光纖傳輸技術(shù)在煤礦監(jiān)控系統(tǒng)中的應用

劉 芬

（1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039；2.瓦斯災害監(jiān)控與應急技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400037）

煤炭是我國的主要基礎能源和重要工業(yè)原料，長期在我國的一次性能源消費和生產(chǎn)中占據(jù)主導地位。我國既是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國家，也是煤炭消耗量最大的國家，因此如何保證煤礦安全可靠的持續(xù)生產(chǎn)，對我國國民經(jīng)濟的發(fā)展有著重要意義[1-3]。煤礦井下環(huán)境復雜，充斥著各種有害氣體，只有對井下的各種工況環(huán)境和災害氣體進行實時監(jiān)測，同時對運輸設備、采煤機等電氣設備進行工作狀態(tài)的實時檢測與診斷，才能保證整個煤礦的安全運行[4-7]。

在礦井監(jiān)測系統(tǒng)中，傳感器能實時采樣工況環(huán)境和設備參數(shù)，是煤礦安全生產(chǎn)運行的關(guān)鍵設備。目前，我國已開發(fā)出大量用于煤礦檢測和監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器，主要包括甲烷傳感器、一氧化碳傳感器、風速傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、煙霧傳感器等[8-12]。這些傳感器與監(jiān)控分站的數(shù)據(jù)傳輸大多采用電壓或電流等模擬信號，另外也有采用CAN總線和RS485總線等總線方式進行數(shù)據(jù)傳輸。這些數(shù)據(jù)傳輸方式在傳輸線路上的表現(xiàn)均為電信號，在遠距離傳輸過程中可靠性和及時性會大大降低，同時由于礦井運輸設備、采煤設備等電氣設備在工作時會產(chǎn)生大量的電磁輻射，會對傳輸線路上的電信號產(chǎn)生極大的干擾，大大降低數(shù)據(jù)的準確性。隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展，光纖傳輸技術(shù)已廣泛的應用于民用、軍用和工業(yè)等場合，相對于傳統(tǒng)電纜，光纖具有抗電磁干擾能力強、傳輸損耗小、傳輸速率高以及質(zhì)量小等特點，特別適合應用于環(huán)境復雜，條件惡劣的場合[13-16]。為此，針對電纜傳輸在煤礦井下環(huán)境中存在的各種問題，同時結(jié)合光纖技術(shù)的優(yōu)點，提出了光纖傳輸方案在礦井監(jiān)控系統(tǒng)中的應用，井下傳感器終端設備與監(jiān)控分站通過光纖進行信號傳輸，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性、及時性和可靠性[17-20]。

1 光纖傳輸模組總體結(jié)構(gòu)

目前，我國煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)多采用“樹形結(jié)構(gòu)”的方式進行數(shù)據(jù)的傳輸，即監(jiān)控中心通過交換機與監(jiān)控分站組成主干網(wǎng)，井下工況、環(huán)境的檢測設備包括各類傳感器、斷電器等終端設備下掛在分站下面，組成整個安全監(jiān)控系統(tǒng)的分支網(wǎng)。主干網(wǎng)中監(jiān)控分站、交換機構(gòu)成以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)，可以采用成熟的光纖以太網(wǎng)進行通訊，而分支網(wǎng)中各終端設備與監(jiān)控分站之間的數(shù)據(jù)傳輸主要通過模擬量或數(shù)據(jù)總線傳輸方式，因此重點研究終端設備與監(jiān)控分站之間的光纖傳輸模組，解決礦井復雜工況和環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳輸距離短、抗干擾能力差、速度慢等問題。

1.1 光纖傳輸方式

按照光在光纖中的傳輸模式光纖傳輸主要可分為單模光纖和多模光纖。在光纖通信中，單模光纖是一種在橫向模式直接傳輸光信號的光纖，傳輸?shù)氖菃我徊ㄩL的光波。單模光纖運行在100 M/s或者1 G/s的數(shù)據(jù)速率，傳輸距離可以達到至少5 km，通常情況下，單模光纖用于遠程信號傳輸。多模光纖主要用于短距離的光纖通信，傳輸速度是100 M/s，傳輸距離達2 km。

傳統(tǒng)總線傳輸方式一般需2根以上的數(shù)據(jù)總線，如CAN總線、RS485總線均需2根電纜總線進行數(shù)據(jù)的傳輸。如果在光纖傳輸中采用時分復用技術(shù)可在1根光纖上實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)，即發(fā)送信號和接收信號分別在不同的時段在光纖中進行傳輸，相互之間沒有影響，大大提高光纖的利用率。相對于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸總線，使用光纖傳輸不僅可以提高速率、增加距離、增強抗干擾能力，而且可以減少線纜的用量，減輕線纜的質(zhì)量，方便礦井下的布線工作。因此，針對礦井下的復雜環(huán)境和遠距離傳輸需求，主要采用的是單模光纖的時分復用傳輸模式。

1.2 光電復合線纜和復合接頭

終端設備與監(jiān)控分站之間不僅需要進行數(shù)據(jù)交互，而且需要監(jiān)控分站提供電源來保證終端設備的正常工作。因此針對實際需求，研究了光電復合線纜和復合接頭的方案。礦用光電復合線纜截面圖如圖1。

圖1 礦用光電復合線纜截面圖Fig.1 Cross section of mine photoelectric composite cable

光電復合線纜采用礦用阻燃光纜，同時集成電纜，其中，電纜用于終端設備的供電；光纜用于數(shù)據(jù)的傳輸，光纜數(shù)一般為2根，1根用于實際傳輸，另1根可做備用，可根據(jù)實際需求定制光纜數(shù)量；填充、包帶和線纜外套采用阻燃防爆材質(zhì)，以達到礦用本安要求。

根據(jù)線纜結(jié)構(gòu)設計復合接頭結(jié)構(gòu)，采用普通雙芯光纖防水接頭，加裝2芯電線組成，結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，符合實際應用需求。

1.3 井下光纖傳輸模組結(jié)構(gòu)

井下光纖傳輸模組結(jié)構(gòu)如圖2。分站系統(tǒng)通過光電復合纜和復合接頭與分線箱連接；分線箱內(nèi)部集成有無源分光器對光路信號進行分路，線路簡單，容易擴展；分線箱與終端傳感器設備通過復合光纜進行連接；傳感器內(nèi)部集成光收發(fā)模塊，實現(xiàn)光信號和電信號之間的轉(zhuǎn)換。

圖2 光纖傳輸模組總體結(jié)構(gòu)Fig.2 Overall structure of optical fiber transmission module

分線箱內(nèi)部的無源分光器可以將1路光信號分成多路，分光器的信號衰減是固定的，不影響信號的傳輸，無源分光器已是成熟的技術(shù)，在國際上已有大量的應用。通過分光器的靈活搭配，結(jié)合光纖傳輸距離遠、速度快、損耗低、抗干擾能力強等特點，可根據(jù)現(xiàn)場實際應用環(huán)境，靈活安裝監(jiān)控分站和分線箱子的位置。

2 光纖收發(fā)模塊原理

光模塊主要是由光電子器件、功能電路和光接口等組成，光電子器件包括發(fā)送和接收2部分，發(fā)送端把電信號轉(zhuǎn)換成光信號，通過光纖傳輸后，接收端再把光信號轉(zhuǎn)換成電信號。光模塊可以分為光接收模塊，光發(fā)送模塊，光收發(fā)一體模塊和光轉(zhuǎn)發(fā)模塊等。因為采用的是單光纖傳輸，因此需要選用光收發(fā)一體模塊。光收發(fā)一體模塊原理框圖如圖3。

圖3 光收發(fā)一體模塊原理框圖Fig.3 Principle block diagram of optical transceiver integrated module

光收發(fā)一體模塊內(nèi)部集成了發(fā)送和接收2個部分。發(fā)送部分通過激光驅(qū)動器驅(qū)動激光器將輸入的電信號轉(zhuǎn)換為光信號，透過分光片折射到光纖上進行信號傳輸；而接收部分是光纖傳輸過來的光信號經(jīng)過分光片折射到探測器上，經(jīng)檢測轉(zhuǎn)換成電信號，然后通過放大器和緩沖器調(diào)制，轉(zhuǎn)換為正常的電信號進行數(shù)據(jù)輸出。因為研究的是單光纖進行數(shù)據(jù)的收發(fā)，因此為了避免同一波長光信號在輸入輸出端造成探測器的檢測混淆，對輸入光信號和輸出光信號分別采用不同的光波信號，同時利用分光片對不同波長光波的透射率和折射率的不同，來分離出輸出光波和輸入光波信號，保證光信號傳輸?shù)奈ㄒ恍院涂煽啃浴?/p>

光模塊作為光通信的核心器件，已在工業(yè)光通信領(lǐng)域得到了廣泛的應用。市面上光模塊種類繁多，功能各異，根據(jù)實際需求選用的一款TTL 1X10電平單模單纖光收發(fā)一體模塊，其傳輸速率最高可達到5 M/s，接口電平兼容標準TTL電平和CMOS電平，功耗低至120 mW，適合礦井下的傳感器等對功耗要求比較嚴苛的終端檢測設備。

3 光纖收發(fā)模塊在傳感器中的實際應用

選用的是中煤科工集團重慶研究院的KG9701B型低濃度甲烷傳感器，該傳感器與監(jiān)控分站之間的通信是RS-485總線方式。傳感器內(nèi)部通過SN65LBC184芯片將MUC的USART串口信號轉(zhuǎn)換為RS-485信號,通過數(shù)據(jù)總線傳輸?shù)奖O(jiān)控分站，在分站內(nèi)部又通過RS-485芯片將總線信號還原為串口信號傳輸?shù)椒终緝?nèi)部的CPU。因此，USART轉(zhuǎn)RS-485和RS-485轉(zhuǎn)USART對傳感器MCU和監(jiān)控分站的CPU來說是透明的。

因為光電收發(fā)一體模塊接口電平為標準的TTL電平和CMOS電平，可以快速的實現(xiàn)光信號和電信號之間的相互轉(zhuǎn)換。因此使用光模塊可以很好的替代RS-485轉(zhuǎn)換芯片，實現(xiàn)傳感器和監(jiān)控分站之間的光纖信號傳輸，光模塊在傳感器中的應用如圖4。由圖4可以看出，光模塊可以在不改變原有的軟件通信協(xié)議的基礎上，實現(xiàn)了傳感器與監(jiān)控分站的光纖信號傳輸。

圖4 光模塊在傳感器中的應用Fig.4 Application of optical module in sensor

將4臺甲烷傳感器內(nèi)部的RS-485芯片替換為光模塊，然后通過1分4的分光器與分站監(jiān)控系統(tǒng)建立連接，打開分站系統(tǒng)進行實際的通信測試。通過實際應用測試可以得出光纖傳輸網(wǎng)絡能很好的滿足實際應用需求。

4 結(jié) 語

數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，是煤礦安全運行的重要保障，如何解決好監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸在井下復雜環(huán)境遇到的距離短、速度慢、抗干擾能力差等問題，對煤礦安全生產(chǎn)有著重要意義?；趯饫w傳輸技術(shù)的研究，提出了光纖傳輸模組方案，經(jīng)實際應用測試，在不改變監(jiān)控系統(tǒng)原有的軟件通信協(xié)議框架的基礎上，數(shù)據(jù)傳輸性能穩(wěn)定、可靠。因為光纖信號的天然光電隔離和傳播速度極快的特性，結(jié)合復合光纜和復合接頭，非常適用于煤礦井下復雜的工況環(huán)境。因此，采用光纖傳輸模組能有效的解決礦井監(jiān)控系統(tǒng)井下數(shù)據(jù)傳輸遇到的各種問題，保障煤礦安全生產(chǎn)。