基于433MHz技术的采煤机与顺槽设备无线通讯方案

2016-05-18王雪松王慧明

中国煤炭工业 2016年10期

文/王雪松王慧明

文/王雪松王慧明

采煤机作为综采工作面的核心设备，与顺槽设备远程通讯的数据实时稳定传输能力决定着远程监控采煤机的可靠性和安全性。采煤机与顺槽设备通讯具有距离长、采煤机的移动性、工作时电缆往返折返性、周围环境恶劣等特点，因此对通讯设备有着特殊技术要求。本文针对有线通讯在采煤机与顺槽设备通讯的缺点，以及井下在用无线通讯技术的瓶颈问题，提出一种适用于采煤机与顺槽设备通讯的可靠、经济、合理的无线通讯技术方案。

一、各传输方式的特点

1.有线通讯方式

有线通讯方式的传输媒介采用采煤机供电电缆内的双绞屏蔽控制芯线或井下专用的铠装光缆。由于采煤机与顺槽设备距离较长（500m左右），经实际使用和概率测算，电缆或光缆在采煤机往返工作时，平均三个月即会出现线芯折断或虚接等故障，导致通讯中断，难以满足通讯的持续稳定性。且井下环境恶劣，维护更换难度大，大大增加了自动化工作面的维护运营成本。

2.无线通讯方式

无线通讯方式多采用Wi-Fi或4G技术，其共同特点：数据带宽大，传输效率快。Wi-Fi在工作面绕射能力较差，布置基站较多（300米工作面隔50米布置一个），在基站之间漫游时，会有数秒的中断延时，严重影响采煤机远程控制的安全；4G具有通讯距离远，实时、可靠传输数据，但设备成本昂贵（单套100万元以上）。

3.无线433MHz技术

433MHz是我们国家的免申请段发射接收频率，属于ISM频段，无需授权许可即可直接使用。433MHz抗干扰强，并支持各种点对点，一点对多点的无线数据通讯方式，具有收发一体、安全隔离、安装隔离、使用简单、性价比高、稳定可靠等特点，同时433MHz技术的数据传输速率能达到100Kbps，而采煤机收发数据量约为200Bytes，响应时间要求小于20ms，完全满足采煤机执行器件动作的实时性。同时，该技术采用高效GFSK调制方式，内置硬件CRC检错和点对多点通信地址控制，自动重发功能。因此，只需遵守一定的发射功率，不对其他频段造成干扰即可使用，与Wi-Fi、4G相比，具有波长短、绕性好，穿透强、成本低等优点，更适合井下工作面恶劣工况环境。目前433MHz无线通讯技术在国内外采煤机遥控系统广泛应用，如果将此技术应用于采煤机数据上传，将有效提高传输的可靠性和安全性。

二、采煤机与顺槽设备无线通讯方案解析

本方案通过在液压支架和采煤机中增加433MHz无线设备，它们直接进行无线通讯，液压支架中无线设备还负责把通讯数据通过中继与顺槽设备进行数据传输，从而克服顺槽距离长、无法中继、易折断等缺点。

本方案中采用型号为Si4432的高性能射频收发器。SI4432工作频段为240.0MHz～930.0MHz，输出功率可达+20dBm，接收灵敏度达到-121dBm，可提供对数据包处理、数据缓冲FIFO、接收信号强度指示(RSSI)、空闲信道评估(CCA)、唤醒定时器、低电压检测、温度传感器、8位AD转换器和通用输入/输出口等功能的硬件支持。

此无线技术方案由采煤机位置设备、采煤机无线设备、液压支架无线设备、中继设备、顺槽设备组成。

采煤机上的无线模块为主站，液压支架上的N多个无线模块为从站，从站通过有线与顺槽的主控器进行通讯，技术关键点是当采煤机在多个从站之间不停游走，如何能与最近的从站进行通讯，需要用到芯片的RSSI功能，即接收信号强度指示，当一只模块与另一只模块进行通讯时，接收到对方发回的信息的同时，RSSI寄存器中可以检侧到接收的无线信号的强度，根据RSSI值的大小可以判断不同从站与主站的相对远近关系，RSSI值最大的即是最近的从站。

这就需要在内存中建一个结构型数组，其中有从站地址号和RSSI值，程序不停的扫描附近的从站，并且更新这一数组，每次更新的同时按RSSI进行从大到小的排序，在该数组中的第一个即是离采煤机最近的液压支架上的无线模块从站。

安装位置与作用如下：

采煤机位置设备。安装在采煤机上，用于在工作面上定位采煤机位置。

采煤机无线设备。安装在采煤机上，与液压支架无线设备通讯，收发煤机数据与指令。

液压支架无线设备。安装在液压支架上，间隔一定距离安装，并具有有线通讯；用于与采煤机无线设备通讯，同时把数据通过有线传输给顺槽设备。

中继设备。安装在液压支架上，在一定距离的液压支架无线设备有线传输之间安装，用于对于通讯信号进行功率放大与中转，从而保证通讯速率及通讯的实时性、可靠性。

顺槽设备。安装在顺槽集控中心，是煤机指令的发送者与数据的接收者。设备在工作面的布置如图1所示。

图1设备布置图

三、采煤机与顺槽设备无线通讯方案工作流程

系统上电后，首先进行初始化自检，然后按照如下流程工作：

1．采煤机无线设备（主）与液压支架无线设备通讯（从）。当系统启动以后，采煤机无线设备首先根据位置设备确定自己在工作面中的位置，通过计算，激活离自己最近的液压支架无线设备，并与之建立通讯，进行数据传输，其他液压支架无线设备则处于待命状态；在工作中，当采煤机行走时，采煤机无线设备根据位置数据及行走方向，启动离自己最近的液压支架无线设备，建立与其通讯，然后断开离自己渐远的液压支架无线设备通讯。

2．液压支架无线设备与顺槽设备通讯。当系统启动以后，与采煤机无线设备建立通讯的液压支架无线设备，取得令牌，即控制权，与顺槽设备建立通讯，进行数据传输；当采煤机无线设备与另一液压支架无线设备建立通讯时，令牌也随着转移，获得令牌的液压支架无线设备继续与顺槽设备进行数据传输，保持传输的连续性、稳定性。工作流程如图2所示。