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基于专网无线通信技术在煤矿中的应用 - 技术应用 - 环球专网通信_知专网通信 行传播使命
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基于专网无线通信技术在煤矿中的应用

2017-01-09    徐博华 贺海涛 刘福强

随着煤炭产业自动化程度的发展,井下有线通信远远不能适应井下大量流动作业人员及其管理上的需求,所以引进无线通信技术对于煤矿提高效率和实现安全生产至关重要。

煤矿井下无线通信系统,可以对煤矿井下工作设备进行无线控制,并可以实现生产管理人员、一线工作人员及调度人员之间的实时联系,以及对煤矿入井人员进行实时跟踪监测和定位,随时清楚掌握每 个人员在井下的位置和活动轨迹,如果发生灾变,还可通过定位系统了解人员的确切位置,达到高效救援。

1 专网通信技术的发展现状

专网是在我国公网通信不能满足各行业特殊应用的情况下,为某些行业系统内部的生产组织、指挥调度以及管理等特殊通信需求而建设的通信网。随着能源交通等专网用户不断完善自身管理体系,追 求更高管理效率,专网用户的需求呈现出更加多元化及精细化的发展趋势,其对通信技术应用提出了更高要求。

专网通信技术正处在传统的 MPT-1327 模拟集群系统和 TETRAPDT 等数字集群系统以及宽带多媒体数字集群系统交叉演进阶段。随着经济和社会的发展,公共安全事件在全球范围内受到广泛关注,专网通信设备应用日益普及,全球专网通信市场将持续稳步发展。在公用通信网络发展较为成熟的国家,其专网发展也已经取得一定的规模,并产生了较好的经济效益。

2 系统设计

2.1 系统架构

系统采用数字集群通信系统技术,运用无线终端手持台与中控台相结合的通信方式,实现对煤矿中设备的无线自动化控制。基本控制架构图如图 1 所示。

图1  系统控制架构图

中控台的基本功能包括:1)工作面各设备的启停状态检测和显示;(2)各种状态检测。上电后自动检测系统并在液晶屏幕显示器上显示出来;(3)设备启停控制。通过按键,可对破碎、转载、前后部运输机等设备进;(4)被控设备启/停逻辑控制;(5)闭锁。 控制器上设置紧急停车按钮( 急停闭锁);(6)设备的运行时间统计、显示;(7)接收和发送无线信令;(8)语音通话功能。

手持台的基本功能包括:1)发送和接收信令;(2)语音通话功能;(3)带屏手持台对设备状态的显示;(4)信令、以及通话信息显示;(5)切换波道;(6)记录存储语音、信令等数据。

2. 2 基于专网无线系统的优势

引入数字集群专网系统,最大限度的将通信方式从有线变为无线,终端的可移动性极大地方便了对矿井设备的控制,尤其是在紧急情况下可以更加快速有效、更加方便了调度台对人员的调度,扩展了 调度范围。

数字集群模式可对矿井作业进行分组管理,达到各组之间互不干涉,同时相对于总调度来说,可对每组进行统一的管理,大大提高了管理效率。同时也可实现监听、组呼、强插、呼叫保持、调度录音等各种功能。

3 功能设备

3.1 手持台

手持台框架:可分为 MMI,协议模块,ARM 底层,DSP 模块,见图 2。其中 MMI 负责人机交互界面的显示以及参数设置功能;协议模块主要负责数字语音流程,数字信令收发流程;ARM 底层模块主要 负责驱动,进程间通信,DB 数据存取,SD 卡操作;DSP 模块主要负责(1)射频、音频数据采集发送;调制和解调;发射机与接收机切换;(2)比特与符号定义;频率、符号及帧同步;成帧,超帧构建及同步;(3)突发及参数定义,突发建立;(4)信道编解码 (FECCRC);(5)交织。解交织及比特排序;应答及重试机制;(6)媒体接入控制和信道管理;链路寻址(/目的);(7)与 PL 交互,连接语音应用( 声码器数据);(8)数据承载服务;(9)与 CCL 交换信令或者用户数据。

图2  手持台基本框架图

发送和接收信令:根据矿井实际需求可制定一定的信令协议,通过手持台与中控台之间的信令交互达到信息传输功能,并实现对矿井设备的控制功能。(1)手持台通过按键组合方式发起信令,每种组 合按键发出一条指令;指令发出后,中控台接收指令并发送一个回示信令,手持台接收到回示信令后认为指令发送成功;(2)手持台发送信令时,有按键提示音和屏幕提示;(3)手持台接收到回示信令后,有辅助语音播报和屏幕提示。

3.2 中控台

基本框架:可分为应用控制模块、无线控制模块、信息转换模块、状态显示模块,见图 3

图3  中控台基本框架图

应用控制模块:应用控制模块主要实现矿井设备信息交互及控制功能。此模块采用 CAN 通信方式实现中控台与各矿井设备的信息交互,可远距离信号采集和远程控制,具有 24 路开关量或模拟量输 出口、24 路开关量或模拟量输入口。控制功能可分为(1)就地运行方式。根据煤流方向逆煤流顺序启动,顺煤流顺序停止;(2)检修运行方式。实现没有煤流限制的单台设备启动/停止;(3)点动运行方式。单个电动机的点动运行/停。

控制对象:(1)工作面设备控制。对工作面转载机,破碎机,前部运输机,后部运输机进行集中控制。实现装置沿线急停闭锁并显示靠近主控制器的前 3 个急停闭锁的位置、扩音通话、大于 5s 的语言预警 ( 某设备启动前沿线扩音电话语言预警如:某某设备准备启动,请工作人员注意等;预警时间在参数中设定)、远程启/停、特殊锁定;线路自诊断,自动检测并显示断线位置;(2)皮带控制。系统可对多部胶带机进行集中控制;实现胶带机沿线的急停闭锁,通话、大于 10s 的语言预警( 某皮带启动前沿线扩音电话语言预警:“某某皮带准备启动,请工作人员注意。预警时间在参数中设定)、远程启/停;在启动胶带机前输出触点松开抱闸,检测返回确认后再启动胶带机电机;胶带机停机后输出触点断开抱闸;在胶带机产生跑偏、沿线急停闭锁、煤位堵塞、烟雾、断带、打滑、撕带、超温等故障时进行报警、显示及根据保护要求切断胶带机主电机控制回路,使主电机停止工作。

无线控制模块:此模块主要实现中控台与手持台信息交互及通话功能。中控台与手持台通过无线传输进行信息交互,将收集到的矿井设备状况及时上传手持台;对手持台发送的信令进行解析并对信令进行执行操作;进行语音通话功能。

信息转换模块:信息转换模块主要实现中控台无线模块与应用板之间的通信,采用 UART 传输。每个数据传输单位包括 1 个开始位,8 个数据位,1个停止位,无奇偶校验位,共 10 位。数据传输速率:38400bps。数据传输帧以 DLE(10H) STX(02H) 作为帧起始字段,以 DLE( 10H) ETX( 03H) 作为帧结束字段。为避免在信息字段中出现 DLE 影响数据的正确接收,数据发送方在发送数据前检查信息字段中是否出现 DLE,如果信息字段中出现 DLE 字符,则在此 DLE 字符后再加一 DLE 字符。数据接收方如果连续收到两个 DLE 字符,表明此 DLE 是数据信息,而不是控制转义字符。

显示模块:显示模块主要负责对矿井设备各沿线的状态进行实时显示,分为模块状态显示区、胶带状态显示区、沿线状态显示区、沿线状态文字提示区、通话显示区、信令显示区。

4 通信协议

系统采用的是专用数字集群 PDT 技术协议,专用数字集群 PDT 具有如下特征:(1)大区制覆盖;(2)支持安全加密;(3)支持全国范围的联网;(4)满足 MPT1327 PDT 系统的平滑过渡。

PDT 产品使用了两个时隙的时分多址(TDMA) 技术,载波带宽为 12. 5kHzPDT 相对以往其它数字系统能够以较低的总体资金投入获取更多的服务。因为采用了 12.5kHz TDMA 技术以及 4FSK 调制方式,通信覆盖距离与原有的 MPT1327 系统基本保持一致。由于采用 TDMA 技术在相同信道容量下节省了一半的基站发射和接收设备,使 PDT 系统与 MPT1327 系统相比,达到相同的实用效果时,系统投入明显降低。

PDT 频谱效率高于 MPT1327 模拟系统。PDT 采用双时隙 12.5kHz 带宽的物理信道,相对于 MPT1327 系统典型的 25kHz 一个信道,频谱利用率提高到 4 倍,有效缓解了频率资源紧张的问题。由于 在原有可用频谱范围内可用的信道数量增加,PDT 系统支持的用户容量也获得有效的提升,很好的解决了专业用户数量快速上升带来的系统容量问题。

PDT 标准同时支持集群通信和常规通信模式,在产品层面可以有效的将集群终端和常规终端合二为一,标准也支持两种网络的高效融合。在实际使用中用户不再需要手持两种终端,在一个终端上切换工作方式就可以满足集群常规两种工作方式的要求,对于提高工作效率非常重要。

5 结语

基于专网无线通信技术实现了煤矿自动化与专用无线网络的有机结合,系统能够实现与煤矿现有设备的完全兼容,无需重新布置,可以节省大量的光缆投入,可以很灵活的实现井下语音通信功能、信令传递和控制等功能。(作者单位:徐博华:神华神东煤炭集团有限责任公司;贺海涛、刘福强:天津华宁电子有限公司)

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