礦井提升機智能無線通信系統(tǒng)設計
前言：想要寫出一篇引人入勝的文章？我們特意為您整理了礦井提升機智能無線通信系統(tǒng)設計范文，希望能給你帶來靈感和參考，敬請閱讀。
摘要：針對立井提升機傳統(tǒng)的監(jiān)測及通信系統(tǒng)建設難題，設計了一套以前端采集模塊、中間轉(zhuǎn)接模塊、地面處理模塊以及無線通信模塊為主體的無線通信系統(tǒng)，并對其最為核心的智能天線部件進行結構及功能設計，并成功在JKMD-3.25×4ZI型提升機系統(tǒng)中得到應用，能夠?qū)崿F(xiàn)視頻實時監(jiān)控、語音通話、故障監(jiān)測等功能，且能夠?qū)崿F(xiàn)無線通信的自適應調(diào)整，達到了預期效果。
關鍵詞：摩擦式提升機;無線通信;自適應調(diào)整;智能天線
引言
煤礦提升機是保障煤礦安全高效生產(chǎn)的關鍵設備，必須對其運行狀態(tài)進行監(jiān)測。提升機的監(jiān)測傳統(tǒng)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(fā)利用，但同樣也存在通信距離受限、信號不穩(wěn)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(tǒng)，從而實現(xiàn)對提升機主要設施及構配件的在線監(jiān)控及無線通信，保障提升機的穩(wěn)定運行。
1提升機無線通信系統(tǒng)設計
JKMD-3.25×4ZI型提升機的無線通信系統(tǒng)主體架構分四個模塊，包括前端采集模塊、中間轉(zhuǎn)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(jiān)控信息數(shù)據(jù)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(jiān)測提升機工作狀況，采集到的音、視頻信號通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)接模塊。中間轉(zhuǎn)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(fā)送來的信息并初步處理，然后發(fā)送至地面處理模塊。本系統(tǒng)所使用的無線中繼分站主要參數(shù)均能達到設計要求，其供電電壓為12V，發(fā)射功率為20dB•m，有效通信距離超過1000m，無線數(shù)據(jù)傳輸速率達到10～100Mbit•s-1。3）地面處理模塊。地面處理模塊一般設置在礦井地面調(diào)度室或監(jiān)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(shù)據(jù)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(tǒng)中起到紐帶作用，通信及數(shù)據(jù)接口均采用了工業(yè)以太網(wǎng)標準，其中智能天線是數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P鍵，可將系統(tǒng)模塊內(nèi)全部設備進行無線連接，極大提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)木群托省?/p>
2智能天線結構設計
在整個無線通信系統(tǒng)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(wěn)定和高效，而且可保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪h距離和全覆蓋。其智能化主要體現(xiàn)在對通信工作頻率及輻射波指向的實時調(diào)整[5-6]，使其發(fā)揮更優(yōu)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(zhì)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(wǎng)絡進行聯(lián)通，下層貼片與饋電網(wǎng)絡之間有饋電探針聯(lián)通，同時在設計時通過塑料支柱規(guī)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(diào)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(jīng)過對礦井副井筒的實地踏勘及測試，得出在1.4～2.8GHz范圍內(nèi)通信效果最佳，并將該頻段進一步細化為1.4～1.7GHz、1.8～2.1GHz、2.1～2.4GHz、2.5～2.8GHz四個頻段，根據(jù)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。3）輻射波指向的智能調(diào)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(fā)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(nèi)置的單片機根據(jù)信號強弱變化，調(diào)整輻射單元的工作數(shù)量、工作強度以及工作相位等參數(shù)，實現(xiàn)對所發(fā)出的輻射波進行實時調(diào)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(xiàn)信號的穩(wěn)定收發(fā)。
3系統(tǒng)功能設計及應用
礦井提升機智能無線通信系統(tǒng)的設計及應用，可實現(xiàn)視頻實時監(jiān)控、提升機（罐籠）與調(diào)度室雙向通話、語音廣播喊話、數(shù)據(jù)采集記錄、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、智能故障識別、設備管理、人機交互等功能，所開發(fā)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(fā)的智能無線通信系統(tǒng)，重點對無線信號的強度及智能天線的工作情況進行監(jiān)測，智能天線按照設計要求安裝在井筒架橫梁頂部，發(fā)現(xiàn)當主提升機由上井口運行至井底時，天線發(fā)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(diào)整，使通信效率處于最佳狀態(tài)。系統(tǒng)運行后監(jiān)控視頻清晰無卡頓，語音通話穩(wěn)定流暢，設備監(jiān)控運行狀態(tài)良好。
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(huán)節(jié)，國內(nèi)許多礦井至今未實現(xiàn)立井井筒的無線通信，對提升機運行環(huán)節(jié)的監(jiān)控還處于比較傳統(tǒng)的階段。本文所研究的礦井提升機智能無線通信系統(tǒng)對立井井筒有較好的適應性，能夠?qū)崿F(xiàn)視頻實時監(jiān)控、語音通話、故障監(jiān)測、人機交互等功能，無線信號清晰穩(wěn)定，且能夠?qū)崿F(xiàn)無線通信的自適應調(diào)整，從而保障數(shù)據(jù)的遠距離傳輸和整個立井提升范圍的全覆蓋。
參考文獻
[1]冉恒恒.基于無線通信的鋼絲繩在線檢測系統(tǒng)研究[J].自動化應用，2020（4）：49-50.
[2]丁江江.基于物聯(lián)網(wǎng)的礦井提升設備工況監(jiān)測系統(tǒng)研究[D].太原：太原理工大學：2019.
[3]張龍.礦井提升機遠程在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)[D].太原：太原理工大學，2015.
[4]王峰.網(wǎng)絡環(huán)境下礦井提升機智能故障診斷關鍵技術研究[D].北京：中國礦業(yè)大學，2013.
[5]孫緒寶，張玉梅，姜琳，等.基于主成分分析的自適應天線研究[J].山東科技大學學報（自然科學版），2008（5）：57-60.
[6]陳戈林.智能天線在移動通信系統(tǒng)中的應用[J].移動通信，2004（suppl1）：102-103.
作者：侯宇明 范海云 單位：山西天地煤機裝備有限公司