基于TDR技术的线缆检测在煤矿井下通信中的应用_占立.pdf

随着煤矿井下通信设备不断增多，使通信电缆的应用更加广泛，其数量成倍增长。各种通信电缆通常铺设在井下空间相对狭小，空气湿度较大并存在易腐蚀的环境下，而且运行时间越久，绝缘老化变质的可能性越大，随时会造成通信系统线缆的短路、断线，从而导致断网，严重的会出现通信系统瘫痪，导致采煤区甚至是全煤矿的无法正常生产。煤矿井下的电缆一旦出现故障，运维人员往往不能直接通过观察准确地查找故障点，只能依靠额外的线缆测试仪器来检测，现有的测试仪器功能单一，往往无法准确定位故障点和大面积的排查。因此，如何用一种方法能准确、快速地确定井下通信线缆故障类型和位置，减少因线缆故障或老化而造成的网络故障已成为煤矿井下运维网络的当务之急。1煤矿井下通信电缆故障分析1.1线缆故障分类煤矿井下的线缆故障分类主要有以下几种：1）接地故障：线缆中线芯接地而发生的故障。当线芯绝缘保护层由于各种原因被破坏后发生低阻接地故障。2）短路故障：线缆线芯之间绝缘层完全破损形成短路而发生的故障。3）断路故障：线缆线芯断开而发生的故障，通常是由于外力破坏引起。1.2线缆故障产生的原因：煤矿井下的线缆故障产生包含多方面的原因，与线缆的设计选型、安装施工过程、使用环境及状况都存在直接的联系，主要体现在一下方面：1）生产工艺：目前煤矿井下以太网通信线缆大部分采用双绞线电缆，其生产厂家对于双绞线线缆的设计以及相关的制造工艺已经成熟，但是其在施工过程中的偷工减料问题往往会造成线缆的质量不符合标准，以致无法保证煤矿井下的通信系统最基本的稳定可靠。2）机械损伤：机械损伤造成的故障在通信线缆故障中占有最大的比例。线缆在运输、拔插以及安装时都有可能造成损坏，安装线缆时过度的机械牵引力也会拉伤线缆。另外，井下岩石脱落砸伤、矿井中易腐蚀物质的侵蚀作用都会导致线缆的故障损伤。3）绝缘受潮，导致线缆老化：煤矿井下环境恶劣、阴冷湿热，若线缆的接头和终端接头制作不合理，未及时采取必要的防护措施，井下的湿热空气就会侵入线缆线芯，造成线缆接头严重腐蚀、绝缘老化变质等问题。2时域反射技术在使用基于双绞线的以太网通信时，以太网的物理层（Physi-cal Layer，简称PHY）芯片通常使用时域反射（Time DomainReflectometry，简称TDR）实现线缆诊断功能。TDR的工作方式是通过PHY芯片主动向双绞线发射一个脉冲信号，并通过检测所发送的脉冲信号的反射结果来检测线缆的故障状态，当发送的脉冲信号通过双绞线的末端或线缆故障点时，就会引起部分或全部的脉冲能量被反射回来，PHY芯片接收到反射波后，计算发射和接收之间的延时，根据电信号在双绞线的传播速度计算出故障点的距离，并推导出是何种故障类型。采用IEEE（Insti-tute of Electrical and Electronic Engineers）1000Base-T（千兆位以太网）协议设计的PHY芯片必须含有HYBRID电路（混合电路），该电路使用模拟电路能消除发送波和反射波存在叠加的可能，必须在接收端消除发送脉冲的影响（也就是near-endecho，近端回波），否则无法测出非常近的故障点。3线缆故障定位本技术采用Marvell方案下88E1512P系列PHY芯片，该芯片集成了先进的虚拟线缆测试功能，能够远程识别潜在的线基于 TDR 技术的线缆检测在煤矿井下通信中的应用占 立石 磊徐 炜肖正炜李 军（煤炭工业合肥设计研究院有限责任公司，安徽 合肥230000）Application of Cable Detection Based on TDR Technologyin Coal Mine Underground Communication摘要：针对煤矿井下复杂的通信线路系统故障难排查、定位的问题，提供了一种特殊的以太网检测方法对以太网电口连接的线缆进行检测。支持线缆状态检测、线缆故障位置定位、支持可视化接口形态直观地显示线缆的连接状态，能在交换机端口出现意外掉线的情况对线缆进行检测，并对结果进行数据分析，从而判断交换机端口与终端设备之间的物理链路状态，协助运维人员迅速定位故障原因。该技术通过以太网交换机的线缆检测功能，可在井下复杂的现场布线情况下，快速地查出线路的故障类型以及故障位置，避免大面积的排查问题，减少运维人员和时间的浪费，提高工作效率。关键词：煤矿井下；线缆检测；故障定位；检测方法Abstract:In view of the difficulty in troubleshooting and locating the fault of complex communication line system in un-derground coal mine,a special Ethernet detection method is provided to detect the cables connected by Ethernet electricalports in this paper.Support cable state detection,cable fault location,support visualization interface intuitive display cableconnection status,accidentally dropped in the switch port happen to test the cable and the results for data analysis,thusto judge the physical link between the switch port and terminal equipment,assist operations staff quickly locate the causeof the problem.Through the cable detection function of Ethernet switch,this technology can quickly find out the fault typeand fault location of the line in the complex situation of underground wiring,avoid large-scale troubleshooting,reduce thewaste of operation and maintenance personnel and time,and improve work efficiency.Keywords:underground coal mine,cable detection,fault location,detection method基于TDR技术的线缆检测在煤矿井下通信中的应用56工业控制计算机2023年第36卷第1期缆故障，使用特殊的混合信号处理电路，能以每秒千兆位的数据速率执行均衡、回波和串扰抵消、数据恢复和错误纠正，并且在噪声环境中以极低的功耗实现鲁棒的性能。将通信线缆的一端接入交换机端口上，通过交换机的管理调试端口输入命令行：virtual-cable-test，开启交换机的线缆诊断功能进行线缆诊断，并显示检测的结果。执行此命令可检测通信线缆的长度、支持速率、故障状态已经故障位置，从而协助运维人员快速地查找线缆的故障源，当电缆无故障时，显示信息中的长度是指该电缆的总长度；当电缆有故障时，显示信息中的长度是指交换机端口到故障位置的长度，并且显示故障类型。图1是对交换机执行virtual-cable-test命令输出信息描述：图1命令行输出信息描述Cable Length：表示电缆长度，有故障时为接口到故障位置的长度，无故障时为电缆的实际长度。Pair A/B/C/D：表示电缆的4对线。Pair A status:表示网线状态：OK(正常）：表示线对正常；Open(开路）：表示线对开路；Short(短路）：表示线对短路。4可视化故障显示上述所述的是通过交换机的管理接口的一种线缆检测方法，用户无法直观判断当前线缆是否存在故障。如图2所示在交换机网管软件界面上将线缆的检测状态作图像可视化显示，左边框图Port表示交换机所提供的端口；Status：表示端口所接线缆检测状态，绿色表示对应端口线缆检测结果正常；黄色表示对应 端 口线 缆 检测；红 色 表 示 对 应 端口线 缆 检 测 结 果 异 常；Length：表示检测线缆的长度；Speed：表示通信线缆支持的速率；Start test：开启线缆检测功能。右边框图显示端口所连接通信线缆的状态信息。图3所示图形化显示通信线缆故障状态，通信线缆在距离交换机端口17 m处出现故障，故障类型为开路，线缆检测结果FAIL。图4所示显示通信线缆中有一对线对异常，第8根线在距离交换机端口15 m距离处出现开路故障。图3通信线缆开路故障显示图4通信线缆间线对故障显示（下转第61页）图2交换机端口线缆状态检测57工业控制计算机2023年第36卷第1期（上接第57页）5结束语以太网线缆诊断技术已经发展成熟，在某些领域已经成功应用。针对井下通信系统经常因为线缆机械损伤、线缆老化、生产工艺等问题而造成的断网、网速不稳定等现象，本文提出一种基于TDR技术的以太网线缆检测技术，能在交换机端口出现意外掉线的情况时，对线缆进行检测并对结果进行数据分析，从而判断交换机接口与终端设备之间的物理链路状态，协助运维人员迅速确定故障原因，对于井下通信网络的维护和通信设备故障定位等具有很高的实用价值。参考文献1王新宇.电力电缆故障测试原理与方法简述J.神华科技，2011，9（2）：81-822李建锋.便携式网络故障测试仪的硬件系统设计D.成都：电子科技大学，20053张舒，师奕兵，刘科.时域反射测量技术在网络故障检测中的应用J.中国测试技术，2005（5）：40-41，624高辉.时域反射仪设计中若干问题的解决方案J.计算机自动测试与控制，2001（4）：61-625孙全才，金林.井下电缆在线故障选线及定位方法研究J.工矿自动化，2011，37（1）：23-27收稿日期：2022-05-12所示，五角星所示为接收端，圆点表示发射端的不同位置，共测试40个不同距离的数据。收发端的距离通过移动发射端进行改变，在不同距离测试时两端都是准静止状态，实测分析结果如图8和图9所示。图8直隧道场景水平到达角扩展图9直隧道场景俯仰到达角扩展从图8和图9的到达角度扩展结果中可以看到，整体上水平到达角的角度扩展比较小，大部分测量位置上的角度扩展小于4，这是由于直隧道的传播环境中始终存在直射径，其余的反射径最大可能是通过隧道两侧的墙壁反射。当收发端的距离越近，角度扩展越大，这是由于距离较近时反射的多径分量较多导致的。当收发端的距离越远，角度扩展越小，因为地铁隧道存在孔锁效应，距离越远，多径分量到达接收端的到达角越趋于相同。5结束语本文研究了远场下基于大规模阵列的低复杂度DOA估计问题，根据俯仰角和水平角将方向矩阵划分成两个部分，从而将二维谱峰搜索转换为一维峰值搜索和闭式解，很大程度上降低了计算成本。仿真结果进一步验证了所提方法的性能未以损失估计精度为代价，保持了和2D-MUSIC算法相近的性能，利用改进的算法分析了3.5G地铁直隧道massive MIMO的角度扩展特性。参考文献1R SCHMIDT.Multiple emitter location and signal parameterestimation J.IEEE Transactions on Antennas and Propaga-tion,1986,34(3):276-2802R ROY,T KAILATH.ESPRIT-estimation of signal parametersvia rotational invariance techniques J.IEEE Transactions onAcoustics,Speech