本科畢業(yè)論文-泄漏電纜井下監(jiān)控系統(tǒng).doc

序 言煤炭工業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎和重要組成部分。但煤礦也是我國當前安全生產(chǎn)事故多發(fā)的重點行業(yè)，安全生產(chǎn)形勢十分嚴峻。近年來，由于種種原因，我國的礦難事故頻繁發(fā)生，給國家和人民帶來了嚴重的生命財產(chǎn)損失。特別是中小型鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦和私人煤礦，由于安全生產(chǎn)設備落后、安全生產(chǎn)意識不夠、沒有建立一套完整的安全生產(chǎn)管理體系，安全生產(chǎn)狀況令人擔憂。據(jù)國家煤礦安全監(jiān)察局發(fā)布的全國煤礦生產(chǎn)和安全情況統(tǒng)計，2005年全國原煤產(chǎn)量21.1億噸，死亡5983人，百萬噸死亡率2.81。這樣的數(shù)據(jù)是西方發(fā)達國家的幾十倍甚至上百倍，令人觸目驚心。這種局面若不能有效控制，勢必影響我國經(jīng)濟的可持續(xù)健康發(fā)展和全面建設和諧社會宏偉目標的實現(xiàn)。因此，從管理和技術(shù)兩方面分析導致我國煤礦尤其是中小型鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦安全狀況難以好轉(zhuǎn)的原因，提出解決問題的有效途徑，對改善鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦安全狀態(tài)，促進其健康、有序的發(fā)展，將具有積極的指導意義。國內(nèi)目前已經(jīng)投入生產(chǎn)和使用的礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)和礦井人員定位系統(tǒng)有很多種，但現(xiàn)有產(chǎn)品無論是使用還是維護上都需要較高的技術(shù)支撐，并要配備足夠的專職工作人員。由于監(jiān)測主機和井下的監(jiān)控分站為24小時運轉(zhuǎn)，即使是小型的安全監(jiān)測系統(tǒng)，也要配備45名專職人員，而且其中至少要有一名工作人員懂系統(tǒng)的維護和校正。這對大多數(shù)缺少必要技術(shù)力量的鄉(xiāng)鎮(zhèn)小煤礦是難以支撐的。由于缺乏必要的安全動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，構(gòu)不成高效的安全監(jiān)控網(wǎng)絡，監(jiān)察部門的巡檢難分輕重緩急，無法及時、準確、快速地對礦井發(fā)生的災害信息做出反應，直接影響到控制事故發(fā)生的能力。因此從實際情況出發(fā)，研發(fā)出使用方便、維護簡單和可靠性高的本質(zhì)安全型煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)有著重要的現(xiàn)實意義。第1章基于泄漏電纜的井下監(jiān)控系統(tǒng)概述1.1 泄漏電纜概述泄漏電纜是集信號傳輸、發(fā)射與接收等功能于一體，同時具有同軸電纜和天線的雙重作用，特別適用于覆蓋公路、鐵路隧道、城市地鐵等無線信號傳播受限的區(qū)域。泄漏電纜結(jié)構(gòu)與普通的同軸電纜基本一致，由內(nèi)導體、絕緣介質(zhì)和開有周期性槽孔的外導體三部分組成。電磁波在泄漏電纜中縱向傳輸?shù)耐瑫r通過槽孔向外界輻射電磁波；外界的電磁場也可通過槽孔感應到泄漏電纜內(nèi)部并傳送到接收端。在山區(qū)隧道和地鐵、礦井等場合進行通信，無線電波要受到阻礙，尤其是短波和超短波受到的傳輸衰減更大。測試表明，一臺在中等開闊地能通上5千米的無線電臺，放到井下或坑道里只能通20來米。增大無線電臺的發(fā)射功率固然可以增大通信距離，但通信效果并不明顯。有專家作過試驗，即使將無線電臺的發(fā)射功率加大100倍，它的傳播距離也不過只能增加1/5罷了。何況，在礦井下是不允許隨意增大發(fā)射功率的，不然容易因電火花引發(fā)爆炸事故。泄漏電纜通信是以電纜作無線電臺的天線，用它進行通信，可在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生均勻的信號場強，而不受周圍環(huán)境的影響，通信可靠性高，也不存在通信盲區(qū)，接收電平穩(wěn)定，不容易受到外來信號干擾。泄漏同軸電纜系統(tǒng)可以提供多信道服務，例如，使用400兆赫頻段，頻率間隔25千赫時，可以提供24個通信信道，可以用來傳輸話音(調(diào)度電話和公用電話)，也可進行數(shù)據(jù)傳輸。 泄漏電纜通信的基本設想，最初是由英國人于1948年提出來的。20世紀60年代以后，伴隨著電子信息技術(shù)的不斷發(fā)展，在英、法、日等國相繼研制成功，到60年代末期，國外開始進行礦井巷道泄漏饋線通信技術(shù)研究，在70年代中期達到高潮，先后研制出多基臺組網(wǎng)、單向中繼器組網(wǎng)和雙向中繼器組網(wǎng)等實用化系統(tǒng)。第一部綜合介紹泄漏饋線通信技術(shù)的專著在1982年問世，標志著礦井下泄漏電纜組網(wǎng)移動通信技術(shù)趨于成熟和完善。目前，泄漏電纜的頻段覆蓋在450MHz-2GHz以上，適應現(xiàn)有的各種無線通信體制，應用場合包括無線傳播受限的礦井、地鐵、鐵路隧道和公路隧道等。在國外，泄漏電纜也用于室內(nèi)覆蓋。直至今日它已開始應用于礦井、隧道通信等領域。泄漏電纜相對現(xiàn)代隧道中的其他電纜直徑和體積較小，容易處理和安裝鋪設。通常350米/卷，并沿著電纜的防火外殼標明米長度。16根外導體均勻地分布在不完全屏蔽的保護層外。其獨特的結(jié)構(gòu)使無線電信號可以進出泄漏電纜。泄漏電纜結(jié)構(gòu)如圖1所示。1.2 井下監(jiān)控系統(tǒng)概述井下監(jiān)控系統(tǒng)是指對煤礦的瓦斯、風速、一氧化碳、煙霧、溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)；人員定位；設備監(jiān)控；礦井生產(chǎn)、運輸、提升、排水等環(huán)節(jié)的機電設備工作狀態(tài)進行監(jiān)測和控制，用計算機分析處理并取得數(shù)據(jù)的一種系統(tǒng)。近年來，隨著現(xiàn)代化管理意識的增強和以計算機為核心的煤礦監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)的日益成熟，安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)在全國各類礦井中已得到廣泛的應用。 在煤礦生產(chǎn)中影響礦井生產(chǎn)的因素很多，主要有以下兩方面：（1）環(huán)境參數(shù)：如瓦斯、一氧化碳、風量、溫度、濕度、井下粉塵、煙霧、水位、風壓等參數(shù)。（2）機電設備的運行參數(shù)：皮帶機、割煤機、轉(zhuǎn)載機、煤倉煤位的高低，支路的電壓、電流。這些參數(shù)任何一個出現(xiàn)異常，都會影響礦井的生產(chǎn)，發(fā)生災害。瓦斯爆炸、水災和井下起火是最常見的三個災害，其中瓦斯爆炸是三災中最嚴重的。它的破壞作用極大，是一種瓦斯、煤塵、大火混合型的爆炸災害。掘進面、工作面，瓦斯涌出的大小隨地理情況、煤的生成情況不同而異，情況異常復雜，且無規(guī)律。所以，解決這個問題的有效辦法就只有隨時測出其地域點的瓦斯含量。當超限時，報警提醒工作人員注意，區(qū)域斷電停止生產(chǎn)，避免產(chǎn)生點燃瓦斯爆炸的火花，等待瓦斯隨風排出后再行生產(chǎn)。由此可見，避免發(fā)生事故的關(guān)鍵是能及時發(fā)現(xiàn)瓦斯超限，并在超限時及時發(fā)出聲光報警和切斷相關(guān)工作區(qū)域的電源，避免產(chǎn)生火花。在沒有安全監(jiān)控系統(tǒng)的情況下，該項工作一般由瓦斯檢測員每隔一段時間用便攜式瓦斯測定儀在規(guī)定區(qū)域測試瓦斯?jié)舛龋R報到地面管理人員。而在瓦斯檢測員不在規(guī)定區(qū)域的這段時間內(nèi)，瓦斯含量情況以及是否發(fā)生事故，地面管理人員就無法知道，這是一個嚴重的問題。而監(jiān)測系統(tǒng)所安裝的傳感器、工作站、報警斷電執(zhí)行機構(gòu)是連續(xù)工作方式，隨時會測出瓦斯含量，并在出現(xiàn)異常時，同時聲光報警和執(zhí)行區(qū)域斷電，可避免事故發(fā)生，并隨時定時地將測量數(shù)據(jù)送到地面調(diào)度室和調(diào)度室計算機網(wǎng)絡中，調(diào)度人員會隨時知道何處出現(xiàn)異常并根據(jù)情況采取相應的措施，緩解危情，如調(diào)度風量大小、決定是否撤出人員、如何撤出等。安全監(jiān)控系統(tǒng)在生產(chǎn)設備運行的管理上也起著十分顯著的作用。地面調(diào)度人員根據(jù)煤的生產(chǎn)情況進行合適的調(diào)度，可提高設備的運行效率和節(jié)能。綜上所述，監(jiān)控系統(tǒng)是保障煤礦安全生產(chǎn)的重要手段。在礦井的防災、減災方面以及提高生產(chǎn)效率方面起著重要作用，是礦井生產(chǎn)實現(xiàn)現(xiàn)代化管理的一個重要標志。1.3目前使用的井下監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)井下監(jiān)控系統(tǒng)是傳感器技術(shù)、通信傳輸技術(shù)、計算機應用技術(shù)、電氣防爆技術(shù)和控制技術(shù)等多種技術(shù)在礦井安全生產(chǎn)領域應用的產(chǎn)物，對保障煤礦安全生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率和機電設備的利用率都具有十分重要的作用3。礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)通常由井下現(xiàn)場測控分站和井上監(jiān)控中心主站組成。分站可以脫離主站自動實現(xiàn)就地監(jiān)測和控制功能。一般由傳感器和執(zhí)行器、信息傳輸裝置等組成。監(jiān)控主站由計算機、服務器、打印機、顯示屏、霹雷針等組成。主要負責監(jiān)測數(shù)據(jù)的收集、存儲、顯示、報警、處理、分析和報表打印等。1.4井下監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展及現(xiàn)狀1.4.1國內(nèi)外礦井監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展及現(xiàn)狀國外研制礦井計算機監(jiān)控系統(tǒng)始于20世紀60年代，為保證煤礦安全生產(chǎn)，世界主要產(chǎn)煤國（如美國、英國、德國、波蘭、前蘇聯(lián)等）從上世紀50年代起便把監(jiān)測、監(jiān)控技術(shù)應用到安全生產(chǎn)管理上，陸續(xù)開發(fā)出了SCADAM創(chuàng)05系統(tǒng)、TF20系統(tǒng)、CTT63l4等系統(tǒng)。由于我國煤礦計算機監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的研制起步較晚，初期監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)(20世紀80年代初)主要由傳感器、斷電儀、載波機、計算機和調(diào)度盤等設備組成。為了加快實現(xiàn)煤炭工業(yè)現(xiàn)代化管理的步伐，我國先后從美國、英國、德國、法國、加拿大分別引入數(shù)十套監(jiān)控系統(tǒng)。借鑒這些系統(tǒng)，我國自主開發(fā)研制出了許多種礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)。如，KJ4、KJ2、KJ95、KJ96等系統(tǒng)。其中，KJ96型煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)基本上反映了目前我國監(jiān)控系統(tǒng)總體發(fā)展水平，在全國許多大中型煤礦得到了廣泛的應用。上述系統(tǒng)均是綜合型監(jiān)測系統(tǒng)，側(cè)重于安全參數(shù)的檢測和控制，沒有對下井人員進行實時監(jiān)控。隨著射頻識別技術(shù)RFID（Radio Frequency IdentificationTechnology）興起，目前國內(nèi)外正積極地將該技術(shù)運用到井下的無線定位和安全管理上來。射頻識別技術(shù)是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預，可工作于各種惡劣環(huán)境。國外專家還借助PED（Personal Emergency Device），構(gòu)架利用超低頻信號穿透巖層進行傳輸?shù)臒o線急救通訊系統(tǒng)，極大地提高了事故后的搜救效率。2003年7月24日賓西法尼亞州煤礦礦道坍塌，9名礦工在井下被困，三天后全部獲救。賓西法尼亞州煤礦正是利用了PED系統(tǒng)的緊急信息發(fā)布功能，礦工在事故發(fā)生時才得以迅速撤離，而通過井下個人跟蹤系統(tǒng)的準確定位功能，又將被困的9名礦工及時搶救出來。基于以上射頻識別技術(shù)以及自動控制、通信等相關(guān)技術(shù)，國內(nèi)也投入生產(chǎn)了一些比較先進的井下人員及車輛跟蹤系統(tǒng)，如煤炭學研究院重慶分院開發(fā)的KJ90型礦井人員跟蹤定位及考勤管理系統(tǒng)1.4.2國內(nèi)井下監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題隨著我國科學技術(shù)的飛速發(fā)展，礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)有了很大的進步，整體技術(shù)含量的提高為煤礦安全帶來了本質(zhì)性的飛躍?，F(xiàn)有的礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)雖在保證煤礦安全生產(chǎn)方面發(fā)揮了重要，但仍然有很大的不足，難以滿足煤礦安全生產(chǎn)的需要主要表現(xiàn)在以下幾方面：（1）價格昂貴，不適于中小煤礦企業(yè)。由于沒有統(tǒng)一的行業(yè)標準，各廠商的系統(tǒng)互不兼容，各廠家不得不從頭開發(fā)自己的系統(tǒng)，造成大量的人力物力浪費，大大提高了開發(fā)成本。國內(nèi)很多礦井安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)功能類似，是在同一水平上的重復開發(fā)，浪費了大量的人力物力，因此導致的高價格使得這些系統(tǒng)很難在小煤礦得到推廣使用。（2）維護成本高?，F(xiàn)有的礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)常由環(huán)境參數(shù)監(jiān)控子系統(tǒng)、風機控制子系統(tǒng)等系統(tǒng)組成。而這些子系統(tǒng)多為封閉系統(tǒng)，系統(tǒng)中使用的通信協(xié)議和信息交換標準都是由廠商自己制定的，嚴格保密，互不兼容。而且，網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和通信模式多樣，不同子系統(tǒng)間聯(lián)網(wǎng)困難，難以做到數(shù)據(jù)共享，造成設備的重復投資，由于每種子系統(tǒng)都需要建立自己的通信網(wǎng)絡，電纜的重復敷設、維修人員的重復設置，造成企業(yè)資源配置不合理，大大提高了煤礦企業(yè)的生產(chǎn)成本。（3）缺少人員監(jiān)控功能。系統(tǒng)監(jiān)控對象是井下環(huán)境參數(shù)（瓦斯、CO、溫度、濕度、風速、氣壓等）和機電設備的運行參數(shù)（轉(zhuǎn)載機、皮帶機、割煤機、乳化泵、煤倉煤位的高低，支路的電壓、電流等），不能對井下人員進行跟蹤定位。系統(tǒng)的應用目的主要在災難的預防和生產(chǎn)效率的提高上，一旦發(fā)生礦難，由于井上人員不知道井下人員的位置，很難組織高效的礦工疏散、搜救等工作。（4）兼容性差。沒有統(tǒng)一的行業(yè)標準，各廠商的系統(tǒng)在軟硬件上互不兼容。如各廠商系統(tǒng)的通信協(xié)議均自己定義，沒有一個符合礦井電氣防爆等特殊要求的總線標準，從而造成不同廠家的設備無法接入，互不兼容，無法共享傳輸通道。（5）實時性、穩(wěn)定性差。系統(tǒng)通信方式多為主從傳輸方式，如有的系統(tǒng)采用RS-485總線進行通信。主從通信方式中從站只有當主站有數(shù)據(jù)請求時才能與主站通信，期間若有緊急情況發(fā)生，不能及時通知主站采取相應措施，系統(tǒng)實時性不好；主從通信方式對主站要求很高，若主站發(fā)生故障，整個系統(tǒng)就會癱瘓，系統(tǒng)可靠性較低。因此，開發(fā)造價低、工作可靠、兼容性強、應用靈活、易擴展及升級的礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)，已成為我國煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)今后發(fā)展的重要目標。1.4.3井下監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢當前計算機、網(wǎng)絡和多媒體等技術(shù)日新月異，加上計算機應用在我國煤礦的大量普及、一些先進生產(chǎn)設備的投入使用，使得煤礦行業(yè)的現(xiàn)代化生產(chǎn)和管理水平進一步提高，對煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的性能和功能也提出了新的要求。我國煤炭企業(yè)數(shù)量多，分布廣，規(guī)模多樣。因此，開發(fā)研制出一系列滿足大、中、小煤礦不同層次需求的礦井監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)是十分必要的。不同規(guī)模的煤礦企業(yè)對監(jiān)控系統(tǒng)的需求是不同的，所以用于煤礦的監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢也不一樣。國有大型煤礦資金雄厚，對安全監(jiān)控系統(tǒng)的要求高。為滿足企業(yè)的安全生成需要，這類監(jiān)控系統(tǒng)將向性能卓越的綜合監(jiān)控信息系統(tǒng)方向發(fā)展，主要是在以下技術(shù)領域取得突破：傳感器技術(shù)。監(jiān)測傳感器是實現(xiàn)計算機監(jiān)控的技術(shù)基礎，也是決定監(jiān)控系統(tǒng)品質(zhì)的重要方面。它正朝著新技術(shù)、新原理、模塊化、組件化、智能化和功能化方面發(fā)展。多媒體技術(shù)。當前絕大多數(shù)系統(tǒng)仍是以簡單的數(shù)據(jù)信為主要監(jiān)測處理對象，隨著多媒體技術(shù)的日益成熟，數(shù)據(jù)信息將與文字、語音、圖象等多媒體信息結(jié)合，監(jiān)控系統(tǒng)將發(fā)展成為集視頻監(jiān)控、語音調(diào)度及考勤管理為一體的綜合監(jiān)控信息系統(tǒng)。信號傳輸技術(shù)?，F(xiàn)有煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的地面監(jiān)控中心與分站、子系統(tǒng)通信線纜只能傳輸數(shù)字語音信號，帶寬窄，通信速率偏低，難于滿足現(xiàn)場多媒體信息的實時傳輸要求。隨著光通信技術(shù)的發(fā)展，光纜將取代現(xiàn)有通信電纜（如雙絞線、銅纜等）成為主干傳輸網(wǎng)絡。遠程監(jiān)控技術(shù)。隨著現(xiàn)代移動通信技術(shù)、Internet、信息處理技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)局部的監(jiān)控系統(tǒng)將通過網(wǎng)絡與異地安監(jiān)部門的監(jiān)控系統(tǒng)或其它企業(yè)的監(jiān)控系統(tǒng)互聯(lián)以實現(xiàn)遠程監(jiān)控或信息共享，最大限度地利用監(jiān)控信息資源。傳統(tǒng)的本地監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)將朝著無線遠程監(jiān)控系統(tǒng)方向發(fā)展。1.5 基于泄漏電纜通信監(jiān)控系統(tǒng)概述自從20世紀80年代現(xiàn)代并網(wǎng)型風力發(fā)電機問世以來，隨著空氣動力學、計算機技控制技術(shù)、發(fā)電機技術(shù)和新材料的發(fā)展，風力發(fā)電的技術(shù)得到極為迅速的發(fā)展。單機容量從最初的數(shù)十千瓦級到現(xiàn)在的兆瓦級風力發(fā)電機組:功率控制方式從定槳矩失速控制向全槳距變距和變速控制發(fā)展；運行可靠性從20世紀80年代的50%提高到現(xiàn)在的98%以上，并且在風力發(fā)電場運行的風力發(fā)電機組全部可以實現(xiàn)集中控制與遠程控制。風電技術(shù)的發(fā)展越來越成熟，將會成為未來主要的替代能源。風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)是一個集氣動、機械、液壓、電氣與電子等多種元器件于一體的綜合性控制系統(tǒng)。伴隨著風力發(fā)電機組型式的不斷升級，其控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與控制策略亦不斷進步。20世紀80年代，風力發(fā)電多采用定槳距風力機與鼠籠異步發(fā)電機組成的發(fā)電機組，相應的控制系統(tǒng)主要是解決發(fā)電機組的安全可靠運行與減小并網(wǎng)沖擊等問題。20世紀90年代初期，變槳距風力發(fā)電機組開始進入風力發(fā)電市場。采用全槳變距的風力發(fā)電機組，起動時可對轉(zhuǎn)速進行控制，并網(wǎng)后可對功率進行控制，使風力機的起動性能和功率輸出特性都有顯著的改善。在以往控制系統(tǒng)的基礎上，變槳距風力發(fā)電機組的控制系統(tǒng)增加了槳距調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，從而構(gòu)成一個功率閉環(huán)控制系統(tǒng)。進入20世紀90年代后期，出現(xiàn)了變槳風力機、變速發(fā)電機與變頻器組成的風力發(fā)電機組，即變速恒頻風電機組，相應地在控制系統(tǒng)中又增加了轉(zhuǎn)速控制和變頻控制。近年來，風力發(fā)電機組并網(wǎng)的安全運行控制開始受到重視。在存在電壓、頻率波動、三相不平衡和瞬時電壓跌落，甚至外部短路等非理想因素的電力系統(tǒng)中，如何延長的風力發(fā)電機組的運行時間，減少不必要的脫網(wǎng)次數(shù)，保護機組免受因頻繁制動剎車造成的機械與電氣沖擊，成為了當今的研究方向。1.6本章小結(jié) 在本章的論述中，簡要介紹了泄漏電纜在國內(nèi)外的發(fā)展概況、基本構(gòu)成，監(jiān)控系統(tǒng)的應用現(xiàn)狀。第2章 泄漏電纜井下監(jiān)控系統(tǒng)的組成2.1 泄漏監(jiān)控系統(tǒng)的組成設備2.1.1前端機設備 每個系統(tǒng)要求一個前端機，它含有以下四個部分：（1） HE主板 前端機提供了至語音基站、數(shù)據(jù)調(diào)制器以及視頻監(jiān)視器的接口。前端機可以支持8個語音/數(shù)據(jù)信道，并可通過前端機擴展單元擴充至16,24或32個。前端機包括濾波器和放大器，用于路由無線電信號到接收器與發(fā)射器的合路和分路。連接視頻模塊到前端機，可提供16個視頻信道。（2） HEPS（前端機供電單元）前端機供電單元系統(tǒng)含有13.6Vdc電源和備用電池單元，由主電源120/20Vac供電，前端機電源為前端主機和基站提供直流電源，輸入為交流市電（110/220V），輸出為13.6V的直流電。前端機設備用電池，電池可工作4小時。在非本安型系統(tǒng)，輸出經(jīng)電源控制模塊分成4組獨立電源連接到4組輸出，任何一組電源短路不影響其他電源的供電。一旦發(fā)生短路時，可以提供相互保護。前端機電源面板有四個電壓表，可分別監(jiān)測各個泄漏電纜插口的直流電壓。在本安型系統(tǒng)，F(xiàn)CL4的4組輸出都有獨立的本安電源。（3） FCL4（前端機分線器）把單個的泄漏電纜輸出插孔分成四個，在前端機的非本安設備和地下設備之間提供接口，同時也是直流電源輸出至泄漏電纜的接口。（4） HEBU（前端機隔離單元）前端機隔離單元只需要用于本安型系統(tǒng)。前端含有從非本安電源供電的設備。為了確?！安淮_定安全”電壓進入井下危險區(qū)域，RF信號進出前端機，都必須經(jīng)過認證過的確保安全的隔離器HEBU。2.1.2電源及電源耦合器電源分為IS-PSU-S、IS-PSU、IS-UPS三種型號，期中IS-PSU-S應用于地面，與IS-PSU、IS-UPS安裝在地下不一樣，不需要安裝在FLP盒子里，提供12Vdc，1A的本安型輸出，通常用于地下放大器和其他設備。IS-PSU安裝在FLP盒子里，當甲烷濃度超出當?shù)氐V井管理所接受的最大值時，交流電必須被斷開。這意味著在甲烷爆發(fā)時將失去系統(tǒng)的電源。在此期間如果需要保持電源，則需要本安型不間斷電源（IS-UPS）。FPC（電源耦合器）安裝在泄漏電纜中，它耦合IS-PSU或IS-UPS輸出的12VDC給泄漏電纜。FPC在泄漏電纜兩部分提供DC隔離，確保不加上相鄰的IS-PSU的電能。2.1.3線路放大器放大器裝于井下，用于放大RF信號，從而補償RF信號沿泄漏電纜傳輸時的損失，約每隔350米需要安裝一個放大器，在巷道有支線的地方，放大器之間的距離應短于350米，這是因為信號通過支線時的損失部分應該予以考慮。標準的放大器可以放大語音和數(shù)據(jù)信號，A1模塊放大上行的數(shù)據(jù)和語音信號，A3模塊放大下行的數(shù)據(jù)和語音信號，并預留了可插入視頻放大模塊的接口。在放大器內(nèi)，沒有暴露的電子部件，這樣可以避免安裝過程中的意外損害。2.1.4分配/分支單元用在離開主電纜區(qū)域如斜坡、豎井等處鋪設支路泄漏電纜時用。分支部件有兩種，一種為單分支FBU1，另一種為雙分支FBU2。兩者工作原理類似，都提供從主電纜走出分支，單分支用于“丁”字型路口，雙分支用于“十”字型路口。分支器是無源設備，主分支端口的插入損耗為3.5dB。單分支的分支端口的損耗為3.5dB。2.1.5線路終端單元線路終端器具有以正確的阻抗終止電纜、密封電纜末端，防止水分進入電纜兩項功能。2.1.6接線盒一段電纜如果有4處或4處以上的損壞就應該更換，接線盒供維修電纜用。2.1.7衰減器（FPAD）FPAD為電纜系統(tǒng)提供了插入信號損耗。防止由于地形或系統(tǒng)設計的改變，在放大器之間會產(chǎn)生的錯誤電纜間距。2.1.8礦場天線專門用于不能安裝泄漏電纜的地下礦場或相似的環(huán)境。天線在這些區(qū)域提供大范圍的無線覆蓋，同時在爆破之前很容易取回。在天線和手持電臺或移動電臺保持暢通無阻的通信。2.2語音前端設備2.2.1基站語音/數(shù)據(jù)基站由三個部分組成：接收器、發(fā)射器和控制器，根據(jù)需要設置：全雙工、半雙工或單工操作方式。系統(tǒng)語音/數(shù)據(jù)基站可以從一個信道增加至32個信道，每個信道可以傳送語音/數(shù)據(jù)信號，它同前端機一起安裝在機柜中。2.3人員定位管理系統(tǒng)組成設備2.3.1前端控制器前端控制器被設計安裝在泄漏通信系統(tǒng)的前端上，被用來和安裝在礦井中泄露電纜通信系統(tǒng)上的內(nèi)嵌信標進行通訊。前端控制器支持全雙工VHF通信，可以和內(nèi)嵌信標進行交換信息，這種鏈路可以使得信息從前端控制器安全地傳輸?shù)叫艠?，反過來也是一樣。在接收器已經(jīng)確認數(shù)據(jù)被接收到后，發(fā)送器將丟棄數(shù)據(jù)。2.3.2IIILB（內(nèi)嵌信標讀寫器）內(nèi)嵌信標讀寫器提供位置信息，一個信標內(nèi)嵌在泄漏電纜通訊網(wǎng)絡中，在礦井中的特定位置有必要記錄收發(fā)器的經(jīng)過。每一個信標通過編程使它具有一個唯一的十六位編碼。2.3.3IPT（人員收發(fā)機）人員收發(fā)機被用來跟蹤整個礦井中人員的活動，當人員在信標范圍內(nèi)經(jīng)過時，收發(fā)機可以確定它的位置。2.3.4ISPT（自供電式收發(fā)機）和IVT（車輛收發(fā)機）自供電式收發(fā)機是獨立的裝置，可以附屬在人員、資產(chǎn)或者設備中，在某些應用中，使用自供電式收發(fā)機來檢測人員和車輛的位置會更有效。此收發(fā)機內(nèi)置3.6V鋰電池的壽命在3年以上。車輛收發(fā)機與人員收發(fā)器的功能相同，同時還含有+12VDC/+14VDC供電系統(tǒng)及外部TNC天線連接兩項功能。2.3.5ISIB（收發(fā)機）在一些場合，使用串口而不是通過泄漏電纜連接讀寫器更加方便。ISIB適用于不能安裝泄漏電纜的場合，或者鋪設泄漏電纜到要求的位置不切實際。2.4數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)組成設備2.4.1IHEC、ILCIHEC在數(shù)據(jù)終端和泄漏電纜網(wǎng)絡之間提供接口，ILC在地下為數(shù)據(jù)終端和泄漏電纜網(wǎng)絡提供接口。ILC是附屬的，由泄漏電纜供電。2.5圖像傳輸2.5.1FBV1（視頻分支器）視頻分支器FVBU1用于將視頻信號耦合到泄漏電纜中，同時也用于從泄漏電纜接收信號。2.5.2攝像機作為此系統(tǒng)的一部分，攝像機需要進行本安認證。通過調(diào)制器把攝像機的圖像信號轉(zhuǎn)換成RF信號，調(diào)制后的圖像信號通過FVBU1連接到泄漏電纜，并通過泄漏電纜傳送到前端機，經(jīng)過解調(diào)在地面的監(jiān)視器中顯示。2.6固定電臺2.6.1IntellFR（固定式無線電收發(fā)器）固定式無線電收發(fā)器，安放在地下需要經(jīng)常通信的某一點，但可能手持電臺又沒有的地方。2.7無線電臺Intell10/20是手持式無線電收發(fā)器。可以在地下任何信號覆蓋的地區(qū)進行通信。 2.8本章小結(jié) 在本章中，大致介紹了泄漏電纜通信系統(tǒng)的組成設備。第3章 井下語音通訊系統(tǒng)的系統(tǒng)原理及系統(tǒng)構(gòu)成3.1井下語音通訊系統(tǒng)原理井下語音通訊系統(tǒng)一般包括語音基站，放大器，礦場天線，手持式對講機，移動電臺等。其工作原理如下：語音基站是完成井下與地面語音通訊的中心樞紐，作為控制裝置安裝在地面控制室內(nèi)，語音基站通常工作頻率為150-174MHz，可以根據(jù)需要設置成全雙工、半雙工或單工操作方式。語音基站具有32個語音信道，實現(xiàn)在兩個以及兩個以上的無線電接收機（例如：手持式對講機）之間的童話。連接到語音基站上的電話內(nèi)聯(lián)裝置可以使系統(tǒng)與公用電話網(wǎng)進行通訊。放大器安裝在井下，通常每隔350米需安裝一個。放大器具有自動增益及功能診斷功能，能夠放大RF信號，從而補償語音信號沿泄漏電纜傳輸時的損失。當在空曠或泄漏電纜難鋪設的區(qū)域，須使用礦場天線增加覆蓋范圍。手持式對講機、移動電臺、固定電臺用于與地面電臺通信，包括接入其他的UHF和VHF電臺，也用于與地面公共網(wǎng)絡通信（包括移動通信和固定通信）EF720406375CS3.2 井下語音通訊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3.2.1 井下語音通訊系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 3.2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖注釋 線路放大器 泄漏電纜 線路終端器 衰減器 單個線路分支單元 雙個線路分支單元 Intell10/20手持無線電臺3.3 本章小結(jié) 在本章中，介紹了井下語音通訊系統(tǒng)的工作原理和工作過程，并設計出了井下語音通訊系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括地面及井下部分，地面主要由語音基站構(gòu)成，提供信道用于傳送語音信號，井下部分則是以手持無線對講機、無線電臺為主，在地下信號覆蓋的區(qū)域進行語音通話。第4章人員定位與考勤系統(tǒng)的系統(tǒng)原理及系統(tǒng)構(gòu)成4.1人員定位與考勤系統(tǒng)的系統(tǒng)原理人員定位與考勤系統(tǒng)包括IHEC前端控制器、IILB內(nèi)嵌信標讀寫器、IPT人員收發(fā)機、ISPT自供電式收發(fā)機、IVT車輛收發(fā)機以及ISIB等。IHEC前端控制器安裝在地面，連接到HEBU的安全一側(cè)，用于和分布在礦井中泄漏電纜通訊系統(tǒng)上的內(nèi)嵌信標進行通訊。前端控制器被設計安裝在泄漏電纜前端上，串行通信端口的數(shù)據(jù)傳輸速率是被固定的，前端控制器包括以下部分：通過泄漏電纜通信系統(tǒng)直接以全雙工VHF鏈路和內(nèi)嵌信標進行雙向有線通信；非獨立串行通信接口被用來和內(nèi)嵌信標進行通信；不可擦除存儲器存儲配置參數(shù)；微控制器執(zhí)行驅(qū)動設備功能。IILB提供位置信息，一個信標內(nèi)嵌在泄漏電纜通訊網(wǎng)絡中即礦井特定的位置，在這個特定的位置記錄收發(fā)器經(jīng)過信息，每一個內(nèi)嵌信標通過編程使它具有一個唯一的十六位編碼，信標獲得的標簽ID、狀態(tài)信息和產(chǎn)生位置事件的時間標志，可以被人員定位與考勤系統(tǒng)記錄。內(nèi)嵌信標組成部分包括：在信標的臨近區(qū)域內(nèi)，采用UHF頻段以單雙工方式和收發(fā)機進行無線通信；直接通過泄漏電纜通信系統(tǒng)，采用VHF頻段以全雙工方式和前端控制器進行有線通信；不可擦除存貯器用來緩存收發(fā)機事件記錄；泄漏電纜的VHF頻段和功率接口；微控制器執(zhí)行設備驅(qū)動功能；一個“時鐘”，當前時間將通過獲得前端控制器周期性的發(fā)送到ILB一個信標配置信息而得到。ILB將在儲存本地時間并每秒一次更新時間，時間將在很短的時間內(nèi)被保存為18位數(shù)據(jù)。內(nèi)嵌信標支持單工UHF通信，可以和在通信范圍內(nèi)的任何收發(fā)機進行交換信息。這種鏈路可以使得數(shù)據(jù)從收發(fā)機安全的傳輸?shù)叫艠?，反過來也是一樣。同時，內(nèi)嵌信標還支持全雙工VHF通信，可以和網(wǎng)絡控制器進行交換信息，應用在這個鏈路的通信協(xié)議和單工UHF通信鏈路的通信協(xié)議類似，這種鏈路可以使得信息從信標安全地傳輸?shù)角岸丝刂破?。在接收器已?jīng)確認數(shù)據(jù)被接收到后，發(fā)送器將丟棄數(shù)據(jù)。IPT人員收發(fā)機用于跟蹤整個礦井中人員的活動，當人員在信標范圍內(nèi)經(jīng)過時，收發(fā)機可以確定它的位置。收發(fā)機包括以下部分：和內(nèi)嵌信標以單雙工UHF方式進行雙向有線通信；UHF天線；內(nèi)置鋰電池接口或者外部3.5V-5V電壓接口；兩個通用的可編程I/O接口；不可擦除的存儲器；微控制器執(zhí)行設備驅(qū)動功能；當遇到不可控裝置事件時，收發(fā)機將利用看門狗定時電路來重新啟動微控制器；收發(fā)機將使ILB暫時閑置功能一體化，可以使得收發(fā)機不是和任何ILB聯(lián)系。這使得收發(fā)機處于這樣一種狀態(tài)，等待著對ILB作出應答。收發(fā)機框圖如下圖所示：ISPT自供電式收發(fā)機功能與人員收發(fā)機相同，自供電式收發(fā)機內(nèi)置3.6 V鋰電池的壽命最少為3年。ISPT含有診斷功能包括監(jiān)視鋰電池電壓，運行參數(shù)可以通過UHF鏈路更新并儲存在非揮發(fā)存儲器中。 IVT車輛收發(fā)機與人員收發(fā)器IPT含有相同的功能，同時含有以下另外的功能：+12VDC/+24VDC供電系統(tǒng)；外部TNC天線連接ISIB在一些場合，使用串口而不是通過泄漏電纜連接讀寫器更加方便。ISIB適用于不能安裝泄漏電纜的場合，或者鋪設泄漏電纜到要求的位置不切實際的區(qū)域，ISIB收發(fā)機框圖如下圖所示4.2 人員定位與考勤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)4.2.1人員定位與考勤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖4.2.2人員定位與考勤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖注釋 線路放大器 泄漏電纜 線路終端器 無法鋪設泄漏電纜區(qū)域 通信鏈路 內(nèi)嵌信標讀寫器 人員收發(fā)機 自供電式收發(fā)機 車輛收發(fā)機 4.3人員定位與考勤系統(tǒng)的特點：人員定位與考勤系統(tǒng)用戶操作界面比較簡單，屬于雙向數(shù)據(jù)傳送，采用主動式標簽，標簽外型堅固，系統(tǒng)中可以有數(shù)十億個標簽和讀寫器地址，標簽到讀寫器的工作范圍可達50m，在每個讀寫器中有存儲器緩沖器，可緩存大量的標簽數(shù)據(jù)。4.4本章小結(jié) 本章詳細分析了人員定位與考勤系統(tǒng)的原理，給出了人員定位與考勤系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，并簡單介紹了人員定位與考勤系統(tǒng)的特點。第5章 可視監(jiān)控系統(tǒng)的原理及構(gòu)成5.1 可視監(jiān)控系統(tǒng)原理煤礦井下作業(yè)因為遠離地面，地形復雜，環(huán)境惡劣，利用遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)，地面監(jiān)控人員可以直接對井下情況進行實時監(jiān)控，不僅能直觀地監(jiān)視和記錄井下工作現(xiàn)場的生產(chǎn)情況，而且能及時發(fā)現(xiàn)事故苗子，防患于未然，也能為事后分析事故提供有關(guān)的第一手圖像資料。因此可視監(jiān)控系統(tǒng)是現(xiàn)代礦井安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分?？梢暠O(jiān)控系統(tǒng)總體設計上由監(jiān)視計算機、圖像分支單元、攝像機構(gòu)成。監(jiān)視計算機分為主監(jiān)視計算機和礦井監(jiān)視計算機，主監(jiān)視計算機屬于遠程監(jiān)控，一般安裝在煤礦管理部門，通過Enthernet連接，而礦井監(jiān)視計算機安裝在礦井監(jiān)控室。FVBU1作為圖像分支單元，顧名思義，起到對視頻信號傳輸?shù)姆志€功能。攝像機屬系統(tǒng)外圍設備，起到采集圖像的功能。5.2 可視監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖5.3可視監(jiān)控系統(tǒng)的特點可視監(jiān)控系統(tǒng)具有16個通道的全彩色圖像，通過模擬信號傳輸，圖像信道帶寬為6MHZ，同軸線傳輸?shù)南拗拼笥?00米。5.4本章小結(jié) 本章詳細介紹了可視監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理，系統(tǒng)構(gòu)成，做出了可視監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成框圖，同時簡要介紹了可視監(jiān)控系統(tǒng)在運行過程中的特點。第6章氣體信號及工控信號傳輸系統(tǒng)6.1氣體信號及工控信號傳輸系統(tǒng)原理 氣體信號及工控信號傳輸系統(tǒng)屬于數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)屬于數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，配置ILC系統(tǒng)為星型網(wǎng)絡，計算機主機連接到遠端數(shù)據(jù)終端，通過單點HEC到多點ILC結(jié)構(gòu)。由地面向下傳輸?shù)穆窂饺缦拢?、數(shù)據(jù)從計算機主機通過串口饋送到HEC。2、串口可通過IHEC上的跳線塊JUMPER選擇RS232或者RS485。3、IHEC在無線通信系統(tǒng)下行鏈路頻寬中傳送以Manchester碼型的VHF信號的數(shù)據(jù)下行鏈路。4、數(shù)據(jù)下行鏈路占有400KHZ的帶寬，信號強度/電平與 通信系統(tǒng)的要求兼容。數(shù)據(jù)下行鏈路信號通過無線通信系統(tǒng)分布，與基站傳送信道通過 泄漏電纜系統(tǒng)相類似。5、在沒有數(shù)據(jù)傳送時，HEC在數(shù)據(jù)下行鏈路發(fā)送一個連續(xù)的同步信號同步所有的ILC的VHF傳輸。6、在所有的ILC，數(shù)據(jù)下行鏈路信號被解調(diào)，恢復計算機主機傳送的數(shù)據(jù)，并通過串口反饋到連接到相應的ILC的數(shù)據(jù)終端。7、這些串口可通過IHEC上的跳線塊JUMPER選擇RS232或者RS485。在系統(tǒng)中可以混有不同的串口。例如一個ILC可能是RS232而其他的是RS485。上行數(shù)據(jù)路徑是數(shù)據(jù)下行鏈路的反向，但也有一些區(qū)別，Manchester編碼方式的VHF信號在無線通信系統(tǒng)的上行頻段；在某一時間只有一個遠端單元可以發(fā)送。如果多于一個單元回答，將發(fā)生碰撞，上行數(shù)據(jù)將損壞，因而不被IHEC認識。數(shù)據(jù)傳輸是完全透明的，按照“物理層”提供數(shù)據(jù)通信。這意味著計算機主機和遠程數(shù)據(jù)終端將處理：1、數(shù)據(jù)錯誤監(jiān)測和校正；2、尋址；3、VHF信號調(diào)整-上行時間陪給/延遲；3、根據(jù)錯碼檢測重新傳輸協(xié)議；4、其他要求確保數(shù)據(jù)傳輸成功。6.1.2IHECIHEC在數(shù)據(jù)終端和泄漏電纜網(wǎng)絡之間提供接口。下行鏈路中，IHEC把所有的數(shù)據(jù)送到串口輸入并送到VHF電路。在沒有數(shù)據(jù)發(fā)送時，HEC在數(shù)據(jù)下行鏈路發(fā)送一個連續(xù)的同步信號到VHF電路同步所有的ILC。在上行鏈路，當?shù)竭_RSSI門限時，IHEC將從VHF電路傳遞數(shù)據(jù)到串口。雙向傳輸都是透明的，在兩端的數(shù)據(jù)終端設備將執(zhí)行必須的協(xié)議，同步，