礦井摩擦式提升機智能無線通信系統設計

侯宇明， 范海云

（1.山西天地煤機裝備有限公司， 山西 太原 030000； 2.汾西礦業集團曙光煤礦， 山西 孝義 032300）

引言

煤礦提升機是保障煤礦安全高效生產的關鍵設備，必須對其運行狀態進行監測。提升機的監測傳統的方法主要為有線通信和光纜傳輸，布線工程量大且后期的維護及檢修難度大，近年來又逐步興起了井筒無線通信的研發利用，但同樣也存在通信距離受限、信號不穩定、設備能耗大等問題[1-4]。針對這些問題，以JKMD-3.25×4ZI 型多繩摩擦提升機為研究對象，設計一套無線通線系統，從而實現對提升機主要設施及構配件的在線監控及無線通信，保障提升機的穩定運行。

1 提升機無線通信系統設計

JKMD-3.25×4ZI 型提升機的無線通信系統主體架構分四個模塊，包括前端采集模塊、中間轉接模塊、地面處理模塊以及連接各模塊的無線通信模塊，總體架構如圖1 所示，具體結構情況如下：

1）前端采集模塊。前端采集模塊負責監控信息數據的采集，包括安裝在提升機油缸、鋼絲繩、天輪等關鍵處的無線攝像儀，無線電話和自適應天線等，工作模式是在線實時監測提升機工作狀況，采集到的音、視頻信號通過數據轉換無線傳遞給中間專接模塊，前端設備由專用隔爆電池供電。

2）中間轉接模塊。中間轉接模塊的核心是無線中繼分站，其信號須覆蓋至提升機及立井井筒的全部范圍，主要功能是接收采集模塊發送來的信息并初步處理，然后發送至地面處理模塊。本系統所使用的無線中繼分站主要參數均能達到設計要求，其供電電壓為12 V，發射功率為20 dB·m，有效通信距離超過1 000 m，無線數據傳輸速率達到10～100 Mbit·s-1。

圖1 無線通信系統主體架構設計示意圖

3）地面處理模塊。地面處理模塊一般設置在礦井地面調度室或監控機臺，主要由自適應天線、無線中繼總站、流媒體服務器、客戶端計算機及顯示屏幕等組成，是人機交互的載體，負責數據的收集、分析、處理，識別故障并及時對故障進行處置。

4）無線通信模塊。在整個系統中起到紐帶作用，通信及數據接口均采用了工業以太網標準，其中智能天線是數據傳輸的關鍵，可將系統模塊內全部設備進行無線連接，極大提高了數據傳輸的精度和效率。

2 智能天線結構設計

在整個無線通信系統中，無線通信模塊中的智能天線最為關鍵，不僅可保障通信的穩定和高效，而且可保障數據傳輸的遠距離和全覆蓋。其智能化主要體現在對通信工作頻率及輻射波指向的實時調整[5-6]，使其發揮更優的通信效果。

1）智能天線結構。智能天線的主板主要是由安裝在介質板（FR4）上的四個天線單元組成的，每個天線單元包括上、下兩層貼片，并由下部的饋電網絡進行聯通，下層貼片與饋電網絡之間有饋電探針聯通，同時在設計時通過塑料支柱規避輻射影響，其結構設計如下頁圖2 所示。

2）通信工作頻率的智能調整。無線通信信號主要在立井井筒中傳遞，因井筒較長，井筒壁表面平整度、潮濕度、粉塵附著、附屬結構等會影響信號傳遞，造成電磁干擾，無線通信工作頻率的選擇至關重要。經過對礦井副井筒的實地踏勘及測試，得出在1.4～2.8 GHz 范圍內通信效果最佳，并將該頻段進一步細化為 1.4～1.7 GHz、1.8～2.1 GHz、2.1～2.4 GHz、2.5～2.8 GHz 四個頻段，根據實際工況下無線信號的強弱，由智能天線自動選擇合適的頻段，確保信號傳遞的速度和精度。

圖2 智能天線主板結構示意圖

3）輻射波指向的智能調整。設計的智能天線安裝在井筒架橫梁頂部，由于礦井提升機罐籠（分主、副罐籠）在井筒中不斷上、下往復運動，天線向主、副罐籠發出的輻射信號強度是實時變化的。為了保障信號不因距離過遠而過度受損，由智能天線內置的單片機根據信號強弱變化，調整輻射單元的工作數量、工作強度以及工作相位等參數，實現對所發出的輻射波進行實時調整，并保證最大最強的輻射波一直指向距離較遠的提升罐籠，從而實現信號的穩定收發。

3 系統功能設計及應用

礦井提升機智能無線通信系統的設計及應用，可實現視頻實時監控、提升機（罐籠）與調度室雙向通話、語音廣播喊話、數據采集記錄、數據統計分析、智能故障識別、設備管理、人機交互等功能，所開發的人機交互客戶端界面如圖3 所示。

對礦井JKMD-3.25×4ZI 型多繩摩擦提升機安裝所研發的智能無線通信系統，重點對無線信號的強度及智能天線的工作情況進行監測，智能天線按照設計要求安裝在井筒架橫梁頂部，發現當主提升機由上井口運行至井底時，天線發出輻射波的功率逐漸增大，而通信工作頻率則逐漸減小，說明當提升機運行過程中，智能天線對通信工作頻率及輻射波指向進行自適應調整，使通信效率處于最佳狀態。系統運行后監控視頻清晰無卡頓，語音通話穩定流暢，設備監控運行狀態良好。

圖3 人機交互客戶端界面示意圖

4 結語

煤礦立井尤其是千米深井的無線通信歷來是礦井通信技術的薄弱環節，國內許多礦井至今未實現立井井筒的無線通信，對提升機運行環節的監控還處于比較傳統的階段。本文所研究的礦井提升機智能無線通信系統對立井井筒有較好的適應性，能夠實現視頻實時監控、語音通話、故障監測、人機交互等功能，無線信號清晰穩定，且能夠實現無線通信的自適應調整，從而保障數據的遠距離傳輸和整個立井提升范圍的全覆蓋。