煤矿井下智能胶带通讯控制系统方案研究

[摘 要]本文开发了VOIP通讯系统解决通信困难的问题、采用大数据存储技术解决数据安全与存储备份问题、开发无线传感器避免有线通信线路、采用冷补预埋技术开发胶带精确识别装置、采用安卓开发专用APP研制，运用提升设备效能、减员增效为手段，以远程网络、大数据处理及智能监测与诊断系列技术，解决了以往生产过程中遇到的信息通讯等难题。

[关键词]胶带机 通信 无线传感器 定位 APP

中图分类号：TU741.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）27-0363-02

1 总体方案

研发煤矿井下智能胶带通讯控制系统旨在解决胶带机及胶带机群控制难的问题，实现全方位的胶带控制及保护功能;同时配备专属APP与手持设备，实现手持设备无线视频、一键启停、设备状态查询等功能。

煤矿井下智能胶带通讯控制系统解决方案如图4-1所示。

煤矿井下智能胶带通讯控制系统的研发主要内容如下：

（1）建立一个以设备为核心的全寿命周期管理平台，对设备的规划、设计、制造、安装、调试、运行、维护、维修、报废等整个寿命周期进行管理，形成管理整体闭环，对设备管理提供一站式服务。

（2）建立规范化点检管理子系统，规范化设备点检工作，将点检工作落到实处，利用先进的点检工具，提高点检工作效率，收集的数据也更加可靠。

（3）建立规范化的及保养子系统，规范化保养工作，提高设备的可靠性。

（4）建立以设备诊断工程为核心的设备状态管理系统，将设备点检与状态监测融入到设备管理，建立基于状态监测的故障预防、诊断、处理体系。

（5）建立统一的问题报告机制，将现场问题、缺陷、故障、检修申请等统一管理，提高信息的综合性，使管理人员对设备问题一目了然。

（6）建立强大的工单处理功能，将维修任务、工艺工序、物料工具计划、人力资源计划、成本费用、安全保障措施等联系起来，规范化维修过程，提高维修效率。

根据矿用胶带机沿线特点要求：

第一，要具备基本的胶带机保护功能，同时加入自动喷淋系统的控制;第二，要融入设备点检系统的理念，要通过接头定位系统的研制，完成胶带精确定位;第三，研制专属APP，配置专用手持设备，实现手持设备无线视频、一键启停、设备状态查询等功能;第四，胶带机运输通道，作为胶带群中承上启下的最主要运输新系统，要从整个胶带群的角度，完成群控制，形成智能化、远程化的煤流集中控制系统。

2 胶带机沿线设备控制和保护系统的开发

为提高对胶带机控制的可靠性，研发胶带机沿线设备配置和保护系统。在胶带机机头放置一台主控制器操作台，作为整个系统的检测与控制中心。操作台配有两块17急景惨壕屏，一块用于显示控制数据，一块用于显示视频图像。

操作台接入以下信源装置，（1）接入开关或变频器驱动信号，通过采集电机电流实现功率平衡控制，通过与变频器通信检测力矩实现扭矩平衡。（2）接入1台超声波料位计，检测煤仓煤位进行空仓和满仓自动报警及停车。

采用超声波原理测量煤面的最高点，对煤高检测精度很高，通过堆积角，托辊长度，托辊夹角等参数可以推算截面积，进而算出煤量。

截面积计算方法及公式：输出煤高H=hC传感器输出×1000×6.875C7.5

把截面积近似看为梯形：截面积S=（托辊长度×2+H×tan（托辊角度）×2）×H/2

煤流量M=S×V×煤的密度

时间t内顺槽皮带累计煤量T = 原有煤量T0 + 进入煤量T1，传感器数据采集频率为100ms（1秒10次），则

各条皮带上时间t内当前总煤量计算公式为：顺槽皮带总煤量T = 原有煤量T0 + 进入煤量T1 C 流出煤量T2

（3）接入跑偏、纵撕、烟雾、温度、堆煤、速度等传感器，完成胶带机保护。

（4）跑偏传感器采用无线接入方式，通过无线网络接入控制台，并且充电方式采用无线充电。

（5）接入张紧系统控制信号，实现张力值和油压信号检测，当张力下降时自动进行张紧控制和保护。

（6）接入抱闸控制信号，实现胶带机启动前自动松闸和到位检测。若为软启动方式，抱闸电机和主电机启动顺序可设置。当正常停车时通过主滚筒测速编码器检测电机转速，低于设定转速值时抱闸投入。当出现故障或紧急情况时，主电机停车同时抱闸立即抱死。

（7）输出滚筒注油控制点，按设置频率自动完成滚筒注油操作。

（8）大数据自动分析处理技术：将历史数据进行图形化显示 ，自动进行设备故障诊断;根据多次的诊断结果形成专家库并提示解决方案。

（9）手持智能控制终端：通过手持智能控制终端查看设备运行状态、查看摄像仪视频信息、设备启停控制、设备急停操作设备故障查询、与地面公网和井下沿线语音互联。

（10）后台对运输系统智能控制：具有一键起停控制功能，皮带启动时可选择为顺煤流起动方式， 通过煤流传感器结合微积分算法计算煤量分布，根据煤量及分布调节胶带运行速度;具有停车记忆功能，上次停车情况;工作面、顺槽胶带、给煤机、煤仓煤位、多胶带作为生态系统智能控制，同时根据上次停车情况和设备搭接情况自动选择起动顺序和速度。

至此，建立完成一个以设备为核心的全寿命周期管理平台，实现对设备的规划、设计、制造、安装、调试、运行、维护、维修、报废等整个寿命周期进行管理，形成管理整体闭环，对设备管理提供一站式服务。

3 井上扩播系统与胶带机沿线语音互通技术研究

为实现井上与井下实时语音通话的功能、提高人员的工作效率，研究井上扩播系统和胶带机沿线语音互通技术，利用VOIP技术开发相关通讯设备。

井上扩播系统与胶带机沿线语音互通技术研究过程中，在Windows系统上开发基于VOIP通讯设备，井下将矿用隔爆兼本安型信号处理器串入矿用通讯系统沿线中，井上将3G-MDS多媒体通信调度控制软件安装在多媒体调度指挥平台上，VOIP语音通讯调度系统产品设备按下图安装起来，通过操作多媒体调度指挥平台上的3G-MDS多媒体通信调度控制软件或直接通过多媒体调度指挥平台上的网络电话对井下的矿用隔爆兼本安型信号处理器进行拨号，并通过多媒体调度指挥平台上的网络电话与井下沿线的通讯电话进行通话。

语音通信主机如图4-5所示，特点如下：（1）语音通信主机是调度系统的核心硬件支撑平台，承载了系统通信控制、媒体交换、协议控制和转换、音视频编解码、通信信令控制、系统通信调用接口、录音合成输出、语音视频业务处理等功能;为VOIP语音通信应急救援系统的六个业务子系统提供了丰富的多媒体通信处理资源。（2）语音通信主机通信接口丰富，支持SS7、ISDN、中国一号、E&M、FXO、FXS等各类电话中继或用户线接口。

语音通信主机具备完善的安全机制，支持（HA）心跳线技术的主从热备份功能。当主机出现故障时，将在数秒内完成主从机的切换，保障服务的永不间断。支持智能重定向技术，终端和调度机通信时，不需要人工干预的情况下，终端会自动选择正常运行的主机通信。

通过VOIP技术，以现有的以太网为传输介质，实现胶带机沿线和井上调度中心扩播系统的互联互通。

如图2所示，在井下与调度室相关系统互联互通体系中，语音通信主机发挥着重要的作用，是调度系统的核心硬件支撑平台。

录音装置工作参数如下：（1）调度台，客户端查询播放;（2）本机存储1500小时调度录音，无需配置录音服务器。

语音通信系统设备工作参数如下所述：（1）支持多方会议;（2）忙时呼叫完成量10000;（3）支持冗余热备份;（4）VOIP协议SIP，H323，IAX;（5）支持第三方应用系统可以通过基于IP的接口控制，进行定制业务开发通信开发接。

语音通信主机设备电气性能如下：（1）电源电压：127V，波动范围75%～110%;（2）以太网口：数量：1路;信号幅值Vpp：1.0～5.0V;传输速率：100Mbps;（3）光纤模块（选配）：数量：1路;类型：单模;波长：1310nm和1550nm;功率： -20dBm～0dBm;（4）音频接口：IP电话（MIC）输入1000Hz，50mV;音频输出失真度：≤10%（负载600Ω）;（5）输入信号：0.1V～1.5V（负载600Ω）;输出信号：0.1V～0.6V（负载600Ω）。

4 胶带接头精确定位技术研究

在每个胶带的接头附件预埋芯片，通过RFID技术，检测不同的芯片实现自校，结合速度检测，对每段胶带进行编码识别精确定位，配合胶带探伤在线检测系统进行胶带探伤定位。

RFID系统在具体的应用过程中，系统由信号发射机、信号接收机、发射接收天线几部分组成，下面分别加以说明：

（1）信号发射机：在RFID系统中，信号发射机为了不同的应用目的而以不同的形式存在，典型的形式是标签（TAG）。标签相当于条码技术中的条码符号，用来存储需要识别传输的信息，但标签又不同于条码，标签一般是带有线圈、天线、存储器与控制系统的低电集成电路，能够自动或在外力的作用下，把储存的信息主动发射出去。

（2）信号接收机：在RFID系统中，信号接收机一般叫做阅读器。阅读器的复杂程度根据支持的标签类型与完成的功能而存在很大的差别。阅读器基本的功能就是提供与标签进行数据传输的途径。此外，阅读器还提供相当复杂的信号状态控制、奇偶错误检验与更正功能等。标签中除了存储需要传输的信息外，还必须含有一定的附加信息，如错误检验信息等。识别数据信息和附加信息按照一定的结构编制在一起，并按照特定的顺序向外发送。阅读器通过接收到的附加信息来控制数据流的发送。一旦到达阅读器的信息被正确的接收和译解后，阅读器通过特定的算法决定是否需要发射机对发送的信号重发一次，或者知道是否使发射器停止发信号，这就是“命令响应协议”。

（3）编程器：只有可读可写标签系统才需要编程器。编程器是向标签写入数据的装置。编程器写入数据一般来说是离线（OFF-LINE）完成的，也就是预先在标签中写入数据，等到开始应用时直接把标签黏附在被标识项目上。也有一些RFID应用系统，写数据是在线上（ON-LINE）完成的，尤其是在生产环境中作为交互式便携数据文件来处理时。

（4）天线：天线用于标签和阅读器间传递射频信号。任何一个RFID系统至少应包含一根天线以发射和接收信号。有些RFID系统是由一根天线来同时完成发射和接收; 而另一些RFID系统则是由一根天线来完成发射， 而由另一根天线来承担接收， 所采用天线的形式及数量需要专业人员对系统的天线进行设计、安装。

5 大数据存储技术研究

研究大数据存储技术，解决地面数据安全及数据存储备份问题。大数据存储装置具体包含了：（1）数据存储机型：TS140服务器，SS100G-36R型磁盘阵列。（2）处理器：四核英特尔至强处理器E3-1225 3.10。（3）磁盘阵列：支持36块3.5寸硬盘热插拔，最大存储容量144TB。（4）RAID级别：RAID 0，1，5，6，10，50，60，支持专用热备、全局热备。（5）管理功能：通过单一管理界面集中监控所有存储设备的运行状态和故障信息。（6）存储内容：视频信息、音频信息、故障记录、采样值数据、操作记录等。

6 通讯控制系统专属APP的研究

专属APP带有视频、控制、检测、设置、通话等功能，配套移动终端，可以显示设备运行状态、故障信息提示，实现对各个点位及巡检设备的视频等信息的监测，对沿线和井上公网的语音通信，实现对沿线的闭锁及自锁连锁等功能。

如图3所示，通讯控制系统专属APP可以显示设备运行状态、故障信息提示，实现对各个点位及巡检设备的视频等信息的监测，对沿线和井上公网的语音通信，实现对沿线的闭锁及自锁连锁等功能。

7 总结

井下智能胶带通讯控制系统开发，解决了胶带机及胶带机群控制难的问题，可实现全方位的胶带控制及保护功能，根据运输系统的产能自动调整胶带运输系统的带速，节能效率达到15%以上;同时，配有专属APP、配置专用手持设备，实现手持设备无线视频、一键启停、设备状态查询等功能，井下智能胶带通讯控制系统的应用不但提高现有设备的自动化水平，还能做到了减人增效的管理。

参考文献

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[2] 张洪娜.云计算平台中数据存储与文件管理的研究[D].广东工业大学 2011.

[3] 蔺薛菲，宋立新.面向特定用户群的手机服务设计研究与实现[J]. 装饰. 2010（03）.

[4] 张维.低成本RFID系统的识别与安全关键技术研究[D].华中科技大学 2014.

作者简介

张运华（1978―），男，山东嘉祥人，工程师，在职研究生，现任兖州煤业股份有限公司？鲍店煤矿机电副总工程师。