基于礦井3G通信網絡的防爆膠輪車監測系統

天地（常州）自動化股份有限公司 劉豐禎

引言

煤礦井下運輸系統中，以膠帶機為主運輸運送原煤，輔助運輸系統承擔人員、設備和生產物資的運輸任務，機車運輸是輔助運輸的主要方式之一。防爆無軌膠輪車不受軌道限制，機動靈活、適應性強、安全高效、應用范圍廣，是一種較為先進的輔助運輸機車，自上世紀80年代引入國內后發展迅速。中國中西部大型煤炭集團的下屬礦井基本采用防爆無軌膠輪車作為輔助運輸工具，極大程度上降低了工人的勞動強度，提高了生產效率；簡化了輔助運輸環節，減少了事故點，提高了工效和安全性。

為保證煤礦安全，有效保護車輛，礦用防爆無軌膠輪車安全規程規定下井防爆膠輪車必須安裝機車監控保護裝置，對車輛的運行狀態進行實時監測和停車保護。但監控保護裝置的監測數據僅以儀表形式供駕駛員參考，而各大礦井均缺乏監管車輛運行狀態的設備和系統，由于司機素質參差不齊，運輸過程時常發生超速行駛等違章駕駛事件，信息不能實時監控導致礦井膠輪車運輸管理部門無法掌握相關信息，所以礦井膠輪車運輸中的違章事件得不到有效的監管、違章操作不能有效地遏制、車輛保護措施不能有效實施，甚至危及到車輛、人員和礦井安全。

防爆膠輪車的靈活度高，但由于車輛經防爆處理后的，車身自重較高，燃油效率低，油耗普遍較高，百公里油耗達100L，運營成本高。礦井膠輪車運輸系統中不完善或缺乏的調度指揮設施，導致上下井中負載不足，或僅半程裝配物料、半程空載，頻繁指揮車輛執行物資單送達、單回收的任務，出車率居高不下，影響輔助運輸系統的運營效率和成本。各大礦井均建立了小靈通等礦井移動通信系統，在礦井中作業人員能與他們的通信對象保持及時有效的聯系，人員活動將得到有效的組織，能夠提高作業效率，減少生產貽誤。針對輔助運輸系統的機車通訊系統普遍采用泄漏通信的方式，信號遠距離傳送效果差，泄漏電纜的續接架構可靠性低，實施效果普遍較差。并且機車通訊設備的響度低、抗噪聲能力差，基本滿足電機車環境，但無法適應噪音強烈的防爆膠輪車運行環境。部分礦井借助移動通信系統，為膠輪車運輸部門配套小靈通、WIFI手機等人員通訊設備，音量小、需要定期充電，在膠輪車運行環境中的使用效果更弱于現有的機車通訊設備。礦井的膠輪車運輸系統需要加強調度指揮，提高運輸效率、降低出車率，節省輔助運輸系統的運營燃油成本。

機車監控調度系統以礦井已有的無線通信覆蓋網絡和車輛出廠安裝的監控保護裝置為基礎，通過配套的車載3G通信終端裝備和管理軟件，實現煤礦井下防爆膠輪車運行工況信息的實時監測和運輸過程的調度指揮，能夠提高膠輪車運輸的效率，能夠加強礦井輔助運輸的安全管理，遏制違章駕車事件，并為輔助運輸系統運營的統計考核、車輛的維護保養提供依據信息。

1 系統總體架構

礦井3G通信網絡與地面商用通信網絡相比，數據傳輸帶寬受到較大的限制、上行帶寬不足2M，但防爆無軌膠輪車運輸數據量較小、變化速率低，不涉及控制和反饋、對傳輸帶寬和實時性要求不高，因此，借助礦井建設的3G通信網絡實現井下車輛運行狀態的實時監控是完全可行的。防爆膠輪車監測系統僅需為無軌膠輪車配置具備3G數據傳輸功能的通信終端，并設置服務器的網絡地址和端口號；系統運行時，終端與服務器建立連接，將車輛運行工況數據通過3G網絡上傳到監控中心的數據服務器。基于礦井3G網絡的防爆膠輪車監測系統結構如圖1所示。

圖1 基于礦井3G網絡的防爆膠輪車監測系統結構

圖2 通信終端框圖

數據服務器通過通信網絡獲取車輛通信終端上傳的車輛環境參數和運行參數，進行數據信息的顯示、統計、存儲和查詢。車輛通信終端在投入運行前，需要通過系統軟件設置設備的工作參數，如數據接口的速率、數據格式、服務器的網絡IP地址和端口號等。

2 通信終端設計

2.1 車輛工況數據獲取

系統獲取的無軌膠輪車運行工況數據來源于車輛裝配的監控保護裝置。國內廠商研制的防爆膠輪車配套的機車監控保護裝置以YE0.3/24型柴油機車監控保護儀[2-3]為主。該保護儀由監控主機、顯示器和傳感元件組成，監測并顯示車輛的行駛速度、發動機轉速、發動機表面溫度、排氣溫度、冷卻水溫度、機油溫度、冷卻水水位、機油壓力和環境瓦斯等參數，超限時聲光報警、控制停車，可以統計行駛里程、發動機運轉時間和油耗等信息，具備RS232和RS485總線傳輸接口。通信終端設計與監控保護儀配接的總線通信接口，監聽獲取監控保護儀檢測的無軌膠輪車的實時運行數據。

2.2 終端設計

通信終端（見圖2）設計為輕便的礦用澆封兼本安型，體積小；澆封電源模塊輸入為機車供配電裝置提供的非安直流24V電源，經電源保護柵處理成本安12V直流電源、由DCDC電路降壓為5V，為設備內各電路單元供電。微處理器采用Cor t ex-M3內核的ARM芯片，通過集成的多路UART與內部3G模塊相接，或轉換為RS232接口與外部的機車監控儀相接。為提高通信終端與不同型號的機車監控保護裝置的兼容性，通信終端預留了CAN總線接口。

國內移動通信設備生產廠商推出了諸多3G通信模組，內部嵌入網絡傳輸的TCP協議，具備UART、USB等通訊接口，可直接使用微處理器向其發送“@”指令控制模組實現建立網絡連接和數據接收、發送功能。通信終端接收機車監控儀的運行數據，并通過3G模組向設定的監控中心IP地址發送實時數據，接口電路如圖3所示。

2.3 系統軟件設計

系統軟件可實時顯示車載通信終端上傳的車輛溫度、液位、速度、甲烷、機油壓力等運行參數數據，參數超限或設備故障時系統軟件報警提示。軟件可通過定位系統獲取車輛位置信息，并按照巷道圖實時顯示。

圖3 采用華為MC323的3G通信接口電路

調度指揮系統軟件可對系統采集獲取的數據實時存儲到服務器，并提供查詢和報表打印功能；調度指揮系統軟件具有統計分析功能，可以統計車輛運行里程、發動機運行時間，可分析出車率，為車輛管理和保養提供依據；系統軟件提供數據共享端口，便于車輛運維管理等其它系統調用。

3 結語

神華神東煤炭集團公司錦界煤礦，在用下井車輛200余臺，運輸范圍長達30km。該煤礦為加強車輛管理，建設了基于礦井CMDA2000制式的3G通信網絡的防爆膠輪車監測系統，并連續運行6個月無故障。

基于礦井3G通信網絡的無軌膠輪車監測系統能夠實現井下車輛運行工況的實時監測，有利于礦井加強對輔助運輸系統、設備、人員的監管，為運輸安全提供保障。系統以礦井已有的3G通信網絡為基礎，不僅能夠避免重復建設投入，也可充分利用3G網絡良好的無線傳輸特性，保證系統的可靠性。與數據業務相比，礦井3G通信網絡的通訊通話功能更為專業，系統可借助該網絡和終端進一步實現機車調度通訊功能，提高礦井的輔助運輸效率。

[1]MT/T989—2006 礦用防爆柴油機無軌膠輪車通用技術條件[M].國家安全生產監督管理總局:煤炭工業出版社.

[2]李飛,陳亞等.一種新型的膠輪車安全保護裝置[J].常州:工礦自動化,2009.

[3]張立斌,汪學明,程劉勝.一種新型礦用柴油機車保護裝置的設計[J].常州:工礦自動化,2011.

[4]王永軍.3G無線通訊系統在大柳塔煤礦的應用[J].西安:陜西煤炭,2013.