礦井通信系統的組合應用分析

【摘要】本文根據煤礦行業對通信產品的要求，介紹了目前煤礦使用的幾種通信系統，產品功能、特點和應用環境。說明了井下使用兩套通信系統的原因和規劃，并分析了其在井下布置位置和方式及使用分析。

【關鍵詞】井下無線通信；WLAN；自動化

引言

礦井通信系統作為礦井生產安全重要裝備，在井下生產中扮演者越來越重要的角色，隨著目前通信技術的快速發展，出現了眾多新的通信系統。選擇一種適合煤礦井下特殊環境的無線通信系統，對于實現井下生產及調度高效性和安全性，提高企業的信息化和自動化水平起著至關重要的作用。

1.煤礦行業對通信產品的要求

1.1 特性方面

煤礦井下環境特殊，適用于井下的通信系統有以下幾個特點：井下空間狹小，可供布置設備空間有限，所以產品體積必須小，重量輕。井下有瓦斯危險性，通信產品須經過防爆認證。井下濕度大，粉塵濃度高，通信產品必須嚴格滿足防水、防塵、耐腐蝕的要求。由于產品可能布置于機電硐室內，與強電設備距離較近，故抗電磁干擾能力要強。

1.2 功能方面

煤礦領導通過該系統及時了解井下人員及生產的情況，通過調度系統下達命令。井下人員通過通信系統及時向上級領導匯報現場情況，執行命令及處理問題。災害發生時，根據地面指示及時疏散人員與組織搶險救援等。

2.現階段主要井下通信系統特點

目前現階段井下主要移動通信系統主要有：

2.1 有線通信

作為礦井最基本通信方式，通話質量好，安全穩定，同時也作為六大系統所要求的通信系統。設備簡單可靠。

2.2 無線通信

（1）小靈通（PHS）：是固定電話的延伸，現階段我國煤礦使用廣泛，主要用于已建成礦井及老礦井。以語音通信為主，數據業務差，系統容量小，功能單一，主要用于語音通信，但對于數據傳輸較為困難，其未來因政策問題面臨頻率被取消的可能。

（2）WIFI（無線局域網）：基于標準的工業以太網傳輸網絡，采用TCP/IP、WiFi、SHDSL等協議的通信系統，較為成熟，支持廠家多，應用廣泛，價格適中。語音數據業務均可提供，系統容量大，通用化高，價格相對低廉；語音質量一般，保密性差。可與其他系統以太網絡共用鏈路。

主要技術參數：工作頻段2.4GHz；用戶容量2000個；基站覆蓋范圍；100-500m。

（3）CDMA（碼分多址）：礦用產品標準包括CDMA（2.5G）TD-SCDMA、WCDMA（3G）。道綜合使用頻分和碼分多址技術，抗干擾能力強，低功率譜密度。該系統支持廠家較多，應用較為廣泛。價格比WIFI略貴。語音數據業務均可提供，系統容量較大，通信質量好，價格較高。

主要技術參數：載波帶寬1.25MHz；PN碼片速率1.2288Mc/s；用戶容量1000個；基站信號覆蓋范圍600-800m。

（4）4G無線通信系統：新一代高速率通信系統，支持超過5MHz信號帶寬，技術先進，是無線通信系統未來發展方向，目前沒有礦用型號，未來有望取代現礦用3G產品。

3.井下兩套通信系統的應用分析

目前礦井井下通信系統使用3G或者WIFI用于井下環境，基本能滿足井下語音通信的要求，但隨著我國礦井自動化信息化水平不斷提高，新建的大型礦井逐漸開始考慮井下少人或無人工作面開采，目前井下生產部分崗位已實現無人值守，無人/少人化工作面試未來工作面發展方向，這就需要在井下工作面、巷道等布置大量不知無線傳感器，輔助采煤機及運輸設備協通過工作。由于井下物聯網的逐步實現，包括無人化工作面將在采煤機、刮板輸送機、順槽膠帶輸送機上使用大量無線傳感器作為采集狀態參量的裝置，需要在采面布置工業以太網絡，但由于工作面本身環境及經常移動所限，不易過多布置固定敷設的傳感器及電纜，所以可采用WLAN網絡作為無人化工作面的主要或者輔助生產網絡。

未來礦井需完善物流配送系統，從物料采購到倉儲再到運輸全過程均需要監控。地面車輛運送出庫入庫，井下機車運送物料配送過程的全程路線狀態的監控等，（未來向著井下無人化運輸方向發展）

同時可將現有一些使用無線系統的監控子系統納入WLAN系統，如井下無軌膠輪車監控、人員定位燈系統等。

故在井上下除需要自動化環網（主要負責生產、安全監控）、3G/4G無線網絡（主要負責調度通信、個人業務等）還需要一個專門服務于井下物聯網系統的無線網絡。在這種情況下，WLAN系統可以很好的作為以上幾種網絡的補充。

WLAN作為井下物聯網的主要傳輸通道，可將井下無線傳感器、射頻設備以及由于安裝位置所限不易布線的傳感器等均接入井下無線網絡，同時確保與其他生產、輔助、安全系統各不相互干擾。

目前井下無線通信網絡主要是WIFI、2G/3G居多。4G移動通信系統正在開發階段，不久就會有相應產品投入使用。

目前陜煤集團小保當礦井井下通信系統規劃方案采用4G+wifi規劃。其4G系統主要為語音及人員定位使用，wifi系統作為井下物聯網的主要傳輸通道。其井下無人化工作面中，刮板輸送機，智能帶式輸送機所需要的無線傳感器預留備用通道。還有井下全程物流配送系統等。

4.井下通信系統的布置與使用

由地面主機至井下基站的通信干線采用礦用阻燃光纜傳輸，可以通過井下工業自動化環網用以太網方式傳輸或者直接通過下井光纜傳輸。前者容易實現綜合運行與管理，但由于井下工業自動化環網是一個集監控、通信、自動化于一體的綜合傳輸平臺，其Qos質量較傳統的專用傳輸通道要低，可能會因為總帶寬有限，礦井擴建后傳輸業務量持續增加，突發傳輸業務量高等原因造成臨時通信的延時或質量下降。后者為傳統傳輸方式，通過獨立光纖傳至井下，成為一個獨立的系統，不受未來擴建或突發業務量變化的影響，與地面傳輸方式相同，抗干擾性、可靠性顯著提高。

井下設備的布置：在井下主要膠帶運輸巷道及輔助運輸巷道沿線設置基站。井下主要變電所內設置基站，采面可設置基站。

若井下巷道內有較大緊急避難硐室，信號不易覆蓋到時，可以單獨在硐室內設置基站。

井下本安基站供電電源127V，變電所中基站可由隔爆照明綜保供電。巷道內或硐室內基站由就近大巷照明用綜保供電。

在采區布置基站時，理論上信號雖可以覆蓋到整個采面，但由于目前工作面長度一般都在幾公里少則也有1公里，其供電電纜由于電壓所限，不能全部由變電所直接供電，部分基站需要由采面設備直接提供127V電源（照明綜保或者組合開關均可提供）。但由于煤礦井下可能會存在瓦斯超限的問題，一旦瓦斯濃度超過一定值（1.5%），井下安全監控系統會切斷采區內全部非本質安全型設備，基站會失電，只能靠自身配有的電池持續一段時間，不能保證井下通信連續及可靠性，所以只能將基站布置在采區入口處，可由采區變電所提供電源。信號可以覆蓋采區幾百米左右，在這種情況下深入采區部分只能由有線通信與之相互配合。

在工業場地內可采用蜂窩網絡全向天線覆蓋，巷道內可以采用帶狀網絡覆蓋，采用定向天線。

此外可以利用通信終端使井下無線通信與井下人員定位完美融合，移動終端作為無線通信系統的獨立接收單元，本身就具備無線定位功能，可以準確地將井下各區域的人員動態位置情況實時準確的傳輸到地面監控中心。

5.結語

井下wLAN與3G/4G網絡的配合使用系統可以提供較大系統容量和優秀通信質量，并可提供語音、數據、圖像、視頻、人員定位等多種業務，完全符合煤礦井下特殊環境對通信系統的要求，也符合當前通信技術發展的主流趨勢，其應用對于礦井通信的建設與發展具有重要的意義。

參考文獻

[1]孫繼平.礦井通信技術與系統[J].煤炭科學技術，2010.

[2]王安義，劉麗君，等.TD-SCDMA技術在煤炭行業中的應用分析[J].工礦自動化，2011（10）.

[3]孫繼平.礦井寬帶無線傳輸技術研究[J].工礦自動化，2013（02）.

作者簡介：田心（1981—），男，北京人，大學本科，工程師，主要從事煤礦電氣自動化、通信方面工程設計工作。