基于5G 系統(tǒng)的機電一體化技術及其在屯蘭礦的應用

劉亞軍

（山西焦煤西山煤電集團有限責任公司屯蘭礦， 山西 古交 030206）

引言

煤礦機電一體化技術是目前我國煤礦開采中應用較多的一項技術，是把4G+5G 系統(tǒng)技術、自動控制技術和信息處理技術結合在一起的復合技術，是微電子技術逐漸滲入到傳統(tǒng)機械工程中的一項技術，有效地融合了計算機技術、電氣工程、機械工程、信息技術、編程技術、網(wǎng)絡處理技術等多方面技術的運用[1-2]。隨著科學技術的不斷發(fā)展，我國已經(jīng)進入5G 時代，作為我國工業(yè)中的領頭羊煤炭行業(yè)，也逐步向智能化、集約化方向發(fā)展，5G 通信技術已經(jīng)與煤礦生產(chǎn)與開發(fā)利用逐步融合，并將大數(shù)據(jù)、云計算、機器人等先進技術也同時應用于煤炭行業(yè)，達到全面感知、動態(tài)預測和協(xié)同控制的智能發(fā)展系統(tǒng)，使得煤礦行業(yè)的采煤、掘進、開拓、通風、運輸、提升和安全等各方面全面發(fā)展，這對煤礦行業(yè)的安全高效發(fā)展起到了推進作用。

山西焦煤西山煤電集團公司深入貫徹落實山西省委、省政府能源革命及國資國企改革決策部署，以敢為人先、敢為勝利的信念，搶抓機遇，迅疾行動，計劃聯(lián)合山西移動、華為公司聯(lián)合開展井下5G+智慧礦山應用合作，構建以“安全綠色智能化開采”為特點的現(xiàn)代煤炭開采模式，打造全國領先的“5G+智慧礦山”標桿。

1 5G 系統(tǒng)概況

5G 技術是通信行業(yè)中的第五代，是第四代通信技術的延伸與發(fā)展，5G 技術將會把數(shù)字技術更為廣泛地應用于人民生活中，影響著人民生活，給人民帶來更為便捷的服務，將在全社會數(shù)字化轉型進程中擔負著不可替代的重要使命。同時5G 時代也會打破之前傳統(tǒng)的“人”與“人”、“物”與“物”和“人”與“物”之間的互聯(lián)，在社會生活中所有的“人”和“物”都會形成一個統(tǒng)一體，在數(shù)字生態(tài)系統(tǒng)里實現(xiàn)最優(yōu)的互聯(lián)互通。

5G 技術與其他通信技術相比，有很多的優(yōu)點，其主要的優(yōu)點體現(xiàn)在數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣壬?，傳輸速度最高可達10 Gbit/s，比之前的網(wǎng)絡通信速度要快100倍左右，同時5G 技術還有一個優(yōu)點是極低的網(wǎng)絡延遲，能實現(xiàn)同步通信，響應時間極短，低于1 ms，而4G 為30～70 ms。5G 的海量連接也是技術特性，利用5G 的技術特性，高帶寬可以傳輸高清視頻，低延時可實現(xiàn)井下采煤機的遠程控制，海量連接可連接更多的終端，為此在5G 網(wǎng)絡上可增加更多的應用。

2 基于5G 系統(tǒng)的機電一體化技術

5G 系統(tǒng)整體架構主要包括設備終端、網(wǎng)絡層（接入網(wǎng)絡、工業(yè)網(wǎng)絡）、管理平臺三部分。其組網(wǎng)架構如下。

2.1 井下無線網(wǎng)絡部分

井下無線網(wǎng)絡部分采取礦用4/5G 雙模大增益、定向外置天線＋分體式隔爆化RRU 作為基礎的5G分站覆蓋單元，來滿足“4G（FDD1800）+5G（NR2.6G）”網(wǎng)絡協(xié)同覆蓋。

2.2 井下網(wǎng)絡傳輸部分

分站至隔爆BBU 采取回傳光路交叉部署方案，確保單BBU 設備故障時，連續(xù)區(qū)域內5G 網(wǎng)絡不全阻，4G 網(wǎng)絡仍能連續(xù)覆蓋，隔爆BBU 與井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)交換機部署位置相同（通常在中央配電室、采區(qū)配電室等），以增強BBU 運行環(huán)境穩(wěn)定性。BBU 連接井下隔爆化PTN，然后井下隔爆化PTN 雙環(huán)路至井上PTN 所在機房，確保單路由中斷時，可在第一時間進行倒換；井下BBU 由PTN 1588v2 時鐘進行同步授時。

2.3 井上網(wǎng)絡傳輸部分

井上機房布置MEC 邊緣計算服務器，配置在PTN 與礦井已有井上融合調度平臺服務器之間，進行井下視頻交互、監(jiān)控視頻智能識別、監(jiān)控數(shù)據(jù)處理等邊緣計算業(yè)務。MEC 配合太原移動公司布置UPF，以降低現(xiàn)場使用的網(wǎng)絡時延。

2.4 網(wǎng)絡安全部分

井上PTN 采用物理雙路由傳輸鏈路，確保任意一側傳輸設備或光纜路由故障時PTN 業(yè)務不中斷，增強網(wǎng)絡安全性。礦井自有服務器至移動公網(wǎng)之間、邊緣PTN 至移動公網(wǎng)之間部署防火墻（網(wǎng)閘），配合部署信息網(wǎng)絡監(jiān)控平臺和手機本地部署管控平臺，通過APT智能探針、手機上網(wǎng)行為管理實現(xiàn)工控網(wǎng)絡安全。

3 基于5G 系統(tǒng)的機電一體化技術在屯蘭礦的應用

3.1 在提升機上的應用

目前，礦井提升機是屯蘭礦生產(chǎn)中最為常見的、也是最為重要的設備之一，為了提高提升機的提升效率，將先進的科學技術應用至提升機中勢在必行，同時也符合智慧礦山的發(fā)展需求。因此，5G系統(tǒng)的機電一體化技術在提升機中得到應用，有效改善和控制了提升機的多項功能，保證提升機高效的工作，我國自主研發(fā)的全數(shù)字化提升機中，基于5G 系統(tǒng)的機電一體化技術，ASCS 是核心部分，是一套由雙CPU 構成的計算機系統(tǒng)，具有操作簡便、性能先進、準確可靠等特點，在煤礦開采中得到了廣泛應用。

3.2 在智慧綜采面建設中的應用

目前，采煤機數(shù)據(jù)傳輸主要采用光纖、動力線纜載波技術，使用過程中頻繁發(fā)生線纜折損造成數(shù)據(jù)中斷；液壓支架傳感器、視頻信號線纜過多，運行過程中維護量大，而且工作面工況復雜，頻繁發(fā)生信號缺失；液壓支架電液控總線需要每架支架控制器串聯(lián)，其中某根控制器鄰架線故障會導致整個電液控總線失效。采用無線傳感器、無線攝像儀，省去部分信號線纜，借助5G 網(wǎng)絡的高帶寬、高可靠性實現(xiàn)所有傳感數(shù)據(jù)、視頻信息、參數(shù)控制信號的高速傳輸，同時作為有線控制總線的冗余網(wǎng)絡，可以有效保證總線正常運轉。最終實現(xiàn)在順槽監(jiān)控中心，甚至地面調度中心，完成對采煤機、液壓支架、運輸三機、泵站系統(tǒng)的遠程自動作業(yè)，實現(xiàn)真正的遠程集中監(jiān)控。

3.3 在支護設備中的應用

在屯蘭礦開采過程中，液壓支架是煤礦生產(chǎn)的“三大件”之一，隨著煤礦機電技術的不斷進步，將液壓技術與5G 技術合并，共同控制和發(fā)揮液壓支架的支護功能，這樣不僅僅有效防止頂板與支架的沖擊力，同時也防止因支護不力，造成人員傷亡的頂板支護問題發(fā)生。

3.4 在巡檢機器人上的應用

在屯蘭礦井下變電所、水泵房、皮帶巷等特殊場景應用的巡檢機器人由移動軌道、自主移動式云臺高清攝像頭、環(huán)境傳感器、拾音器、5G CPE 等構成。可以移動采集實時視頻、拾取環(huán)境聲音，采集甲烷、溫度、煙霧等數(shù)據(jù)，并通過5G 通信系統(tǒng)將音視頻數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)、報警數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆七\維平臺，與云運維平臺一起，構成變電所無人值守系統(tǒng)。

巡檢機器人能夠定時自主巡檢，也可以由云運維平臺控制巡檢，還可以根據(jù)巡檢任務進行巡檢，能夠實現(xiàn)巡檢任務的全自主運行，無需人工干預。通過采用AI 智能識別技術，能夠進行設備外觀異常檢測、開關分合狀態(tài)識別、儀表讀取等功能，實現(xiàn)對設備故障的判別和自動報警，并為故障信息大數(shù)據(jù)綜合分析決策提供必要的數(shù)據(jù)和技術支撐。

3.5 在AR 遠程故障診斷、5G+智能掘進中的應用

掘進工作面自動化程度低，很大程度受限于現(xiàn)場的工作環(huán)境，不能建立合理可靠的通信機制，設備各自獨立運行，無法實現(xiàn)各個系統(tǒng)的可靠信息交互?，F(xiàn)通過使用掘錨一體機，實現(xiàn)掘進、支護快速機械化、自動化作業(yè)，在現(xiàn)場布置5G 基站，將掘錨一體機全部作業(yè)信息通過現(xiàn)場無線網(wǎng)絡傳輸至順槽監(jiān)控室，綜合考慮掘進工作面地質測量、運輸、抽采、通風工況，同時布置高清攝像儀、高精度掃描儀等現(xiàn)場探測監(jiān)視裝置，在距離掘進截割頭200 m 遠處設置集中操作室，掘機司機遠程操作截割和支護作業(yè)，將操作人員從危險的截割場所解放出來，實現(xiàn)掘進作業(yè)安全精準操控遠程。

4 結語

在屯蘭礦生產(chǎn)中引入煤礦機電一體化技術，可以使煤礦開采設備朝著程序化、智能化及信息化的方向發(fā)展。我國提出“變革煤炭開采方式，向綠色智能時代邁進”，明確“綠色智能是世界煤炭工業(yè)的發(fā)展趨勢，也是中國煤炭工業(yè)必須解決的重大命題”。將智能化改造納入煤礦安全技術改造，相關投入列入安全費用使用范圍，加大金融支持力度，有效解決綠色智能礦山建設投入難題。全力推進煤礦智能化改造，以5G 通信、先進控制等技術為牽引推進智能煤礦建設，實現(xiàn)煤炭開采“無（少）人化、減損化”變革?！?/p>