УДК 621.382 Подойников Николай Олегович магистрант группы АУ-М-1-09 Научный руководитель:

УДК 621.382
Подойников Николай Олегович
магистрант группы АУ-М-1-09
Научный руководитель: Давыдов Виктор Викторович
доц., к.т.н.
Московский государственный горный университет
ПЕРЕДАЧА ИНФОРМАЦИИ ПО ОПТИЧЕСКОМУ КАНАЛУ СВЯЗИ
TRANSMISSION OVER OPTICAL COMMUNIKATION CHANNELS
Осветительные приборы (ОП) применяются в шахтах главным
образом
для освещения горных выработок и для индикации,
сигнализации, информационного оповещения: светофоры, управляющие
движением электровозного транспорта, сигнализаторы состояния рабочих
механизмов, указательные табло [5]. Иногда к осветительной сети
предъявляются информационные требования: мигание означает аварийное
состояние или вызов по аварийной связи [1]. Ухудшение освещённости и
отсутствие света в подземных выработках приводит к осложнениям
условий работы. Особую опасность представляет аварийное отключение
осветительных сетей по сигналу газовой защиты, оставляющей персонал
без света в экстренной ситуации - при выходе из загазованной зоны.
Единственным средством, связывающим шахтёра с выходом на
поверхность и диспетчером, в этом случае остаётся телефон [12]. Но до
него надо добраться в темноте и без всякой информации о происходящем,
имея лишь головной светильник [4]. Исключение составляют шахты,
оборудованные системами беспроводной связи или связи сквозь массив.
Но таких шахт пока единицы и не у каждого шахтёра есть мобильный
аппарат.
Рис. 1. Многофункциональный искробезопасный светильник СГИ. [7]
61
Головной светильник в существующем исполнении, строго говоря,
также не может быть допущен к эксплуатации в условиях взрывоопасной
атмосферы. Его применение – исключение из правил, оно вызвано
взрывоопасными
параметрами ламп накаливания, требующих из-за
высокой температуры нити накаливания применения в качестве средств
взрывозащиты специальной оболочки уровня РВ, что не допускается в
аварийной ситуации [1].
Разработка на базе головного светильника шахтёра искробезопасного
оптоэлектронного прибора, позволяющего передавать информацию в
световой среде, является основной задачей в горной промышленности.
Появление ярких светоизлучающих диодов
позволяет создать
искробезопасные головные светильники и добиться их безопасного
применения во взрывоопасной атмосфере [8].
К числу основных преимуществ твёрдотельного излучателя с точки
зрения применения в искробезопасных цепях можно отнести следующие
свойства:
1. отсутствие высокотемпературных деталей и элементов,
2. рабочие параметры и потребляемая мощность находятся в
диапазоне, позволяющем обеспечить искробезопасность излучателя,
3. срок службы до 100000 часов позволяет длительное время
сохранить работоспособность,
4. малые массо-габариты позволяют объединить несколько устройств
в единый ОП, который формирует заданную кривую силы света.
Поэтому важной современной тенденцией развития светильников
является переход на твёрдотельную осветительную технику [8] и создание
на этой базе светильника РО уровня [4].
Рис. 2. Структурная схема многофункционального искробезопасного
светильника СГИ:
1 – батарея с платой искрозащитной; 2 – плата управления; 3 – фара; 4 –
корпус батареи; 5 – зарядное устройство; 6 – кабель [7]
62
Первым элементом, определяющим искробезопасность всего
светильника, является источник питания. В качестве него применяют
аккумуляторную батарею, помещённую в пластмассовый корпус,
имеющий фланцевую защиту. Аккумулятор состоит из герметичных
элементов питания, собранных в батарею. Энергетические параметры
определяются из необходимой ёмкости, рабочего напряжения и тока при
условии обеспечения времени работы до 10 часов без подзаряда. Важным
параметром
является
ограничение
параметров
по
условиям
искробезопасности всей схемы светильника. Аккумулятор проходит
отдельные предварительные испытания при коротком замыкании каждого
элемента питания на нормированную максимальную температуру при всех
отключённых устройствах защиты [9]. В качестве элементов питания в
настоящее время в большинстве случаев применяются кадмий-никелевые
элементы напряжением 1,2 В, собранные по 3 штуки в батарею. Они
удовлетворяют всем требованиям, предъявляемым к светильникам РВ
уровня с лампой накаливания напряжением 3.0 В. Такой РВ светильник
имеет ограниченный ресурс времени работы и изменяет свои
светотехнические характеристики в течении времени работы из-за
снижения напряжения батареи по мере её разряда [6].
Переход на твёрдотельный излучатель требует перехода на другой
источник энергии: напряжение питание должно соответствовать
параметрам излучателя (4.0 В х 300 мА на один светодиод) при условии
стабилизации параметров питания. В настоящее время в качестве таких
источников используются металл-никель-гидридные или литий-ионные
батареи со стабилизатором и регулятором напряжения. Для обеспечения
искробезопасности используется полупроводниковый ограничитель тока.
Такие источники обеспечивают нормированные световой поток и
силу света, обеспечивающую необходимые режимы работы: «ближний» и
«дальний» свет.
Особенностью шахтной связи является специальный протокол,
обеспечивающий передачу всех команд и сигналов, необходимых для
выполнения функций безопасности и контроля [11].
В настоящее время на него дополнительно наложены функции
табельного учёта, мониторинга, оповещения о содержании метана, в
некоторых случаях аварийной (альтернативной) связи. Он является
источником информации во многих системах безопасности. Он постоянно
находится с шахтёром. Его получают в начале работы и его сдают после
окончания рабочей смены.
Наличие в качестве светоизлучателя твёрдотельного прибора
позволяет использовать его высокочастотные свойства и параметры [8].
Диапазон его рабочих частот позволяет применить его в качестве
источника цифрового потока, генерирующего модулированный световой
сигнал. Вид модуляции и спектр частот может покрывать задачи
тонального речевого диапазона (0,3 – 3,4 кГц), каналы ИКМ связи (1,024 –
2,048 МГц), цифровые каналы ДЕСТ (1,8 ГГц) и др. Т.е. он может работать
63
в режимах генератора и ретранслятора, может быть совмещён с
оптоволоконными системами передачи информации [10].
Светильник головной искробезопасный с фарой со светоизлучающим
диодом и с аккумуляторным блоком питания, в котором аккумуляторный
блок питания состоит из аккумулятора с узлом ограничителя тока,
размещенных в защитном корпусе. Корпус имеет взрывозащищённое
исполнение, отличающийся тем, что с целью повышения выходной
искробезопасной мощности
при ограниченных массо-габаритных
параметрах корпуса и расширения функциональных возможностей, он
дополнительно снабжен узлом защиты. Узел защиты представляет собой
ограничитель максимального тока, защитой от снижения напряжения на
выходе аккумулятора и схемой управления током светоизлучающего
диода, подключенными в цепь питания светоизлучающего диода на
выходе аккумуляторного блока. Также, узел защиты имеет
дополнительный ограничитель максимального тока, включённый с ним
последовательно.
На выходе аккумуляторного блока в цепь питания светоизлучающего
диода подключена схема защиты от снижения напряжения на
аккумуляторе, и на его выходе подключена схема управления током
светоизлучающего диода.
Ограничитель тока обеспечивает снижение тока короткого замыкания
до значения ниже минимального воспламеняющего тока.
Ограничитель
максимального
тока
сокращает
мощность,
рассеиваемую ограничителем тока короткого замыкания.
Постоянная времени цепи питания светоизлучающего диода, равная
отношению суммарной индуктивности
цепи к сопротивлению
ограничителя тока короткого замыкания, меньше постоянной времени
формирования минимального ядра пламени взрывоопасной смеси.
Рис. 3. Общая схема разрабатываемого оптоприбора [5].
Управление током светоизлучающего диода осуществляется
контоллером в режиме передачи информации по световой среде.
Фотоприёмник светового сигнала установлен на каске рабочего и
включён на входе контроллера.
64
Рассмотрим схемы платы управления.
Передатчик.
Для того чтобы передать речь по оптическому каналу, проще всего
использовать амплитудную модуляцию. Однако наилучшего качества
передачи и большего радиуса действия можно добиться посредством
применения поднесущей. Она также может модулироваться по амплитуде
или по частоте.
Для осуществления модуляции излучения достаточно изменять силу
тока излучающего диода в зависимости от звуковых колебаний речи.
В схеме, представленной на рис. 4, для модуляции излучения
требуется напряжение в пределах от 5 до 10 мВ. Для этого используется
предусилитель, обеспечивающий на своем выходе напряжение
приблизительно в 1 В.
Такой тип передатчика особенно подходит к микрофону с низким
(около 1 кОм) сопротивлением, например, электродинамического типа.
Для передатчика, изображенного на рис. 5, упомянутое входное
сопротивление составит более 100 кОм. В этом случае подойдет микрофон
электретного типа, где в качестве предусилителя может быть использована
интегральная схема ОУ. Электретные (конденсаторные) микрофоны
обладают весьма равномерной амплитудно-частотной характеристикой и
обеспечивают высококачественный захват звука. При настройке действуют
так же, как и при использовании передатчика, представленного на рис. 4.
Также возможно подключение нескольких светодиодов [6].
Рис. 4. Передатчик с одним каскадом предусиления
65
Рис. 5. Схема передатчика с усилителем НЧ на интегральной схеме
В схеме, представленной на рис. 5, резистор R4 отвечает за громкость,
а резистор R6 за оптимизацию.
Питание обеспечивается шахтным аккумулятором высокой емкости.
Приемник.
Чтобы принять сигнал от передатчиков, изображенных на рис. 4 и 5
достаточно иметь фототранзистор, преобразующий колебания входного
лучистого потока в электрические колебания. А для того, чтобы сделать
слышимым сигнал, переданный через небольшой динамик, нужны два
каскада усиления. На рис. 6 показана схема приемника, изготовленного по
этому принципу. Радиус действия всего устройства составляет 5-10 м при
использовании одного светодиода в схеме передатчика. Этого достаточно
для проведения экспериментов.
Лампа освещения не является источником сильных помех, потому
что, с одной стороны, максимум ее спектра не приходится на область
работы фототранзистора, и с другой - модуляция света по сети питания
равна 50-100 Гц. Снижение помех, вызванных постоянными внешними
источниками света, обеспечивает конденсатор С1, дополнительно
подключенный к базе фототранзистора.
Для оптимизации приема схема приемника содержит подстроечный
резистор R6, который регулируется таким образом, чтобы в режиме покоя
измеряемое постоянное напряжение на выводах громкоговорителя было
приблизительно равно 1/3 напряжения питания. В качестве источника
питания используется, как и работе схем на рис. 4 и 5, шахтный
аккумулятор, который обеспечивает мощность, достаточную для
одновременного питания передатчика и приемника в случае
необходимости.
66
Рис. 6. Приемник излучения, модулированного акустическим сигналом
Проведение экспериментов.
Результаты экспериментов во многом зависят от оптимизации передатчика. Для передатчиков, представленных на рис. 4 и 5, оптимизация
очень проста, так как она основывается на измерении постоянного
напряжения.
Оптимальные условия передачи достигаются, когда работа ведется по
прямой связи, без отражения, на расстоянии нескольких метров, а
излучатель и приемник выставлены точно один напротив другого.
Поскольку КПД отраженного света зависит от состояния отражающей
поверхности, передача при помощи отражения (например, от потолка)
часто бывает ненадежной.
При прямой связи существенного увеличения радиуса действия
можно добиться, если увеличить «приемную антенну» или, точнее,
площадь принимающей поверхности. Для этого достаточно поставить
перед фототранзистором линзу. С помощью установки простой лупы
диаметром 5-8 см можно увеличить дальности действия до 10 м и более,
хотя при этом требуется высокоточная ориентация.
Кроме того, как показано на рис.7, при применении параболического
отражателя потребуется использование фототранзистора с большим
угловым полем, который необходимо будет сориентировать внутрь
рефлектора.
Аналогично при передаче с использованием только одного
светодиода, снабженного линзой, помещенной в параболический
отражатель, можно достичь КПД, который равен получаемому при использовании нескольких излучающих светодиодов. В этом случае также следует использовать отражатель с широкой диаграммой направленности.
Естественно, чем большее излучение концентрируется с помощью
линз или отражателей, тем более точная требуется ориентация. Но
создаваемое при этом преимущество заключается не только в большем
радиусе действия, но и в «скрытой» связи, так как сигнал может быть
получен только тем лицом, которому предназначался.
67
Рис. 7. Использование параболического отражателя для концентрации
излучения
По результатам выполненных исследований можно сделать вывод, что
разработанный на базе головного светильника шахтёра искробезопасный
оптоэлектронный прибор, может быть включён в общешахтные системы
табельного учёта и мониторинга персонала и мобильного оборудования.
Литература
1. Правила безопасности в угольных шахтах. ПБ 05-618-03. – М., 2004.
– С. 187-192.
2. Правила устройств электроустановок. – М.: Госэнергоиздат, 2002.
3. Правила технической эксплуатации угольных и сланцевых шахт. –
М.: Недра, 1976.
4. ГОСТ Р 51 330-99. Электрооборудование взрывозащищённое. – М.,
1999.
5. Давыдов В.В., Литствинский В.М., Гутер Л.Р. Создание шахтных
стационарных осветительных приборов повышенной эффективности и
безопасности/ Сборник трудов института Гипроуглеавтоматизация. – М.,
2000. – С. 16-29.
6. ГОСТ Р 52350.27-2005. Электрооборудование для взрывоопасных
газовых сред. Часть 27. Концепция искробезопасной системы полевой
шины (FISCO) и концепция невоспламеняющей системы полевой шины
(FNICO)
7. Давыдов В.В. Шахтное искробезопасное освещение. Светильники
головные искробезопасные/ Уголь, 2008. – № 1. – С. 47-50.
8. Курышев В.А. Источники света на основе светоизлучающих
диодов/ Метро и тоннели, 2006. – №5. – C. 14-16.
68
9. ГОСТ Р 51330.10-99. Электрооборудование взрывозащищенное.
Часть 11 Искробезопасная электрическая цепь. Введ. От 01.01.00. – М,
2000.
10. Дмитриев А. Л., Оптические системы передачи информации
/Учебное пособие. - СПб: СПбГУИТМО, 2007. – 96 с.
11. Бабенко А. Г., Лапин С. Э., Новое поколение шахтных
информационно-управляющих систем и средств обеспечения безопасности
на угольных шахтах. Горный журнал, 2010. – № 1. – С. 73–84.
12. Егорин С.Н., Современная связь в шахтах. Горная
промышленность, 2003. –№2. – С. 31-34.
Аннотация
В данной работе исследован на базе головного светильника шахтёра
искробезопасный оптоэлектронный прибор, позволяющий передавать
информацию в световой среде. Это дает возможность поддерживать связь
между шахтерами, и при этом освещать выработку.
In this paper we investigated on the basis of head lamp miner intrinsically
optoelectronic device that allows light to transmit information in the
environment. This makes it possible to communicate between miners, and thus
cover the production. In this paper we investigated on the basis of head lamps.
Ключевые слова
шахтное освещение, освещенность, световая среда, оптоэлектронный
прибор
pit lighting, light, light environment, optoelectronic device
69