zhǎng)、電磁環(huán)境復(fù)雜以及設(shè)備安裝、檢修困難等問(wèn)題，提出了一種集視頻、語(yǔ)音等功能為一體的無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用的自適應(yīng)天線(xiàn)可根據(jù)無(wú)線(xiàn)信號(hào)強(qiáng)弱調(diào)整信號(hào)傳輸頻率以及傳輸功率，確保井筒內(nèi)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)可始終高質(zhì)量傳輸。

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)獲取到的音頻、視頻均無(wú)卡滯情況，傳輸輸電以及可靠性可滿(mǎn)足提升機(jī)安全監(jiān)控需要。

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