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麻地梁煤矿5G 工业控制方案创新应用

2024-01-09 14:51:56  来源:智能矿山杂志  作者:陈梦星,周圆,徐迪
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煤矿地处偏远,井下工作环境恶劣,员工年龄偏大,从业人员断档严重是煤炭行业潜在的危机。以内蒙古智能煤炭有限责任公司麻地梁煤矿为例,40 岁以上工人占比高达63%,30 岁以下仅占11%,煤矿招工难已开始显现。此外,安全生产是煤矿的刚需和底线,煤矿井下工作环境封闭、条件复杂,冲击地压、瓦斯爆炸、透水等事故多发。2022 年,中国煤矿百万吨死亡率,相较2012 年下降86%,但煤矿生产事故仍有发生。2022 年全年发生煤矿事故168 起,死亡245 人,煤矿生产系统的改革已十分重要。因此,煤矿生产系统远程智能开采技术的发展在解决煤炭行业招工与安全问题上势在必行。

煤矿生产系统远程智能开采场景中,一些移动设备如采煤机、掘进机的远程控制对时延要求极其敏感,但传统光纤有线通信易折断,其他无线技术如4G和WiFi 又存在时延高、不稳定的情况,严重时会造成停机保护、生产中断等;因此,亟需引入先进的无线通信技术以解决上述难点。

工业互联网是第四次工业革命的关键支撑,5G是新一代信息通信技术演进升级的重要途径,二者都是实现经济社会数字化转型的重要驱动力量。我国“5G+工业互联网”内网建设改造覆盖的行业领域日趋广泛,应用范围向生产制造核心环节持续延伸,叠加倍增效应,其应用潜力正不断释放。

5G低时延高可靠性的技术特点恰好满足工业实时控制等应用需求。二者融合,将推动智慧矿山大数据的交流与合作,促进矿山5G专网、智慧矿山工业互联网平台、矿山5G+应用的创新示范和乘数效应,从而有效提高矿山作业效率和安全管理水平。

5G 工业控制方案应用内涵

麻地梁煤矿5G工业控制应用包含5G网络基本建设、5G SPN 融合组网应用、移动设备5G工业控制创新应用。基于5G通信高带宽、低时延的优点,在矿区合理部署5G通信设备并实现5G与矿井工业互联网完美融合、相辅相成。运用5G通信技术对矿井采煤机、掘进机、机器人、无轨胶轮车等移动设备开展5G工业控制创新应用,可实现对应的远程开采技术、场景稳定高效运行。

5G 工业控制方案建设

5G 网络基本建设

麻地梁煤矿在地面部署完成了3 个宏站,井下安装完成23 台基站,实现井上井下主要巷道、硐室等区域5G网络覆盖,做到5G网络与矿井万兆工业互联网对接,实现双网融合、互联互通。此外,还完成了采煤机、掘进机、无人驾驶胶轮车、巡检机器人、锚杆台车5 个移动设备5G组网对接及工业控制场景应用。

(1) 5G通信、组网技术

利用移动5G大带宽、低延时(1~10 ms)、高可靠性等优点,可支持海量物联网无线数据连接、井下视频数据采集,保障了井下设备、工作面设备远程实时控制信道畅通和高可靠性 。5G通信系统的组网架构采用环形结构,通过铺设地面宏站,与双路运营商通信线路形成环路;井下5G微基站,采用分布式的射频拉远单元Book RRU (天线一体化) +物联网无线通信路由器(5GCPE) 组成方案布设。

(2) 5G 边缘云计算(MEC) 技术

利用计算迁移、5G通信技术、新型存储系统、轻量级函数库和内核等MEC技术,将末端存储资源下沉到网络边缘。根据业务需求,使用边缘计算技术将海量的临时数据在网络边缘进行计算,将需要在本地处理的数据存放至本地;对于本地无法处理的数据,则继续上行到计云服务器中处理,利用MEC的部署,网络边缘处边缘设备采集的数据进行全部或部分的预处理,减少了网络传输数据量,降低了网络和云服务器的压力;发挥了本地存储的优势,降低了传输的能耗,实现高速通信。

(3) 5G用户终端设备(CPE) 通信技术

利用5G CPE作为无线组网(图1) 的关键主节点和子节点(强AP),实现工业网关对信号进行二次中继,提供给需要的设备使用。该技术还扩大了5G 网络覆盖范围,使监测区域实现5G 网络覆盖,方便对数据进行采集、传输;若节点因为故障或者网络掉线,导致该节点无法正常上网,该节点会自动对经过其的业务数据包进行转发,由其他节点进行上网。

5G SPN 融合组网应用

(1) 5G工业环网

为保障麻地梁煤矿5G工业应用不中断以及物理链路冗余,矿井分别于井下采区变电所与地面机房各新增1 台PTN设备,将原有的井下基站到地面宏站PTN 的组网方式改为井下PTN、地面宏站PTN、机房PTN 成环的组网形式,有效防止因地面宏站PTN到井下基站间链路损坏导致的井下数据无法上传问题。

(2) 3∶1 时隙反转

麻地梁煤矿5G工业控制方案的应用实现了井下5G基站上下行速率3∶1 时隙反转,提高了上行带宽,保障了5G应用场景远程控制的稳定性。

(3) SPN融合组网

麻地梁煤矿采用SPN新传输平面技术,增强了5G业务带宽,为5G工业环网建设,矿区5G、工业子系统业务大规模接入、工业应用精细化控制、海量数据信息采集,提供了实时、稳定、可靠的通信网络支撑。

5G 工业应用

(1) 采煤机5G控制

麻地梁煤矿完成了采煤机5G工业控制(图2)。实现了采煤机由传统的有线工业网控制升级为5G控制并与工业互联网冗余备用。采煤机5G远控首次引入5G AR“双发选收”方案,即通过在井下采煤机侧和井上控制台侧部署AR502H−5G交换机实现5G链路“双发选收”和采煤机控制参数优化等关键措施,充分满足采煤机5G远控对链路低时延的要求,自2021 年8 月完成至今,采煤机5G 远控业务实现“0”中断。

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(2) 带式输送机巡检机器人5G控制

麻地梁煤矿通过5G网络与矿井工业环网对接、5G网络小区优化等实现了主斜井带式输送机巡检机器人的5G数据传输与远程控制(图3)。矿井于2023年新建设完成了采区变电所巡检、灭火机器人的5G工业控制场景应用。

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(3) 综掘机5G组网应用

麻地梁煤矿通过综掘机→CPE→5G网→MEC→工业网→掘进远控主机的方式,实现了综掘机5G通信组网应用(图4);目前,通过综掘机配套惯导+全站仪定位的方式,基于5G通信传输,实现了综掘机的远程控制和记忆截割。

(4) 采煤工作面5G工业控制

基于采煤机5G工业控制的探索经验,麻地梁煤矿正在开展采煤工作面液压支架、刮板输送机的5G工业控制技术研发,最终将实现工作面内所有移动设备取消光纤,采用5G数据传输。

(5) 智能钻机5G工业控制

麻地梁煤矿正在开展智能钻机的5G工业控制,将钻机设备监测、钻杆数据采集、视频数据等采用5G网络集中传输,实现创新应用。

关键技术突破及创新点

5G 工业控制方案解决的难题

煤矿有许多大型设备运行的场景,如采煤机割煤时处于不断移动状态,掘进机来回切割形成井下巷道等,实现这些操作的远程控制对时延要求较高。笔者曾经探索过其他技术,光纤有线易折断,4G无线技术和WiFi又有时延高、不稳定的缺点,原有技术时常会造成采煤机停机保护、生产中断等。麻地梁煤矿应用的5G工业控制方案旨在通过使用5G通信技术实现矿井各种移动设备的远程精准、稳定控制。

关键技术

(1) 5G AR“双发选收”技术

综采工作面环境复杂,生产充满不确定性,如采煤机割煤,每刀截割深度为800 mm,液压支架跟机移动,可能会出现后方5G信号被前方支架部分遮挡甚至造成NLOS (非视距)。此外,还存在如采煤工作面金属物多,“多镜效应”导致的5G网络不稳定等情况。

5G AR“双发选收”技术通过在井下煤机侧配置2 个VPN通道(图5),分别绑定至连接CPE的物理接口与AR502H 的Cellular 接口;基于VPN 实例配置2 条缺省路由,下一跳分别指向CPE 与AR 5G模组,作为2 条GRE 隧道的underlay 网络路由;配置2 条GRE 隧道,源地址分别为CPE 链路与5G模组链路的接口IP,目的地址为井上AR502H的WAN口IP 并各自关联VPN,同时增加配置GRE key 区别2 条隧道;配置loopback1 接口,将2 条GRE隧道配置为“双发选收”链路承载井上、井下loopback1 接口互通, 2 条路由优先级配置相同; 以互通的Loopback1 接口IP 作underlay 网络配置Ethernet overGRE隧道承载二层PLC业务流量。

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采煤机井上控制侧配置WAN 口IP 连接5G 网络,再配置1 条缺省路由,下一跳为5G 网络的网关,作为2 条GRE隧道的underlay 网络路由;配置2条GRE 隧道,源地址为WAN口IP,目的地址分别为CPE与AR 5G模组的接口IP,同时增加配置GREkey 区别2 条隧道; 配置loopback1 接口, 将2 条GRE 隧道配置为“双发选收”链路承载井上、井下loopback1 接口互通,2 条路由优先级配置相同;以互通的Loopback1 接口IP 作为underlay 网络配置Etherne tover GRE 隧道承载二层PLC 业务流量(图6)。

通过5G AR“双发选收”技术,实现采煤机5G双通道传输,保障采煤机在移动期间5G通信带宽、延迟的稳定与可靠性,煤机通信链路可靠性对比如图7 所示。

(2) 5G SPN融合组网

5G SPN架构融合了L0~L3 多层功能,设备形态为光电一体的融合设备,通过SDN架构能够实现矿区内多业务承载需求。其中,L2&L3 分组层保证了网络灵活连接能力,灵活支持MPLS−TP、SR 等分组转发机制;L1 通道层实现轻量级TDM交叉,支持基于66b 定长块TDM 交换,提供分组网络硬切片;L0 传送层实现光接口以太网化,接入PAM4 灰光模块,核心汇聚相干以太网彩光DWDM组网。

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传送层前传过程中,以光纤直驱为主,配置大芯数光纤,采用单纤双向连接方式,减少前传、回传接入层面的光纤消耗,同时保持时间同步,高性能传递,同时在传送层,FlexE 与DWDM融合能够实现带宽的灵活扩展和分割。

在通道层,引入轻量级的TDM融合交换架构,将分组交换与TDM巧妙融合为一体,封装上不用引入新的封装结构,向下兼容原生以太网模块产业链,向上兼容IP 层所有协议栈;采用统一信元交叉单元,实现分组与TDM共享交换空间,硬件上不用额外的交换容量。

在分组层,在SR−TE隧道技术上,增加面向连接的Path Segment,引入双向隧道功能和端到端的保护功能,兼容MPLS−TP OAM机制有利于提升网络的运维效率,并将SR改造成为电信级传输的源路由隧道技术。

在管控层面上,以“管控一体,集中为主,分布为辅”的设计思路,引入SDN。SPN除继承PTN运维和电信级保护优势外,通过SDN集中控制面增强业务动态能力,实现矿区5G环网、工业环网双环网的链路布置,互为备用,保障矿井网络通信系统稳定、可靠、容错率高。

实践应用效果

通过5G工业控制方案的创新应用,保障了麻地梁煤矿在智能化建设发展中涉及到的移动设备远程控制更加稳定、可靠,基于各场景的探索、实践,证明了5G通信在煤矿企业的运用价值与发展方向,为煤矿企业日后的5G智能化推广打下了基础。

通过5G工业控制方案的创新应用,保障了矿井一些自动化、智能化项目落地,实现了人员缩减,目前综放工作面仅用工3~5 人,带式输送机、变电所实现无人值守,为矿井节约了可观的人工成本。

通过少人化、无人化的场景应用,践行了“少人则安、无人则安”的安全管理理念,为煤矿5G工业应用、智能化发展做出贡献。

麻地梁煤矿采煤机5G端到端远控技术,通过为时1.5 年的研发、攻克,现已落地使用,服务于矿井日常安全生产并取消了井下采煤工作面巷道集控仓,基于5G AR“双发选收”技术的采煤机5G控制达到商用推广能力,助推了煤矿智能化发展。

结 语

麻地梁煤矿5G工业控制方案的创新应用,实现了大多数常规移动设备的5G远控,并应用于矿井安全生产,为煤矿企业5G通信应用指明方向。推动了我国煤矿智能化和无人化开采,提高了煤炭行业信息化和自动化融合水平。

该方案通过长期的探索、研发、试验、实践、总结,5G工业控制系统运行稳定、架构简单、可复制、易推广,尤其5G AR“双发选收”技术的投入有效解决了采煤工作面5G网络波动问题,为煤炭行业5G通信应用模块化、商业化的复制推广积累了宝贵经验,具有明显的示范意义和推广价值。


助理编辑:江振鹏

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