CC BY
14
МОЛОКОВСЬКИЙ 1.О.,(ДонНТУ); ТУРУПАЛОВ ВВ., (ДонНТУ); ШЕБАНОВА Л.О. (ДонНТУ).
Застосування випромшюючого кабелю у технолоНчних мережах про-мислових пiдприeмств
Актуальшсть питания
Велика кiлькiсть аварiй на шахтах Украши призводить до високого рiвню травматизму, у тому чист пов'язаного iз смертю людей, великих економiчних збиткiв (бiльше 1 млрд. грн на рiк) за ра-хунок лшвщацп наслiдкiв аварiй i не до-даного вугiлля (20 млн. т. на рш). Осна-щення шахт комплексами технологiчного зв'язку з режимом аваршного сповiщення на основi випромiнюючого кабелю зможе зменшити цi збитки.
Постановка завдаиия
Технолопчш мереж зв'язку повиннi бути призначеш для побудови систем гiрничо-пiдземного радюзв'язку та автоматизаци на шахтах i рудниках, а та-кож для модершзацп застарiлих систем зв'язку на юнуючих пiдприeмствах. Технологiчна мережа повинна забезпечу-вати надiйний голосовий радюзв'язок на поверхнi i в тдземнш частинi шахт i ко-палень з можливютю виходу абонента у виробничо-технолопчну мережу зв'язку пiдприeмства, передачу даних вiд систем автоматизованого управлшня. Крiм пiдприeмств прничодобувно'1' галузi, технолопчш мереж можуть бути використанi на об'ектах, де поширення радiохвиль ускладнено: у тунелях метропол^ену, залiзничних тунелях, тдземних бункерах та тощо.
Основна частина
Системи шахтного зв'язку можливо умовно подшити на два типи: системи телефонного зв'язку та системи технологичного зв'язку. До систем телефонного зв'язку вщносяться установча телефонна станщя (автоматична чи руч-на), система забезпечення юкробезпеки телефонних лшш у шахт!, диспетчерський комутатор та система гучномовного сповщення об аварп. До систем технологичного зв'язку вщносяться системи стволового, тдЧзного, конвеерного та дiльничного зв'язку [1]. В данш статтi бу-дуть розглянутi питання, що стосуються технологiчного зв'язку, що можуть бути виконаш на базi випромiнюючого кабелю.
Основою для створення систем без-дротового зв'язку за допомогою випромшюючого кабелю стали дослщження у област розповсюдження радiохвиль у системi «коакаальний кабель - пiдземна виробка».
Системи зв'язку у шахтi iз застосу-ванням випромiнюючих коаксiальних кабелiв мають ряд переваг перед шшими шахтними системами зв'язку:
• характеристики системи зв'язку визначаються параметрами кабелю та мало залежать вщ електричних властивостей стшок шахти;
• на характеристики приймального сигналу мало впливае транспорт, що рухаеться у шахтц
• змiнюючи параметри кабелю можливо змшювати властивост системи зв'язку - зону обслуговування поблизу кабелю, послаблення сигналу вздовж кабелю, оптимальш частоти зв'язку.
Робота зi створення систем зв'язку з неперервним доступом розпочалися в
Англп у 1967 рощ, роботи проводилися у наступних напрямках [4]:
• теоретичне вивчення розповсюд-ження радюхвиль вздовж кабелiв у туне-лях рiзноманiтних форм, перетворення титв хвиль у випромшювальному кабелi, зв'язок антен iз полем кабелю, сумарних втрат лшш зв'язку;
• експериментальне вивчення параметрiв кабелiв, антен у лабораторних умовах;
• вимiряння полiв випромiнювальних кабелiв у реальних умовах - у шахтах, тунелях, вздовж залiзницi.
Розраховувались та вимiрювались параметри випромiнювальних кабелiв рiзноманiтних конструкцiй, у тому чист iз рiзними видами зовнiшнього провщника iз прорiдженим оплетенням, iз поздовжньою щiлиною, iз довгастими от-ворами, що орieнтованi пiд рiзними кута-ми до утворювальних, iз щшинами кругло! та елштично'1' форми, iз попереч-ними прорiзями по всьому периметру.
Коефщент проходження радiохвиль через зовшшнш провiдник визначаеться шляхом точних електродинамiчних розрахункiв, а також за рiзноманiтними наближеними формулами iз застосуван-ням поняття поверхневого iмпедансу зовтшнього проводу кабелю. З'ясувавши експериментально або теоретично та виривши межову задачу для багатошаро-вого середовища - стшка тунелю, два дiелектричних шари (атмосфера та iзоляцiя кабелю), зовнiшнiй провiдник iз поверхневим iмпедансом г*,
дiелектричний шар, внутршнш провiдник iз поверхневим iмпедансом 2 - можна чи-сельним шляхом з'ясувати постшну роз-повсюдження радюхвиль вздовж тунелю (фазову швидюсть та послаблення) та коефщенти перетворення титв хвиль. Вводячи додатковий тонкий шар, нанесений на iзоляцiю кабелю, можна розраху-
вати додаткове послаблення радюхвиль, що обумовлене шаром пилу на кабель Нижче наводяться найбшьш загальн закономiрностi розповсюдження
радiохвиль вздовж випромшювального кабелю.
Як i для двохпровщно! вщкрито! лшп, уздовж коаксiального кабелю з най-меншим загасанням розповсюджуються два види коливань: мiж зовшшшми та внутрiшнiми провщниками - бiфiлярнi типи хвиль (Т), мiж зовнiшнiм провiдником та стшкою тунелю -монофiлярний тип.
1ндуктившсть зв'язку Ь^ нГн/м, у тонкому екраш кабелю з однаковим дiаметром отворiв ё, мм, доволi точно ви-значаються за формулою [5]:
ь -
1 - 15лО2 ,
(1)
де п - число отворiв на метр довжини кабелю;
Б - дiаметр екрану кабелю, мм.
Поверхневий iмпеданс 2*, Ом, на частот / визначають за формулою [5]:
Ъ -1
,2п/ё3 -10"
15£2
(2)
Проведет ВАТ «Автоматпрмаш» [6] дослщження показали, що для дiапазону частот 5 - 10 МГц оптимальним для шахтного зв'язку е кабель з погонною шдуктивтстю 40 нГн/м, при цьому досягаеться максимальна дальтсть зв'язку та необхщний коефщент перетворення титв хвиль. Результата дослщження приведет у таблиц 1. На рисунку 2 наведена частотна залежтсть послаблення радюхвиль вздовж такого кабелю ^фшярний тип хвиль) при рiзних вщдаленнях кабелю вщ стшки тунелю.
Таблиця 1. - Частотна залежтсть послаблення бiфiлярних радюхвиль
9
Послаблення хвиль, дБ/км
Частота, МГц l/a=1 l/a=0,1 l/a=0,08
1 1,6 2 3
2 2,5 3 6
5 4,3 5 12
10 6,5 8 18
20 9,3 11 28
50 15 18 42
100 21 25 55
200 29 36 68
500 41 55 87
1000 50 70 100
2000 55 81 112
5000 62 95 130
Дiаметр внутрiшнього проводу дорiвнюe 1,5 мм, дiаметр оплетення - 10 мм, дiаметр iзоляцiï кабелю - 11,5 мм, дiаметр тунелю а=2 м, провiднiсть стшок тунелю 10-3 См/м, вiдносна дiелектрична провiднiсть матерiалу кабелю - 5,7-107
См/м, дiелектрична проникнiсть iзолятору та захисноï оболонки вiдповiдно дорiвнюють 2,5 та 3; поверх захисноï оболонки нанесено шар пилу i3 прокольною провiднiстю (добуток товщини на елек-тричну провiднiсть) тотожний 10-3 См.
а, дБ\км
1000
100
10
l/a=0,08 ^^^^ —"173=0,1
l/a=1
f, МГц
10
100
1000
10000
1
1
Рисунок 2. - Вплив вщдалення кабелю вщ стшок цилшдричного тунелю на послаблення бiфiлярного типу хвиль
Рисунок 3. - Вплив вщдалення кабелю вщ стшок цилiндричного тунелю на послабления монофшярного типу хвиль
На рисунку 3 наведеш аналогiчнi графiки для монофшярного типа хвиль, з яких видно, що стшка тунелю починае впливати на послаблення бiфiлярного типу хвиль тшьки при малих вiдстанях мiж кабелем та стшкою (кабель практично ле-жить на стшщ). Вплив стiнки на монофшярний тип хвилi сильнiший на ви-соких частотах дiапазоиу. При зменшенш iндуктивностi зв'язку вплив стiнки тунелю на а зменшуеться та при Ь^нГн/м практично вщсутнш.
Таблиця 2. - Частотна залежнiсть послаблення монофшярних радiохвиль
Частота, МГц П ослаблення хвиль, дБ/км
1/а=1 1/а=0,3 1/а=0,1 1/а=0,02
1 15 19 23 45
2 30 40 56 105
5 75 90 110 180
10 97 150 200 300
20 100 255 400 600
50 102 400 700 1100
100 103 700 1100 1600
200 104 1000 1600 2800
500 105 1300 2200 4300
1000 106 1600 3000 6900
2000 107 2000 4000 8600
5000 108 3000 5500 9700
На рисунку 4 наведеш графши взаемного iмпедансу 2в двох електричних антен, що розташоваш поблизу коаксiального кабелю у шахт на вiдстанi г один вщ одного. Взаемним iмпедансом називаеться вщношення напруги, що наводиться у прийомно'1' антенi, до струму у передаючш антенi. Розподiлення струму та напруги вздовж антен прийнято синусощальним.
Умови розмщення кабелю таю ж, як на рисунку 3 (за виключенням розташу-i для даних, що наведенi на рисунку 2 та вання кабелю вщносно стiнки тунелю).
Рисунок 4. - Частотна залежнють взаемного iмпедансу двох електричних антен у системi зв'язку з безперервним доступом, (_1/а=0,5) та (___1/а=0)
З рисунку можна побачити, що для Реальне значення сигналу у
вщсташ мiж прийомною та передаючою прийомнiй антенi при перемщенш 11 антенами г<2км оптимальнi частоти вздовж кабелю в однш з шахт Францп [5]
зв'язку лежать у дiапазонi 1-10 МГц, але i показано на рисунку 5. на бшьш високих частотах значення взаемного iмпедансу може задовольняти.
Рисунок 5. - Експериментальне значення напруги у прийомнш антеш при перемщенш 11 вздовж випромiнювального кабелю
Робоча частота зв'язку 7 МГц, усе-реднене послаблення радюхвиль вздовж кабелю - 2,3 дБ/100м, шдуктившсть зв'язку кабелю 40 нГн/м, потужнiсть передатчика, що навантажений на кабель, 1 Вт, прийомна антена - феритова довжи-ною 10 см, чутливють приймача 1 мкВ.
Вимiри на бiльш високих частотах показали, що при перемщенш вздовж кабелю сигнал може змшюватися на декшька десяткiв децибел, що може буде обумовлено поганим узгодженням пристро'1'в, змiнюванням орiентащi антен, впливом рельефу стiнки тунелю та шшими факторами.
Одним з основних представникiв бездротового технологiчного зв'язку е комплекс «Талнах», що призначений для побудови кабельноi мережi, що випромшюе, та забезпечуе
функцiоиування системи радюзв'язку та автоматизованих систем дистанцшного керування рiзноманiтного призначення у пщземнш частинi шахт, у тому чист не-безпечних по газу та пилу.
Комплекс «Талнах» забезпечуе [2]:
• роботу системи конвенцшного радюзв'язку;
• роботу системи транкинго-вого радюзв'язку стандарту МРТ 1327 (1з реалiзацiею уах функцiй, якi пщтримуються цим протоколом);
• роботу системи персонального радiо виклику;
• роботу систем аналогового та цифрового промислового телебачення;
• оргашзащю високошвидкiсних (до 4 МбЫс) каналiв передачi даних вщ стацiонарних об'ектiв;
• роботу системи табельного облiку та позицюнування персоналу та технiки;
• оргашзащю дуплексних каналiв передачi даних iз швидкiстю до 64 кбiт/с з штерфейсом RS-485;
• збiр телеметрично'1 iнформацii о роботi лiнiйного обладнання комплексу.
НО - RS485 - лс - ЛУ - ЛС - ЛУ - лс
ч»
ЛУ Н лс уло
Рисунок 6. - Структурна схема комплексу «Талнах»
Устаткування комплексу «Талнах» забезпечуе можливють розвитку та модершзацп мереж пщземного радiозв'язку, що побудоваш з викори-станням устаткування системи пщземного радiозв'язку МСА1000 виробництва Minecom Australia Pty. Ltd., Австралiя, а також iншi системи пiдземного радюзв'язку, що використовують частот-ний дiапазон 40.. .185 МГц.
Недолiком комплексу е те, що потрiбно використовувати
спецiалiзований коаксiальний кабель та, вiдповiдно, дуже висока вартють устаткування, а також складшсть в обслуговуваннi кабельно'1 лшп зв'язку, використання спецiалiзованих
з'еднувальних та перехiдних муфт, високi професшш вимоги до персоналу, що обслуговуе комплекс [3].
Висновки
У статп розглянут питання розпов-сюдження радюхвиль у пщземних спору-дах за допомогою випромшюючого кабелю. Розраховаш та наведенi основнi характеристики розповсюдження, що зале-жать вщ рiзних частот роботи переда-вального обладнання. Наведено приклад реалiзацii технологiчного зв'язку, що ви-користовую випромiнюючий кабель, зазначенi його переваги та недолши.
Список лггератури:
1. Молоковський 1.О. «Дослiдження телекомушкацшних систем для технологiчного зв'язку в умовах вугшьних шахт» - Магистерская квалификационная работа. - ДонНТУ, 2008. - 86с.:ил.
2. Радиосвязь под землей/ [Электронный ресурс]: Радиосвязь под землей
на излучающем кабеле для создания телекоммуникационных систем на шахтах, рудниках и спецобъектах- Электрон. дан. - Компания Информационная Индустрия, 2005. - Режим доступа:
http://www.informind.ru/catalog/catalog system_expo_4/ - Загл. с экрана.
3. Анализ современных средств связи в угольных шахтах и очистных забоях: Отчет о прохождении преддипломной практики на предприятии ОАО Автомат-горммаш им. В.А.Антипова / ДонНТУ; Руководитель В.В.Турупалов. - Донецк, 2008. - 10с.: ил.
4. Теоретические и экспериментальные исследования по проблемам радиосвязи в шахтах, туннелях и других подземных сооружениях / Под ред. Н.В.Авдеева. - М.: Экос, 1992. - 42с.
5. Slaughter R.J. Radio Electron. Eng., V. 45, #5, 248, 1975
Анотацн:
У статп розглянуп питання розповсюджен-ня радюхвиль у складних пвдземних умовах вупльних шахт, тунелях метро. Розглянуто пример виконання комплексу технолопчного зв'язку «Талнах», визначеш його переваги та недол1ки.
Ключов1 слова: Частота - Випромшюючий кабель - ТАЛНАХ.
В статье рассмотрены вопросы распространения радиоволн в сложных подземных условиях угольных шахт, тоннелей метро. Рассмотрен пример реализации комплекса технологической связи «Талнах», определены его достоинства и недостатки.
Ключевые слова: Частота - Излучающий кабель - ТАЛНАХ.
The problem of wireless communications was analyzed. The complex technological communication "Talnakh" was considered and defined its advantages and disadvantages.
Keywords: Frequency - Radiating Cable -Talnakh
