基于5G 通信技術的采煤機遠程控制系統設計與應用

宋革非

（山西焦煤西山煤電股份有限公司馬蘭礦， 山西 古交 030205）

引言

隨著經濟社會的飛速發展，煤炭需求量不斷增加，煤炭生產安全問題備受關注[1]。傳統的煤炭生產作業受采掘設備、人員的技術水平等制約，安全事故時有發生，危及工作人員的生命安全，給煤炭企業造成較大的經濟損失，因此較為先進的安全操控模式亟待開發[2-3]。目前出現了技術先進的5G 通信、物聯網等技術，在生產生活中得到了一定范圍的應用，實現了智能操控，取得了很好的應用效果[4]。煤礦井下作業環境極為惡劣，將5G 通信技術應用于煤礦生產機械的遠程控制，將極大地提高煤礦企業生產的作業的安全性，確保井下作業人員的安全，保證煤炭企業的生產產能和效率[5-6]。針對某煤炭企業建設為背景，以采煤機為研究對象，研究采煤機遠程控制系統設計與應用，對于提升企業的產能和安全具有重要意義。

1 5G 技術概述

所謂的5G 技術指的是第五代移動通信技術，基于現有4G 成熟技術發展而來，故而稱之為5G，屬于新一代蜂窩移動通信技術。相較于現有的4G 技術，5G 技術通信速度更快，系統完善度更高。當前的5G技術涉及兩個頻率段，分別為FR1 和FR2，主要的頻率范圍處在450 MHz～6 GHz，也稱作Sub6G。2019 年之后至今，5G 商用步伐較快，幾乎全球都在簽訂5G合同，也投入了大量的人力、物力和財力，試圖攻克5G 技術瓶頸。我國5G 技術開始于FR1 頻段，屬于主頻，具有頻率低、繞射能力強，覆蓋效率好的特點，最大帶寬能夠支持100 Mbit/s。

2 總體結構

基于某煤炭企業采煤機及其遠程遙控系統的功能要求，完成了采煤機遠程控制系統結構設計，如圖1 所示，主要涉及3 個子系統，包括機車車載子系統、遠程操控子系統和網絡通信子系統。機車車載子系統主要作用是控制與監測車輛的實時工作狀態，提供防護控制等，保證采煤機能夠按照規定的開采作業要求完成作業功能，是整個系統的控制核心。遠程遙控子系統實時顯示采煤機的運行狀態信息，完成人機交互；網絡通信子系統主要作用是車載單元和操控單元之間的無線通信，傳輸數據信息。三個子系統協調配合完成采煤機遠程遙控工作，實現采煤機的采掘要求，提高采煤機采煤效率。

圖1 遠程控制系統結構

3 子系統設計

3.1 機車車載子系統

機車車載子系統設置在采煤機上，涉及的硬件有車載遙控接收器、中央控制器、各類傳感器、電源等。

3.1.1 車載遙控接收器

遙控接收器實為無線接收器，接收遙控發出的控制指令數據，經過功能邏輯進行數字量和PWM 的輸出。接收器的主要功能涉及無線通信鏈路的建設，接收無線遙控器發送的控制指令，以PWM 信號的形式輸出電磁閥控制數據，以數字信號形式輸出繼電器控制信號，以模擬量信號的形式輸出調節控制參數。與此同時，還能夠持續采集采煤機的工作情況信息，實現與中央控制器之間的數據交換。此處選擇的是型號為EC601-MJJ-MU-01 的車載無線接收器，

3.1.2 中央控制器

中央控制器作為遠程遙控系統功能實現的關鍵，主要作用是數據采集、位姿調整、自適應控制等。具體的工作是建立與遙控器之間的數據通訊，獲取采煤機的運行參數數據、工作狀態信息、自適應動作控制、發出采煤機遠程控制指令等。此處選擇的是型號為EC601-MJJ-MU-02 的礦用隔爆兼本安型車載中央控制器。

3.1.3 隔爆兼本安型電源箱

采煤機井下作業環境極為惡劣，包括高濕度、高濃度瓦斯氣體、腐蝕顆粒等，因此對于電源的選擇至關重要。機載電源箱需要具有很好的續航能力，同時，也要具有很好防爆性能，以此保證遠程遙控系統供電可靠工作。此處選擇了型號為KDW127/24 的礦用隔爆兼本安型穩壓電源。此種電源具備AC127 V 輸入接口，還具有多個DC 24 V 的接口，具備同時為遠程遙控系統提供穩定電源的能力。

3.2 遠程遙控子系統

3.2.1 遙控發送器

遠程遙控子系統中的關鍵部件是遙控發送器，此處選擇了型號為EC601-MJJ-SU-01 的礦用本安型遙控發送器，采用了開關模式和手柄兩種模式，控制指令的傳輸采用無線網絡完成。遙控發送器具有較多的優勢，包括實時性強、質量輕、體積小等，與此同時，發送器中集成了多個輸入輸出電路，具有較高參數配置的微處理器。設置了指示燈，用于實時顯示遙控器、接收器工作狀態，涉及操控指令、信號強度、電池電量等。

3.2.2 遠程遙控平臺

遠程遙控平臺選擇的型號為EC601-MJJ-SU-02，屬于煤礦井下專用的平臺，充分體現了人機工程學原理，具有很好的使用性能。平臺設計時也考慮了機器型號和控制要求，配置了遙控使用的撥動開關、按鈕等，對應的控制功能經過無線通信方式發送至采煤機中的無線接收器，實現采煤機遠程遙控的實時動作。遠程遙控平臺上具備雙屏計算機工作站，分別用于顯示視頻動畫和自動控制軟件的主界面。

3.2.3 服務器軟件

服務器軟件主要置于上位機位置，系統搭建基于Win7 系統完成，使用的是C/S（Client/Server）架構。服務器軟件可與車載遙控器接收器互通數據信息，及時獲取采煤機的運行參數數值和各個開關量的狀態信息，以及自適應控制信息等，實時為遠程操控人員提供實時信息。

3.3 網絡通信子系統

3.3.1 無線中繼器

系統無線中繼器選擇型號為ZJT9-Z，專門用于煤礦礦山環境中使用的一款，如圖2 所示，具有快速組裝功能，是便于遠程遙控系統使用的無線通信網絡設備。ZJT9-Z 型的無線中繼器具有無線混頻光纖備份通信技術便攜式高帶寬無線中繼迅速組網技術，高帶寬計算機網絡通信技術等。

圖2 無線中繼器

3.3.2 5G 通信模組

5G 通信模組用于數字化傳輸，集成了單片機和無線通信技術，具備高性能數據傳輸功能。內部自帶無線收發模塊，完成單片機對采煤機控制指令和數據信息的接收和發送，是一種FSK，采用的是GFSK 調制模式。遠程遙控系統采用5G 通信模組，在遙控發送器和遙控接收器之間完成指令和數據的傳輸和交互，以保障遠程遙控系統整體功能的實現。此處選擇型號為GM800 的5G 通信模組，實物如圖3 所示。

圖3 5G 通信模組

3.3.3 5G 網絡架構

5G 通信網絡架構如圖4 所示，包括核心網應用平臺、地面5G 基站、井下5G 基站和Hub 等。地面無線信號收發采用有源天線，使其與室內基帶處理單元相通；煤礦井下采用射頻拉遠單元進行無線信號傳輸，井下的Hub 負責匯集無線信號，與地面的BBU 可以互通信息。配置的5G 通信模組經5G CPE 與5G網絡連接，采煤機各種信號采集裝置獲取的信息，傳輸至遠程應用服務器。遠程遙控過程中5G 網絡移動性管理的信息通信由5G 載體和5G 核心網互通對接完成。

圖4 5G 網絡架構

4 應用效果評價

為了驗證基于5G 通信技術的采煤機遠程控制系統設計的可行性，將其應用于某煤炭企業采煤機遠程遙控系統中進行試運行，跟蹤記錄系統應用情況，應用結果表明，系統運行穩定可靠，實現了采煤機遠程遙控實時無線通信的目的。統計結果顯示，5G 通信技術的引入，提高了采煤機遠程遙控系統近1.3 倍的信息傳輸速率，大大提高了采煤機作業人員的安全性，及時了解采煤機運行狀態參數及故障信息，節約了近2～3 名采煤機的運行維護人員，降低了煤炭生產成本，預計為煤炭企業新增經濟效益近100 萬元，取得了很好的應用效果。