一种基于RFID方式的采煤机位置检测系统的研究

田成金

（北京天地玛珂电液控制系统有限公司，北京100013）



一种基于RFID方式的采煤机位置检测系统的研究

田成金

（北京天地玛珂电液控制系统有限公司，北京100013）

采煤机位置检测技术是综采工作面智能控制技术的关键技术之一，是综采工作面实现智能化、无人化采煤的重要基础和先决条件。通过分析现有的3种主要检测技术和应用中存在的问题，提出了一种基于RFID方式的采煤机位置检测技术，并按照工作面的要求进行了检测系统的整体设计和通信方案设计，选取了适应于煤矿井下金属环境下的标签，对搭建的系统设计方案进行了实际测试，实验结果表明设计方案能够满足设计要求。

综采工作面；采煤机位置；射频识别技术

随着我国煤炭综采技术水平的发展和提高，综采成套装备的发展取得了长足进步，正在向智能化方向发展。采煤机位置检测系统是综采成套装备的重要组成部分，准确的采煤机位置是综采成套装备实现智能化采煤的前提条件。目前常用的采煤机位置检测技术有以下3种:一是基于齿轮计数或编码器的采煤机位置检测技术；二是基于红外线检测原理的采煤机位置检测技术；三是基于惯性测量单元（Inertial measurement unit）的采煤机位置检测技术。3种检测技术和系统在实际应用中均存在着一些客观问题，齿轮计数方式的采煤机位置检测技术和装置存在2个问题，一是校正功能可靠性低，校正传感器安装位置不能高于刮板输送机，位置偏低，经常被煤流压埋，损坏几率较大；二是维护不方便，由于传感器等装置安装在采煤机里面，每次维护需要拆卸厚重的盖板。基于红外线检测原理的采煤机位置检测技术和系统存在两个方面的问题，第一个方面是每个支架都需要安装一套接收器和一根防爆铠装电缆，成本高昂；第二个方面是红外线检测需要角度合适才能接收到发射器发射的信号，由于接收器必须安装在支架靠近采煤机和人行通道侧，接收机的探头经常被触碰，角度发生变化而无法接收发射器的信号。基于惯性测量单元的采煤机位置检测技术和系统在美国和澳大利亚得到成功应用，我国还未有商业应用，原因是成本较高。由此可见，研制一种检测单元简捷、易维护、性价比高的新型的采煤机位置检测装置非常必要［1-5］。

1　射频识别技术应用的可行性分析

采煤机位置通常以采煤机的中间部位位于以整数数字编号的液压支架的位置来表示，通常在1～300之间，该表示方法是数字式的跳跃式，这是目前最通用的表示方法。图1表示的是正在执行自动化采煤时工作面各设备的位置状况，其中标注号码的是液压支架，虚线表示刮板输送机，20号支架上方处表示采煤机。图中所示采煤机由机头向机尾方向运行，当前的采煤机位置为21［6］。

射频识别（Radio Frequency Identification，简称RFID）技术能够通过无线电磁波的传播和感应识别目标物体，对于识别离散的单个物体具有非常好的鉴别能力。一个射频识别系统基本由阅读器和电子标签及上位机构成，并且阅读器和标签之间是非接触式，两者利用射频信号在空间的传播特性和空间耦合的传输特性，在人工不干预的情况下能够实现对静止或移动物体的自动识别［7-10］，其优势是同时能够识别多个目标，且能够工作于恶劣的环境，具有操作快捷、方便等特点。目前广泛应用于煤矿出入井人员管理和井下区域人员定位系统、物联网的物体识别和定位、物流系统的物件管理、煤矿设备综合管理系统等领域［11-14］。鉴于此，由于综采工作面的液压支架是一排整齐的单独的个体，在采煤机经过时均处于前后运动的静止状态，而采煤机位置信号实际上就是每个液压支架的标识编号，因此每个标签内部可以储存一个代表液压支架的编号，通过设置阅读器的发射功率设定阅读器的读写距离使读写器扫描附近的标签，这样当读写器读取标签编码并将此编码传送给上位机时，上位机便可确定阅读器在哪个标签附近，通过将阅读器安装于采煤机机身上，便可确定采煤机的实际位置。因此本论文将基于射频识别技术开展采煤机位置检测技术的研究。

图1　采煤机位置示意

2　采煤机位置检测系统的设计

采煤机在工作面中是动态运行的，液压支架在工作面只有推进方向的前后移动，而在工作面方向的位置固定，无左右移动，结合RFID技术具有强大的定位功能，因此能够应用于该系统进行采煤机的定位，具体思路如下:RFID读写器安装在采煤机上，标签安装在液压支架上，两者安装在同一水平上，当带有读写器的采煤机在工作面上移动时，根据读写器的读写距离和读写角度，读写器应该能够同时读到一个或多个标签，利用软件算法解析确定一个数据作为采煤机当前的位置数据；与上位机通信采用无线通信的方式。

因此该系统的总体设计是通过应用RFID定位技术和无线传输技术，开发一套基于上述两种技术的采煤机位置检测装置，用于实现采煤机在工作面的位置定位，并能将定位数据上传给上位机，为综采工作面自动化采煤提供依据。检测装置包括两个部分，其中一部分是位置感知发射器，安装于采煤机上，其主要功能是实现位置信号的感知和发射数据信息，另一部分是位置无线传送接收中继器（简称无线接收器），安装于液压支架上，用于接收感知发射器发送的位置信息并将信息传输到液压支架电液控制系统。总体设计如图2所示。

图2　采煤机位置检测系统总体设计

2.1感知发射器框架设计

采煤机位置感知发射器的设计主要是实现标签信息的读取、处理和发送，因此其框图设计如图3所示，其硬件部分主要包括以下几个方面:

图3　感知发射器设计

微处理器 作为中央处理器，是采煤机位置感知发射器的中枢系统，负责控制指令的发出、数据的运算、整体协调指挥整个装置的运行。

电源处理单元 外部电源为从采煤机引入的12V本质安全型电源，此电源需经过处理变成装置需要的5V，3.3V等电压等级的电源等。

RFID读写器单元 此单元用于和微处理器通信，从微处理器接收指令并按照指令读取标签数据，然后将接收到的指令返回给微处理器。

无线发射器单元 此单元用于和微处理器通信，从微处理器接收指令和采煤机位置数据，按照指令发送采煤机位置数据。两者之间利用串口相互连接。

2.2无线接收器框架设计

采煤机位置无线接收器的设计主要是实现位置数据的接收并向液压支架电液控制系统传送接收到的位置数据并实时显示位置数据，因此其框图设计如图4所示，其硬件部分主要包括以下几个方面:

图4　无线接收器总体设计

微处理器 作为中央处理器是无线接收器的中枢系统，负责控制指令的发出、数据的运算处理、程序的运行、整体协调指挥控制整个装置的运行。

电源处理单元 外部电源为从液压支架电液控制系统引入的12V本质安全型电源，此电源需经过处理变成装置需要的5V，3.3V等电压等级的电源等。

无线接收单元 此单元用于和微处理器通信，从微处理器接收指令，实现对采煤机位置数据的无线接收，并且将接收到的数据传送给微处理器。两者之间利用串口相互连接。

液压支架电液控制系统 和微处理器以串口形式连接，根据微处理器的指令要求，将采煤机位置数据发送给液压支架电液控制系统，此部分实现两种电路接口向液压支架电液控制系统传送数据。

调试接口 用于和上位机连接，实现在线实时仿真调试。

2.3无线传输方案设计

无线发射器集成于感知发射器中，安装于采煤机上，接收器安装于液压支架顶梁上，与支架控制器连接，并由支架控制器提供12V工作电源。两者之间实现通信，采煤机位置由无线发射器发送到空间电磁场，无线接收器从空间电磁场接收采煤机位置并传送给液压支架控制器，从而完成采煤机位置信息的传送。

如图5所示，综采工作面等距离安装多个接收器，多点接收的方式满足设计要求。具体的工作流程如下:当采煤机由机头向机尾移动时，无线发射器发射指令和信号与机头附近处于接收范围内的无线接收器建立连接，实现采煤机位置数据的传送，当采煤机向机尾方向移动时，机头附近的无线接收器与采煤机的距离逐渐增大，当距离增大到该无线接收器无法收到发射器的数据时，该无线接收器自动断开与无线发射器的连接，无线发射器逐渐与相近的无线接收器建立连接，实现无线接收器连接的交替，至少保证一个接收器能够工作。同理，当采煤机由机尾向机头方向行走时实现无线发射器由机尾向机头方向的交替。可根据工作面的情况随时调整接收器的数量，满足冗余设计原则。

图5　无线传输方案设计

2.4电子标签的选型和性能指标

2.4.1电子标签的选型方案论证

电子标签可以根据内部是否有电源分为主动式标签（有源标签）、被动式标签（无源标签）和半主动式标签（半有源标签）3类。

主动式标签内部具有电源供应器，除用于供应内部芯片所需电源外，还主动地向阅读器发送返回数据。优点是读写距离相对较远，可重复读写，记忆容量较大；缺点是体积较大且需要更换电池，价格比较昂贵，寿命较短，主要应用于军事、运输管理等领域。被动式标签没有内部供电电源，其内部集成电路通过接收到的RFID阅读器发送的电磁波进行驱动，当标签接收到足够强度的电磁波时，向阅读器发出数据。优点是无需电源、体积小巧、价格低廉、寿命较长；缺点是只能唯读且通讯距离较短，主要用于储存识别资料。半主动式标签也称为半有源式电子标签，其特点是标签中安装的电池仅用于为标签的电路提供电源，和阅读器之间的通信方式采用反向散射调制方式，通过阅读器激发标签产生。半有源标签集成了有源标签和无源标签的优点，具有内部电池，但仅对标签内要求供电维持数据的电路提供支持，其能量并不转换为射频能量。标签进入工作状态前，相当于无源标签；当进入阅读器的读出区域时，受到阅读器发出的射频信号激励，进入工作状态时，标签与阅读器之间信息交换的能量支持以阅读器供应的射频能量为主，从而具有了有源标签读写距离远和无源标签寿命长、免维护的优势。

该系统应用的标签需要安装在液压支架上，要求体积小巧，性价比高，适应环境的能力强，读取成功率高，半有源式电子标签非常适合，因此该系统适宜选取半有源式电子标签。标签在安装时需要面对采煤机安装在液压支架上，因此其安装的背部材料是金属，周围也是金属环境，因此适合于选取金属标签，增强可读率。根据这些要求，最终选取了PowerM-W604型标签。

2.4.2电子标签的性能指标

调研时发现由以色列 PowerID公司生产的PowerM-W604是一款坚固、使用寿命长的电池辅助金属标签，能够用于追踪货盘集装箱、单元装载设备和运送集装箱等设备，是一款非常好的金属标签。

PowerM标签是一种RFID标签，特别为可靠跟踪金属物品而设计，感应距离最远可达40m，其对金属物品的跟踪具有理想的效果，常用于钢坯及线圈、汽车零件、航空航天产品、IT基础设施、金属容器等金属制品的物流运输。PowerM标签具有轻薄、灵活特性和环境友好型的电池供电技术，因而能够提供卓越的标签性能。该内嵌电池省却了标签从读取器获取能量触发标签的过程，解决了被动标签从RFID读写器获取能量而难以获得理想性能的局限。

PowerM是企业在寻求金属物品跟踪需求方案的一种理想解决方案，具有低成本跟踪、高可靠性、寿命长等特征，与其他电子标签相比具有一些优势:一是符合Gen.2协议，可使用通行的硬件和软件；二是具有集成电源，无需从读写器获取散射发射的能量而获得近乎100%可靠的识读率；三是具有超高频RFID，频率范围860～960MHz；四是工作寿命长，长达5a的使用寿命，非常适合集装箱、滚笼和运输容器的追踪，同时能够适应于井下环境，满足要求；五是能够达到有源标签的性能而又具有无源标签的特征；六是适合恶劣环境应用，特别适用于金属物品如钢板线圈、IT基础设施、滚笼等追踪管理。具有如下特性:

3　测 试

3.1读取距离与功率值的测试

发射功率由上位机对标签读取模块进行设置，可设置不同的功率值，为了选取合适的读取距离，首先通过设置不同的功率对标签和读写器的正面直线距离进行了测试，当对 RF_Power置10dBm，17dBm和22dBm后，测得的读写距离如表1所示。

表1　标签感应距离测试

根据实际应用的要求和冗余原则，舍弃了前两个功率值，功率值为 22dBm，直面距离达到6.75m，基本满足系统要求，故将该功率值作为应用的功率值。

3.2标签感知距离测试

在确定功率值后，利用该功率值来实施本步的测试。将标签粘贴在一块铁板上并固定在一个支架上，将感知发射器同水平放置并移动，首先由近及远测试感应距离，记录在什么距离时超出读写器的读写范围。然后由远及近测试感应距离，记录什么时候进入感应器的读写范围。同样，将感知发射器由左向右和由右向左移动，记录感应的临界值，测试数据如表2所示。

表2　标签感应距离测试

由表2看出，测试的几个方向的标签读写距离介于5.86～6.77m之间，达到了设计条件，完全能够满足设计要求。

4　结束语

自动化和智能化成为我国煤炭综采成套装备当前和未来一段时间发展的重要方向，这势必要求各个单机的智能化技术水平大幅提升。采煤机位置检测系统作为煤炭综采成套装备实现自动化采煤的重要依据，在整个智能化控制系统中占据重要作用，因此本文针对这一课题对目前的技术进行分析，提出一种实现方法，成功实现了采煤机位置的检测。与其他几种检测方式相比，该套检测系统的优点如下:该套系统与计数方式或编码器方式相比，无需在行走箱内安装元部件，减小了故障率，采用无线传输技术的通信方式节省了传输电缆，可靠性提高；与红外线检测技术相比，系统采用RFID技术，其发射器和接收器的安装要求低，维护量大幅降低；与基于计数方式采集和无线短距离通信传输的采煤机位置检测装置相比，故障率降低、系统可靠性提高；系统元部件明显少于前述3种检测方式，成本大幅降低，适用性得到提高。

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［责任编辑：邹正立］

A Position Detection System of Coal Cutter Based on RFID Mode

Tian Cheng-jin
（Beijing Tiandi Ma'ke Elector-hydraulic Control System Co.，Ltd.，Beijing 100013，China）

Coal cutter position detecting technology is one key technology of intelligent technique of fully mechanized coal mining face，it is an important foundation and postulate of intelligent and unmanned operation coal mining for fully mechanized coal mining face.The problems of the three major detecting techniques and application were analyzed，then a position detecting technique of coal cutter based on RFID mode was put forward，and integrated design of detecting system and communication scheme design that under working face standard were done，and then a label that adapt to metal environment of underground was selected，the system design scheme was test in practical，the results showed that the scheme could satisfied design requirements.

fully mechanized coal mining face；coal cutter position；RFID

TD632.1

A

1006-6225（2016）04-0005-05

2015-12-24

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.04.002

国家高技术研究发展计划（863计划）资助项目（2013AA06A410）

田成金（1979-），男，山东费县人，副研究员，硕士研究生，从事煤矿综采工作面智能控制技术方面的研究开发工作。

［引用格式］田成金.一种基于RFID方式的采煤机位置检测系统的研究［J］.煤矿开采，2016，21（4）：5-9.