基于433MHz技術的采煤機與順槽設備無線通訊方案

文/王雪松 王慧明

基于433MHz技術的采煤機與順槽設備無線通訊方案

文/王雪松 王慧明

采煤機作為綜采工作面的核心設備，與順槽設備遠程通訊的數據實時穩定傳輸能力決定著遠程監控采煤機的可靠性和安全性。采煤機與順槽設備通訊具有距離長、采煤機的移動性、工作時電纜往返折返性、周圍環境惡劣等特點，因此對通訊設備有著特殊技術要求。本文針對有線通訊在采煤機與順槽設備通訊的缺點，以及井下在用無線通訊技術的瓶頸問題，提出一種適用于采煤機與順槽設備通訊的可靠、經濟、合理的無線通訊技術方案。

一、各傳輸方式的特點

1.有線通訊方式

有線通訊方式的傳輸媒介采用采煤機供電電纜內的雙絞屏蔽控制芯線或井下專用的鎧裝光纜。由于采煤機與順槽設備距離較長（500m左右），經實際使用和概率測算，電纜或光纜在采煤機往返工作時，平均三個月即會出現線芯折斷或虛接等故障，導致通訊中斷，難以滿足通訊的持續穩定性。且井下環境惡劣，維護更換難度大，大大增加了自動化工作面的維護運營成本。

2.無線通訊方式

無線通訊方式多采用Wi-Fi或4G技術，其共同特點：數據帶寬大，傳輸效率快。Wi-Fi在工作面繞射能力較差，布置基站較多（300米工作面隔50米布置一個），在基站之間漫游時，會有數秒的中斷延時，嚴重影響采煤機遠程控制的安全；4G具有通訊距離遠，實時、可靠傳輸數據，但設備成本昂貴（單套100萬元以上）。

3.無線433MHz技術

433MHz是我們國家的免申請段發射接收頻率，屬于ISM頻段，無需授權許可即可直接使用。433MHz抗干擾強，并支持各種點對點，一點對多點的無線數據通訊方式，具有收發一體、安全隔離、安裝隔離、使用簡單、性價比高、穩定可靠等特點，同時433MHz技術的數據傳輸速率能達到100Kbps，而采煤機收發數據量約為200Bytes，響應時間要求小于20ms，完全滿足采煤機執行器件動作的實時性。同時，該技術采用高效GFSK調制方式，內置硬件CRC檢錯和點對多點通信地址控制，自動重發功能。因此，只需遵守一定的發射功率，不對其他頻段造成干擾即可使用，與Wi-Fi、4G相比，具有波長短、繞性好，穿透強、成本低等優點，更適合井下工作面惡劣工況環境。目前433MHz無線通訊技術在國內外采煤機遙控系統廣泛應用，如果將此技術應用于采煤機數據上傳，將有效提高傳輸的可靠性和安全性。

二、采煤機與順槽設備無線通訊方案解析

本方案通過在液壓支架和采煤機中增加433MHz無線設備，它們直接進行無線通訊，液壓支架中無線設備還負責把通訊數據通過中繼與順槽設備進行數據傳輸，從而克服順槽距離長、無法中繼、易折斷等缺點。

本方案中采用型號為Si4432的高性能射頻收發器。SI4432工作頻段為240.0MHz～930.0MHz，輸出功率可達+20dBm，接收靈敏度達到-121dBm，可提供對數據包處理、數據緩沖FIFO、接收信號強度指示(RSSI)、空閑信道評估(CCA)、喚醒定時器、低電壓檢測、溫度傳感器、8位AD轉換器和通用輸入/輸出口等功能的硬件支持。

此無線技術方案由采煤機位置設備、采煤機無線設備、液壓支架無線設備、中繼設備、順槽設備組成。

采煤機上的無線模塊為主站，液壓支架上的N多個無線模塊為從站，從站通過有線與順槽的主控器進行通訊，技術關鍵點是當采煤機在多個從站之間不停游走，如何能與最近的從站進行通訊，需要用到芯片的RSSI功能，即接收信號強度指示，當一只模塊與另一只模塊進行通訊時，接收到對方發回的信息的同時，RSSI寄存器中可以檢側到接收的無線信號的強度，根據RSSI值的大小可以判斷不同從站與主站的相對遠近關系，RSSI值最大的即是最近的從站。

這就需要在內存中建一個結構型數組，其中有從站地址號和RSSI值，程序不停的掃描附近的從站，并且更新這一數組，每次更新的同時按RSSI進行從大到小的排序，在該數組中的第一個即是離采煤機最近的液壓支架上的無線模塊從站。

安裝位置與作用如下：

采煤機位置設備。安裝在采煤機上，用于在工作面上定位采煤機位置。

采煤機無線設備。安裝在采煤機上，與液壓支架無線設備通訊，收發煤機數據與指令。

液壓支架無線設備。安裝在液壓支架上，間隔一定距離安裝，并具有有線通訊；用于與采煤機無線設備通訊，同時把數據通過有線傳輸給順槽設備。

中繼設備。安裝在液壓支架上，在一定距離的液壓支架無線設備有線傳輸之間安裝，用于對于通訊信號進行功率放大與中轉，從而保證通訊速率及通訊的實時性、可靠性。

順槽設備。安裝在順槽集控中心，是煤機指令的發送者與數據的接收者。設備在工作面的布置如圖1所示。

圖1設備布置圖

三、采煤機與順槽設備無線通訊方案工作流程

系統上電后，首先進行初始化自檢，然后按照如下流程工作：

1．采煤機無線設備（主）與液壓支架無線設備通訊（從）。當系統啟動以后，采煤機無線設備首先根據位置設備確定自己在工作面中的位置，通過計算，激活離自己最近的液壓支架無線設備，并與之建立通訊，進行數據傳輸，其他液壓支架無線設備則處于待命狀態；在工作中，當采煤機行走時，采煤機無線設備根據位置數據及行走方向，啟動離自己最近的液壓支架無線設備，建立與其通訊，然后斷開離自己漸遠的液壓支架無線設備通訊。

2．液壓支架無線設備與順槽設備通訊。當系統啟動以后，與采煤機無線設備建立通訊的液壓支架無線設備，取得令牌，即控制權，與順槽設備建立通訊，進行數據傳輸；當采煤機無線設備與另一液壓支架無線設備建立通訊時，令牌也隨著轉移，獲得令牌的液壓支架無線設備繼續與順槽設備進行數據傳輸，保持傳輸的連續性、穩定性。工作流程如圖2所示。

圖2工作流程圖

四、結語

本方案通過改變采煤機與順槽設備的通訊媒介與傳輸路徑，即由有線改為無線，由采煤機至順槽設備改為采煤機至液壓支架至中繼設備至順槽設備，采用基于433MHz技術的無線通訊方案，克服了原有通訊的缺點，使采煤機與順槽的通訊更可靠、穩定、實時，相信在以后的自動化、智能化工作面中必將有著廣闊的應用前景。

（作者單位：太原重型機械集團煤機有限公司）

（責任編輯：周 瓊）