基于煤礦光纖通信技術(shù)的研究與應(yīng)用

舍曉東

【摘要】 過(guò)去的煤礦井下監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)、人員定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)均采用銅芯線纜作為主要通訊方式，隨著網(wǎng)絡(luò)科技發(fā)展結(jié)合煤礦的深部開(kāi)采，銅芯線纜信號(hào)傳輸已不滿足現(xiàn)在的煤礦發(fā)展，本文重點(diǎn)研究應(yīng)用于煤礦井下采用光纖、光端收發(fā)器、千兆光纖以太網(wǎng)等作為信號(hào)傳輸系統(tǒng)，滿足礦井信息化管理裝備。

【關(guān)鍵詞】 煤礦 光纖通信 以太網(wǎng)

Research and application of optical fiber communication technology based on coal mine

Abstract：The monitoring system， underground coal mine personnel positioning and monitoring system in the past using copper wire cable as the main means of communication， with deep network technology combined with the development of coal mining， copper core cable signal transmission has not meet the current development of the coal mine， this paper focuses on the research of application in coal mine by using optical fiber， optical fiber Ethernet， Gigabit transceiver as signal transmission system， to meet the mine information management equipment.

Key words： coal mine； optical fiber communication； Ethernet

一、概述

光纖通信系統(tǒng)是以光為載波，利用純度極高的玻璃拉制成極細(xì)的光導(dǎo)纖維作為傳輸媒介，通過(guò)光電變換，用光來(lái)傳輸信息的通信系統(tǒng)。隨著國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)和通信業(yè)的飛速發(fā)展，信息化給世界生產(chǎn)力和人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展帶來(lái)了極大的推動(dòng)。光纖通信作為信息化的主要技術(shù)支柱之一，必將成為21世紀(jì)最重要的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。

1.1基本光纖通信系統(tǒng)

最基本的光纖通信系統(tǒng)由數(shù)據(jù)源、光發(fā)送端、光學(xué)信道和光接收機(jī)組成。其中數(shù)據(jù)源包括所有的信號(hào)源，它們是話音、圖象、數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)經(jīng)過(guò)信源編碼所得到的信號(hào)；光發(fā)送機(jī)和調(diào)制器則負(fù)責(zé)將信號(hào)轉(zhuǎn)變成適合于在光纖上傳輸?shù)墓庑盘?hào)，先后用過(guò)的光波窗口有0.85、1.31和1.55。光學(xué)信道包括最基本的光纖，還有中繼放大器EDFA等；而光學(xué)接收機(jī)則接收光信號(hào)，并從中提取信息，然后轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，最后得到對(duì)應(yīng)的話音、圖象、數(shù)據(jù)等信息。

1.2數(shù)字光纖通信系統(tǒng)

光纖傳輸系統(tǒng)是數(shù)字通信的理想通道。與模擬通信相比較，數(shù)字通信有很多的優(yōu)點(diǎn)，靈敏度高、傳輸質(zhì)量好。因此，大容量長(zhǎng)距離的光纖通信系統(tǒng)大多采用數(shù)字傳輸方式。

在光纖通信系統(tǒng)中，光纖中傳輸?shù)氖嵌M(jìn)制光脈沖”0”碼和”1”碼，它由二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)對(duì)光源進(jìn)行通斷調(diào)制而產(chǎn)生。而數(shù)字信號(hào)是對(duì)連續(xù)變化的模擬信號(hào)進(jìn)行抽樣、量化和編碼產(chǎn)生的，稱(chēng)為PCM（pulse code modulation），即脈沖編碼調(diào)制。這種電的數(shù)字信號(hào)稱(chēng)為數(shù)字基帶信號(hào)，由PCM電端機(jī)產(chǎn)生。

二、基本構(gòu)成

2.1光發(fā)信機(jī)

光發(fā)信機(jī)是實(shí)現(xiàn)電/光轉(zhuǎn)換的光端機(jī)。它由光源、驅(qū)動(dòng)器和調(diào)制器組成。其功能是將來(lái)自于電端機(jī)的電信號(hào)對(duì)光源發(fā)出的光波進(jìn)行調(diào)制，成為已調(diào)光波，再將已調(diào)的光信號(hào)耦合到光纖或光纜去傳輸。電端機(jī)就是常規(guī)的電子通信設(shè)備。

2.2光收信機(jī)

光收信機(jī)是實(shí)現(xiàn)光/電轉(zhuǎn)換的光端機(jī)。 它由光檢測(cè)器和光放大器組成。其功能是將光纖或光纜傳輸來(lái)的光信號(hào)，經(jīng)光檢測(cè)器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，然后，再將這微弱的電信號(hào)經(jīng)放大電路放大到足夠的電平，送到接收端的電端汲去。

2.3光纖或光纜

光纖或光纜構(gòu)成光的傳輸通路。其功能是將發(fā)信端發(fā)出的已調(diào)光信號(hào)，經(jīng)過(guò)光纖或光纜的遠(yuǎn)距離傳輸后，耦合到收信端的光檢測(cè)器上去，完成傳送信息任務(wù)。

2.4中繼器

中繼器由光檢測(cè)器、光源和判決再生電路組成。它的作用有兩個(gè)：一個(gè)是補(bǔ)償光信號(hào)在光纖中傳輸時(shí)受到的衰減；另一個(gè)是對(duì)波形失真的脈沖近行整形。

2.5光纖連接器、耦合器等無(wú)源器件

由于光纖或光纜的長(zhǎng)度受光纖拉制工藝和光纜施工條件的限制，且光纖的拉制長(zhǎng)度也是有限度的（如1Km）。因此一條光纖線路可能存在多根光纖相連接的問(wèn)題。于是，光纖間的連接、光纖與光端機(jī)的連接及耦合，對(duì)光纖連接器、耦合器等無(wú)源器件的使用是必不可少的。

三、煤礦井下光纖通信的特點(diǎn)

在煤礦井下井下進(jìn)行光纖通信，其系統(tǒng)構(gòu)成和電路原理都與地面無(wú)異。只是在光纜和終端設(shè)備的制造方面，以及光纜的施工維護(hù)方面有一些特點(diǎn)。

3.1礦用阻燃光纜

煤礦井下使用的光纜，其外護(hù)套必須是阻燃的，以免發(fā)生火災(zāi)，火焰的蔓延僅在限定范圍內(nèi)，殘焰或殘灼在限定時(shí)間內(nèi)能自行熄滅的光纜。根本特性是：在火災(zāi)情況下有可能被燒壞而不能運(yùn)行，但可阻止火勢(shì)的蔓延。通俗地講，光纜萬(wàn)一失火，能夠把燃燒限制在局部范圍內(nèi)，不產(chǎn)生蔓延，避免造成造成瓦斯爆炸、燒壞其他設(shè)備等更大的損失。

3.2本安型光端機(jī)

由于本安型電氣設(shè)備的電路本身就是安全的，所產(chǎn)生的火花、電弧和熱能都不會(huì)引燃周?chē)h(huán)境爆炸性混合物，保證電器在其電源或內(nèi)部?jī)?chǔ)能元件短路時(shí)，產(chǎn)生的電火花不至于引爆達(dá)到起爆濃度的瓦斯，因此本安型電氣設(shè)備不需要專(zhuān)門(mén)的防爆外殼，這樣就可以縮小設(shè)備的體積和重量，簡(jiǎn)化設(shè)備的結(jié)構(gòu)。

3.3光纖連接

目前煤礦井下連接光纖一般采用熱熔為主，因煤礦井下有瓦斯、易爆炸，只能在通風(fēng)良好的大巷內(nèi)，而且要有瓦斯檢查員現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)瓦斯?jié)舛取Ｔ诓删蚬ぷ髅婕捌渌ｋU(xiǎn)地點(diǎn)，只能線連接后，再移入使用巷道，給工作帶來(lái)很大麻煩，因此在禹州棗園煤業(yè)有限公司采用新型快速連接器，能夠很好解決現(xiàn)場(chǎng)布線作業(yè)和光纖到各個(gè)巷道的連接頭。被廣泛運(yùn)用于井下現(xiàn)場(chǎng)需要快速連接的地方，為作業(yè)提供了一種快速穩(wěn)定的連接。快速連接頭現(xiàn)場(chǎng)組裝因無(wú)需再進(jìn)行膠水固化和研磨，這為工程師進(jìn)行線路安裝、維護(hù)和修理，以及井下采掘工作面工程提供了更快捷的幫助。 快速連接頭的預(yù)埋式光纖和插芯端面的加工預(yù)研磨設(shè)計(jì)，保證了插芯端面的完美品質(zhì)，因而有效保護(hù)用戶(hù)設(shè)備接口的損壞，降低連接損耗。

四、煤礦選用光纖通信的優(yōu)點(diǎn)

光纖通信有很多優(yōu)點(diǎn)：它傳輸頻帶寬、通信容量大；傳輸損耗低、中繼距離長(zhǎng)；線徑細(xì)、重量輕，原料為石英，節(jié)省金屬材料，有利于資源合理使用；絕緣、抗電磁干擾性能強(qiáng)；還具有抗腐蝕能力強(qiáng)、抗輻射能力強(qiáng)、可繞性好、無(wú)電火花、泄露小、保密性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可在煤礦井下推廣應(yīng)用。

光纖通信的原理是：在發(fā)送端首先要把傳送的信息（如話音）變成電信號(hào)，然后調(diào)制到激光器發(fā)出的激光束上，使光的強(qiáng)度隨電信號(hào)的幅度（頻率）變化而變化，并通過(guò)光纖發(fā)送出去；在接收端，檢測(cè)器收到光信號(hào)后把它變換成電信號(hào)，經(jīng)解調(diào)后恢復(fù)原信息。

隨著煤礦深部開(kāi)采傳輸通信較長(zhǎng)、信息點(diǎn)比較分散等程度來(lái)選擇使用光纖，有利解決煤礦現(xiàn)代化。

五、煤礦光纖的應(yīng)用

禹州棗園煤業(yè)有限公司目前井下安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)、人員定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、語(yǔ)音廣播系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等已全部實(shí)現(xiàn)雙纖雙環(huán)網(wǎng)光纖通信技術(shù)與應(yīng)用，井下敷設(shè)的光纜型號(hào)為20芯MGXTSV-20B礦用阻燃光纜，并且入井的光纜分兩條巷道敷設(shè)，一條沿行人斜井、行人暗斜井、24采區(qū)軌道下山進(jìn)入-340變電所，另一條沿皮帶主斜井、皮帶暗斜井、24采區(qū)皮帶下山進(jìn)入-340變電所，當(dāng)一條光纖故障或拉斷均實(shí)現(xiàn)正常通訊，杜絕通訊中斷，避免造成井下各系統(tǒng)監(jiān)控失效，停工停產(chǎn)等重大影響。井下在每一個(gè)水平、采區(qū)安裝光纖交換機(jī)，并在-150變電所安裝企業(yè)級(jí)千兆光纖以太網(wǎng)系統(tǒng)，使接收、發(fā)射通訊信號(hào)更加快，每循環(huán)周期由原來(lái)的45秒，縮短至6.5毫秒。

六、持續(xù)提升煤礦現(xiàn)代化

1、隨著煤礦科技的發(fā)展，進(jìn)一步提升礦井現(xiàn)代化程度，目前礦井通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)還采用多芯銅線纜，在使用過(guò)程中非常笨重，下一步持續(xù)推廣使用光纖通訊的成熟技術(shù)，目前回風(fēng)立井已經(jīng)使用光纖通信試運(yùn)行階段，因地面回風(fēng)立井距數(shù)字程控調(diào)度交換機(jī)較遠(yuǎn)，敷設(shè)電話線不便利等原因，利用已敷設(shè)的光纜作為通信主干纜，使回風(fēng)立井電話、視頻圖像、辦公網(wǎng)絡(luò)等已進(jìn)入試運(yùn)行，使用效果好及大面積推廣，將井下各個(gè)區(qū)域、采掘頭面實(shí)施改造和運(yùn)用。

2、實(shí)現(xiàn)全礦井自動(dòng)化管理及建設(shè)，將井下監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)、人員定位、視頻圖像、供電控制等通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，集成匯集井上下各分支系統(tǒng)監(jiān)控點(diǎn)的視頻流、數(shù)據(jù)流、信息流，與礦區(qū)現(xiàn)有的信息化網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)平臺(tái)及其他子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫對(duì)接，實(shí)現(xiàn)全礦井的數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)調(diào)度、經(jīng)營(yíng)管理、決策指揮的信息化、科學(xué)化，保證礦井安全生產(chǎn)、高效，提升企業(yè)的生產(chǎn)水平。整個(gè)系統(tǒng)分信息層、控制層和設(shè)備層三層體系結(jié)構(gòu)。采用礦井目前所用的工業(yè)級(jí)千兆光纖以太環(huán)網(wǎng)技術(shù)保證系統(tǒng)的先進(jìn)性、可靠性，并充分利用礦井的以太網(wǎng)資源，實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)融合（如環(huán)境監(jiān)測(cè)、人員定位、應(yīng)急廣播、調(diào)度電話、供電監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)測(cè)、無(wú)線通信、設(shè)備監(jiān)測(cè)、車(chē)輛監(jiān)測(cè)等融入）。

3、地面網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)光纖入戶(hù)，提高辦公效率、接入網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化電視、娛樂(lè)職工生活。作為通信傳輸系統(tǒng)的未來(lái)中堅(jiān)力量，光纖的抗干擾性，抗電磁的特性更加迎合未來(lái)人類(lèi)信息量大，精密度高的需求，而且低廉的價(jià)格使得光纖這種傳輸介質(zhì)能得到很大范圍的推廣。但相對(duì)來(lái)說(shuō)，光纖到戶(hù)要很好的實(shí)現(xiàn)普及，還有好多問(wèn)題要解決，比如發(fā)射以及接收端的技術(shù)以及硬件，還有傳輸系統(tǒng)的速度雖然可以提到G字節(jié)的速度上，但對(duì)于使用者來(lái)說(shuō)，大信息量的處理，更需要更好的計(jì)算機(jī)來(lái)處理，因此，通信系統(tǒng)的提高，還一定程度上依賴(lài)于計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展。

通過(guò)上述光纖通信的技術(shù)應(yīng)用對(duì)煤礦、社會(huì)具有重大影響力，提高礦井對(duì)井下環(huán)境監(jiān)測(cè)、地面的職工辦公效率得到很大的方便，是計(jì)算機(jī)時(shí)代網(wǎng)絡(luò)快速穩(wěn)定，以太網(wǎng)可以很好的集成環(huán)境情況、井下人員監(jiān)測(cè)情況和設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況等，而后把這些信息傳送到調(diào)度指揮中心，它可以高質(zhì)高效地實(shí)時(shí)顯示各子系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)監(jiān)控信息狀況和煤炭生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)情況，最后負(fù)責(zé)調(diào)度的相關(guān)人員在及時(shí)把控這些信息情況下，達(dá)到有效控制和調(diào)度指揮的目的，以此很好的確保煤礦企業(yè)的安全。