5G系统机电一体化技术的运用

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15g系统概况

5G技术是通信行业中的第五代，是第四代通信技术的延伸与发展，5G技术将会把数字技术更为广泛地应用于人民生活中，影响着人民生活，给人民带来更为便捷的服务，将在全社会数字化转型进程中担负着不可替代的重要使命。同时5G时代也会打破之前传统的“人”与“人”、“物”与“物”和“人”与“物”之间的互联，在社会生活中所有的“人”和“物”都会形成一个统一体，在数字生态系统里实现最优的互联互通。5G技术与其他通信技术相比，有很多的优点，其主要的优点体现在数据传输的速度上，传输速度最高可达10Gbit/s，比之前的网络通信速度要快100倍左右，同时5G技术还有一个优点是极低的网络延迟，能实现同步通信，响应时间极短，低于1ms，而4G为30~70ms。5G的海量连接也是技术特性，利用5G的技术特性，高带宽可以传输高清视频，低延时可实现井下采煤机的远程控制，海量连接可连接更多的终端，为此在5G网络上可增加更多的应用。

2基于5G系统的机电一体化技术

5G系统整体架构主要包括设备终端、网络层（接入网络、工业网络）、管理平台三部分。其组网架构如下。2.1井下无线网络部分。井下无线网络部分采取矿用4/5G双模大增益、定向外置天线＋分体式隔爆化RRU作为基础的5G分站覆盖单元，来满足“4G（FDD1800）+5G（NR2.6G）”网络协同覆盖。2.2井下网络传输部分。分站至隔爆BBU采取回传光路交叉部署方案，确保单BBU设备故障时，连续区域内5G网络不全阻，4G网络仍能连续覆盖，隔爆BBU与井下工业环网交换机部署位置相同（通常在中央配电室、采区配电室等），以增强BBU运行环境稳定性。BBU连接井下隔爆化PTN，然后井下隔爆化PTN双环路至井上PTN所在机房，确保单路由中断时，可在第一时间进行倒换；井下BBU由PTN1588v2时钟进行同步授时。2.3井上网络传输部分。井上机房布置MEC边缘计算服务器，配置在PTN与矿井已有井上融合调度平台服务器之间，进行井下视频交互、监控视频智能识别、监控数据处理等边缘计算业务。MEC配合太原移动公司布置UPF，以降低现场使用的网络时延。2.4网络安全部分井上PTN采用物理双路由传输链路，确保任意一侧传输设备或光缆路由故障时PTN业务不中断，增强网络安全性。矿井自有服务器至移动公网之间、边缘PTN至移动公网之间部署防火墙（网闸），配合部署信息网络监控平台和手机本地部署管控平台，通过APT智能探针、手机上网行为管理实现工控网络安全。

3基于5G系统的机电一体化技术在屯兰矿的应用

3.1在提升机上的应用。目前，矿井提升机是屯兰矿生产中最为常见的、也是最为重要的设备之一，为了提高提升机的提升效率，将先进的科学技术应用至提升机中势在必行，同时也符合智慧矿山的发展需求。因此，5G系统的机电一体化技术在提升机中得到应用，有效改善和控制了提升机的多项功能，保证提升机高效的工作，我国自主研发的全数字化提升机中，基于5G系统的机电一体化技术，ASCS是核心部分，是一套由双CPU构成的计算机系统，具有操作简便、性能先进、准确可靠等特点，在煤矿开采中得到了广泛应用。3.2在智慧综采面建设中的应用。目前，采煤机数据传输主要采用光纤、动力线缆载波技术，使用过程中频繁发生线缆折损造成数据中断；液压支架传感器、视频信号线缆过多，运行过程中维护量大，而且工作面工况复杂，频繁发生信号缺失；液压支架电液控总线需要每架支架控制器串联，其中某根控制器邻架线故障会导致整个电液控总线失效。采用无线传感器、无线摄像仪，省去部分信号线缆，借助5G网络的高带宽、高可靠性实现所有传感数据、视频信息、参数控制信号的高速传输，同时作为有线控制总线的冗余网络，可以有效保证总线正常运转。最终实现在顺槽监控中心，甚至地面调度中心，完成对采煤机、液压支架、运输三机、泵站系统的远程自动作业，实现真正的远程集中监控。3.3在支护设备中的应用。在屯兰矿开采过程中，液压支架是煤矿生产的“三大件”之一，随着煤矿机电技术的不断进步，将液压技术与5G技术合并，共同控制和发挥液压支架的支护功能，这样不仅仅有效防止顶板与支架的冲击力，同时也防止因支护不力，造成人员伤亡的顶板支护问题发生。3.4在巡检机器人上的应用。在屯兰矿井下变电所、水泵房、皮带巷等特殊场景应用的巡检机器人由移动轨道、自主移动式云台高清摄像头、环境传感器、拾音器、5GCPE等构成。可以移动采集实时视频、拾取环境声音，采集甲烷、温度、烟雾等数据，并通过5G通信系统将音视频数据和环境数据、报警数据传输到云运维平台，与云运维平台一起，构成变电所无人值守系统。巡检机器人能够定时自主巡检，也可以由云运维平台控制巡检，还可以根据巡检任务进行巡检，能够实现巡检任务的全自主运行，无需人工干预。通过采用AI智能识别技术，能够进行设备外观异常检测、开关分合状态识别、仪表读取等功能，实现对设备故障的判别和自动报警，并为故障信息大数据综合分析决策提供必要的数据和技术支撑。3.5在AR远程故障诊断、5G+智能掘进中的应用。掘进工作面自动化程度低，很大程度受限于现场的工作环境，不能建立合理可靠的通信机制，设备各自独立运行，无法实现各个系统的可靠信息交互。现通过使用掘锚一体机，实现掘进、支护快速机械化、自动化作业，在现场布置5G基站，将掘锚一体机全部作业信息通过现场无线网络传输至顺槽监控室，综合考虑掘进工作面地质测量、运输、抽采、通风工况，同时布置高清摄像仪、高精度扫描仪等现场探测监视装置，在距离掘进截割头200m远处设置集中操作室，掘机司机远程操作截割和支护作业，将操作人员从危险的截割场所解放出来，实现掘进作业安全精准操控远程。

4结语

在屯兰矿生产中引入煤矿机电一体化技术，可以使煤矿开采设备朝着程序化、智能化及信息化的方向发展。我国提出“变革煤炭开采方式，向绿色智能时代迈进”，明确“绿色智能是世界煤炭工业的发展趋势，也是中国煤炭工业必须解决的重大命题”。将智能化改造纳入煤矿安全技术改造，相关投入列入安全费用使用范围，加大金融支持力度，有效解决绿色智能矿山建设投入难题。全力推进煤矿智能化改造，以5G通信、先进控制等技术为牵引推进智能煤矿建设，实现煤炭开采“无（少）人化、减损化”变革。”

参考文献

[1]张立亚.全矿井融合通信系统研究[J].工矿自动化，2018，44（3）：12-16.

[2]薛晓炎，霍振龙，顾俊.矿井融合调度通信系统的设计及应用[J].工矿自动化，2016，42（8）：1-5.

作者:刘亚军 单位:山西焦煤西山煤电集团有限责任公司屯兰矿