基于5G 系統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展，我國已經進入5G 時代，作為我國工業中的領頭羊煤炭行業，也逐步向智能化、集約化方向發展，5G 通信技術已經與煤礦生產與開發利用逐步融合，并將大數據、云計算、機器人等先進技術也同時應用于煤炭行業，達到全面感知、動態預測和協同控制的智能發展系統，使得煤礦行業的采煤、掘進、開拓、通風、運輸、提升和安全等各方面全面發展，這對煤礦行業的安全高效發展起到了推進作用。

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，計劃聯合山西移動、華為公司聯合開展井下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 系統概況

5G 技術是通信行業中的第五代，是第四代通信技術的延伸與發展，5G 技術將會把數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的“人”與“人”、“物”與“物”和“人”與“物”之間的互聯，在社會生活中所有的“人”和“物”都會形成一個統一體，在數字生態系統里實現最優的互聯互通。

5G 技術與其他通信技術相比，有很多的優點，其主要的優點體現在數據傳輸的速度上，傳輸速度最高可達10 Gbit/s，比之前的網絡通信速度要快100倍左右，同時5G 技術還有一個優點是極低的網絡延遲，能實現同步通信，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 網絡上可增加更多的應用。

2 基于5G 系統的機電一體化技術

5G 系統整體架構主要包括設備終端、網絡層（接入網絡、工業網絡）、管理平臺三部分。其組網架構如下。

2.1 井下無線網絡部分

井下無線網絡部分采取礦用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）”網絡協同覆蓋。

2.2 井下網絡傳輸部分

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，連續區域內5G 網絡不全阻，4G 網絡仍能連續覆蓋，隔爆BBU 與井下工業環網交換機部署位置相同（通常在中央配電室、采區配電室等），以增強BBU 運行環境穩定性。BBU 連接井下隔爆化PTN，然后井下隔爆化PTN 雙環路至井上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、監控視頻智能識別、監控數據處理等邊緣計算業務。MEC 配合太原移動公司布置UPF，以降低現場使用的網絡時延。

2.4 網絡安全部分

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 業務不中斷，增強網絡安全性。礦井自有服務器至移動公網之間、邊緣PTN 至移動公網之間部署防火墻（網閘），配合部署信息網絡監控平臺和手機本地部署管控平臺，通過APT智能探針、手機上網行為管理實現工控網絡安全。

3 基于5G 系統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展需求。因此，5G系統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，我國自主研發的全數字化提升機中，基于5G 系統的機電一體化技術，ASCS 是核心部分，是一套由雙CPU 構成的計算機系統，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，采煤機數據傳輸主要采用光纖、動力線纜載波技術，使用過程中頻繁發生線纜折損造成數據中斷；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，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 網絡的高帶寬、高可靠性實現所有傳感數據、視頻信息、參數控制信號的高速傳輸，同時作為有線控制總線的冗余網絡，可以有效保證總線正常運轉。最終實現在順槽監控中心，甚至地面調度中心，完成對采煤機、液壓支架、運輸三機、泵站系統的遠程自動作業，實現真正的遠程集中監控。

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、拾取環境聲音，采集甲烷、溫度、煙霧等數據，并通過5G 通信系統將音視頻數據和環境數據、報警數據傳輸到云運維平臺，與云運維平臺一起，構成變電所無人值守系統。

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，還可以根據巡檢任務進行巡檢，能夠實現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、開關分合狀態識別、儀表讀取等功能，實現對設備故障的判別和自動報警，并為故障信息大數據綜合分析決策提供必要的數據和技術支撐。

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，很大程度受限于現場的工作環境，不能建立合理可靠的通信機制，設備各自獨立運行，無法實現各個系統的可靠信息交互。現通過使用掘錨一體機，實現掘進、支護快速機械化、自動化作業，在現場布置5G 基站，將掘錨一體機全部作業信息通過現場無線網絡傳輸至順槽監控室，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、高精度掃描儀等現場探測監視裝置，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，將操作人員從危險的截割場所解放出來，實現掘進作業安全精準操控遠程。

4 結語

在屯蘭礦生產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的發展趨勢，也是中國煤炭工業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，實現煤炭開采“無（少）人化、減損化”變革。”