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矿井摩擦式提升机智能无线通信系统设计

学术期刊发表网 位置:理工论文 时间:2021-05-22 09:23 (12)

摘要:摘要:针对立井提升机传统的监测及通信系统建设难题,设计了一套以前端采集模块、中间转接模块、地面处理模块以及无线通信模块为主体的无线通信系统,并对其最为核心的智能天

  摘要:针对立井提升机传统的监测及通信系统建设难题,设计了一套以前端采集模块、中间转接模块、地面处理模块以及无线通信模块为主体的无线通信系统,并对其最为核心的智能天线部件进行结构及功能设计,并成功在JKMD-3.25×4ZI型提升机系统中得到应用,能够实现视频实时监控、语音通话、故障监测等功能,且能够实现无线通信的自适应调整,达到了预期效果。

  关键词:摩擦式提升机;无线通信;自适应调整;智能天线

矿井摩擦式提升机智能无线通信系统设计

  引言

  煤矿提升机是保障煤矿安全高效生产的关键设备,必须对其运行状态进行监测。提升机的监测传统的方法主要为有线通信和光缆传输,布线工程量大且后期的维护及检修难度大,近年来又逐步兴起了井筒无线通信的研发利用,但同样也存在通信距离受限、信号不稳定、设备能耗大等问题[1-4]。针对这些问题,以JKMD-3.25×4ZI型多绳摩擦提升机为研究对象,设计一套无线通线系统,从而实现对提升机主要设施及构配件的在线监控及无线通信,保障提升机的稳定运行。

  1提升机无线通信系统设计

  JKMD-3.25×4ZI型提升机的无线通信系统主体架构分四个模块,包括前端采集模块、中间转接模块、地面处理模块以及连接各模块的无线通信模块,总体架构如图1所示,具体结构情况如下:1)前端采集模块。前端采集模块负责监控信息数据的采集,包括安装在提升机油缸、钢丝绳、天轮等关键处的无线摄像仪,无线电话和自适应天线等,工作模式是在线实时监测提升机工作状况,采集到的音、视频信号通过数据转换无线传递给中间专接模块,前端设备由专用隔爆电池供电。2)中间转接模块。中间转接模块的核心是无线中继分站,其信号须覆盖至提升机及立井井筒的全部范围,主要功能是接收采集模块发送来的信息并初步处理,然后发送至地面处理模块。本系统所使用的无线中继分站主要参数均能达到设计要求,其供电电压为12V,发射功率为20dB•m,有效通信距离超过1000m,无线数据传输速率达到10~100Mbit•s-1。3)地面处理模块。地面处理模块一般设置在矿井地面调度室或监控机台,主要由自适应天线、无线中继总站、流媒体服务器、客户端计算机及显示屏幕等组成,是人机交互的载体,负责数据的收集、分析、处理,识别故障并及时对故障进行处置。4)无线通信模块。在整个系统中起到纽带作用,通信及数据接口均采用了工业以太网标准,其中智能天线是数据传输的关键,可将系统模块内全部设备进行无线连接,极大提高了数据传输的精度和效率。

  2智能天线结构设计

  在整个无线通信系统中,无线通信模块中的智能天线最为关键,不仅可保障通信的稳定和高效,而且可保障数据传输的远距离和全覆盖。其智能化主要体现在对通信工作频率及辐射波指向的实时调整[5-6],使其发挥更优的通信效果。1)智能天线结构。智能天线的主板主要是由安装在介质板(FR4)上的四个天线单元组成的,每个天线单元包括上、下两层贴片,并由下部的馈电网络进行联通,下层贴片与馈电网络之间有馈电探针联通,同时在设计时通过塑料支柱规避辐射影响,其结构设计如下页图2所示。2)通信工作频率的智能调整。无线通信信号主要在立井井筒中传递,因井筒较长,井筒壁表面平整度、潮湿度、粉尘附着、附属结构等会影响信号传递,造成电磁干扰,无线通信工作频率的选择至关重要。经过对矿井副井筒的实地踏勘及测试,得出在1.4~2.8GHz范围内通信效果最佳,并将该频段进一步细化为1.4~1.7GHz、1.8~2.1GHz、2.1~2.4GHz、2.5~2.8GHz四个频段,根据实际工况下无线信号的强弱,由智能天线自动选择合适的频段,确保信号传递的速度和精度。3)辐射波指向的智能调整。设计的智能天线安装在井筒架横梁顶部,由于矿井提升机罐笼(分主、副罐笼)在井筒中不断上、下往复运动,天线向主、副罐笼发出的辐射信号强度是实时变化的。为了保障信号不因距离过远而过度受损,由智能天线内置的单片机根据信号强弱变化,调整辐射单元的工作数量、工作强度以及工作相位等参数,实现对所发出的辐射波进行实时调整,并保证最大最强的辐射波一直指向距离较远的提升罐笼,从而实现信号的稳定收发。

  3系统功能设计及应用

  矿井提升机智能无线通信系统的设计及应用,可实现视频实时监控、提升机(罐笼)与调度室双向通话、语音广播喊话、数据采集记录、数据统计分析、智能故障识别、设备管理、人机交互等功能,所开发的人机交互客户端界面如图3所示。对矿井JKMD-3.25×4ZI型多绳摩擦提升机安装所研发的智能无线通信系统,重点对无线信号的强度及智能天线的工作情况进行监测,智能天线按照设计要求安装在井筒架横梁顶部,发现当主提升机由上井口运行至井底时,天线发出辐射波的功率逐渐增大,而通信工作频率则逐渐减小,说明当提升机运行过程中,智能天线对通信工作频率及辐射波指向进行自适应调整,使通信效率处于最佳状态。系统运行后监控视频清晰无卡顿,语音通话稳定流畅,设备监控运行状态良好。

  4结语

  煤矿立井尤其是千米深井的无线通信历来是矿井通信技术的薄弱环节,国内许多矿井至今未实现立井井筒的无线通信,对提升机运行环节的监控还处于比较传统的阶段。本文所研究的矿井提升机智能无线通信系统对立井井筒有较好的适应性,能够实现视频实时监控、语音通话、故障监测、人机交互等功能,无线信号清晰稳定,且能够实现无线通信的自适应调整,从而保障数据的远距离传输和整个立井提升范围的全覆盖。

  参考文献

  [1]冉恒恒.基于无线通信的钢丝绳在线检测系统研究[J].自动化应用,2020(4):49-50.

  [2]丁江江.基于物联网的矿井提升设备工况监测系统研究[D].太原:太原理工大学:2019.

  [3]张龙.矿井提升机远程在线监测与故障诊断系统[D].太原:太原理工大学,2015.

  [4]王峰.网络环境下矿井提升机智能故障诊断关键技术研究[D].北京:中国矿业大学,2013.

  [5]孙绪宝,张玉梅,姜琳,等.基于主成分分析的自适应天线研究[J].山东科技大学学报(自然科学版),2008(5):57-60.

  [6]陈戈林.智能天线在移动通信系统中的应用[J].移动通信,2004(suppl1):102-103.

  作者:侯宇明 范海云

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