基于煤礦光纖通信技術的研究與應用

舍曉東

【摘要】 過去的煤礦井下監測監控系統、人員定位監測系統均采用銅芯線纜作為主要通訊方式，隨著網絡科技發展結合煤礦的深部開采，銅芯線纜信號傳輸已不滿足現在的煤礦發展，本文重點研究應用于煤礦井下采用光纖、光端收發器、千兆光纖以太網等作為信號傳輸系統，滿足礦井信息化管理裝備。

【關鍵詞】 煤礦 光纖通信 以太網

Research and application of optical fiber communication technology based on coal mine

Abstract：The monitoring system， underground coal mine personnel positioning and monitoring system in the past using copper wire cable as the main means of communication， with deep network technology combined with the development of coal mining， copper core cable signal transmission has not meet the current development of the coal mine， this paper focuses on the research of application in coal mine by using optical fiber， optical fiber Ethernet， Gigabit transceiver as signal transmission system， to meet the mine information management equipment.

Key words： coal mine； optical fiber communication； Ethernet

一、概述

光纖通信系統是以光為載波，利用純度極高的玻璃拉制成極細的光導纖維作為傳輸媒介，通過光電變換，用光來傳輸信息的通信系統。隨著國際互聯網業務和通信業的飛速發展，信息化給世界生產力和人類社會的發展帶來了極大的推動。光纖通信作為信息化的主要技術支柱之一，必將成為21世紀最重要的戰略性產業。

1.1基本光纖通信系統

最基本的光纖通信系統由數據源、光發送端、光學信道和光接收機組成。其中數據源包括所有的信號源，它們是話音、圖象、數據等業務經過信源編碼所得到的信號；光發送機和調制器則負責將信號轉變成適合于在光纖上傳輸的光信號，先后用過的光波窗口有0.85、1.31和1.55。光學信道包括最基本的光纖，還有中繼放大器EDFA等；而光學接收機則接收光信號，并從中提取信息，然后轉變成電信號，最后得到對應的話音、圖象、數據等信息。

1.2數字光纖通信系統

光纖傳輸系統是數字通信的理想通道。與模擬通信相比較，數字通信有很多的優點，靈敏度高、傳輸質量好。因此，大容量長距離的光纖通信系統大多采用數字傳輸方式。

在光纖通信系統中，光纖中傳輸的是二進制光脈沖”0”碼和”1”碼，它由二進制數字信號對光源進行通斷調制而產生。而數字信號是對連續變化的模擬信號進行抽樣、量化和編碼產生的，稱為PCM（pulse code modulation），即脈沖編碼調制。這種電的數字信號稱為數字基帶信號，由PCM電端機產生。

二、基本構成

2.1光發信機

光發信機是實現電/光轉換的光端機。它由光源、驅動器和調制器組成。其功能是將來自于電端機的電信號對光源發出的光波進行調制，成為已調光波，再將已調的光信號耦合到光纖或光纜去傳輸。電端機就是常規的電子通信設備。

2.2光收信機

光收信機是實現光/電轉換的光端機。 它由光檢測器和光放大器組成。其功能是將光纖或光纜傳輸來的光信號，經光檢測器轉變為電信號，然后，再將這微弱的電信號經放大電路放大到足夠的電平，送到接收端的電端汲去。

2.3光纖或光纜

光纖或光纜構成光的傳輸通路。其功能是將發信端發出的已調光信號，經過光纖或光纜的遠距離傳輸后，耦合到收信端的光檢測器上去，完成傳送信息任務。

2.4中繼器

中繼器由光檢測器、光源和判決再生電路組成。它的作用有兩個：一個是補償光信號在光纖中傳輸時受到的衰減；另一個是對波形失真的脈沖近行整形。

2.5光纖連接器、耦合器等無源器件

由于光纖或光纜的長度受光纖拉制工藝和光纜施工條件的限制，且光纖的拉制長度也是有限度的（如1Km）。因此一條光纖線路可能存在多根光纖相連接的問題。于是，光纖間的連接、光纖與光端機的連接及耦合，對光纖連接器、耦合器等無源器件的使用是必不可少的。

三、煤礦井下光纖通信的特點

在煤礦井下井下進行光纖通信，其系統構成和電路原理都與地面無異。只是在光纜和終端設備的制造方面，以及光纜的施工維護方面有一些特點。

3.1礦用阻燃光纜

煤礦井下使用的光纜，其外護套必須是阻燃的，以免發生火災，火焰的蔓延僅在限定范圍內，殘焰或殘灼在限定時間內能自行熄滅的光纜。根本特性是：在火災情況下有可能被燒壞而不能運行，但可阻止火勢的蔓延。通俗地講，光纜萬一失火，能夠把燃燒限制在局部范圍內，不產生蔓延，避免造成造成瓦斯爆炸、燒壞其他設備等更大的損失。

3.2本安型光端機

由于本安型電氣設備的電路本身就是安全的，所產生的火花、電弧和熱能都不會引燃周圍環境爆炸性混合物，保證電器在其電源或內部儲能元件短路時，產生的電火花不至于引爆達到起爆濃度的瓦斯，因此本安型電氣設備不需要專門的防爆外殼，這樣就可以縮小設備的體積和重量，簡化設備的結構。

3.3光纖連接

目前煤礦井下連接光纖一般采用熱熔為主，因煤礦井下有瓦斯、易爆炸，只能在通風良好的大巷內，而且要有瓦斯檢查員現場實時監測瓦斯濃度。在采掘工作面及其他危險地點，只能線連接后，再移入使用巷道，給工作帶來很大麻煩，因此在禹州棗園煤業有限公司采用新型快速連接器，能夠很好解決現場布線作業和光纖到各個巷道的連接頭。被廣泛運用于井下現場需要快速連接的地方，為作業提供了一種快速穩定的連接。快速連接頭現場組裝因無需再進行膠水固化和研磨，這為工程師進行線路安裝、維護和修理，以及井下采掘工作面工程提供了更快捷的幫助。 快速連接頭的預埋式光纖和插芯端面的加工預研磨設計，保證了插芯端面的完美品質，因而有效保護用戶設備接口的損壞，降低連接損耗。

四、煤礦選用光纖通信的優點

光纖通信有很多優點：它傳輸頻帶寬、通信容量大；傳輸損耗低、中繼距離長；線徑細、重量輕，原料為石英，節省金屬材料，有利于資源合理使用；絕緣、抗電磁干擾性能強；還具有抗腐蝕能力強、抗輻射能力強、可繞性好、無電火花、泄露小、保密性強等優點，可在煤礦井下推廣應用。

光纖通信的原理是：在發送端首先要把傳送的信息（如話音）變成電信號，然后調制到激光器發出的激光束上，使光的強度隨電信號的幅度（頻率）變化而變化，并通過光纖發送出去；在接收端，檢測器收到光信號后把它變換成電信號，經解調后恢復原信息。

隨著煤礦深部開采傳輸通信較長、信息點比較分散等程度來選擇使用光纖，有利解決煤礦現代化。

五、煤礦光纖的應用

禹州棗園煤業有限公司目前井下安全監測監控系統、人員定位監測系統、語音廣播系統、視頻監控系統等已全部實現雙纖雙環網光纖通信技術與應用，井下敷設的光纜型號為20芯MGXTSV-20B礦用阻燃光纜，并且入井的光纜分兩條巷道敷設，一條沿行人斜井、行人暗斜井、24采區軌道下山進入-340變電所，另一條沿皮帶主斜井、皮帶暗斜井、24采區皮帶下山進入-340變電所，當一條光纖故障或拉斷均實現正常通訊，杜絕通訊中斷，避免造成井下各系統監控失效，停工停產等重大影響。井下在每一個水平、采區安裝光纖交換機，并在-150變電所安裝企業級千兆光纖以太網系統，使接收、發射通訊信號更加快，每循環周期由原來的45秒，縮短至6.5毫秒。

六、持續提升煤礦現代化

1、隨著煤礦科技的發展，進一步提升礦井現代化程度，目前礦井通信聯絡系統還采用多芯銅線纜，在使用過程中非常笨重，下一步持續推廣使用光纖通訊的成熟技術，目前回風立井已經使用光纖通信試運行階段，因地面回風立井距數字程控調度交換機較遠，敷設電話線不便利等原因，利用已敷設的光纜作為通信主干纜，使回風立井電話、視頻圖像、辦公網絡等已進入試運行，使用效果好及大面積推廣，將井下各個區域、采掘頭面實施改造和運用。

2、實現全礦井自動化管理及建設，將井下監測監控系統、人員定位、視頻圖像、供電控制等通過網絡平臺，集成匯集井上下各分支系統監控點的視頻流、數據流、信息流，與礦區現有的信息化網絡基礎平臺及其他子系統實現無縫對接，實現全礦井的數據采集、生產調度、經營管理、決策指揮的信息化、科學化，保證礦井安全生產、高效，提升企業的生產水平。整個系統分信息層、控制層和設備層三層體系結構。采用礦井目前所用的工業級千兆光纖以太環網技術保證系統的先進性、可靠性，并充分利用礦井的以太網資源，實現多網融合（如環境監測、人員定位、應急廣播、調度電話、供電監控系統、視頻監測、無線通信、設備監測、車輛監測等融入）。

3、地面網絡實現光纖入戶，提高辦公效率、接入網絡數字化電視、娛樂職工生活。作為通信傳輸系統的未來中堅力量，光纖的抗干擾性，抗電磁的特性更加迎合未來人類信息量大，精密度高的需求，而且低廉的價格使得光纖這種傳輸介質能得到很大范圍的推廣。但相對來說，光纖到戶要很好的實現普及，還有好多問題要解決，比如發射以及接收端的技術以及硬件，還有傳輸系統的速度雖然可以提到G字節的速度上，但對于使用者來說，大信息量的處理，更需要更好的計算機來處理，因此，通信系統的提高，還一定程度上依賴于計算機技術的高速發展。

通過上述光纖通信的技術應用對煤礦、社會具有重大影響力，提高礦井對井下環境監測、地面的職工辦公效率得到很大的方便，是計算機時代網絡快速穩定，以太網可以很好的集成環境情況、井下人員監測情況和設備運轉情況等，而后把這些信息傳送到調度指揮中心，它可以高質高效地實時顯示各子系統的監測監控信息狀況和煤炭生產的各個環節情況，最后負責調度的相關人員在及時把控這些信息情況下，達到有效控制和調度指揮的目的，以此很好的確保煤礦企業的安全。