無(wú)線語(yǔ)音數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)在云岡礦薄煤層工作面的應(yīng)用

劉改葉

（大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)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(fù)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(shè)備類(lèi)型繁多，造成勞動(dòng)強(qiáng)度大，維護(hù)難度大，安全狀況差[1-3]。隨著煤礦開(kāi)采信息化與自動(dòng)化程度的不斷深入，工作面內(nèi)多類(lèi)型數(shù)據(jù)的通信需求越來(lái)越多，而且其重要性也越來(lái)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(diǎn)越來(lái)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(hù)難度，因此在井下采用無(wú)線通信方式越來(lái)越受到重視[4-5]。針對(duì)薄煤層工作面開(kāi)發(fā)一套不用布線、易于安裝、低功耗智能化的無(wú)線語(yǔ)音數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義與經(jīng)濟(jì)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(hù)難度，推進(jìn)綜采自動(dòng)化，大同煤礦集團(tuán)針對(duì)薄煤層賦存地質(zhì)條件和工況，基于本質(zhì)安全型設(shè)計(jì)思路，綜合運(yùn)用低功耗技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)和自動(dòng)化控制等技術(shù)，利用無(wú)線中繼分站、無(wú)線數(shù)據(jù)耦合器和無(wú)線語(yǔ)音終端進(jìn)行組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了薄煤層綜采工作面內(nèi)的無(wú)線語(yǔ)音通訊，以及采煤機(jī)的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸與控制，為提升薄煤層工作面裝備技術(shù)水平和安全系數(shù)開(kāi)創(chuàng)了新的途徑。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該無(wú)線語(yǔ)音數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)包含KTZ18W 無(wú)線中繼分站、KHJ18W 無(wú)線數(shù)據(jù)耦合器和KTW5 無(wú)線語(yǔ)音終端等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。無(wú)線數(shù)據(jù)耦合器可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線轉(zhuǎn)接與無(wú)線收發(fā)，無(wú)線中繼分站實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無(wú)線信號(hào)的中繼傳輸，無(wú)線語(yǔ)音終端實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音對(duì)講和打點(diǎn)功能。所有設(shè)備均是無(wú)線互聯(lián)，當(dāng)其中某個(gè)或某幾個(gè)無(wú)線中繼分站有故障情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)重新互聯(lián)、自動(dòng)組網(wǎng)。

圖1 無(wú)線語(yǔ)音數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 無(wú)線數(shù)據(jù)耦合器

無(wú)線數(shù)據(jù)耦合器由數(shù)據(jù)處理與控制單元MCU、無(wú)線傳輸芯片、射頻信號(hào)放大芯片、電源處理電路、通訊接口電路、看門(mén)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(wú)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(kāi)關(guān)量；無(wú)線傳輸芯片控制所有無(wú)線收發(fā)單元完成無(wú)線數(shù)據(jù)的收發(fā)切換、無(wú)線信號(hào)的調(diào)制解調(diào)，并與MCU 連接進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；射頻信號(hào)放大單元實(shí)現(xiàn)無(wú)線信道上下行鏈路的信號(hào)放大、無(wú)線信號(hào)的發(fā)射和接收；外置天線形式采用全向天線。

1.3 無(wú)線中繼分站

無(wú)線中繼分站由數(shù)據(jù)處理與控制單元MCU、無(wú)線傳輸芯片、射頻信號(hào)放大芯片、電源處理電路、看門(mén)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(wú)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(dòng)切換模式；電源管理部分采用9～36V 寬電壓輸入，實(shí)現(xiàn)對(duì)其余功能電路單元的供電；無(wú)線傳輸芯片控制所有無(wú)線收發(fā)單元完成無(wú)線數(shù)據(jù)的收發(fā)切換、無(wú)線信號(hào)的調(diào)制解調(diào)，并與MCU 連接進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；射頻信號(hào)放大單元實(shí)現(xiàn)無(wú)線信道上下行鏈路的信號(hào)放大、無(wú)線信號(hào)的發(fā)射和接收；外置天線形式采用全向天線。

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

1.4 無(wú)線語(yǔ)音終端

無(wú)線語(yǔ)音終端由數(shù)據(jù)處理與控制單元MCU、語(yǔ)音采集芯片、音頻功率放大器、無(wú)線傳輸芯片、射頻信號(hào)放大芯片、電源處理電路、看門(mén)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(wú)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(dòng)切換通訊模式；電源管理部分采用電池實(shí)現(xiàn)對(duì)其余功能電路單元的供電；語(yǔ)音部分采用數(shù)字化采樣與傳輸；無(wú)線傳輸芯片控制所有無(wú)線收發(fā)單元完成無(wú)線數(shù)據(jù)的收發(fā)切換、無(wú)線信號(hào)的調(diào)制解調(diào)，并與MCU 連接進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；射頻信號(hào)放大單元實(shí)現(xiàn)無(wú)線信道上下行鏈路的信號(hào)放大、無(wú)線信號(hào)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(yàn)

該系統(tǒng)于2017 年6 月開(kāi)始在云岡礦8411 薄煤層綜采工作面進(jìn)行項(xiàng)目調(diào)研和無(wú)線傳輸測(cè)試，于2018 年6 月開(kāi)始安裝試用。設(shè)備布置如圖2 所示。工作面長(zhǎng)度為100m，共安裝支架70 架，6 臺(tái)礦用無(wú)線中繼分站均勻分布在工作面與順槽中，每?jī)膳_(tái)之間的間隔為15 個(gè)支架，設(shè)備安裝在液壓支架頂部，無(wú)線數(shù)據(jù)耦合器分別安裝在采煤機(jī)內(nèi)部和順槽設(shè)備列車(chē)上，礦工每人配一臺(tái)無(wú)線語(yǔ)音終端。試用期間，無(wú)線中繼分站和無(wú)線數(shù)據(jù)耦合器信號(hào)傳輸穩(wěn)定可靠，誤碼率≤10-6，語(yǔ)音對(duì)講清晰無(wú)雜音，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，安裝簡(jiǎn)單，容易維護(hù)。

圖2 工作面設(shè)備布置圖

3 結(jié)論

本文針對(duì)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(shè)計(jì)思路，利用無(wú)線中繼分站、無(wú)線數(shù)據(jù)耦合器與無(wú)線語(yǔ)音終端構(gòu)建了成套的無(wú)線語(yǔ)音數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)，工作面內(nèi)實(shí)現(xiàn)了無(wú)線信號(hào)的全面覆蓋且無(wú)盲區(qū)，礦工利用無(wú)線語(yǔ)音終端實(shí)現(xiàn)了無(wú)線語(yǔ)音對(duì)講與打點(diǎn)，采煤機(jī)實(shí)現(xiàn)了無(wú)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(shù)水平和安全系數(shù)。