无线以太网技术在煤矿通讯系统中的应用研究
来源:用户上传
作者:
[摘 要]煤矿在各类矿山中生产条件最复杂，生产环境多变，井下安全条件恶劣。随着社会各行业生产效率的提高，各类矿产资源的需求急剧增加，随之而来的矿山生产自动化程度越来越高。在此期间，各类设备、人员都要与新技术形成有效连接，自动化程度越高，对通信效率和可靠性的要求也就越高，矿山生产通信网络需要进一步延伸到井下各个角落，在各个环节充分利用无线通信技术。经过长期实践总结，无线以太网以提成本、高效率、可靠性成为煤矿井下网络的必然选择。
[关键词]煤矿通信;通信效率;无线以太网
doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2019.12.061
[中图分类号]TP393.11;TD655 [文献标识码]A [文章编号]1673-0194（2019）12-0-02
0 引 言
我国经济从高速发展转变为中高速发展，对能源矿产的需求量不断增加。矿山生产不仅要求数量，更要求质量，煤矿作为我国重要的能源之一，需要为经济发展提供有力保障。但是随着煤矿逐年开采，保质保量的供应优质煤炭就变得越来越不容易，煤矿井下开采不得不面临复杂的施工环境。随着浅部煤矿资源逐渐枯竭，深部矿藏赋存条件更加复杂，开采过程中就需要根据井下条件及时调整各类采矿工艺，从掘进到支护，从检测到运输，从通讯到检测，各个工艺流程都需要不断调整更新。而随着煤矿开采自动化、智能化程度逐渐增高，煤矿开采环境越来越差，为了保障生产顺利进行，煤矿企业必须缩减井下人员编制，提高单位开采效率。“减员增效模式”虽然能够解决企业面临的很多困难，但是要完成该模式，还需要很多配套技术支持，在减少人员的情况下，通讯距离自然而然就会变长，怎样在保持通信效率的基础上又保持通信质量就变得尤为重要，煤矿井下通讯设备必须具备灵活、便携、可靠的特性。
1 无线技术研究概述
随着煤矿开采面扩展，煤矿开采深度逐渐向下延伸，煤矿开采变得自动化、智能化，有线通信方式已经不能完全满足煤矿井下通信需求，井下实时监控、生产检测、施工单体定位、工业级视频传输都需要向无线网络传输方向发展。但当前可用无线通讯系统可选种类较多，各类通讯技术也有自身局限性。以无线通信技术中的透地通信和感应通信为例，这两种技术通道宽度比较有限，电磁干扰抗性弱，导致其可靠性不理想。而矿用小灵通和大灵通技术虽然抗干扰能力、可移动性、通信质量有显著优势，但是协议标准、功能多样性却不能满足矿井发展，非常容易被井下灾害破坏，不能实现井下多功能无线通信的要求。经过多年研究发现，井下无线通信系统的通信频率与信号衰減呈非线性反比趋势，低于800 MHz的信号频率衰减非常明显，不能满足井下无线通信需求。想要将巷道围岩引起的信号衰减降低到可承受范围，电波频率不能低于1 000 MHz。目前，较合适的技术选择必然是无线以太网（WLAN）技术。
2 无线以太网（WLAN）技术
无线以太网技术起源于20世纪70年代，工作频段基本处于两个开放频段中，涉及直序列扩频、智能天线、正交频分复用、频道聚合等实用技术。最初的无线以太网是在有线以太网的基础上进行升级改进以适应更复杂的环境。后经过不断完善，具备了升级性优越、标准化协议友好、灵活度高、设备资金投入少、信号抗干扰性能好、通信带宽大等诸多优势，对视频、数据、音频等信号传输都具有非常高的可用性。且无线以太网在工业领域、民用领域中都有非常广泛的应用，手机、移动计算机终端等都支持无线以太网通信协议，各大通信运营商服务也都与以太网相连。无线以太网在各领域普及，为其在煤矿工业中的应用打下了良好基础，使一线技术人员和工人们能够非常熟悉此类网络的使用方法。现有的WLAN通过IEEE 802.111协议建立的体系包括802111a、802111b、802111g、802111等，通信频率包括2 400 MHz、5 800 MHz，兼顾高抗干扰能力的同时，通信传输带宽可以达到250 Mbps，完全满足了煤矿生产中单体定位、生产自动化、实施安全监控、实时通信、突发事件指挥等要求。
3 无线以太网技术在煤矿通信系统中的应用
3.1 移动通信
在移动通信中应用无线以太网能够发挥移动通信的功能，在煤矿语音通信系统中已经有了非常成熟的应用，现有的较为成功的通信系统已经达到数十套之多。以VOIP结合移动以太网环境，即可实现煤矿生产通信，实现无线有线一体化管理。井下无线终端设备通过井下分站即可连接NC1000调度台，防爆电话经由安全隔离栅连接井下网关后也可以与调度台联通，地面调度经过网关后同样与调度台相连，最终使中央管理服务器、调度中心、录音视频服务器连接NC1000调度台，实现井上井下、有线无线地无缝、无延迟连接。
在传统煤矿生产中，通信系统的组网形式多以星型和链型拓扑网络结构为主，每个下属系统构成单独的网络结构，使整体带宽利用率不高，拓扑网络结构可靠性受到很大影响，日常运行维护非常不便，遇到灾害或突发情况时可靠性不高。目前，煤矿有线以太网主要采用通信连接方式，不能适应复杂多变的恶劣井下环境，复杂组网连接、精细系统维护，使有限以太网络有时无法为工业体系提供良好的通信网络环境，而MESH组网技术和无线桥接技术保证了无线以太网能够形成闭合通信系统。由于无线以太网的通信标准与有线以太网是同一体系，二者可以无障碍连接，井下和井上的各类无线以太网终端都可以作为整个工业网络的接入点，实现了系统网络环内数据无缝传输，充分利用资源，把通信网络扩展到每一个采掘工作面，实现生产调度智能化目标。
3.2 工业自动化
随着整个煤矿生产流程技术不断更新，工业自动化各个环节已经基本实现自动化，通信系统在自身自动化的同时，需要与其他生产环节高度协同，提高整个工业生产系统自动化的程度。但工业生产系统变得越来越复杂，整体网络包含的子系统越来越多，网络类型多种多样，从原有的星型、链型拓扑连接发展到现在的MESH组网。无线以太网在工业自动化进程中帮助通信系统大大提高了通信效率和通信可靠性，井下信号不再像从前一样一碰就断。以太网技术不受复杂地形限制，可以与系统组网、系统内设备、其他子系统进行多层次通信，帮助井下各类设备全面接入工业自动化体系。同时，通过整个网络中的任意设备进行中继，每个设备都可以为其他设备提供信号传递，整个网络在同一通信协议下运行，随时增减设备，为工业自动化提供软件和硬件支持。 3.3 视频通信
近年来，生产安全在矿山运营过程中变得极其重要，安全生产以预防为主，要求企业提前制订事故应急预案。事故预防要在各个生产流程做到精细化管理、智能化管理，人是生产流程中的一个必要环节，预防人的失误非常重要，人工智能和安全监控都需要视频识别。每个生产流程实现可视化监控，不仅可以随时监控人员动态，还能对工业现场的自动化无人设备进行视频监控。无线以太网的应用使过去的物理线路不再需要延伸到每一个角落，无线网络对地形条件的依赖性非常小，各个设备互相中继，在整个井下形成监控网络，不仅可以监控生产人员的行为是否符合安全规范，更可以监控各类设备的运行是否稳定，多线路视频传输协议让井下摄像机变得更加可靠灵活，为生产作业提供了更多便利。
3.4 应急通信
井下地质情况复杂多变，施工作业安全性不高，随时都有可能发生紧急状况，在应急救援阶段，对通信保障的要求很高，不仅要保持通信顺畅，对通信系统稳定性、通信系统覆盖范围都有硬性要求，否则救援工作就无法及时进行。但是原有的通信系统不管是有线还是无线，都需要通过地面总控交换设备进行控制，这对地面环境、井下环境有较强依赖。无线以太网设备在应急救援过程中不依靠地面基站或井下设备中继就能够实现脱网通信，每個终端可以互相连接或形成桥接，大大提升了井下通信的灵活性。而设备高速传输能力为极端环境下视频信号传输提供了便利，为事故救援提供了及时的事实依据，为工业自动化条件下的应急通信提供了有力保障。
3.5 人员定位
随着煤矿生产系统中对生产工人安全的重视，每个工人的施工过程都需要向安全管理系统上报个体位置信息，否则在发生安全事故后，能否迅速确定人员安全将非常重要，井下救援工作需要确定被困人员的位置信息。因此，井下工作人员不可缺少定位功能，这就需要一个相对独立运行的网络系统，能够实时传输位置信息，甚至是实时视频、音频信号。无线以太网技术的日渐成熟为此提供了技术保障，具有标准化的接口和协议、足够的网络带宽、稳定的传输能力、单个终端独立运行的特点，可以基于同一网络构建很多不同生产通信平台。
4 结 语
随着煤矿开采相关工艺技术的发展，井下通信技术需求不断增高，矿山通信网络需要一种兼容性高、可靠性高、传输速率高、设备小型化、设备资金要求低的技术。经过各大矿山多年的实验和实践，有线网络无法满足当前条件下矿山自动化、智能化生产的需求，而其他网络技术也不能同时满足通信效率和通信可靠性的要求，因此，煤矿企业必须应用无线以太网技术，并将其作为煤矿工业自动化过程中通信网络的有效补充，从而为提高矿山生产效率和安全生产水平提供技术支持。
主要参考文献
[1]邓晓博，黄众.基于工业以太网和无线通讯技术地铁车内维护系统的设计[J].技术与市场，2014（6）.
[2]陈燕，萧英喆，萧宝瑾.煤矿井下一种新型无线通信方法的研究[J].中国煤炭，2010（2）.
[3]张宏.EtherCAT工业以太网通讯技术在机器人生产线控制系统中的应用[J].有色金属加工，2014（2）.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/3/view-14957297.htm
