一種膠帶機防掉人保護系統的研究

孫計爽

摘要：

煤礦用膠帶機保護裝置在井下自動化運輸過程中應用非常廣泛。常用保護裝置包含但不限于： 防滑保護，堆煤保護，跑偏保護，溫度保護，煙霧保護，超溫灑水保護，防撕裂保護，張緊保護等。礦用膠帶機防掉人保護系統也是膠帶機保護中的一種，它主要為了解決當人員掉落到膠帶機上并接近其敏感位置時，此保護裝置能夠通過無線測距和定位，快速準確識別到人員信息，同時報警或者停止膠帶機的運行，并就地發出聲光報警和向膠帶機沿線進行預警播報發生位置和人員信息，避免災難發生。

關鍵詞：煤礦 膠帶機保護 無線測距和定位 防掉人。

Abstract：

The protective ?device of belt conveyor used in ?coal mine is widely used in the ?process ?of underground ?automatic ?transportation.

Common ?protection ?devices ?include ?but ?are not limited to： anti slip protection， ?coal stacking protection， ?deviation ?protection， temperature ?protection， ?smoke ?protection， over ? temperature sprinkling protection， anti tearing protection， tension ?protection， etc. Protection system against of mine belt conveyor is also a kind of conveyor protection. It is mainly used to solve ?the problem that when a ?person falls ?on ?the conveyor ?and ?is ?close ?to ?its ?sensitive position， the protection device can quickly and ?accurately ?identify ?the ?personnel information n through ?wireless positioning， Warning or stop the operation of the belt conveyor ， and send out sound and light alarm ?locally ?and alarm along the ?conveyor Fault location and ?personnel ?information to avoid disaster.

Key words： ?coal ?mine ?belt ?conveyor protection， ?wireless distance measurement and positioning， preventing people from falling off

1.引言

一直以來，礦山自動化為了解決膠帶機沿線各種設備故障的自動檢出問題，應用了很多新技術以及新的方案，并且達到了預期良好的效果。但是膠帶機沿線仍然存在一些可能的隱患，至今還沒有被覆蓋到。無數的科技人員正在為了解決這些可能發生的風險而在各自的崗位上奮斗著，其中膠帶機防掉人保護也是其中一個可能的風險，需要盡快制定切實可行的解決方案來避免將來事故的發生。

本次研究的目標是設計一種膠帶機防掉人保護系統， 當發生人員掉落到膠帶機

上后，可以被系統自動識別，并且產生連鎖動作，可以產生報警或者停止膠帶機運行，并可以使得與該膠帶機連鎖的相關設備，進行必要的聯動，從而既可以保障人員安全，又可保證設備安全，把對礦山生產帶來的影響，降低到最小，從而實現礦山安全高效生產目的。

2.系統設計

礦用膠帶機防掉人保護系統由以下設備構成：

（1） 無線人員定位基站

該裝置可以自動識別接近該設備的人員，并獲取人員和裝置之間的距與位置。具備通訊接口，把檢測信息提供給遠程的保護和監控系統; 具備關量輸出能力，接入沿線設備，可以產生急停。具備就地聲光報警功能，具備模擬量輸出功能。

（2）無線標簽

該裝置可以由人員佩戴，當該標簽進入無線人員定位基站探測范圍后，可被無線人員定位基站定位。

（3）無線/有線基站

該裝置至少可以支持RS485接口，以太網口，提供無線人員定位裝置通訊接入，基站通過光纖可以接入井下環網。

（4）下位機

下位機至少可以提供急停功能，下位機急停線和無線人員定位裝置的急停線連接，使用硬件觸發來降低系統反應時間，開關量或者模擬量，并可通過CAN總線與監控主機通訊。

（5）監控主機

監控主機的功能是執行膠帶機，轉載機，刮板機的啟停和保護功能。在本系統中，主要使用它的急停，CAN通訊，MODBUS-TCP或 MODBUS-RTU通訊，來設置無線人員定位裝置并響應無線人員定位 裝置的急停處理，和對沿線進行語音預警播報，同時實時讀取無線人員定位裝置信息，在監控主機主屏上進行顯示。系統模型如下：

（1） 無線人員定位基站

無線測距和定位技術是無線人員定位基站的核心技術。要求定位精度高，定位速度快，對外界環境條件耦合性低，且生產制造工藝不能太復雜，具有很好地可維護性。

室內人員測距和定位技術通常為Wi-Fi定位，藍牙定位，RFID定位，UWB定位等。影響定位的主要環境因素為： 障礙物，噪音，多徑效應，粉塵顆粒等。

1）WI-FI 定位

WI-FI 定位技術另一種常用算法為指紋定位算法，就是先對信號源周圍的空間距離進行大量信號強度采集，建立一個巨大數據庫，當新加入的設備進入該區間后，測量該設備的信號強度，再對數據庫中的數據進行匹配，來確定設備位置的方法。經過實際測試，指紋算法的平均誤差一般在2m ～ 8M 之間。特點是僅依賴于現有WIFI網絡，受非視距離（NLOS）影響小，造價低，實現簡單，測量精度在米級，測量最大距離受WI-FI信號覆蓋距離影響。

2）藍牙定位

藍牙定位原理是基于RSSI（信號場強）值，主流室內定位技術主要使用網絡側定位。網絡側定位系統由藍牙終端（例如 Beacom，定位標簽等），藍牙網關，無線局域網和數據服務器構成。事先知道藍牙網關的坐標位置，通過藍牙終端的RSSI值計算距離，后端數據服務器通過解析計算藍牙終端信息和RSSI值，得到藍牙終端的位置信息。特點是設備體積小，造價低，功耗低，受非視距離（NLOS）影響小。測量精度在米級，測量穩定性容易受噪聲干擾。藍牙規范目前最高版本是5.0，其定位精度在2M，藍牙組織準備推出5.1標準，此標準定位精度可以達到厘米級。

3）RFID定位

RFID定位常用的定位方式為RSSI，其原理是射頻信號的衰減量與距離的平方成反比。已知發射信號的功率，通過檢測接收信號的功率強度，即可得到信號傳輸的距離。其缺點是： 接受的信號容易受到環境影響，比如多徑干擾，LOS等，定位精度低。 此算法比較有名的是LANDMARC：采用有源RFID的位置感應。

4）UWB定位

UWB（Ultra Wideband）是一種無載波通信技術，利用納秒至微秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數據。中國使用的頻段分布在6.0 到 9.0G HZ UWB芯片的主要供應商為Decawave/ BeSpoon/ Novelda. 其測距方法通常使用雙邊雙向（SDSTWR）測距。

其計算公式為：

假設： 設備A主動發起第一次測距消息設備，設備B接收設備A的消息，并反饋給設備A消息，設備A接收消息后，再次發送消息給設備B

Tround1：設備A發送消息的時間到設備A接收到設備B反饋消息時間

Treplay1：設備B接收到設備A的消息，到設備B反饋消息給設備A時間

Tround2：設備B發送反饋給設備A時間到設備B接收設備A時間

Treplay2：設備A接收到設備B反饋時間到設備A發送消息給設備B時間

雙邊雙相飛行時間誤差分析公式：

通過該方式，理論測距誤差在ps級別。UWB定位技術采用TOF 定位方式，有零維定位，一維定位，二維定位，三維定位等。

無線人員定位基站的組成如下：

無線人員定位基站中集成了無線測距模塊和中央處理器，通過無線測距模塊對標簽進行測距，后由中央處理器根據多個定位模塊的數據進行邏輯運算，從而輸出定位信息。

無線人員定位基站對外提供RS485接口，支持ModelBusTCP/RTU協議，對外提供點表查詢接口。

常開和常閉端口對外提供急停和查詢接口。如果人員突然接近基站，會導致常開點和常閉點翻轉，觸發沿線急停。

本基站設計為可以同時查詢多個標簽，低延時，測試精度在厘米級別。

本系統中擬定無線人員定位基站可以安裝于敏感位置的入口處，防止人員誤掉入。

（2）無線標簽

本系統中，無線標簽采用有源標簽，采用TDOA算法，降低時鐘同步帶來的誤差，標簽采用閑事長時間定時喚醒機和忙時短時間喚醒方式，降低本身的功耗，達到長時間待機的效果。充電方式采用無線充電，便于大量標簽的集中充電管理，電池可以連續工作20天，減少充電次數，延長電池使用壽命。

無線標簽為工作人員隨身攜帶，一般要求安裝在人員腰部，這樣既可以減少標簽被物品或者障礙物遮擋的可能性，也達到減少對于工作妨礙的目的。

當標簽在報警范圍外（標簽0位置），標簽每隔10s喚醒一次;

當標簽進入報警區域（標簽1位置），標簽每100ms喚醒一次;此時觸發服務器對沿線報警，同時本地的無線定位設備自報警。

當標簽進入警區域（標簽2位置），標簽不休眠;此時觸發服務器對相關沿線設備控制急停。

（3）無線基站和下位機完成數據的傳遞。

無線基站提供485接口，光纖接口，以太網接口，電源接口等。

無線人員定位基站通過485接口接入無線基站，無線基站通過光纖和交換機接入井下環網，可實現服務器對于無線人員定位基站的配置和狀態，數據的查詢等。

下位機提供電源輸入/輸出，多路開關量和模擬量的輸入輸出;CAN通訊，急停，閉鎖接口等。下位機通過級聯實現皮帶沿線通訊和控制;下位機可以提供對于無線人員定位基站的供電，并接入無線人員定位基站的模擬量和開關量，實現數據查詢和緊急情況發生時的急停動作。

（4）監控主機

監控主機為整個系統的服務器端，采用嵌入式計算機，有10.4寸顯示屏及防爆鍵盤模塊，可以保證系統運行時所有人的機交互的工作順利進行，包括系統運行狀態、有效設備的運行狀態實時顯示、設備運行信息的報警和記錄等。有多路模擬量和開關量輸入或者輸出端口，主要用于井下各種膠帶機的啟停控制，膠帶機沿線狀態監控和保護，關聯設備的連鎖動作，以及連接無線定位基站，并對其進行監控。監控主機具有聲光報警模塊，并可以對所有控制沿線進行語音播報;監控主機通訊接口為多個標準RS485和標準以太網口，可以直接和具有通訊接口的設備通訊，也可以實現以本設備為網絡節點中的一員，與其他客戶端或者服務器實現信息共享。

下面從三個方面闡述控制器在應用中作用。

1）.參數設置

為了確保在不同工況下都可以使用該設備，監控主機采用了靈活配置參數的方式。主要的參數如下圖所示，如無線人員定位基站安裝位置、人員接近距、報警或者停車閥值、報警觸發或停車觸發設備所應執行策略和連鎖方式等等，可以根據工況可自行設定。

2）. 數據采集和處理

為了確保防掉人信號響應可靠，控制器接入了三路信號，分別是實時距離模擬量信號、常開開關量信號、常閉開關量信號，如圖所示。一級保護：實時距離值。此時將人員距離防掉人基站的距離分成三個等級，安全距離，報警距離，停車距離。為了防止數據震蕩，增加數據點平滑處理算法，快速準確的得到當前真實距離。二級保護：正常常開信號。當實際值小于等于停車距離，防掉人基站直接將信號閉合，控制器檢測閉合信號，停車。三級保護：正常常閉信號。當實際值小于等于停車距離，防掉人基站直接將信號斷開，此時控制器的急停線被斷開，設備停車。此三級保護是逐層遞進的，加強系統可靠性。

3）.報警

為了將報警信息準確直觀的反應給工作人員，本控制器會反饋處三種信息。語音、有色光線和顯示器上文字提示。在報警或者停車時，控制器的聲光報警器會發出報警內容，同時發出一定頻率的有色光線。語音內容和光線頻率可配置。在控制器上顯示常開信號動作值、人員接近報警值、人員接近停車值，以及實時距離值。并且在報警或停車后，顯示詳細報警或停車信息，包括人員標簽號、防掉人基站號、信號產出時的實時距離、以及時間等。解除報警后，信息清除，但是在歷史信息及歷史曲線中分別可以查詢到事件信息和發生概率。

3.系統現場應用

膠帶機防掉人保護系統在地面和井下進行了現場測試，經過測試驗證，人員識別率100%; 警告區域，識別速度<0.5s，監控主機位置跟隨反應速度<1s;危險區域，識別速度<100ms， 監控主機沿線急停時間小于100ms.

井下測試中也發現了一些實驗室未暴露的其它問題，需要向后繼續改進。

4.結束語

膠帶機防掉人保護系統為解決膠帶機防掉人保護提供了一種方法和經驗積累，也希望通過我們對于此技術的研究為更多在此方面探索的研究人員提供更多的啟發。膠帶機防掉人保護系統雖然已經在礦上進行了現場測試，并且達到了預期的效果，但是還需要在此基礎上，不斷地改進系統的性能，擴展應用局限性。隨著新技術和新設備的產生和服務于生產，在不久的將來，期待該技術還會有更加長足的進步。

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