基于自適應天線的煤礦提升機無線傳輸系統研究

史慶順

【摘 要】 煤礦提升機監控采用有線傳輸時存在布線、檢修困難等問題，而傳統的無線傳輸方式則存在信號覆蓋范圍小、無法適應井筒復雜環境的弊端。為了提高提升機監控效率以及提升機運行安全保證能力，提出一種提升機無線傳輸系統，該系統采用的自適應天線依據無線信號強弱對發射頻率、工作狀態等參數進行調整，從而構建覆蓋井筒的無線局域網并將提升機中的無線攝像頭、無線電話等設備進行無線連接，實現對天輪、鋼絲繩、罐籠內部等設施的遠程視頻、音頻監控。現場應用后，無線傳輸系統視頻、音頻數據傳輸質量佳，傳輸過程中不存在卡滯、信號中斷問題。研究成果可在一定程度上提升煤礦提升機運行保證能力。

【關鍵詞】 礦井運輸;提升機;井筒;無線傳輸

井工開采時提升機是煤炭、矸石、設備以及人員等上下井的主要設備，提升機頻繁啟動會引起天輪、減速器、電動機等易損件出現故障，因此對提升機運行狀態、過程等進行監控對提高提升機運行可靠性具有重要意義。

1無線傳輸自適應天線

天線是無線傳輸系統核心設備之一，天線性能直接影響無線傳輸數據可靠性以及傳輸距離。

1.1天線傳輸頻率優選

提升機井筒內壁會有明顯的凹凸、結構狹長，內部布置有各種鋼結構以及運輸設備，且井筒內電磁環境較為復雜。為了提升無線傳輸效率，必須根據井筒結構優選最佳的無線傳輸頻率。通過對山西某礦350m覆井井筒進行大量的實測，發現頻率段在1.5GHz～2.7GHz間時無線傳輸覆蓋范圍以及傳輸可靠性最優，可滿足井筒數據無線傳輸需要。為了更好地適應井筒無線傳輸需要，將1.5～2.7GHz劃分成3個頻段（分別為1.5～1.7、1.9～2.1、2.3～2.6）。采用基于射頻鎖相環、ARM單片機等構成的無線傳輸天線，可根據無線信號強弱自動選擇合適的工作頻率。

1.2輻射波束

輻射波束跟輻射單元位置、數量、單元激勵的相位、結構以及幅度等參數密切相關。無線傳輸天線內置的ARM根據無線傳輸信號強弱調整移相互器、功分器輸出，并調整輻射單元位置、數量以及單元激勵的相位等參數，從而實現輻射波束自適應調整，從而確保無線傳輸天線的最大輻射波束始終面向移動中的罐籠。將無線天線布置在井筒上部橫梁之上，根據無線信號強弱自動調整工作狀態，具體輻射波束范圍見圖1。

1.3無線傳輸中的自適應天線結構

天線結構包括有4個整齊排布的單元天線，間距相等，單元天線上兩層為矩形輻射貼片，均覆蓋在FR4介質板上（厚度為1mm）。由于饋電網絡會產生較大的電磁輻射，為此將饋電網絡置于第三層貼片之上。具體天線結構見圖2。

2無線傳輸系統結構及功能

2.1系統結構

提升機無線傳輸系統結構中前端采集設備通過無線網絡經中繼器傳輸至地面調度設備，具體系統結構見圖3。

2.1.1前端采集設備

前端采集設備主要由無線電話、無線攝像頭、傳輸天線等構成，其中在罐籠以及天輪位置均布置有無線攝像頭。

通過在罐籠內布置無線攝像頭以及無線電話可實時掌握罐籠內部情況，在天輪、油缸以及鋼絲繩等關鍵位置布置無線攝像頭可監測設備運行情況，及時發現存在的潛在故障。無線攝像頭及無線電話采集的視頻以及音頻信號通過傳輸天線以無線信號形式傳輸給中間轉接設備。具體前端采集設備內自適應無線天線、無線攝像頭及無線電話工作參數見表1。

2.1.2中繼器

中繼器內結構主要包括有2個無線天線（分別負責信號接收、信號傳輸）、中級分站等，將中繼器布置在井筒頂部橫梁上，從而確保井筒內無信號盲區，并將前端采集裝置收集到的無線信號傳輸給地面調度室。具體中繼器技術參數見表2。

2.1.3地面調度室

地面調度室內設備包括有無線天線、服務器以及專用PC等，其中無線天線用以接收中繼器傳輸的無線信號，服務器對視頻數據、語音數據進行分析、處理后，在專用PC上顯示。

2.2系統功能

遠程語音通話：提升機內的無線電話可與監控室內的電話進行直接通話，同時主、副井筒罐籠內的無線電話也可互相通話，從而在一定程度上提升信息傳輸效率。

遠程視頻監控：通過無線攝像頭實現對罐籠、井筒內部以及天輪、鋼絲繩等實時監控，從而為后續的故障排除、糾正作業人員違規操作等創造良好條件。

安全廣播：當提升機運行時出現緊急情況時，可通過安全廣播提醒人員緊急撤離。無意外情況發生時可播放交班信息或者音樂，緩解工作人員疲憊精神狀態。

3現場應用分析

山西某礦副井井筒直徑為8.0m，配備落地式多繩提升機（型號JKMD-3.25×4（I）E）滾筒寬度、直徑分別為1.8m、3.25m，最大提升高度為482.8m，天輪直徑3.25m，鋼絲繩間距為300mm，采用的減速器傳動比為11.2，提升速度最大8.08m/s。電動機額定運行功率為1000kW、轉速為546r/min。

礦井提升機無線傳輸系統于2020年5月投入使用，在使用過程中采用便攜式頻譜儀對提升機罐籠、井筒橫梁頂部位置的無線攝像頭、無線電話以及無線天線等輸出功率、頻率等進行測定。提升機罐籠從井口向井底車場運輸過程中頂部恒梁上無線天線發射頻率呈逐漸增加趨勢，距離變化范圍介于-60～20db·m;工作頻率呈逐漸降低趨勢，具體頻率范圍在1.5～2.7GHz間。表明井筒布置的無線傳輸系統可根據運行環境需要對工作參數進行調整，確保系統無線傳輸質量始終處于最佳狀態。無線傳輸系統無線信號可實現井筒全覆蓋、傳輸距離遠、傳輸質量佳。無線傳輸平均能耗在3W以內，相對于其他固定頻率的無線傳輸設備能耗降低約73%，此外無線傳輸系統傳輸的視頻畫面清晰、音頻流暢，基本無卡頓現象。

4總結

針對礦井井筒狹長、電磁環境復雜以及設備安裝、檢修困難等問題，提出了一種集視頻、語音等功能為一體的無線傳輸系統。該系統采用的自適應天線可根據無線信號強弱調整信號傳輸頻率以及傳輸功率，確保井筒內無線數據可始終高質量傳輸。

現場應用后，無線傳輸系統獲取到的音頻、視頻均無卡滯情況，傳輸輸電以及可靠性可滿足提升機安全監控需要。

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