基于矿井3G通信网络的防爆胶轮车监测系统

天地（常州）自动化股份有限公司 刘丰祯

引言

煤矿井下运输系统中，以胶带机为主运输运送原煤，辅助运输系统承担人员、设备和生产物资的运输任务，机车运输是辅助运输的主要方式之一。防爆无轨胶轮车不受轨道限制，机动灵活、适应性强、安全高效、应用范围广，是一种较为先进的辅助运输机车，自上世纪80年代引入国内后发展迅速。中国中西部大型煤炭集团的下属矿井基本采用防爆无轨胶轮车作为辅助运输工具，极大程度上降低了工人的劳动强度，提高了生产效率；简化了辅助运输环节，减少了事故点，提高了工效和安全性。

为保证煤矿安全，有效保护车辆，矿用防爆无轨胶轮车安全规程规定下井防爆胶轮车必须安装机车监控保护装置，对车辆的运行状态进行实时监测和停车保护。但监控保护装置的监测数据仅以仪表形式供驾驶员参考，而各大矿井均缺乏监管车辆运行状态的设备和系统，由于司机素质参差不齐，运输过程时常发生超速行驶等违章驾驶事件，信息不能实时监控导致矿井胶轮车运输管理部门无法掌握相关信息，所以矿井胶轮车运输中的违章事件得不到有效的监管、违章操作不能有效地遏制、车辆保护措施不能有效实施，甚至危及到车辆、人员和矿井安全。

防爆胶轮车的灵活度高，但由于车辆经防爆处理后的，车身自重较高，燃油效率低，油耗普遍较高，百公里油耗达100L，运营成本高。矿井胶轮车运输系统中不完善或缺乏的调度指挥设施，导致上下井中负载不足，或仅半程装配物料、半程空载，频繁指挥车辆执行物资单送达、单回收的任务，出车率居高不下，影响辅助运输系统的运营效率和成本。各大矿井均建立了小灵通等矿井移动通信系统，在矿井中作业人员能与他们的通信对象保持及时有效的联系，人员活动将得到有效的组织，能够提高作业效率，减少生产贻误。针对辅助运输系统的机车通讯系统普遍采用泄漏通信的方式，信号远距离传送效果差，泄漏电缆的续接架构可靠性低，实施效果普遍较差。并且机车通讯设备的响度低、抗噪声能力差，基本满足电机车环境，但无法适应噪音强烈的防爆胶轮车运行环境。部分矿井借助移动通信系统，为胶轮车运输部门配套小灵通、WIFI手机等人员通讯设备，音量小、需要定期充电，在胶轮车运行环境中的使用效果更弱于现有的机车通讯设备。矿井的胶轮车运输系统需要加强调度指挥，提高运输效率、降低出车率，节省辅助运输系统的运营燃油成本。

机车监控调度系统以矿井已有的无线通信覆盖网络和车辆出厂安装的监控保护装置为基础，通过配套的车载3G通信终端装备和管理软件，实现煤矿井下防爆胶轮车运行工况信息的实时监测和运输过程的调度指挥，能够提高胶轮车运输的效率，能够加强矿井辅助运输的安全管理，遏制违章驾车事件，并为辅助运输系统运营的统计考核、车辆的维护保养提供依据信息。

1 系统总体架构

矿井3G通信网络与地面商用通信网络相比，数据传输带宽受到较大的限制、上行带宽不足2M，但防爆无轨胶轮车运输数据量较小、变化速率低，不涉及控制和反馈、对传输带宽和实时性要求不高，因此，借助矿井建设的3G通信网络实现井下车辆运行状态的实时监控是完全可行的。防爆胶轮车监测系统仅需为无轨胶轮车配置具备3G数据传输功能的通信终端，并设置服务器的网络地址和端口号；系统运行时，终端与服务器建立连接，将车辆运行工况数据通过3G网络上传到监控中心的数据服务器。基于矿井3G网络的防爆胶轮车监测系统结构如图1所示。

图1 基于矿井3G网络的防爆胶轮车监测系统结构

图2 通信终端框图

数据服务器通过通信网络获取车辆通信终端上传的车辆环境参数和运行参数，进行数据信息的显示、统计、存储和查询。车辆通信终端在投入运行前，需要通过系统软件设置设备的工作参数，如数据接口的速率、数据格式、服务器的网络IP地址和端口号等。

2 通信终端设计

2.1 车辆工况数据获取

系统获取的无轨胶轮车运行工况数据来源于车辆装配的监控保护装置。国内厂商研制的防爆胶轮车配套的机车监控保护装置以YE0.3/24型柴油机车监控保护仪[2-3]为主。该保护仪由监控主机、显示器和传感元件组成，监测并显示车辆的行驶速度、发动机转速、发动机表面温度、排气温度、冷却水温度、机油温度、冷却水水位、机油压力和环境瓦斯等参数，超限时声光报警、控制停车，可以统计行驶里程、发动机运转时间和油耗等信息，具备RS232和RS485总线传输接口。通信终端设计与监控保护仪配接的总线通信接口，监听获取监控保护仪检测的无轨胶轮车的实时运行数据。

2.2 终端设计

通信终端（见图2）设计为轻便的矿用浇封兼本安型，体积小；浇封电源模块输入为机车供配电装置提供的非安直流24V电源，经电源保护栅处理成本安12V直流电源、由DCDC电路降压为5V，为设备内各电路单元供电。微处理器采用Cor t ex-M3内核的ARM芯片，通过集成的多路UART与内部3G模块相接，或转换为RS232接口与外部的机车监控仪相接。为提高通信终端与不同型号的机车监控保护装置的兼容性，通信终端预留了CAN总线接口。

国内移动通信设备生产厂商推出了诸多3G通信模组，内部嵌入网络传输的TCP协议，具备UART、USB等通讯接口，可直接使用微处理器向其发送“@”指令控制模组实现建立网络连接和数据接收、发送功能。通信终端接收机车监控仪的运行数据，并通过3G模组向设定的监控中心IP地址发送实时数据，接口电路如图3所示。

2.3 系统软件设计

系统软件可实时显示车载通信终端上传的车辆温度、液位、速度、甲烷、机油压力等运行参数数据，参数超限或设备故障时系统软件报警提示。软件可通过定位系统获取车辆位置信息，并按照巷道图实时显示。

图3 采用华为MC323的3G通信接口电路

调度指挥系统软件可对系统采集获取的数据实时存储到服务器，并提供查询和报表打印功能；调度指挥系统软件具有统计分析功能，可以统计车辆运行里程、发动机运行时间，可分析出车率，为车辆管理和保养提供依据；系统软件提供数据共享端口，便于车辆运维管理等其它系统调用。

3 结语

神华神东煤炭集团公司锦界煤矿，在用下井车辆200余台，运输范围长达30km。该煤矿为加强车辆管理，建设了基于矿井CMDA2000制式的3G通信网络的防爆胶轮车监测系统，并连续运行6个月无故障。

基于矿井3G通信网络的无轨胶轮车监测系统能够实现井下车辆运行工况的实时监测，有利于矿井加强对辅助运输系统、设备、人员的监管，为运输安全提供保障。系统以矿井已有的3G通信网络为基础，不仅能够避免重复建设投入，也可充分利用3G网络良好的无线传输特性，保证系统的可靠性。与数据业务相比，矿井3G通信网络的通讯通话功能更为专业，系统可借助该网络和终端进一步实现机车调度通讯功能，提高矿井的辅助运输效率。

[1]MT/T989—2006 矿用防爆柴油机无轨胶轮车通用技术条件[M].国家安全生产监督管理总局:煤炭工业出版社.

[2]李飞,陈亚等.一种新型的胶轮车安全保护装置[J].常州:工矿自动化,2009.

[3]张立斌,汪学明,程刘胜.一种新型矿用柴油机车保护装置的设计[J].常州:工矿自动化,2011.

[4]王永军.3G无线通讯系统在大柳塔煤矿的应用[J].西安:陕西煤炭,2013.