本科毕业论文-泄漏电缆井下监控系统.doc

序 言煤炭工业是国民经济的基础和重要组成部分。但煤矿也是我国当前安全生产事故多发的重点行业，安全生产形势十分严峻。近年来，由于种种原因，我国的矿难事故频繁发生，给国家和人民带来了严重的生命财产损失。特别是中小型乡镇煤矿和私人煤矿，由于安全生产设备落后、安全生产意识不够、没有建立一套完整的安全生产管理体系，安全生产状况令人担忧。据国家煤矿安全监察局发布的全国煤矿生产和安全情况统计，2005年全国原煤产量21.1亿吨，死亡5983人，百万吨死亡率2.81。这样的数据是西方发达国家的几十倍甚至上百倍，令人触目惊心。这种局面若不能有效控制，势必影响我国经济的可持续健康发展和全面建设和谐社会宏伟目标的实现。因此，从管理和技术两方面分析导致我国煤矿尤其是中小型乡镇煤矿安全状况难以好转的原因，提出解决问题的有效途径，对改善乡镇煤矿安全状态，促进其健康、有序的发展，将具有积极的指导意义。国内目前已经投入生产和使用的矿井安全监控系统和矿井人员定位系统有很多种，但现有产品无论是使用还是维护上都需要较高的技术支撑，并要配备足够的专职工作人员。由于监测主机和井下的监控分站为24小时运转，即使是小型的安全监测系统，也要配备45名专职人员，而且其中至少要有一名工作人员懂系统的维护和校正。这对大多数缺少必要技术力量的乡镇小煤矿是难以支撑的。由于缺乏必要的安全动态监测系统，构不成高效的安全监控网络，监察部门的巡检难分轻重缓急，无法及时、准确、快速地对矿井发生的灾害信息做出反应，直接影响到控制事故发生的能力。因此从实际情况出发，研发出使用方便、维护简单和可靠性高的本质安全型煤矿安全监控系统有着重要的现实意义。第1章基于泄漏电缆的井下监控系统概述1.1 泄漏电缆概述泄漏电缆是集信号传输、发射与接收等功能于一体，同时具有同轴电缆和天线的双重作用，特别适用于覆盖公路、铁路隧道、城市地铁等无线信号传播受限的区域。泄漏电缆结构与普通的同轴电缆基本一致，由内导体、绝缘介质和开有周期性槽孔的外导体三部分组成。电磁波在泄漏电缆中纵向传输的同时通过槽孔向外界辐射电磁波；外界的电磁场也可通过槽孔感应到泄漏电缆内部并传送到接收端。在山区隧道和地铁、矿井等场合进行通信，无线电波要受到阻碍，尤其是短波和超短波受到的传输衰减更大。测试表明，一台在中等开阔地能通上5千米的无线电台，放到井下或坑道里只能通20来米。增大无线电台的发射功率固然可以增大通信距离，但通信效果并不明显。有专家作过试验，即使将无线电台的发射功率加大100倍，它的传播距离也不过只能增加1/5罢了。何况，在矿井下是不允许随意增大发射功率的，不然容易因电火花引发爆炸事故。泄漏电缆通信是以电缆作无线电台的天线，用它进行通信，可在一定范围内产生均匀的信号场强，而不受周围环境的影响，通信可靠性高，也不存在通信盲区，接收电平稳定，不容易受到外来信号干扰。泄漏同轴电缆系统可以提供多信道服务，例如，使用400兆赫频段，频率间隔25千赫时，可以提供24个通信信道，可以用来传输话音(调度电话和公用电话)，也可进行数据传输。 泄漏电缆通信的基本设想，最初是由英国人于1948年提出来的。20世纪60年代以后，伴随着电子信息技术的不断发展，在英、法、日等国相继研制成功，到60年代末期，国外开始进行矿井巷道泄漏馈线通信技术研究，在70年代中期达到高潮，先后研制出多基台组网、单向中继器组网和双向中继器组网等实用化系统。第一部综合介绍泄漏馈线通信技术的专著在1982年问世，标志着矿井下泄漏电缆组网移动通信技术趋于成熟和完善。目前，泄漏电缆的频段覆盖在450MHz-2GHz以上，适应现有的各种无线通信体制，应用场合包括无线传播受限的矿井、地铁、铁路隧道和公路隧道等。在国外，泄漏电缆也用于室内覆盖。直至今日它已开始应用于矿井、隧道通信等领域。泄漏电缆相对现代隧道中的其他电缆直径和体积较小，容易处理和安装铺设。通常350米/卷，并沿着电缆的防火外壳标明米长度。16根外导体均匀地分布在不完全屏蔽的保护层外。其独特的结构使无线电信号可以进出泄漏电缆。泄漏电缆结构如图1所示。1.2 井下监控系统概述井下监控系统是指对煤矿的瓦斯、风速、一氧化碳、烟雾、温度、湿度等环境参数；人员定位；设备监控；矿井生产、运输、提升、排水等环节的机电设备工作状态进行监测和控制，用计算机分析处理并取得数据的一种系统。近年来，随着现代化管理意识的增强和以计算机为核心的煤矿监测监控技术的日益成熟，安全监测监控系统在全国各类矿井中已得到广泛的应用。 在煤矿生产中影响矿井生产的因素很多，主要有以下两方面：（1）环境参数：如瓦斯、一氧化碳、风量、温度、湿度、井下粉尘、烟雾、水位、风压等参数。（2）机电设备的运行参数：皮带机、割煤机、转载机、煤仓煤位的高低，支路的电压、电流。这些参数任何一个出现异常，都会影响矿井的生产，发生灾害。瓦斯爆炸、水灾和井下起火是最常见的三个灾害，其中瓦斯爆炸是三灾中最严重的。它的破坏作用极大，是一种瓦斯、煤尘、大火混合型的爆炸灾害。掘进面、工作面，瓦斯涌出的大小随地理情况、煤的生成情况不同而异，情况异常复杂，且无规律。所以，解决这个问题的有效办法就只有随时测出其地域点的瓦斯含量。当超限时，报警提醒工作人员注意，区域断电停止生产，避免产生点燃瓦斯爆炸的火花，等待瓦斯随风排出后再行生产。由此可见，避免发生事故的关键是能及时发现瓦斯超限，并在超限时及时发出声光报警和切断相关工作区域的电源，避免产生火花。在没有安全监控系统的情况下，该项工作一般由瓦斯检测员每隔一段时间用便携式瓦斯测定仪在规定区域测试瓦斯浓度，并汇报到地面管理人员。而在瓦斯检测员不在规定区域的这段时间内，瓦斯含量情况以及是否发生事故，地面管理人员就无法知道，这是一个严重的问题。而监测系统所安装的传感器、工作站、报警断电执行机构是连续工作方式，随时会测出瓦斯含量，并在出现异常时，同时声光报警和执行区域断电，可避免事故发生，并随时定时地将测量数据送到地面调度室和调度室计算机网络中，调度人员会随时知道何处出现异常并根据情况采取相应的措施，缓解危情，如调度风量大小、决定是否撤出人员、如何撤出等。安全监控系统在生产设备运行的管理上也起着十分显著的作用。地面调度人员根据煤的生产情况进行合适的调度，可提高设备的运行效率和节能。综上所述，监控系统是保障煤矿安全生产的重要手段。在矿井的防灾、减灾方面以及提高生产效率方面起着重要作用，是矿井生产实现现代化管理的一个重要标志。1.3目前使用的井下监控系统的结构井下监控系统是传感器技术、通信传输技术、计算机应用技术、电气防爆技术和控制技术等多种技术在矿井安全生产领域应用的产物，对保障煤矿安全生产，提高生产效率和机电设备的利用率都具有十分重要的作用3。矿井安全监控系统通常由井下现场测控分站和井上监控中心主站组成。分站可以脱离主站自动实现就地监测和控制功能。一般由传感器和执行器、信息传输装置等组成。监控主站由计算机、服务器、打印机、显示屏、霹雷针等组成。主要负责监测数据的收集、存储、显示、报警、处理、分析和报表打印等。1.4井下监控系统的发展及现状1.4.1国内外矿井监控系统的发展及现状国外研制矿井计算机监控系统始于20世纪60年代，为保证煤矿安全生产，世界主要产煤国（如美国、英国、德国、波兰、前苏联等）从上世纪50年代起便把监测、监控技术应用到安全生产管理上，陆续开发出了SCADAM创05系统、TF20系统、CTT63l4等系统。由于我国煤矿计算机监测监控系统的研制起步较晚，初期监测监控系统(20世纪80年代初)主要由传感器、断电仪、载波机、计算机和调度盘等设备组成。为了加快实现煤炭工业现代化管理的步伐，我国先后从美国、英国、德国、法国、加拿大分别引入数十套监控系统。借鉴这些系统，我国自主开发研制出了许多种矿井安全监控系统。如，KJ4、KJ2、KJ95、KJ96等系统。其中，KJ96型煤矿安全监测监控系统基本上反映了目前我国监控系统总体发展水平，在全国许多大中型煤矿得到了广泛的应用。上述系统均是综合型监测系统，侧重于安全参数的检测和控制，没有对下井人员进行实时监控。随着射频识别技术RFID（Radio Frequency IdentificationTechnology）兴起，目前国内外正积极地将该技术运用到井下的无线定位和安全管理上来。射频识别技术是一种非接触式的自动识别技术，通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。国外专家还借助PED（Personal Emergency Device），构架利用超低频信号穿透岩层进行传输的无线急救通讯系统，极大地提高了事故后的搜救效率。2003年7月24日宾西法尼亚州煤矿矿道坍塌，9名矿工在井下被困，三天后全部获救。宾西法尼亚州煤矿正是利用了PED系统的紧急信息发布功能，矿工在事故发生时才得以迅速撤离，而通过井下个人跟踪系统的准确定位功能，又将被困的9名矿工及时抢救出来。基于以上射频识别技术以及自动控制、通信等相关技术，国内也投入生产了一些比较先进的井下人员及车辆跟踪系统，如煤炭学研究院重庆分院开发的KJ90型矿井人员跟踪定位及考勤管理系统1.4.2国内井下监控系统存在的问题随着我国科学技术的飞速发展，矿井安全监控系统有了很大的进步，整体技术含量的提高为煤矿安全带来了本质性的飞跃。现有的矿井安全监控系统虽在保证煤矿安全生产方面发挥了重要，但仍然有很大的不足，难以满足煤矿安全生产的需要主要表现在以下几方面：（1）价格昂贵，不适于中小煤矿企业。由于没有统一的行业标准，各厂商的系统互不兼容，各厂家不得不从头开发自己的系统，造成大量的人力物力浪费，大大提高了开发成本。国内很多矿井安全生产监控系统功能类似，是在同一水平上的重复开发，浪费了大量的人力物力，因此导致的高价格使得这些系统很难在小煤矿得到推广使用。（2）维护成本高。现有的矿井安全监控系统常由环境参数监控子系统、风机控制子系统等系统组成。而这些子系统多为封闭系统，系统中使用的通信协议和信息交换标准都是由厂商自己制定的，严格保密，互不兼容。而且，网络结构和通信模式多样，不同子系统间联网困难，难以做到数据共享，造成设备的重复投资，由于每种子系统都需要建立自己的通信网络，电缆的重复敷设、维修人员的重复设置，造成企业资源配置不合理，大大提高了煤矿企业的生产成本。（3）缺少人员监控功能。系统监控对象是井下环境参数（瓦斯、CO、温度、湿度、风速、气压等）和机电设备的运行参数（转载机、皮带机、割煤机、乳化泵、煤仓煤位的高低，支路的电压、电流等），不能对井下人员进行跟踪定位。系统的应用目的主要在灾难的预防和生产效率的提高上，一旦发生矿难，由于井上人员不知道井下人员的位置，很难组织高效的矿工疏散、搜救等工作。（4）兼容性差。没有统一的行业标准，各厂商的系统在软硬件上互不兼容。如各厂商系统的通信协议均自己定义，没有一个符合矿井电气防爆等特殊要求的总线标准，从而造成不同厂家的设备无法接入，互不兼容，无法共享传输通道。（5）实时性、稳定性差。系统通信方式多为主从传输方式，如有的系统采用RS-485总线进行通信。主从通信方式中从站只有当主站有数据请求时才能与主站通信，期间若有紧急情况发生，不能及时通知主站采取相应措施，系统实时性不好；主从通信方式对主站要求很高，若主站发生故障，整个系统就会瘫痪，系统可靠性较低。因此，开发造价低、工作可靠、兼容性强、应用灵活、易扩展及升级的矿井安全监控系统，已成为我国煤矿安全监控系统今后发展的重要目标。1.4.3井下监控系统的发展趋势当前计算机、网络和多媒体等技术日新月异，加上计算机应用在我国煤矿的大量普及、一些先进生产设备的投入使用，使得煤矿行业的现代化生产和管理水平进一步提高，对煤矿监控系统的性能和功能也提出了新的要求。我国煤炭企业数量多，分布广，规模多样。因此，开发研制出一系列满足大、中、小煤矿不同层次需求的矿井监测监控系统是十分必要的。不同规模的煤矿企业对监控系统的需求是不同的，所以用于煤矿的监控系统的发展趋势也不一样。国有大型煤矿资金雄厚，对安全监控系统的要求高。为满足企业的安全生成需要，这类监控系统将向性能卓越的综合监控信息系统方向发展，主要是在以下技术领域取得突破：传感器技术。监测传感器是实现计算机监控的技术基础，也是决定监控系统品质的重要方面。它正朝着新技术、新原理、模块化、组件化、智能化和功能化方面发展。多媒体技术。当前绝大多数系统仍是以简单的数据信为主要监测处理对象，随着多媒体技术的日益成熟，数据信息将与文字、语音、图象等多媒体信息结合，监控系统将发展成为集视频监控、语音调度及考勤管理为一体的综合监控信息系统。信号传输技术。现有煤矿监控系统的地面监控中心与分站、子系统通信线缆只能传输数字语音信号，带宽窄，通信速率偏低，难于满足现场多媒体信息的实时传输要求。随着光通信技术的发展，光缆将取代现有通信电缆（如双绞线、铜缆等）成为主干传输网络。远程监控技术。随着现代移动通信技术、Internet、信息处理技术的发展，企业局部的监控系统将通过网络与异地安监部门的监控系统或其它企业的监控系统互联以实现远程监控或信息共享，最大限度地利用监控信息资源。传统的本地监测监控系统将朝着无线远程监控系统方向发展。1.5 基于泄漏电缆通信监控系统概述自从20世纪80年代现代并网型风力发电机问世以来，随着空气动力学、计算机技控制技术、发电机技术和新材料的发展，风力发电的技术得到极为迅速的发展。单机容量从最初的数十千瓦级到现在的兆瓦级风力发电机组:功率控制方式从定桨矩失速控制向全桨距变距和变速控制发展；运行可靠性从20世纪80年代的50%提高到现在的98%以上，并且在风力发电场运行的风力发电机组全部可以实现集中控制与远程控制。风电技术的发展越来越成熟，将会成为未来主要的替代能源。风力发电机组的控制系统是一个集气动、机械、液压、电气与电子等多种元器件于一体的综合性控制系统。伴随着风力发电机组型式的不断升级，其控制系统的结构与控制策略亦不断进步。20世纪80年代，风力发电多采用定桨距风力机与鼠笼异步发电机组成的发电机组，相应的控制系统主要是解决发电机组的安全可靠运行与减小并网冲击等问题。20世纪90年代初期，变桨距风力发电机组开始进入风力发电市场。采用全桨变距的风力发电机组，起动时可对转速进行控制，并网后可对功率进行控制，使风力机的起动性能和功率输出特性都有显著的改善。在以往控制系统的基础上，变桨距风力发电机组的控制系统增加了桨距调节环节，从而构成一个功率闭环控制系统。进入20世纪90年代后期，出现了变桨风力机、变速发电机与变频器组成的风力发电机组，即变速恒频风电机组，相应地在控制系统中又增加了转速控制和变频控制。近年来，风力发电机组并网的安全运行控制开始受到重视。在存在电压、频率波动、三相不平衡和瞬时电压跌落，甚至外部短路等非理想因素的电力系统中，如何延长的风力发电机组的运行时间，减少不必要的脱网次数，保护机组免受因频繁制动刹车造成的机械与电气冲击，成为了当今的研究方向。1.6本章小结 在本章的论述中，简要介绍了泄漏电缆在国内外的发展概况、基本构成，监控系统的应用现状。第2章 泄漏电缆井下监控系统的组成2.1 泄漏监控系统的组成设备2.1.1前端机设备 每个系统要求一个前端机，它含有以下四个部分：（1） HE主板 前端机提供了至语音基站、数据调制器以及视频监视器的接口。前端机可以支持8个语音/数据信道，并可通过前端机扩展单元扩充至16,24或32个。前端机包括滤波器和放大器，用于路由无线电信号到接收器与发射器的合路和分路。连接视频模块到前端机，可提供16个视频信道。（2） HEPS（前端机供电单元）前端机供电单元系统含有13.6Vdc电源和备用电池单元，由主电源120/20Vac供电，前端机电源为前端主机和基站提供直流电源，输入为交流市电（110/220V），输出为13.6V的直流电。前端机设备用电池，电池可工作4小时。在非本安型系统，输出经电源控制模块分成4组独立电源连接到4组输出，任何一组电源短路不影响其他电源的供电。一旦发生短路时，可以提供相互保护。前端机电源面板有四个电压表，可分别监测各个泄漏电缆插口的直流电压。在本安型系统，FCL4的4组输出都有独立的本安电源。（3） FCL4（前端机分线器）把单个的泄漏电缆输出插孔分成四个，在前端机的非本安设备和地下设备之间提供接口，同时也是直流电源输出至泄漏电缆的接口。（4） HEBU（前端机隔离单元）前端机隔离单元只需要用于本安型系统。前端含有从非本安电源供电的设备。为了确保“不确定安全”电压进入井下危险区域，RF信号进出前端机，都必须经过认证过的确保安全的隔离器HEBU。2.1.2电源及电源耦合器电源分为IS-PSU-S、IS-PSU、IS-UPS三种型号，期中IS-PSU-S应用于地面，与IS-PSU、IS-UPS安装在地下不一样，不需要安装在FLP盒子里，提供12Vdc，1A的本安型输出，通常用于地下放大器和其他设备。IS-PSU安装在FLP盒子里，当甲烷浓度超出当地矿井管理所接受的最大值时，交流电必须被断开。这意味着在甲烷爆发时将失去系统的电源。在此期间如果需要保持电源，则需要本安型不间断电源（IS-UPS）。FPC（电源耦合器）安装在泄漏电缆中，它耦合IS-PSU或IS-UPS输出的12VDC给泄漏电缆。FPC在泄漏电缆两部分提供DC隔离，确保不加上相邻的IS-PSU的电能。2.1.3线路放大器放大器装于井下，用于放大RF信号，从而补偿RF信号沿泄漏电缆传输时的损失，约每隔350米需要安装一个放大器，在巷道有支线的地方，放大器之间的距离应短于350米，这是因为信号通过支线时的损失部分应该予以考虑。标准的放大器可以放大语音和数据信号，A1模块放大上行的数据和语音信号，A3模块放大下行的数据和语音信号，并预留了可插入视频放大模块的接口。在放大器内，没有暴露的电子部件，这样可以避免安装过程中的意外损害。2.1.4分配/分支单元用在离开主电缆区域如斜坡、竖井等处铺设支路泄漏电缆时用。分支部件有两种，一种为单分支FBU1，另一种为双分支FBU2。两者工作原理类似，都提供从主电缆走出分支，单分支用于“丁”字型路口，双分支用于“十”字型路口。分支器是无源设备，主分支端口的插入损耗为3.5dB。单分支的分支端口的损耗为3.5dB。2.1.5线路终端单元线路终端器具有以正确的阻抗终止电缆、密封电缆末端，防止水分进入电缆两项功能。2.1.6接线盒一段电缆如果有4处或4处以上的损坏就应该更换，接线盒供维修电缆用。2.1.7衰减器（FPAD）FPAD为电缆系统提供了插入信号损耗。防止由于地形或系统设计的改变，在放大器之间会产生的错误电缆间距。2.1.8矿场天线专门用于不能安装泄漏电缆的地下矿场或相似的环境。天线在这些区域提供大范围的无线覆盖，同时在爆破之前很容易取回。在天线和手持电台或移动电台保持畅通无阻的通信。2.2语音前端设备2.2.1基站语音/数据基站由三个部分组成：接收器、发射器和控制器，根据需要设置：全双工、半双工或单工操作方式。系统语音/数据基站可以从一个信道增加至32个信道，每个信道可以传送语音/数据信号，它同前端机一起安装在机柜中。2.3人员定位管理系统组成设备2.3.1前端控制器前端控制器被设计安装在泄漏通信系统的前端上，被用来和安装在矿井中泄露电缆通信系统上的内嵌信标进行通讯。前端控制器支持全双工VHF通信，可以和内嵌信标进行交换信息，这种链路可以使得信息从前端控制器安全地传输到信标，反过来也是一样。在接收器已经确认数据被接收到后，发送器将丢弃数据。2.3.2IIILB（内嵌信标读写器）内嵌信标读写器提供位置信息，一个信标内嵌在泄漏电缆通讯网络中，在矿井中的特定位置有必要记录收发器的经过。每一个信标通过编程使它具有一个唯一的十六位编码。2.3.3IPT（人员收发机）人员收发机被用来跟踪整个矿井中人员的活动，当人员在信标范围内经过时，收发机可以确定它的位置。2.3.4ISPT（自供电式收发机）和IVT（车辆收发机）自供电式收发机是独立的装置，可以附属在人员、资产或者设备中，在某些应用中，使用自供电式收发机来检测人员和车辆的位置会更有效。此收发机内置3.6V锂电池的寿命在3年以上。车辆收发机与人员收发器的功能相同，同时还含有+12VDC/+14VDC供电系统及外部TNC天线连接两项功能。2.3.5ISIB（收发机）在一些场合，使用串口而不是通过泄漏电缆连接读写器更加方便。ISIB适用于不能安装泄漏电缆的场合，或者铺设泄漏电缆到要求的位置不切实际。2.4数据传输系统组成设备2.4.1IHEC、ILCIHEC在数据终端和泄漏电缆网络之间提供接口，ILC在地下为数据终端和泄漏电缆网络提供接口。ILC是附属的，由泄漏电缆供电。2.5图像传输2.5.1FBV1（视频分支器）视频分支器FVBU1用于将视频信号耦合到泄漏电缆中，同时也用于从泄漏电缆接收信号。2.5.2摄像机作为此系统的一部分，摄像机需要进行本安认证。通过调制器把摄像机的图像信号转换成RF信号，调制后的图像信号通过FVBU1连接到泄漏电缆，并通过泄漏电缆传送到前端机，经过解调在地面的监视器中显示。2.6固定电台2.6.1IntellFR（固定式无线电收发器）固定式无线电收发器，安放在地下需要经常通信的某一点，但可能手持电台又没有的地方。2.7无线电台Intell10/20是手持式无线电收发器。可以在地下任何信号覆盖的地区进行通信。 2.8本章小结 在本章中，大致介绍了泄漏电缆通信系统的组成设备。第3章 井下语音通讯系统的系统原理及系统构成3.1井下语音通讯系统原理井下语音通讯系统一般包括语音基站，放大器，矿场天线，手持式对讲机，移动电台等。其工作原理如下：语音基站是完成井下与地面语音通讯的中心枢纽，作为控制装置安装在地面控制室内，语音基站通常工作频率为150-174MHz，可以根据需要设置成全双工、半双工或单工操作方式。语音基站具有32个语音信道，实现在两个以及两个以上的无线电接收机（例如：手持式对讲机）之间的童话。连接到语音基站上的电话内联装置可以使系统与公用电话网进行通讯。放大器安装在井下，通常每隔350米需安装一个。放大器具有自动增益及功能诊断功能，能够放大RF信号，从而补偿语音信号沿泄漏电缆传输时的损失。当在空旷或泄漏电缆难铺设的区域，须使用矿场天线增加覆盖范围。手持式对讲机、移动电台、固定电台用于与地面电台通信，包括接入其他的UHF和VHF电台，也用于与地面公共网络通信（包括移动通信和固定通信）EF720406375CS3.2 井下语音通讯系统结构3.2.1 井下语音通讯系统的系统结构图 3.2.2系统结构图注释 线路放大器 泄漏电缆 线路终端器 衰减器 单个线路分支单元 双个线路分支单元 Intell10/20手持无线电台3.3 本章小结 在本章中，介绍了井下语音通讯系统的工作原理和工作过程，并设计出了井下语音通讯系统的系统结构图。该系统结构包括地面及井下部分，地面主要由语音基站构成，提供信道用于传送语音信号，井下部分则是以手持无线对讲机、无线电台为主，在地下信号覆盖的区域进行语音通话。第4章人员定位与考勤系统的系统原理及系统构成4.1人员定位与考勤系统的系统原理人员定位与考勤系统包括IHEC前端控制器、IILB内嵌信标读写器、IPT人员收发机、ISPT自供电式收发机、IVT车辆收发机以及ISIB等。IHEC前端控制器安装在地面，连接到HEBU的安全一侧，用于和分布在矿井中泄漏电缆通讯系统上的内嵌信标进行通讯。前端控制器被设计安装在泄漏电缆前端上，串行通信端口的数据传输速率是被固定的，前端控制器包括以下部分：通过泄漏电缆通信系统直接以全双工VHF链路和内嵌信标进行双向有线通信；非独立串行通信接口被用来和内嵌信标进行通信；不可擦除存储器存储配置参数；微控制器执行驱动设备功能。IILB提供位置信息，一个信标内嵌在泄漏电缆通讯网络中即矿井特定的位置，在这个特定的位置记录收发器经过信息，每一个内嵌信标通过编程使它具有一个唯一的十六位编码，信标获得的标签ID、状态信息和产生位置事件的时间标志，可以被人员定位与考勤系统记录。内嵌信标组成部分包括：在信标的临近区域内，采用UHF频段以单双工方式和收发机进行无线通信；直接通过泄漏电缆通信系统，采用VHF频段以全双工方式和前端控制器进行有线通信；不可擦除存贮器用来缓存收发机事件记录；泄漏电缆的VHF频段和功率接口；微控制器执行设备驱动功能；一个“时钟”，当前时间将通过获得前端控制器周期性的发送到ILB一个信标配置信息而得到。ILB将在储存本地时间并每秒一次更新时间，时间将在很短的时间内被保存为18位数据。内嵌信标支持单工UHF通信，可以和在通信范围内的任何收发机进行交换信息。这种链路可以使得数据从收发机安全的传输到信标，反过来也是一样。同时，内嵌信标还支持全双工VHF通信，可以和网络控制器进行交换信息，应用在这个链路的通信协议和单工UHF通信链路的通信协议类似，这种链路可以使得信息从信标安全地传输到前端控制器。在接收器已经确认数据被接收到后，发送器将丢弃数据。IPT人员收发机用于跟踪整个矿井中人员的活动，当人员在信标范围内经过时，收发机可以确定它的位置。收发机包括以下部分：和内嵌信标以单双工UHF方式进行双向有线通信；UHF天线；内置锂电池接口或者外部3.5V-5V电压接口；两个通用的可编程I/O接口；不可擦除的存储器；微控制器执行设备驱动功能；当遇到不可控装置事件时，收发机将利用看门狗定时电路来重新启动微控制器；收发机将使ILB暂时闲置功能一体化，可以使得收发机不是和任何ILB联系。这使得收发机处于这样一种状态，等待着对ILB作出应答。收发机框图如下图所示：ISPT自供电式收发机功能与人员收发机相同，自供电式收发机内置3.6 V锂电池的寿命最少为3年。ISPT含有诊断功能包括监视锂电池电压，运行参数可以通过UHF链路更新并储存在非挥发存储器中。 IVT车辆收发机与人员收发器IPT含有相同的功能，同时含有以下另外的功能：+12VDC/+24VDC供电系统；外部TNC天线连接ISIB在一些场合，使用串口而不是通过泄漏电缆连接读写器更加方便。ISIB适用于不能安装泄漏电缆的场合，或者铺设泄漏电缆到要求的位置不切实际的区域，ISIB收发机框图如下图所示4.2 人员定位与考勤系统结构4.2.1人员定位与考勤系统结构框图4.2.2人员定位与考勤系统结构框图注释 线路放大器 泄漏电缆 线路终端器 无法铺设泄漏电缆区域 通信链路 内嵌信标读写器 人员收发机 自供电式收发机 车辆收发机 4.3人员定位与考勤系统的特点：人员定位与考勤系统用户操作界面比较简单，属于双向数据传送，采用主动式标签，标签外型坚固，系统中可以有数十亿个标签和读写器地址，标签到读写器的工作范围可达50m，在每个读写器中有存储器缓冲器，可缓存大量的标签数据。4.4本章小结 本章详细分析了人员定位与考勤系统的原理，给出了人员定位与考勤系统的结构框图，并简单介绍了人员定位与考勤系统的特点。第5章 可视监控系统的原理及构成5.1 可视监控系统原理煤矿井下作业因为远离地面，地形复杂，环境恶劣，利用远程视频监控系统，地面监控人员可以直接对井下情况进行实时监控，不仅能直观地监视和记录井下工作现场的生产情况，而且能及时发现事故苗子，防患于未然，也能为事后分析事故提供有关的第一手图像资料。因此可视监控系统是现代矿井安全生产监控系统的重要组成部分。可视监控系统总体设计上由监视计算机、图像分支单元、摄像机构成。监视计算机分为主监视计算机和矿井监视计算机，主监视计算机属于远程监控，一般安装在煤矿管理部门，通过Enthernet连接，而矿井监视计算机安装在矿井监控室。FVBU1作为图像分支单元，顾名思义，起到对视频信号传输的分线功能。摄像机属系统外围设备，起到采集图像的功能。5.2 可视监控系统结构框图5.3可视监控系统的特点可视监控系统具有16个通道的全彩色图像，通过模拟信号传输，图像信道带宽为6MHZ，同轴线传输的限制大于500米。5.4本章小结 本章详细介绍了可视监控系统的工作原理，系统构成，做出了可视监控系统的系统构成框图，同时简要介绍了可视监控系统在运行过程中的特点。第6章气体信号及工控信号传输系统6.1气体信号及工控信号传输系统原理 气体信号及工控信号传输系统属于数据传输系统属于数据传输系统，配置ILC系统为星型网络，计算机主机连接到远端数据终端，通过单点HEC到多点ILC结构。由地面向下传输的路径如下：1、数据从计算机主机通过串口馈送到HEC。2、串口可通过IHEC上的跳线块JUMPER选择RS232或者RS485。3、IHEC在无线通信系统下行链路频宽中传送以Manchester码型的VHF信号的数据下行链路。4、数据下行链路占有400KHZ的带宽，信号强度/电平与 通信系统的要求兼容。数据下行链路信号通过无线通信系统分布，与基站传送信道通过 泄漏电缆系统相类似。5、在没有数据传送时，HEC在数据下行链路发送一个连续的同步信号同步所有的ILC的VHF传输。6、在所有的ILC，数据下行链路信号被解调，恢复计算机主机传送的数据，并通过串口反馈到连接到相应的ILC的数据终端。7、这些串口可通过IHEC上的跳线块JUMPER选择RS232或者RS485。在系统中可以混有不同的串口。例如一个ILC可能是RS232而其他的是RS485。上行数据路径是数据下行链路的反向，但也有一些区别，Manchester编码方式的VHF信号在无线通信系统的上行频段；在某一时间只有一个远端单元可以发送。如果多于一个单元回答，将发生碰撞，上行数据将损坏，因而不被IHEC认识。数据传输是完全透明的，按照“物理层”提供数据通信。这意味着计算机主机和远程数据终端将处理：1、数据错误监测和校正；2、寻址；3、VHF信号调整-上行时间陪给/延迟；3、根据错码检测重新传输协议；4、其他要求确保数据传输成功。6.1.2IHECIHEC在数据终端和泄漏电缆网络之间提供接口。下行链路中，IHEC把所有的数据送到串口输入并送到VHF电路。在没有数据发送时，HEC在数据下行链路发送一个连续的同步信号到VHF电路同步所有的ILC。在上行链路，当到达RSSI门限时，IHEC将从VHF电路传递数据到串口。双向传输都是透明的，在两端的数据终端设备将执行必须的协议，同步，