煤礦井下智能膠帶通訊控制系統(tǒng)方案研究

[摘 ?要]本文開發(fā)了VOIP通訊系統(tǒng)解決通信困難的問題、采用大數(shù)據(jù)存儲技術(shù)解決數(shù)據(jù)安全與存儲備份問題、開發(fā)無線傳感器避免有線通信線路、采用冷補預(yù)埋技術(shù)開發(fā)膠帶精確識別裝置、采用安卓開發(fā)專用APP研制，運用提升設(shè)備效能、減員增效為手段，以遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)處理及智能監(jiān)測與診斷系列技術(shù)，解決了以往生產(chǎn)過程中遇到的信息通訊等難題。

[關(guān)鍵詞]膠帶機 ?通信 ?無線傳感器 ?定位 ?APP

中圖分類號：TU741.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）27-0363-02

1 總體方案

研發(fā)煤礦井下智能膠帶通訊控制系統(tǒng)旨在解決膠帶機及膠帶機群控制難的問題，實現(xiàn)全方位的膠帶控制及保護功能;同時配備專屬APP與手持設(shè)備，實現(xiàn)手持設(shè)備無線視頻、一鍵啟停、設(shè)備狀態(tài)查詢等功能。

煤礦井下智能膠帶通訊控制系統(tǒng)解決方案如圖4-1所示。

煤礦井下智能膠帶通訊控制系統(tǒng)的研發(fā)主要內(nèi)容如下：

（1）建立一個以設(shè)備為核心的全壽命周期管理平臺，對設(shè)備的規(guī)劃、設(shè)計、制造、安裝、調(diào)試、運行、維護、維修、報廢等整個壽命周期進行管理，形成管理整體閉環(huán)，對設(shè)備管理提供一站式服務(wù)。

（2）建立規(guī)范化點檢管理子系統(tǒng)，規(guī)范化設(shè)備點檢工作，將點檢工作落到實處，利用先進的點檢工具，提高點檢工作效率，收集的數(shù)據(jù)也更加可靠。

（3）建立規(guī)范化的潤滑及保養(yǎng)子系統(tǒng)，規(guī)范化潤滑保養(yǎng)工作，提高設(shè)備的可靠性。

（4）建立以設(shè)備診斷工程為核心的設(shè)備狀態(tài)管理系統(tǒng)，將設(shè)備點檢與狀態(tài)監(jiān)測融入到設(shè)備管理，建立基于狀態(tài)監(jiān)測的故障預(yù)防、診斷、處理體系。

（5）建立統(tǒng)一的問題報告機制，將現(xiàn)場問題、缺陷、故障、檢修申請等統(tǒng)一管理，提高信息的綜合性，使管理人員對設(shè)備問題一目了然。

（6）建立強大的工單處理功能，將維修任務(wù)、工藝工序、物料工具計劃、人力資源計劃、成本費用、安全保障措施等聯(lián)系起來，規(guī)范化維修過程，提高維修效率。

根據(jù)礦用膠帶機沿線特點要求：

第一，要具備基本的膠帶機保護功能，同時加入自動噴淋系統(tǒng)的控制;第二，要融入設(shè)備點檢系統(tǒng)的理念，要通過接頭定位系統(tǒng)的研制，完成膠帶精確定位;第三，研制專屬APP，配置專用手持設(shè)備，實現(xiàn)手持設(shè)備無線視頻、一鍵啟停、設(shè)備狀態(tài)查詢等功能;第四，膠帶機運輸通道，作為膠帶群中承上啟下的最主要運輸新系統(tǒng)，要從整個膠帶群的角度，完成群控制，形成智能化、遠(yuǎn)程化的煤流集中控制系統(tǒng)。

2 膠帶機沿線設(shè)備控制和保護系統(tǒng)的開發(fā)

為提高對膠帶機控制的可靠性，研發(fā)膠帶機沿線設(shè)備配置和保護系統(tǒng)。在膠帶機機頭放置一臺主控制器操作臺，作為整個系統(tǒng)的檢測與控制中心。操作臺配有兩塊17吋本安液晶屏，一塊用于顯示控制數(shù)據(jù)，一塊用于顯示視頻圖像。

操作臺接入以下信源裝置，（1）接入開關(guān)或變頻器驅(qū)動信號，通過采集電機電流實現(xiàn)功率平衡控制，通過與變頻器通信檢測力矩實現(xiàn)扭矩平衡。（2）接入1臺超聲波料位計，檢測煤倉煤位進行空倉和滿倉自動報警及停車。

采用超聲波原理測量煤面的最高點，對煤高檢測精度很高，通過堆積角，托輥長度，托輥夾角等參數(shù)可以推算截面積，進而算出煤量。

截面積計算方法及公式：輸出煤高H=h–傳感器輸出×1000×6.875–7.5

把截面積近似看為梯形：截面積S=（托輥長度×2+H×tan（托輥角度）×2）×H/2

煤流量M=S×V×煤的密度

時間t內(nèi)順槽皮帶累計煤量T = 原有煤量T0 + 進入煤量T1，傳感器數(shù)據(jù)采集頻率為100ms（1秒10次），則

各條皮帶上時間t內(nèi)當(dāng)前總煤量計算公式為：順槽皮帶總煤量T = 原有煤量T0 + 進入煤量T1 – 流出煤量T2

（3）接入跑偏、縱撕、煙霧、溫度、堆煤、速度等傳感器，完成膠帶機保護。

（4）跑偏傳感器采用無線接入方式，通過無線網(wǎng)絡(luò)接入控制臺，并且充電方式采用無線充電。

（5）接入張緊系統(tǒng)控制信號，實現(xiàn)張力值和油壓信號檢測，當(dāng)張力下降時自動進行張緊控制和保護。

（6）接入抱閘控制信號，實現(xiàn)膠帶機啟動前自動松閘和到位檢測。若為軟啟動方式，抱閘電機和主電機啟動順序可設(shè)置。當(dāng)正常停車時通過主滾筒測速編碼器檢測電機轉(zhuǎn)速，低于設(shè)定轉(zhuǎn)速值時抱閘投入。當(dāng)出現(xiàn)故障或緊急情況時，主電機停車同時抱閘立即抱死。

（7）輸出滾筒注油控制點，按設(shè)置頻率自動完成滾筒注油操作。

（8）大數(shù)據(jù)自動分析處理技術(shù)：將歷史數(shù)據(jù)進行圖形化顯示 ，自動進行設(shè)備故障診斷;根據(jù)多次的診斷結(jié)果形成專家?guī)觳⑻崾窘鉀Q方案。

（9）手持智能控制終端：通過手持智能控制終端查看設(shè)備運行狀態(tài)、查看攝像儀視頻信息、設(shè)備啟?？刂?、設(shè)備急停操作設(shè)備故障查詢、與地面公網(wǎng)和井下沿線語音互聯(lián)。

（10）后臺對運輸系統(tǒng)智能控制：具有一鍵起停控制功能，皮帶啟動時可選擇為順煤流起動方式， 通過煤流傳感器結(jié)合微積分算法計算煤量分布，根據(jù)煤量及分布調(diào)節(jié)膠帶運行速度;具有停車記憶功能，上次停車情況;工作面、順槽膠帶、給煤機、煤倉煤位、多膠帶作為生態(tài)系統(tǒng)智能控制，同時根據(jù)上次停車情況和設(shè)備搭接情況自動選擇起動順序和速度。

至此，建立完成一個以設(shè)備為核心的全壽命周期管理平臺，實現(xiàn)對設(shè)備的規(guī)劃、設(shè)計、制造、安裝、調(diào)試、運行、維護、維修、報廢等整個壽命周期進行管理，形成管理整體閉環(huán)，對設(shè)備管理提供一站式服務(wù)。

3 井上擴播系統(tǒng)與膠帶機沿線語音互通技術(shù)研究

為實現(xiàn)井上與井下實時語音通話的功能、提高人員的工作效率，研究井上擴播系統(tǒng)和膠帶機沿線語音互通技術(shù)，利用VOIP技術(shù)開發(fā)相關(guān)通訊設(shè)備。

井上擴播系統(tǒng)與膠帶機沿線語音互通技術(shù)研究過程中，在Windows系統(tǒng)上開發(fā)基于VOIP通訊設(shè)備，井下將礦用隔爆兼本安型信號處理器串入礦用通訊系統(tǒng)沿線中，井上將3G-MDS多媒體通信調(diào)度控制軟件安裝在多媒體調(diào)度指揮平臺上，VOIP語音通訊調(diào)度系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)備按下圖安裝起來，通過操作多媒體調(diào)度指揮平臺上的3G-MDS多媒體通信調(diào)度控制軟件或直接通過多媒體調(diào)度指揮平臺上的網(wǎng)絡(luò)電話對井下的礦用隔爆兼本安型信號處理器進行撥號，并通過多媒體調(diào)度指揮平臺上的網(wǎng)絡(luò)電話與井下沿線的通訊電話進行通話。

語音通信主機如圖4-5所示，特點如下：（1）語音通信主機是調(diào)度系統(tǒng)的核心硬件支撐平臺，承載了系統(tǒng)通信控制、媒體交換、協(xié)議控制和轉(zhuǎn)換、音視頻編解碼、通信信令控制、系統(tǒng)通信調(diào)用接口、錄音合成輸出、語音視頻業(yè)務(wù)處理等功能;為VOIP語音通信應(yīng)急救援系統(tǒng)的六個業(yè)務(wù)子系統(tǒng)提供了豐富的多媒體通信處理資源。（2）語音通信主機通信接口豐富，支持SS7、ISDN、中國一號、E&M、FXO、FXS等各類電話中繼或用戶線接口。

語音通信主機具備完善的安全機制，支持（HA）心跳線技術(shù)的主從熱備份功能。當(dāng)主機出現(xiàn)故障時，將在數(shù)秒內(nèi)完成主從機的切換，保障服務(wù)的永不間斷。支持智能重定向技術(shù)，終端和調(diào)度機通信時，不需要人工干預(yù)的情況下，終端會自動選擇正常運行的主機通信。

通過VOIP技術(shù)，以現(xiàn)有的以太網(wǎng)為傳輸介質(zhì)，實現(xiàn)膠帶機沿線和井上調(diào)度中心擴播系統(tǒng)的互聯(lián)互通。

如圖2所示，在井下與調(diào)度室相關(guān)系統(tǒng)互聯(lián)互通體系中，語音通信主機發(fā)揮著重要的作用，是調(diào)度系統(tǒng)的核心硬件支撐平臺。

錄音裝置工作參數(shù)如下：（1）調(diào)度臺，客戶端查詢播放;（2）本機存儲1500小時調(diào)度錄音，無需配置錄音服務(wù)器。

語音通信系統(tǒng)設(shè)備工作參數(shù)如下所述：（1）支持多方會議;（2）忙時呼叫完成量10000;（3）支持冗余熱備份;（4）VOIP協(xié)議SIP，H323，IAX;（5）支持第三方應(yīng)用系統(tǒng)可以通過基于IP的接口控制，進行定制業(yè)務(wù)開發(fā)通信開發(fā)接。

語音通信主機設(shè)備電氣性能如下：（1）電源電壓：127V，波動范圍75%～110%;（2）以太網(wǎng)口：數(shù)量：1路;信號幅值Vpp：1.0～5.0V;傳輸速率：100Mbps;（3）光纖模塊（選配）：數(shù)量：1路;類型：單模;波長：1310nm和1550nm;功率： -20dBm～0dBm;（4）音頻接口：IP電話（MIC）輸入1000Hz，50mV;音頻輸出失真度：≤10%（負(fù)載600Ω）;（5）輸入信號：0.1V～1.5V（負(fù)載600Ω）;輸出信號：0.1V～0.6V（負(fù)載600Ω）。

4 膠帶接頭精確定位技術(shù)研究

在每個膠帶的接頭附件預(yù)埋芯片，通過RFID技術(shù)，檢測不同的芯片實現(xiàn)自校，結(jié)合速度檢測，對每段膠帶進行編碼識別精確定位，配合膠帶探傷在線檢測系統(tǒng)進行膠帶探傷定位。

RFID系統(tǒng)在具體的應(yīng)用過程中，系統(tǒng)由信號發(fā)射機、信號接收機、發(fā)射接收天線幾部分組成，下面分別加以說明：

（1）信號發(fā)射機：在RFID系統(tǒng)中，信號發(fā)射機為了不同的應(yīng)用目的而以不同的形式存在，典型的形式是標(biāo)簽（TAG）。標(biāo)簽相當(dāng)于條碼技術(shù)中的條碼符號，用來存儲需要識別傳輸?shù)男畔?，但?biāo)簽又不同于條碼，標(biāo)簽一般是帶有線圈、天線、存儲器與控制系統(tǒng)的低電集成電路，能夠自動或在外力的作用下，把儲存的信息主動發(fā)射出去。

（2）信號接收機：在RFID系統(tǒng)中，信號接收機一般叫做閱讀器。閱讀器的復(fù)雜程度根據(jù)支持的標(biāo)簽類型與完成的功能而存在很大的差別。閱讀器基本的功能就是提供與標(biāo)簽進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐緩?。此外，閱讀器還提供相當(dāng)復(fù)雜的信號狀態(tài)控制、奇偶錯誤檢驗與更正功能等。標(biāo)簽中除了存儲需要傳輸?shù)男畔⑼猓€必須含有一定的附加信息，如錯誤檢驗信息等。識別數(shù)據(jù)信息和附加信息按照一定的結(jié)構(gòu)編制在一起，并按照特定的順序向外發(fā)送。閱讀器通過接收到的附加信息來控制數(shù)據(jù)流的發(fā)送。一旦到達(dá)閱讀器的信息被正確的接收和譯解后，閱讀器通過特定的算法決定是否需要發(fā)射機對發(fā)送的信號重發(fā)一次，或者知道是否使發(fā)射器停止發(fā)信號，這就是“命令響應(yīng)協(xié)議”。

（3）編程器：只有可讀可寫標(biāo)簽系統(tǒng)才需要編程器。編程器是向標(biāo)簽寫入數(shù)據(jù)的裝置。編程器寫入數(shù)據(jù)一般來說是離線（OFF-LINE）完成的，也就是預(yù)先在標(biāo)簽中寫入數(shù)據(jù)，等到開始應(yīng)用時直接把標(biāo)簽黏附在被標(biāo)識項目上。也有一些RFID應(yīng)用系統(tǒng)，寫數(shù)據(jù)是在線上（ON-LINE）完成的，尤其是在生產(chǎn)環(huán)境中作為交互式便攜數(shù)據(jù)文件來處理時。

（4）天線：天線用于標(biāo)簽和閱讀器間傳遞射頻信號。任何一個RFID系統(tǒng)至少應(yīng)包含一根天線以發(fā)射和接收信號。有些RFID系統(tǒng)是由一根天線來同時完成發(fā)射和接收; 而另一些RFID系統(tǒng)則是由一根天線來完成發(fā)射， 而由另一根天線來承擔(dān)接收， 所采用天線的形式及數(shù)量需要專業(yè)人員對系統(tǒng)的天線進行設(shè)計、安裝。

5 大數(shù)據(jù)存儲技術(shù)研究

研究大數(shù)據(jù)存儲技術(shù)，解決地面數(shù)據(jù)安全及數(shù)據(jù)存儲備份問題。大數(shù)據(jù)存儲裝置具體包含了：（1）數(shù)據(jù)存儲機型：TS140服務(wù)器，SS100G-36R型磁盤陣列。（2）處理器：四核英特爾至強處理器E3-1225 3.10。（3）磁盤陣列：支持36塊3.5寸硬盤熱插拔，最大存儲容量144TB。（4）RAID級別：RAID 0，1，5，6，10，50，60，支持專用熱備、全局熱備。（5）管理功能：通過單一管理界面集中監(jiān)控所有存儲設(shè)備的運行狀態(tài)和故障信息。（6）存儲內(nèi)容：視頻信息、音頻信息、故障記錄、采樣值數(shù)據(jù)、操作記錄等。

6 通訊控制系統(tǒng)專屬APP的研究

專屬APP帶有視頻、控制、檢測、設(shè)置、通話等功能，配套移動終端，可以顯示設(shè)備運行狀態(tài)、故障信息提示，實現(xiàn)對各個點位及巡檢設(shè)備的視頻等信息的監(jiān)測，對沿線和井上公網(wǎng)的語音通信，實現(xiàn)對沿線的閉鎖及自鎖連鎖等功能。

如圖3所示，通訊控制系統(tǒng)專屬APP可以顯示設(shè)備運行狀態(tài)、故障信息提示，實現(xiàn)對各個點位及巡檢設(shè)備的視頻等信息的監(jiān)測，對沿線和井上公網(wǎng)的語音通信，實現(xiàn)對沿線的閉鎖及自鎖連鎖等功能。

7 總結(jié)

井下智能膠帶通訊控制系統(tǒng)開發(fā)，解決了膠帶機及膠帶機群控制難的問題，可實現(xiàn)全方位的膠帶控制及保護功能，根據(jù)運輸系統(tǒng)的產(chǎn)能自動調(diào)整膠帶運輸系統(tǒng)的帶速，節(jié)能效率達(dá)到15%以上;同時，配有專屬APP、配置專用手持設(shè)備，實現(xiàn)手持設(shè)備無線視頻、一鍵啟停、設(shè)備狀態(tài)查詢等功能，井下智能膠帶通訊控制系統(tǒng)的應(yīng)用不但提高現(xiàn)有設(shè)備的自動化水平，還能做到了減人增效的管理。

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作者簡介

張運華（1978—），男，山東嘉祥人，工程師，在職研究生，現(xiàn)任兗州煤業(yè)股份有限公司？鮑店煤礦機電副總工程師。