刘亚军
(山西焦煤西山煤电集团有限责任公司屯兰矿, 山西 古交 030206)
煤矿机电一体化技术是目前我国煤矿开采中应用较多的一项技术,是把4G+5G 系统技术、自动控制技术和信息处理技术结合在一起的复合技术,是微电子技术逐渐渗入到传统机械工程中的一项技术,有效地融合了计算机技术、电气工程、机械工程、信息技术、编程技术、网络处理技术等多方面技术的运用[1-2]。随着科学技术的不断发展,我国已经进入5G 时代,作为我国工业中的领头羊煤炭行业,也逐步向智能化、集约化方向发展,5G 通信技术已经与煤矿生产与开发利用逐步融合,并将大数据、云计算、机器人等先进技术也同时应用于煤炭行业,达到全面感知、动态预测和协同控制的智能发展系统,使得煤矿行业的采煤、掘进、开拓、通风、运输、提升和安全等各方面全面发展,这对煤矿行业的安全高效发展起到了推进作用。
山西焦煤西山煤电集团公司深入贯彻落实山西省委、省政府能源革命及国资国企改革决策部署,以敢为人先、敢为胜利的信念,抢抓机遇,迅疾行动,计划联合山西移动、华为公司联合开展井下5G+智慧矿山应用合作,构建以“安全绿色智能化开采”为特点的现代煤炭开采模式,打造全国领先的“5G+智慧矿山”标杆。
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10 Gbit/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1 ms,而4G 为30~70 ms。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。
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。
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。
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PTN 1588v2 时钟进行同步授时。
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。
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。
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。
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。
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。
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、5G CPE 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。
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200 m 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。
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。”