基于无线传输的煤矿井下带式输送机监控系统_李标.pdf

第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 基于无线传输的煤矿井下带式输送机监控系统 李标 1， 2， 3 （1.煤炭科学技术研究院有限公司， 北京 100013； 2.煤矿应急避险技术装备工程研究中心， 北京 100013； 3.北京市煤矿安全工程技术研究中心， 北京 100013） 摘要 基于目前有线传感器存在的弊端， 设计了基于无线传输技术的煤矿井下带式输送机运 输监制系统， 对传感器、 无线基站、 ZigBee 网络、 WiFi 网络进行设计； 通过无线网络分析及网络性 能测试验证其具有可行性、 可靠性和实时性。 关键词 无线传输； 带式输送机系统； ZigBee 网络； MESH 跳传； 监控系统 中图分类号 TD676文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020） 03-0130-03 Design of Belt System in Coal Mine Based on Wireless Transmission LI Biao1,2,3 （1.China Coal Research Institute, Beijing 100013, China;2.Engineering Research Center of Coal Mines Emergency Technology Equipment, Beijing 100013, China;3.Beijing Coal Mine Safety Engineering Technology Research Center, Beijing 100013, China） Abstract Based on the drawbacks of wired sensors, a sensor based on wireless transmission technology is designed in this paper, which is applied in the belt transportation system of coal mine. Through the sensor design, wireless base station design, ZigBee network design, WiFi network design, the design requirements are met. The feasibility, reliability and real-time perance of the system are verified by wireless network analysis and network perance test. Key words wireless transmission; belt transportation system; ZigBee network; MESH hopping; monitoring system 目前带式输送机沿线的传感器均采用有线方式 进行数据传输，当带式输送机随着回采工作面的不 断伸缩， 有线传感器的不断拆装， 就显得十分繁琐， 严重影响出煤效率，同时也容易造成严重的线缆浪 费以及接线过程中带来的安全隐患。针对以上问题 设计了一套低功耗基于 Zigbee 的无线传输式输送 机保护系统。 1系统总体设计 带式输送机保护系统由无线跑偏传感器、无线 急停传感器、 无线速度传感器、 无线堆煤传感器、 无 线纵撕传感器、无线温度传感器和无线烟雾传感器 组成，传感器安装于带式输送机沿线相应位置， 识 别带式输送机安全运行状态。传感器通过无线传输 网络系统的无线基站传输，由主控设备可编程控制 箱接收， 进行数据解析与信号处理； 最终通过环网交 换机， 存储于数据中心， 便于综合管理平台调用。无 线网络传输示意图如图 1。 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.03.029 李标.基于无线传输的煤矿井下带式输送机监控系统 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （3） 130-132 LI Biao. Design of Belt System in Coal Mine Based on Wireless Transmission ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （3） 130-132. 基金项目 天地科技股份有限公司科技创新创业资金专项资助项 目 （2018- TD- QN002） 图 1无线网络传输示意图 Fige.1Wireless network transmission schematic 移动扫码阅读 130 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 传感器输出 Zigbee 信号，通过无线基站的 Zigbee 模块接收，并由 MESH 网络跳传到带式输送 机机头基站[1-2]， 再由 Modbus 总线传递给可编程控 制箱， 控制箱通过解析， 识别保护动作信息及位置， 并通过以太网，一方面上传组态软件，一方面由环 网交换机上传数据中心。 2关键技术 2.1无线基站 带式输送机运输通信控制系统沿线采用无线网 络传输， 组建 Zigbee 网络、 WIFI 网络， 实现基站间多 级无线跳传。其中 Zigbee 无线传输模块采用多射频 设计，承载无线保护等传感器的传输； WIFI 网络采 用 MESH 传输技术， 承载视频传输、 无人机监控、 手 持移动终端信息互传， 以及无线链路桥接等业务[3]。 无线网络由无线基站搭建，无线基站在带式输 送机运输沿线 200 m 间隔布置。无线基站中包含 Zigbee 接收模块、 RS485 转 Modbus-tcp 模块、 WIFI 覆盖模块、 MESH 跳传模块、 以及 RS485 接口和多路 以太网采集接口。Zigbee 模块接收带式输送机沿线 无线传感器信号后， 由 RS485 总线输出， 经 Modbus- tcp 转换模块转换后， 接入 MESH 跳传模块， 实现路 由； WIFI 覆盖模块， 直接接入 MESH 跳传模块路由； 以太网接口用于接入无线基站就近电源箱总线数 据、 煤流断面扫描仪等设备信息 （可扩展） ， 由 MESH 跳传模块路由[4-5]。 无线基站在带式输送机两端接入环网交换机， 将信息交由环网传输，同时缩短 MESH 跳船距离， 提高数据传输速率及稳定性能。 无线基站结构示意图如图 2。 2.2ZigBee 网络 根据采集需求， Zigbee 模块置于无线基站中， 交 叉间隔布置，保证传感器都在采集模块附近，提高 传输可靠性。与此同时，为了延长传感器的使用时 间， 无线跳传模块以休眠状态为主， 周期性醒来收集 传感器数据，并进行无线发送。传感器的无线跳传 模块与 MCU 进行板级相连， 减少中间环节能耗[6-7]。 2.3WIFI 网络 WIFI 传输采用 MESH 无线多跳传输网络， WIFI 模块集成于无线基站中， 包括 2 方面的功能①WIFI 模块采集无线基站覆盖区域内的 WIFI 设备，包括 网络摄像仪拍摄视频，手持移动终端交换信号和扩 音电话等； ②桥接多跳传输链路， 将采集到的 WIFI 信号，以及通过以太网就近传输的 Zigbee 模块、 煤 流断面检测装置信号等， 传输带式输送机监控系统。 其中 Zigbee 模块采集带式输送机沿线无线传 感器信号后， 由 RS485 总线传输， 在无线基站中经 过 RS485 转 Modbus-TCP 模块转换后，由 MESH 网 络多跳传输[8]。 3无线网络性能分析及测试 3.1无线网络分析 MESH 网络， 两端接入光纤环网， 形成稳定的环 网冗余结构，避免单点故障而造成网络中断。无线 基站启动运行后，各基站将自动决策到有线网络的 最优路径，随之产生的拓扑将基于网络性能进行流 量的负载平衡。当任何 1 个基站发生故障，与之相 邻的基站将自动的调整无线链路，把流量回传向另 一边的基站或直接调向下个基站，整个过程自动快 速的适应，用户端透明。例如，带式输送机全线 6 km， 间隔 200 m 布置 30 台无线基站， 形成环后， 正 常运行时， 中间基站向两侧跳传， 共 15 跳， 减少了跳 传次数，提高网络稳定性。若沿线某 2 个基站间 WIFI 链路断开， 网络自动更新路由， 向相反方向跳 传， 保证链路畅通[9-10]。 3.2网络性能测试 测试选取煤矿井下主巷道， 长约 7 km， 宽 4 m， 高约 3.9 m。 MESH 网络由 25 台无线基站级联组成， 直线传输，共 24 个节点，每个节点每跳间隔大约 200 m 左右。 测试现场调试分为 3 个步骤①第 1 步 设备加 电，调整天线高度及角度，通过此步骤完成各点间 互联的信号强度达到最高值，并使得节点 2 个天线 在垂直距离能有 40～50 cm 的间距； ②第 2 步 调整 设备功率及信道，并依次按顺序调整各跳带宽， 使 图 2无线基站结构示意图 Fig.2The schematic structure of the wireless base station 131 ChaoXing 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 图 3第 1 组数据带宽曲线图 Fig.3First set of data bandwidth graphs 图 4第 2 组数据带宽曲线图 Fig.4The second set of data bandwidth graphs 其尽可能最高化； ③第 3 步 整网联调。 各节点间信号强度值通过设备内置 CLI 命令 【get wlnc】 获取； 各跳带宽数值通过业界通用测试软 件 IPERF 获取。第 1 组数据带宽曲线图如图 3， 第 2 组数据带宽曲线图如图 4。 对比 2 组测试可知 2 组数据中每跳的带宽数 值在 1 Mbps 以内波动， 没有特定规律， 符合无线空 中传输特性，但 2 组数据在曲线上保持了很好的一 致性，也充分说明了此次测试的多跳性能，能为其 后的分析提供可用的数据资源。 从 2 组数据可以看到 24 跳后带宽保持在 4～5 Mbps， 满足并超过此次测试的预期目标。从 2 次多 跳带宽曲线可以看到 前 6 跳带宽衰减稍多， 6 跳以 后曲线趋于平滑，曲线几乎接近水平线，符合产品 多跳低衰减的理论分析。 此次测试充分证明了无线 Mesh 设备卓越的多 跳性能。通过总结数据和结合现场调试经验，只要 进一步优化网络，包括解决某些点带宽衰减异常的 问题， 24 跳带宽将会有更高的数值。 4结语 设计了基于无线传输技术的煤矿井下带式输送 机运输监制系统,对传感器、 无线基站、 ZigBee 网络、 WiFi 网络的关键技术进行了论述; 通过无线网络分 析及网络性能测试验证其具有可行性、可靠性和实 时性。 参考文献 ［1］ 高成， 王鹏， 张亚玲.基于物联网技术环境监测系统的 设计及其在农业上的应用 ［J］ .贵州农业科学， 2017， 45 （4） 120-123. ［2］ 何杰.基于 Zig Bee 无线传感器网络的遥控台综合管 理系统构建研究 ［J］ .企业技术开发 （中旬刊） ， 2014 （12） 68-69. ［3］ 李文勇.智能家居系统的发展趋势 ［J］ .企业科技与发 展， 2017 （2） 73-75. ［4］ 董炫良.基于 Zig Bee 技术的智能家居环境监测系统 ［J］ .信息与电脑 （理论版） ， 2017 （3） 138-140. ［5］ 邢彦， 毋毅， 吉喆阳， 等.基于物联网技术的环境监测 系统 ［J］ .电子技术与软件工程， 2018 （1） 11. ［6］ 杨峰， 张志森， 文枰.基于 Zig Bee 技术的家居环境监 测系统设计 ［J］ .西昌学院学报 （自然科学版） ， 2016， 30 （4） 25-28. ［7］ 董炫良. 基于 Zig Bee 技术的智能家居环境监测系统 ［J］ .信息与电脑 （理论版） ， 2017 （3） 131-134. ［8］ 沈显庆， 崔保峰， 张欣欣， 等.基于 Zig Bee 技术的家 居环境监测系统的设计 ［J］ .工业仪表与自动化装置， 2016 （5） 92-95. ［9］ 于海斌， 曾鹏.智能无线传感器网络系统 ［M］ .北京 科 学出版社， 2006. ［10］ 孙利民， 李建中， 陈渝， 等.无线传感器网络 ［M］ .北 京 清华大学出版社， 2005. 作者简介 李标 （1986） ， 辽宁阜新人， 助理研究员， 硕士， 2013 年毕业于辽宁工程技术大学，从事矿山自动化 与信息化方面的科研和产品设计工作。 （收稿日期 2019-07-05； 责任编辑 李力欣） 132 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 低透气性薄煤层下向穿层钻孔立井集中排水 技术及应用 陈虎 1， 邓明明2 （1.淮南矿业 （集团） 有限责任公司煤业分公司 安全监察部， 安徽 淮南 232095； 2.淮南矿业 （集团） 有限责任公司煤业分公司 朱集东煤矿， 安徽 淮南 232087） 摘要 针对下向穿层钻孔积水大时的排水难题， 在分析压风排水原理的基础上， 改变以往只以 钻孔排水排渣的方式， 探索出将钻孔内的积水引入到立井内再一次性集中排出的思路， 创新提 出了大孔径立井集中排水技术， 阐述了立井集中排水原理和工艺， 确定了立井最小排水压力。在 1161 （1） 运输巷顶板巷试验单元试验并考察， 结果表明 大孔径立井集中排水 15 d 后， 下向钻孔 内水位下降到了煤层底板以下， 瓦斯抽采通道畅通， 低透性薄煤层试验单元平均瓦斯抽采浓度 提高到 17.6， 平均百孔抽采纯量达到了 0.13 m3/min， 高效抽采时间持续了 70 d 以上， 单元评价 时间缩短了 3.2 倍。 关键词 大孔径立井； 集中高效排水； 瓦斯抽采； 低透气性薄煤层； 抽采效果 中图分类号 TD712文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020） 03-0133-04 Centralized Drainage Technology and Application of Vertical Shaft in Low Permeability Thin Coal Seam Downward Drilling CHEN Hu1, DENG Mingming2 （1.Department of Work Safety, Coal Corporation of Huainan Mining Industry Group Co., Ltd., Huainan 232095, China; 2.Zhujidong Coal Mine, Coal Corporation of Huainan Mining Industry（Group）Co., Ltd., Huainan 232087, China） Abstract Aiming at the difficult problem of centralized drainage of downward cross-layer boreholes, based on the analysis of the principle of pressure air drainage, the idea of introducing the accumulated water in boreholes into the vertical well and then centralized drainage once again is explored. The centralized drainage technology of large-borehole vertical wells is innovatively proposed, the principle and technology of centralized drainage of vertical wells are expounded, and the minimum drainage pressure of vertical wells is determined. The experimental investigation of 1161 （1） roof roadway test unit shows that after 15 days of centralized drainage of large-diameter vertical shaft, the water level in downward boreholes drops below the coal seam floor, the gas extraction channel is open, the average gas extraction concentration of low permeability thin seam test unit is increased to 17.6, the average 100 holes extraction purity is 0.13 m3/min, and the high-efficiency extraction time lasts for more than 70 days, and the unit uation is carried out. The time was shortened by 3.2 times. Key words large borehole vertical well; centralized and efficient drainage; gas extraction; low permeability and thin coal seam; extraction effect 瓦斯预抽是降低煤层瓦斯含量的重要手段[1-2]。 深部开采和高地应力使煤体对瓦斯的吸附能力强、 煤层渗透率低，使得预抽瓦斯困难，通过水力化措 施增加煤层渗透率， 可以提高抽采效果[3]。目前下向 穿层抽采钻孔采用水力排渣施工，在打钻过程中受 到倾角、排渣、泥岩吸水性及打钻残留的水和裂隙 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.03.030 陈虎， 邓明明.低透气性薄煤层下向穿层钻孔立井集中排水技术及应用 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （3） 133-136， 143. CHEN Hu, DENG Mingming. Centralized Drainage Technology and Application of Vertical Shaft in Low Per- meability Thin Coal Seam Downward Drilling［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （3） 133-136, 143. 移动扫码阅读 应用 实践 133 ChaoXing