光纤传输技术在煤矿监控系统中的应用

刘 芬

（1.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039；2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037）

煤炭是我国的主要基础能源和重要工业原料，长期在我国的一次性能源消费和生产中占据主导地位。我国既是世界上最大的煤炭生产国家，也是煤炭消耗量最大的国家，因此如何保证煤矿安全可靠的持续生产，对我国国民经济的发展有着重要意义[1-3]。煤矿井下环境复杂，充斥着各种有害气体，只有对井下的各种工况环境和灾害气体进行实时监测，同时对运输设备、采煤机等电气设备进行工作状态的实时检测与诊断，才能保证整个煤矿的安全运行[4-7]。

在矿井监测系统中，传感器能实时采样工况环境和设备参数，是煤矿安全生产运行的关键设备。目前，我国已开发出大量用于煤矿检测和监测系统的传感器，主要包括甲烷传感器、一氧化碳传感器、风速传感器、温度传感器、压力传感器、烟雾传感器等[8-12]。这些传感器与监控分站的数据传输大多采用电压或电流等模拟信号，另外也有采用CAN总线和RS485总线等总线方式进行数据传输。这些数据传输方式在传输线路上的表现均为电信号，在远距离传输过程中可靠性和及时性会大大降低，同时由于矿井运输设备、采煤设备等电气设备在工作时会产生大量的电磁辐射，会对传输线路上的电信号产生极大的干扰，大大降低数据的准确性。随着光纤通信技术的发展，光纤传输技术已广泛的应用于民用、军用和工业等场合，相对于传统电缆，光纤具有抗电磁干扰能力强、传输损耗小、传输速率高以及质量小等特点，特别适合应用于环境复杂，条件恶劣的场合[13-16]。为此，针对电缆传输在煤矿井下环境中存在的各种问题，同时结合光纤技术的优点，提出了光纤传输方案在矿井监控系统中的应用，井下传感器终端设备与监控分站通过光纤进行信号传输，保证数据传输的稳定性、及时性和可靠性[17-20]。

1 光纤传输模组总体结构

目前，我国煤矿安全监控系统多采用“树形结构”的方式进行数据的传输，即监控中心通过交换机与监控分站组成主干网，井下工况、环境的检测设备包括各类传感器、断电器等终端设备下挂在分站下面，组成整个安全监控系统的分支网。主干网中监控分站、交换机构成以太网环网，可以采用成熟的光纤以太网进行通讯，而分支网中各终端设备与监控分站之间的数据传输主要通过模拟量或数据总线传输方式，因此重点研究终端设备与监控分站之间的光纤传输模组，解决矿井复杂工况和环境下的数据传输距离短、抗干扰能力差、速度慢等问题。

1.1 光纤传输方式

按照光在光纤中的传输模式光纤传输主要可分为单模光纤和多模光纤。在光纤通信中，单模光纤是一种在横向模式直接传输光信号的光纤，传输的是单一波长的光波。单模光纤运行在100 M/s或者1 G/s的数据速率，传输距离可以达到至少5 km，通常情况下，单模光纤用于远程信号传输。多模光纤主要用于短距离的光纤通信，传输速度是100 M/s，传输距离达2 km。

传统总线传输方式一般需2根以上的数据总线，如CAN总线、RS485总线均需2根电缆总线进行数据的传输。如果在光纤传输中采用时分复用技术可在1根光纤上实现数据的收发，即发送信号和接收信号分别在不同的时段在光纤中进行传输，相互之间没有影响，大大提高光纤的利用率。相对于传统数据传输总线，使用光纤传输不仅可以提高速率、增加距离、增强抗干扰能力，而且可以减少线缆的用量，减轻线缆的质量，方便矿井下的布线工作。因此，针对矿井下的复杂环境和远距离传输需求，主要采用的是单模光纤的时分复用传输模式。

1.2 光电复合线缆和复合接头

终端设备与监控分站之间不仅需要进行数据交互，而且需要监控分站提供电源来保证终端设备的正常工作。因此针对实际需求，研究了光电复合线缆和复合接头的方案。矿用光电复合线缆截面图如图1。

图1 矿用光电复合线缆截面图Fig.1 Cross section of mine photoelectric composite cable

光电复合线缆采用矿用阻燃光缆，同时集成电缆，其中，电缆用于终端设备的供电；光缆用于数据的传输，光缆数一般为2根，1根用于实际传输，另1根可做备用，可根据实际需求定制光缆数量；填充、包带和线缆外套采用阻燃防爆材质，以达到矿用本安要求。

根据线缆结构设计复合接头结构，采用普通双芯光纤防水接头，加装2芯电线组成，结构简单、成本低廉，符合实际应用需求。

1.3 井下光纤传输模组结构

井下光纤传输模组结构如图2。分站系统通过光电复合缆和复合接头与分线箱连接；分线箱内部集成有无源分光器对光路信号进行分路，线路简单，容易扩展；分线箱与终端传感器设备通过复合光缆进行连接；传感器内部集成光收发模块，实现光信号和电信号之间的转换。

图2 光纤传输模组总体结构Fig.2 Overall structure of optical fiber transmission module

分线箱内部的无源分光器可以将1路光信号分成多路，分光器的信号衰减是固定的，不影响信号的传输，无源分光器已是成熟的技术，在国际上已有大量的应用。通过分光器的灵活搭配，结合光纤传输距离远、速度快、损耗低、抗干扰能力强等特点，可根据现场实际应用环境，灵活安装监控分站和分线箱子的位置。

2 光纤收发模块原理

光模块主要是由光电子器件、功能电路和光接口等组成，光电子器件包括发送和接收2部分，发送端把电信号转换成光信号，通过光纤传输后，接收端再把光信号转换成电信号。光模块可以分为光接收模块，光发送模块，光收发一体模块和光转发模块等。因为采用的是单光纤传输，因此需要选用光收发一体模块。光收发一体模块原理框图如图3。

图3 光收发一体模块原理框图Fig.3 Principle block diagram of optical transceiver integrated module

光收发一体模块内部集成了发送和接收2个部分。发送部分通过激光驱动器驱动激光器将输入的电信号转换为光信号，透过分光片折射到光纤上进行信号传输；而接收部分是光纤传输过来的光信号经过分光片折射到探测器上，经检测转换成电信号，然后通过放大器和缓冲器调制，转换为正常的电信号进行数据输出。因为研究的是单光纤进行数据的收发，因此为了避免同一波长光信号在输入输出端造成探测器的检测混淆，对输入光信号和输出光信号分别采用不同的光波信号，同时利用分光片对不同波长光波的透射率和折射率的不同，来分离出输出光波和输入光波信号，保证光信号传输的唯一性和可靠性。

光模块作为光通信的核心器件，已在工业光通信领域得到了广泛的应用。市面上光模块种类繁多，功能各异，根据实际需求选用的一款TTL 1X10电平单模单纤光收发一体模块，其传输速率最高可达到5 M/s，接口电平兼容标准TTL电平和CMOS电平，功耗低至120 mW，适合矿井下的传感器等对功耗要求比较严苛的终端检测设备。

3 光纤收发模块在传感器中的实际应用

选用的是中煤科工集团重庆研究院的KG9701B型低浓度甲烷传感器，该传感器与监控分站之间的通信是RS-485总线方式。传感器内部通过SN65LBC184芯片将MUC的USART串口信号转换为RS-485信号,通过数据总线传输到监控分站，在分站内部又通过RS-485芯片将总线信号还原为串口信号传输到分站内部的CPU。因此，USART转RS-485和RS-485转USART对传感器MCU和监控分站的CPU来说是透明的。

因为光电收发一体模块接口电平为标准的TTL电平和CMOS电平，可以快速的实现光信号和电信号之间的相互转换。因此使用光模块可以很好的替代RS-485转换芯片，实现传感器和监控分站之间的光纤信号传输，光模块在传感器中的应用如图4。由图4可以看出，光模块可以在不改变原有的软件通信协议的基础上，实现了传感器与监控分站的光纤信号传输。

图4 光模块在传感器中的应用Fig.4 Application of optical module in sensor

将4台甲烷传感器内部的RS-485芯片替换为光模块，然后通过1分4的分光器与分站监控系统建立连接，打开分站系统进行实际的通信测试。通过实际应用测试可以得出光纤传输网络能很好的满足实际应用需求。

4 结 语

数据传输的稳定性和可靠性，是煤矿安全运行的重要保障，如何解决好监控系统的数据传输在井下复杂环境遇到的距离短、速度慢、抗干扰能力差等问题，对煤矿安全生产有着重要意义。基于对光纤传输技术的研究，提出了光纤传输模组方案，经实际应用测试，在不改变监控系统原有的软件通信协议框架的基础上，数据传输性能稳定、可靠。因为光纤信号的天然光电隔离和传播速度极快的特性，结合复合光缆和复合接头，非常适用于煤矿井下复杂的工况环境。因此，采用光纤传输模组能有效的解决矿井监控系统井下数据传输遇到的各种问题，保障煤矿安全生产。