基于自适应天线的煤矿提升机无线传输系统研究

史庆顺

【摘 要】 煤矿提升机监控采用有线传输时存在布线、检修困难等问题，而传统的无线传输方式则存在信号覆盖范围小、无法适应井筒复杂环境的弊端。为了提高提升机监控效率以及提升机运行安全保证能力，提出一种提升机无线传输系统，该系统采用的自适应天线依据无线信号强弱对发射频率、工作状态等参数进行调整，从而构建覆盖井筒的无线局域网并将提升机中的无线摄像头、无线电话等设备进行无线连接，实现对天轮、钢丝绳、罐笼内部等设施的远程视频、音频监控。现场应用后，无线传输系统视频、音频数据传输质量佳，传输过程中不存在卡滞、信号中断问题。研究成果可在一定程度上提升煤矿提升机运行保证能力。

【关键词】 矿井运输;提升机;井筒;无线传输

井工开采时提升机是煤炭、矸石、设备以及人员等上下井的主要设备，提升机频繁启动会引起天轮、减速器、电动机等易损件出现故障，因此对提升机运行状态、过程等进行监控对提高提升机运行可靠性具有重要意义。

1无线传输自适应天线

天线是无线传输系统核心设备之一，天线性能直接影响无线传输数据可靠性以及传输距离。

1.1天线传输频率优选

提升机井筒内壁会有明显的凹凸、结构狭长，内部布置有各种钢结构以及运输设备，且井筒内电磁环境较为复杂。为了提升无线传输效率，必须根据井筒结构优选最佳的无线传输频率。通过对山西某矿350m覆井井筒进行大量的实测，发现频率段在1.5GHz～2.7GHz间时无线传输覆盖范围以及传输可靠性最优，可满足井筒数据无线传输需要。为了更好地适应井筒无线传输需要，将1.5～2.7GHz划分成3个频段（分别为1.5～1.7、1.9～2.1、2.3～2.6）。采用基于射频锁相环、ARM单片机等构成的无线传输天线，可根据无线信号强弱自动选择合适的工作频率。

1.2辐射波束

辐射波束跟辐射单元位置、数量、单元激励的相位、结构以及幅度等参数密切相关。无线传输天线内置的ARM根据无线传输信号强弱调整移相互器、功分器输出，并调整辐射单元位置、数量以及单元激励的相位等参数，从而实现辐射波束自适应调整，从而确保无线传输天线的最大辐射波束始終面向移动中的罐笼。将无线天线布置在井筒上部横梁之上，根据无线信号强弱自动调整工作状态，具体辐射波束范围见图1。

1.3无线传输中的自适应天线结构

天线结构包括有4个整齐排布的单元天线，间距相等，单元天线上两层为矩形辐射贴片，均覆盖在FR4介质板上（厚度为1mm）。由于馈电网络会产生较大的电磁辐射，为此将馈电网络置于第三层贴片之上。具体天线结构见图2。

2无线传输系统结构及功能

2.1系统结构

提升机无线传输系统结构中前端采集设备通过无线网络经中继器传输至地面调度设备，具体系统结构见图3。

2.1.1前端采集设备

前端采集设备主要由无线电话、无线摄像头、传输天线等构成，其中在罐笼以及天轮位置均布置有无线摄像头。

通过在罐笼内布置无线摄像头以及无线电话可实时掌握罐笼内部情况，在天轮、油缸以及钢丝绳等关键位置布置无线摄像头可监测设备运行情况，及时发现存在的潜在故障。无线摄像头及无线电话采集的视频以及音频信号通过传输天线以无线信号形式传输给中间转接设备。具体前端采集设备内自适应无线天线、无线摄像头及无线电话工作参数见表1。

2.1.2中继器

中继器内结构主要包括有2个无线天线（分别负责信号接收、信号传输）、中级分站等，将中继器布置在井筒顶部横梁上，从而确保井筒内无信号盲区，并将前端采集装置收集到的无线信号传输给地面调度室。具体中继器技术参数见表2。

2.1.3地面调度室

地面调度室内设备包括有无线天线、服务器以及专用PC等，其中无线天线用以接收中继器传输的无线信号，服务器对视频数据、语音数据进行分析、处理后，在专用PC上显示。

2.2系统功能

远程语音通话：提升机内的无线电话可与监控室内的电话进行直接通话，同时主、副井筒罐笼内的无线电话也可互相通话，从而在一定程度上提升信息传输效率。

远程视频监控：通过无线摄像头实现对罐笼、井筒内部以及天轮、钢丝绳等实时监控，从而为后续的故障排除、纠正作业人员违规操作等创造良好条件。

安全广播：当提升机运行时出现紧急情况时，可通过安全广播提醒人员紧急撤离。无意外情况发生时可播放交班信息或者音乐，缓解工作人员疲惫精神状态。

3现场应用分析

山西某矿副井井筒直径为8.0m，配备落地式多绳提升机（型号JKMD-3.25×4（I）E）滚筒宽度、直径分别为1.8m、3.25m，最大提升高度为482.8m，天轮直径3.25m，钢丝绳间距为300mm，采用的减速器传动比为11.2，提升速度最大8.08m/s。电动机额定运行功率为1000kW、转速为546r/min。

矿井提升机无线传输系统于2020年5月投入使用，在使用过程中采用便携式频谱仪对提升机罐笼、井筒横梁顶部位置的无线摄像头、无线电话以及无线天线等输出功率、频率等进行测定。提升机罐笼从井口向井底车场运输过程中顶部恒梁上无线天线发射频率呈逐渐增加趋势，距离变化范围介于-60～20db·m;工作频率呈逐渐降低趋势，具体频率范围在1.5～2.7GHz间。表明井筒布置的无线传输系统可根据运行环境需要对工作参数进行调整，确保系统无线传输质量始终处于最佳状态。无线传输系统无线信号可实现井筒全覆盖、传输距离远、传输质量佳。无线传输平均能耗在3W以内，相对于其他固定频率的无线传输设备能耗降低约73%，此外无线传输系统传输的视频画面清晰、音频流畅，基本无卡顿现象。

4总结

针对矿井井筒狭长、电磁环境复杂以及设备安装、检修困难等问题，提出了一种集视频、语音等功能为一体的无线传输系统。该系统采用的自适应天线可根据无线信号强弱调整信号传输频率以及传输功率，确保井筒内无线数据可始终高质量传输。

现场应用后，无线传输系统获取到的音频、视频均无卡滞情况，传输输电以及可靠性可满足提升机安全监控需要。

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