煤矿矿区井下无线通讯系统解决方案

来源:宝成集团        作者:宝成集团

 

煤炭是我国重要的能源之一,煤炭安全生产事关重大。随着国家对煤炭企业安全生产的不断重视和煤矿生产信息化、自动化技术的进步,工业以太网技术已经应用于井下生产,新型的无线技术越来越多地服务于煤矿井下,开发建设煤矿井下无线调度通信系统已成为实现煤炭安全生产调度和保障生产人员安全的迫切需要。

由于煤炭矿井生产环境的特殊性,井下作业对生产管理有非常高的实时性要求,作为生产管理人员、电机车司机、皮带维护工和其它流动人员应能够与生产调度室及时取得联系,将生产一线的各种情况上报,实现统一指挥统一调度。虽然煤炭企业对生产安全都非常重视,但事故的发生是不确定性的,事故发生后必须依据当时情况,采取果断的措施进行处理,对井下人员进行紧急抢救但井上。对井下人员的监控由于受各种条件的限制还很不完善,对于井下人员的情况不能及时反映,导致事故发生时,不能及时、准确的得到井下人员的信息,无法做出正确的决策,以致会造成抢险不及时,有可能贻误对生命的抢救。近年来我国煤矿事故攀升趋势严重,国家煤矿安监局发出紧急通知,要求必须安装井下通讯系统,然而井下的有线通信远远不能适应井下大量流动作业人员及其管理上的需要,一套完善、可靠的井下无线通信系统对于煤矿提高效率和实现安全生产至关重要。煤矿井下无线通信系统,可以实现生产管理人员、一线工作人员及调度人员之间的实时联系,并可以对煤矿入井人员进行实时跟踪监测和定位,随时清楚掌握每个人员在井下的位置及活动轨迹。如果发生灾变,还可立即从监控计算机上查询事故现场的人员位置分布情况、被困人员数量、遇险人员撤退线路等信息,为事故抢险提供科科学依据。同时,也可利用系统的日常安全管理功能,对矿井人员进行安全管理。

 

 

此次无线局域网系统项目的是针对井下做无线局域网的覆盖,满足、语音方面的网络应用需求。具体需求如下:
项目方案应充分考虑无线网络建设要合理的部署无线发射点。满足业务发展等,充分考虑以下几个方面的要求:
根据目前的实际情况,利用WLAN技术对井下指定区域进行网络覆盖,实现井下语音通讯 。
实现网络用户可管理,可处理无线用户/终端的认证,入网权限,访问策略,数据加密等多种功能
实现井下区域的无缝漫游 ,实现语音的不间断通讯。

矿用无线通讯系统集无线通讯技术、射频技术、网络排布及管理技术、计算机技术和安全电源管理技术为一体,是既符合中国国情的又具有世界领先地位的适用于矿井的无线通讯系统。这套系统有效利用了井下工业以太网的宽带优势,将高速无线通讯技术引入了煤矿井下。与现阶段市场上的煤矿无线通信系统比较有以下优势:
更可靠的安全性
煤矿产品首先要具有可靠的安全性。
本系统的使用的各种设备都经过了专门的防爆处理,保证在煤矿井下安装和使用的安全;基站、手机、定位卡全部采用本质安全型设计。基站与交换机、基站与基站全部采用本安信号输出。
更先进、更实用的技术
Wi-Fi作为新一代的2.4G无线通讯技术,是与蓝牙同时代的产物。与蓝牙相比,它具有更快、更远、更便捷的特点。通过煤矿现场试验,2.4G在矿井下具有更好的抗干扰和反射、折射能力,在巷道环境良好时覆盖距离可达到500米。
系统全部信号设备采用IP管理方式,操作简单,具有很强的网络管理功能,稍微具备网络知识的人员都能熟练管理维护系统。基站采用载波调制方式,实现了电缆远距离传输高速信号,摆脱了光缆的束缚,更适应煤矿井下的实际需要。
其次,井下无线通信系统,可利用强大的无线通信和人员定位功能来实现煤矿生产物资、人员的调度,保证了调度信息的准确性和及时性,对提高煤矿的生产效率起到明显的作用。
再次,本系统稳定可靠的无线通信功能,对于煤矿生产过程中的一些突发事件,提供了井下和地面的即时通信交流,大大缩短对突发事件的反应和处理时间,从而确保井下生产安全,防止意外事故的发生,减少意外损失。
更低廉的系统成本
无论是地面还是井下无线系统,信号基站和线路都占到成本的很大部分。
本系统可以与其它系统复用工业以太环网作为传输主干。在原有工业以太环网上只需增添信号基站和电源箱即可实现信号覆盖。信号基站在系统中起到基站的作用,它的覆盖距离远,可减少基站数量。基站之间采用电缆串连,可大大节约线路成本。

 


系统组成
本系统由三部分构成:
第一部分:地面管理中心。通过设置在地面的管理主机,可实时对系统进行监控和管理,实现数据管理、录音、强拆、短信群发等功能。包含的主要设备为管理主机、管理软件和机房配套设备。
第二部分:数据传输部分。数据传输部分主要由工业以太环网平台、防爆电源、无线通信基站等组成。通过RJ45端口就近接入工业以太环网交换机。
第三部分:数据终端。数据终端部分的作用是实现无线信号覆盖和无线通讯,它所包含的主要设备包括本安手机和人员定位卡。
矿用网络交换机是矿井工业以太环网的信息搭载设备,它采用以太网技术并针对井下恶劣工业环境进行了特殊设计,使其在实时性、运行稳定性、可靠性、故障冗余特性、环境适应性、通讯抗干扰、接入扩展能力等性能方面较传统的技术有显著提高,并能很好适应煤矿井下恶劣的生产环境。因此,选择矿井工业以太环网作为宽带无线通讯系统的主干传输平台对系统本身来讲可以显著提高稳定性和可靠性。
地面管理软件为适应煤矿管理的特殊需要,对其在数据结构、实时处理、存储方式、软件功能、控制逻辑、网络功能、图文显示等主要部分进行了全面优化设计。
系统软件采用Linux平台开发,比常规软件有更强的防错、防病毒、纠错能力,运行稳定可靠。系统软件在开发中采用多线程并行通讯,异步通讯等先进技术,为煤矿用户量身定做,采用Web界面操作,使用简单、界面简捷明朗。
通过网关设备可方便的实现无线通讯系统与原有有线电话系统的无缝连接,具体连接门数和网关型号可根据用户需要选择。

 


传输平台
通过矿井工业以太环网的建设,将矿井各环节系统(采掘、供电、 运输、通风、排水等)的设备工作状态信息、生产信息、安全信息实时传递到矿井生产安全调度指挥中心,为矿井的综合自动化系统提供一个高速、安全、可靠的信息传输平台,为矿领导的指挥和管理提供充分的、实时的信息依据,为矿井建设先进的管控一体化平台提供基础平台。
综合自动化系统传输平台,主要任务之一是建立高速的工业以太环网,解决所有子系统传输物理通道。传输平台的建设遵循数字化、高速化、智能化、标准化,安全可靠、易扩充升级的原则进行设计。
根据煤矿行业的特点决定整个系统必须具有很高的可靠性和可用性,以此保障生产活动的正常进行和井下工作人员的生命安全。因此比选方案选用的设备技术的在冗余性以及所组建网络的稳定性,出错处理和容错方面的能力,能够适应井下恶劣的工作环境和防爆要求。
环网平台拓扑结构设计
本方案设计的网络拓扑结构是在调度指挥心布置两台支持三层动态路由功能的核心交换机。整个环网平台通过核心交换机的环间耦合技术和聚合技术、双链路冗余连接互为备份的整体。使得多环网通信的故障切换时间得以保证,故障切换时间短。
地面调度指挥中心的各种服务器、上位机、操作站、工程师站等均直接接入中心的两台核心交换机上,其它设备通过交换机连接到核心交换机上。井下各监控设备就近接入环网交换机。
全网建成后的性能可以保证达到以下水平:全网交换机连接均可基于单、多模光纤或铜介质,可按需要任意选择;光纤网络中的任何位置发生一个断点事故均可在瞬间内完成链路通信的恢复;全网基于统一、简洁的网络管理。
 
平台功能特点
整个自动化综合控制网采用赫思曼工业级的设备,实现井下高温、高湿等恶劣环境的稳定运行;
系统支持光纤冗余环网工作模式,接节故障不影响整个系统性能,故障自恢复时间短(0.05S),通信更加可靠;所有交换机采用高性能的赫思曼模块化千兆交换机,避免网络中部分节点故障,同时满足以后的扩容和升级; 
矿井工业以太环网光纤冗余环网传输平台运行稳定、可靠性好、线路机械强度高矿井工业以太环网光纤冗余环网传输平台通讯协议采用标准的TCP/IP网络协议;
平台传输速率高、带宽容量大、传输距离远、抗干扰和雷击能力加强。为数据、视频、语音三网合一提供了足够的带宽;
整个网管系统可对所有的综合自动化网的网络设备进行实时监控,出现故障实时报警;
在矿信息网与监控网中采用网闸连接,监控网与外网采用防火墙连接,实现监控网的安全隔离;
采用先进的多主并发通讯模式,系统检测速度快,实时性强。核心交换机提供OPC协议,支持监控软件的集成;
整个宽带传输网彻底突破了低速总线下的技术瓶颈,系统节点容量大大增加,稳定性提高;
由于以Internet/Intranet/Infranet为整体构架,具有开放的传输接入平台,系统集成能力显著提高,今后矿井各种自动化监测监控系统均可方便就近接入,易于扩展,无须重复布线,节约投资;
平台同时支持光纤多模、单模、超五类双绞线传输介质,结构灵活;可方便与局域网企业综合管理信息系统连接,实现信息共享;
井下交换机经过防爆认证,具有MA,同时增加UPS电源保护,在停电后,可运行2小时以上;
支持多种网络拓扑结构和多重冗余方式,如(单)环网冗余、单环双节点冗余、双总线冗余、双环网冗余和环间冗余,本次投标方案采用单环单节点双冗余环网;
环网核心交换机具有路由功能的卡轨式模块交换机。核心交换机有相对独立的模块插槽,每个模块插槽能够配置一块引擎模块,引擎模块上的子卡插槽,可以配置不同种类的网络接口卡;
环网交换机支持多光口、电口混合连接,支持Web管理,支持SNTP简单网络时间协议,准确记录故障时间;
交换机管理软件要求能统一配置、管理、监视所有交换机,可监视所有具有SNMP(简单网络管理协议)功能的设备;支持通讯故障自诊断、定位、报警;在更改设备配置时只要在网管工作站对相关设备进行合适配置,通过网管工作站对网络设备进行日常管理、流量统计、故障分析等;
交换机支持流量控制功能,防止广播风暴;支持端口的优先级划分和VLAN划分;支持端口和MAC地址的绑定,提高系统安全性。

组网方式
本系统组网是建立在TCP/IP网络的基础上,可搭载在煤矿工业以太环网上,提高以太环网的利用率,同时降低成本,减少施工量。
基站通过普通以太网方式接入工业以太网交换机,传输距离不超过100m;基站之间是通过长距离以太网技术串联,传输距离可到达1Km,串联级数建议不超过5级。可根据井下交换机部署和巷道分布情况,灵活采用组网方式,实现井下主要巷道的覆盖。
设备部署
整个系统分地面及井下两个区域。
服务器设置在地面计算机中心,配备UPS不间断电源和电源避雷器,避雷器需要可靠接地(接地线由矿方提供)。控制终端和服务器处于同一网段,以便对服务器进行设置和管理。E1网关通过E1连接线接入矿方电话交换机,信令方式采用NO.7或PRI方式,可实现矿用本安手机和有线电话系统的直拨通话。
设计地面安装地面型基站,覆盖地面办公区。井下采用矿用无线通信基站,防爆兼本安型稳压电源,工业以太网交换机。实现对煤矿井下主要巷道的全覆盖,实现煤矿井下手机漫游通话和人员定位。

 


4.4.1地面部分:
地面主要覆盖:
地面办公大楼
地面工业广场
井口及附近区域
地面基站是用来覆盖矿区地面的设备,采用的是采用了自适应波束赋形和空分多址技术的基站,着重提高了对建筑物内部信号的覆盖和对弱信号的接收能力。该基站采用POE供电模式,发射功率100mw,该基站在空旷地带覆盖距离可达到1KM,但在建筑物密集的矿区地面覆盖距离一般为半径200m。
4.4.2井下部分
井下部分安装工业以太网交换机,由于矿井井下巷道复杂,弯曲较多,因此在井下布置矿用无线通信基站,采用电源箱供电;地面共布置矿用无线通信基站,采用电源箱供电。
具体设计如下:
电源箱安装在距离基站不超过10m的范围内,每台电源箱为一台基站提供电源。
由于无线信号覆盖受现场环境影响较大,如要把无线覆盖做的最好需在安装时实地勘察布置。
基站在井下主要巷道覆盖距离技术特征(供参考):
采用15DBi定向天线进行井下无线覆盖;
人员定位读卡距离最大不超过100m,一般取20m至30m范围即可正常读取,个别人员集中或环境复杂区域可调大读卡范围。
无线信号的传输主要通过直射、折射和反射,因此巷道环境对无线传播影响很大,一般来说,巷道壁平滑、巷道直径均匀、无或只有较少金属物的巷道传播效果较好;
在轨道巷、通风巷等主巷道时,无线传输距离较长,一般可达到400~600m,甚至可达800m(需要根据实际勘查和测试结果确定);
在皮带巷、工作面等小巷道时,无线传输受到屏蔽吸收,一般传输距离约200~400m(要根据实际勘查和测试结果确定);
无线信号转向特性,与覆盖巷道成90度的无遮挡的巷道可延伸20米,小于90度可延伸10米,大于90度根据基站安装位置的远近从50米~200米不等;
在实际部署时基站无线传输距离需要考虑实际环境影响并进行勘测。

本移动通讯系统安装完以后取得效果:
(1)本系统与调度机及交换机系统联网以后,可以实现整矿有线通信与无线通信完美结合,只要用户在信号覆盖的巷道,可以通过网内的任何一部手机及固定电话找到在井下或地面携带手机的工作人员,反之井下使用手机的工作人员在任何有信号的地方可与网络中任意一部手机或固定电话通话。
(2)矿管理中心可通过分布在井上及井下的无线基站,实时了解每位下井员工的具体位置、运动轨迹和出入井时间。矿井一旦发生安全事故,管理中心在第一时间内可以知道被困人员的基本情况,便于事故救助工作的开展
(3)作为生产管理人员、综采工作面的工作人员和其它流动人员的主要通信手段,矿用无线通讯系统保证了这些人员能够与生产调度室及时取得联系。系统能与矿井行政、生产通信系统实现组网,特别是当井下发生紧急情况时,可作为井下及时与地面联系的工具,对抢险的组织非常有帮助。矿用无线通讯系统作为生产调度通信系统的补充,在矿井生产安全等方面起着重要作用。
(4)本系统搭载在工业以太网系统平台上,减少了大量了线路铺设和维护带来的工作,提高了工业以太网系统平台的利用率和矿井数字化程度。
(5)井下手机的号码可自由设置,也可与固定电话同号。手机在覆盖区域内可以互发短消息,当有信息需要大范围通知时,地面管理员可通过群发短信的方式通知到和地面及井下人员;
系统的可扩展性:
矿用无线通讯系统采用标准的通信格式和开放式的通讯协议,符合Wi-Fi标准的无线设备都可自由接入系统,正在开发的Wi-Fi终端包括利用本系统的高速无线数据传输平台实现传输的瓦斯检测设备、数据传输、图像传输设备等。

系统主要功能
系统主要功能分为语音通讯和人员定位两部分。

 


语音功能:
在无线基站信号覆盖范围内可实现一对一方式的语音通讯、支持中文短消息;
无线基站和手机采用IP方式接入,基站支持远程控制;
系统可通过网关设备与语音调度系统无缝连接,实现互通;
开关控制功能:系统管理员可以通过系统开关控制功能启动和关闭管理系统;
状态显示功能:系统能显示管理主机的配置和状态;
号码注册管理功能:注册管理功能能显示管理主机的的注册用户信息,当管理系统收到注册请求,管理主机能同步更新数据库,管理员能手动删除或添加注册信息. 通话状态显示:通话状态显示功能应包括:参与通话号码、通话发起者、通话相应者、通话开始时间、目前会话状态;
通话日志功能:通话日志功能应能记录一定期限的通话历史记录,含通话号码、通话时间和通话时长等;
参数设置功能:参数设置功能包括:系统基本参数设置、系统配置设置,管理员登录权限修改、密码修改等。

 

 


定位系统功能:
对井下人员可实时跟踪监测,位置自动显示。
可实时跟踪查询、打印当前及某时间段井下人员数量、活动轨迹、轨迹再现及分布情况。
标识卡采用嵌入式微处理器,在嵌入式软件的控制下,实现睡眠、唤醒、解码、编码、通信及信息碰撞处理等功能。
乘车出入的工作人员无需下车,在车辆进入监测区域后,就可自动完成人员定位及考勤功能。
识别区域无方向性、无盲区,对人体没有伤害。
目标识别器和标识卡具有完全独立的发射与接收部件,其核心技术均由嵌入式微处理器和嵌入式软件组成。
系统在进行实时数据采集时,可进行记录、显示、查询、编辑、人工录入、 网络通信等。
分站具有显示人员编码和时钟功能,可用遥控器查询记录。
系统可实现考勤作业的统计与管理等方面的报表资料,提高管理效益。
系统中心站及网络终端可以联网运行, 使网上所有终端在使用权限范围内都能共享监测信息,查询各类数据报表。
矿井一旦发生安全事故,监控中心在第一时间内可以知道被困人员的基本情况,便于事故救助工作的开展。