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一卡通人员管理系统煤矿应用分析

作者: 时间:2008-08-06

一卡通人员管理系统技术
    根据这几年的探索,大部分煤矿井下人员管理系统均采用了比较成熟的基于2.4GHz的无线射频识别(RFID)技术,下面分几个方面对该系统进行阐述。


系统数据上传/设备控制
可以选用的主干数据传输方式包括:光纤(Fiber)、控制器局域网CAN(Controller Area Net)、以太网(Ethernet)、漏泄通信(Leaky Feeder),这些均是井下到井上的数据主干,现场设备的控制中枢,对比各种传输网络,其优劣表现如下:
·漏泄通信:因距离长,泄露电缆线路设备多而复杂,且主干不再接入数据采集设备,不能发挥潜在功能。泄露电缆方案为中心主从架构,对于大煤矿数据上传速度难以满足煤矿应用;
·以太网:煤矿采用以太网,设备成本高,对于人员管理的应用而言组网过于复杂,如果为此专门敷设网络成本偏高;
·控制器局域网:对煤矿环境长距离数据传送显得吃力;
·光纤:光纤为成熟的常规解决方案,可以适合煤矿巷道较多,距离较长且复杂的特点,并且成本也比较低。
因此,在没有可利用的煤矿通信主干情况下,光纤为成熟的常规解决方案。


几种常见的系统现场数据汇集方式
常用数据汇集方式包括:RS485总线、CAN总线、ZigBee PAN( Personal Area Network)、漏泄通信(Leaky Feeder)。现场数据汇集负责将多个读卡器或分站的数据收集并经传输主干上传。下面简单地对这几种数据汇集方式进行分析:
·漏泄通信:泄露电缆在现场敷设较RS485复杂昂贵,且要求读卡器或分站必须具备无线耦合模块,增加了成本;并且泄露电缆为中心主从架构,对于大煤矿数据上传速度不够,性价比较差;
·ZigBee PAN:只能支撑PAN,因此限于现场局部数据汇集,其作用等同RS485总线,但系统的复杂性高,性价比差;
·CAN总线:与RS485总线相比,通信效率更高,但工程设计中节点数量不大,CAN的优越性不能显现,造价较RS485高;
·RS485总线:RS485总线的设计已能满足RFID数据汇集的需求,工程性,维护性都比较好。
因此,相对来说,现场数据汇集采用RS485总线更能满足需求,成本最低。


识别卡
识别卡可以采用如下技术:Blue Tooth、ZigBee、nRF。煤矿行业标准对信标采集距离,并发采集数量有明确规定。上述技术差异比较如下:


Blue Tooth、Zigbee和nRF均为工作于2.4GHz免许可频段的简单数据协议。Blue Tooth采用GFSK窄带技术,跳频展频抗干扰,同步时隙仲裁,并发信道8个,即同时处理信标个数最多7个;ZigBee采用直序展频,冗余应答仲裁,并发信道16个。


Blue Tooth、Zigbee均为通用个人局域网(PAN)组网协议,网络调度和组织的开销很大,不适应节点过于活跃的应用,对于煤矿井充当节点的信标大流量,并发操作很吃力。组网开销使Blue Tooth的协议效率为20%,Zigbee为21%,而nRF为40%。


nRF为北欧半导体专利协议,并发信道数为83个,协议效率高,GFSK单频功率控制技术(不做跳频),仲裁开销小,功耗仅为Blue Tooth的1/90,ZigBee的1/4。因此,nRF协议及其器件特别适合煤矿RFID应用。


井下人员管理产品功能待提升
虽然当前人员管理系统在煤矿矿井的应用越来越普遍,且技术也趋于成熟,但从产品实际应用来看,其功能还有待提升。


1. 无法实现精确定位
煤矿人员管理系统能将煤矿井下按照地理位置和功能差异分为不同区域,比如巷道、采掘面、采空区等,实现对区域的定位,而不能实现类似于GPS的精确定位,即系统可以实时显示矿工所在的区域,尽管有些企业产品可以实现对读卡器或分站识别距离的调节,但仍旧无法实现精确定位。从理论上说,通过布置无限多的分站可以实现这一点,但由于电磁波的干扰以及成本因素,这种办法是无意义的。


2. 以单向通信为主
大部分企业提供的人员管理系统仍旧是第一代产品,即单向通信。双向通信将是第二代产品的特征。通过双向通信,系统不仅能将井下的位置信息传到地面,还可以将井下人员的反馈及时传递上来,同时还能将地面管理人员的信息传递给矿工,比如警告信息、逃生路线下达等。一些企业已经开发出第二代产品,但其通信信息还需要扩充,功能还需进一步完善,稳定性也有待进一步提高。


3. 漏读率及并发数量有待提高
由于煤矿环境复杂,对于人员管理系统,需要在恶劣的环境中对不同运动速度的人员或资产能够实现及时识别,比如大型矿中胶轮车可以达到每秒17米的运动速度(相当于每小时60公里速度),在高速或人员高密集区域,能够将漏读率降到最低。


4. 系统远程集成能力欠缺
目前更多产品仍旧专注于单个矿或几个矿的应用,未来将会在集成到煤矿集团自动化系统或远程集成方面得到更大的发展。


5. 软件操作界面复杂
由于系统功能较多,目前大部分产品软件操作界面都比较复杂,在软件界面友好性及易操作方面都有待提高。

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