5G網(wǎng)下破碎錘遠(yuǎn)程控在永銅礦的應(yīng)用

諶曉歡

（江西銅業(yè)股份有限公司永平銅礦，江西 上饒 334000）

1 引言

多中段溜井作為金屬礦山主要礦石運(yùn)輸系統(tǒng)，對(duì)金屬礦山意義較大。為了避免溜井格篩堵塞，會(huì)在溜井旁設(shè)置固定式液壓破碎錘，對(duì)堵塞格篩的大塊礦石進(jìn)行扒移破碎，所以固定式液壓破碎錘可以看作溜井的守護(hù)者。

目前，永平銅礦井下有3臺(tái)破碎錘，均采用本地人工操控作業(yè)方式，這種作業(yè)方式本身存在破碎飛石、倒礦粉塵等職業(yè)健康與安全的風(fēng)險(xiǎn)隱患。隨著開(kāi)采深度的不斷增加，井下硐室如高溫、高濕等惡劣環(huán)境問(wèn)題給破碎錘本地作業(yè)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。與此同時(shí)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和居民生活水平的提升，“以人為本”的意識(shí)和理念逐漸增強(qiáng)，井下作業(yè)人員招工難的問(wèn)題日益凸顯，所以改變破碎錘操控作業(yè)方式是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題[1］。

5G技術(shù)的出現(xiàn)，以其大帶寬、低時(shí)延、廣連接特性，為礦山生產(chǎn)過(guò)程中的核心瓶頸問(wèn)題提供了新的解決思路，同時(shí)5G技術(shù)還帶動(dòng)了人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計(jì)算等技術(shù)發(fā)展，為礦山行業(yè)升級(jí)發(fā)展提供了支撐[2］?；?G網(wǎng)絡(luò)下的井下破碎錘遠(yuǎn)程控制，便是永平銅礦對(duì)于“礦山5G+”新技術(shù)的探索與嘗試。

2 概述

破碎錘遠(yuǎn)程控制是指通過(guò)地表控制臺(tái)對(duì)井下破碎錘進(jìn)行操控作業(yè)，是自動(dòng)化技術(shù)的一個(gè)分支，早在本世紀(jì)初便開(kāi)始應(yīng)用。但由于當(dāng)時(shí)礦山網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)落后，網(wǎng)絡(luò)通信速度以及硬件等方面都無(wú)法支撐破碎錘遠(yuǎn)程控制技術(shù)得到大規(guī)模的推廣與使用。如今，隨著5G技術(shù)、人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等新一代信息技術(shù)的進(jìn)步，促進(jìn)了井下破碎錘遠(yuǎn)程控制的發(fā)展與應(yīng)用。[1］

5G為新一代蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)(ITU IMT-2020規(guī)范要求速度高達(dá)20Gbit/s)，可實(shí)現(xiàn)寬信道帶寬和大容量MIMOL。[3］5G相較于4G，具有大帶寬(eMBB)、低時(shí)延(uRLLC)、廣連接(mMTC)等特點(diǎn)，傳輸速率提升10～100倍，峰值傳輸速率達(dá)到10 Gbps，端到端時(shí)延達(dá)到毫秒級(jí)，連接設(shè)備密度增加100倍，流量密度提升100倍，頻譜效率提升3～5倍，能夠在500 km/h的速度下保證用戶體驗(yàn)[4］。5G與4G關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表1[5］。

表1 5G與4G關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

受作業(yè)方式的影響，井下普遍部署的工業(yè)環(huán)網(wǎng)（有線）并不適用于所有的場(chǎng)景，特別是爆破、采掘、運(yùn)輸?shù)认到y(tǒng)，都需要無(wú)線通信，要求網(wǎng)絡(luò)部署更靈活、帶寬滿足高清視頻類信號(hào)傳輸、時(shí)延可靠有保障。傳統(tǒng)的無(wú)線通信技術(shù)如近距離無(wú)線、WiFi、4G都存在著傳輸距離短、易受干擾、時(shí)延大、切換體驗(yàn)不佳、上行帶寬不夠等問(wèn)題， 5G則為礦山提供了一種可實(shí)現(xiàn)靈活部署、更大帶寬、更低時(shí)延、更加穩(wěn)定可靠的通信技術(shù)[6］，使物與物間關(guān)聯(lián)變得更為方便，加速了礦山物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層面的搭建。此次永平銅礦井下5G網(wǎng)絡(luò)搭建是對(duì)井下5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)地應(yīng)用的嘗試與探索，選取-150m中段破碎錘作業(yè)硐室為初步應(yīng)用地，基于5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)破碎錘的遠(yuǎn)程控制。通過(guò)實(shí)驗(yàn)探索與總結(jié)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)下破碎錘遠(yuǎn)程控制在永平銅礦的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

3 系統(tǒng)建設(shè)介紹

破碎錘遠(yuǎn)程控制有成熟的硬件和軟件支持，可直接引進(jìn)應(yīng)用。本次永平銅礦采用的是“一控一”遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。系統(tǒng)允許遠(yuǎn)程操控臺(tái)通過(guò)“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”方式控制井下聯(lián)網(wǎng)的液壓破碎錘，非常適用于持續(xù)作業(yè)的設(shè)備。

系統(tǒng)包括以下六個(gè)部分：地表中控柜、遠(yuǎn)程操控臺(tái)、本地控制柜、設(shè)備液壓響應(yīng)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（5G網(wǎng)絡(luò)）、視頻系統(tǒng)。其中地表中控柜、遠(yuǎn)程操控臺(tái)、本地控制柜、設(shè)備液壓響應(yīng)系統(tǒng)都是模塊化產(chǎn)品，直接安裝接線即可使用，而網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和視頻系統(tǒng)需要根據(jù)礦山實(shí)際情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘察設(shè)計(jì)后進(jìn)行鋪設(shè)安裝，有一定的工程難度。通過(guò)勘察設(shè)計(jì)后系統(tǒng)整體構(gòu)架如圖1所示：

圖1 永平銅礦5G網(wǎng)絡(luò)下破碎錘遠(yuǎn)程控制架構(gòu)圖

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)方案描述：

1. 5G基站接入移動(dòng)SPN傳輸承載設(shè)備，通過(guò)接入、普通匯聚、骨干匯聚到核心。

2. N2接口（基站到AMF）路徑：基站—城域SPN—IP承載網(wǎng)—中國(guó)移動(dòng)5GC核心網(wǎng)，端到端L3網(wǎng)絡(luò)。不同網(wǎng)絡(luò)間采用物理口字型雙連接。

3. N3接口（基站到UPF）路徑：基站—SPN（就近接入）—共享MEC（UPF），流量由MEC轉(zhuǎn)發(fā)。

4. N4&OM接口（UPF到SMF）路徑：MEC（UPF）—城域SPN—IP承載網(wǎng)—中國(guó)移動(dòng)5GC核心網(wǎng)，端到端L3網(wǎng)絡(luò)，不同網(wǎng)絡(luò)間采用物理口字型雙連接。

5. N6接口（共享UPF到礦區(qū)數(shù)據(jù)中心）路徑：MEC（UPF）—通過(guò)專線網(wǎng)絡(luò)直連。

3.1 5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)分為地表網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和井下網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。地表5G網(wǎng)絡(luò)借助永平銅礦地表現(xiàn)有5G基站進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)置建設(shè)，井下5G網(wǎng)絡(luò)需要重新鋪設(shè)建立。整體組網(wǎng)方案如圖2：

圖2 組網(wǎng)方案圖

采用5G SA組網(wǎng)方式滿足網(wǎng)絡(luò)需求。從目前應(yīng)用對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求來(lái)看，上行以視頻信息采集傳輸為主，對(duì)帶寬需求大（最高可達(dá) 100Mbps）；下行以控制為主，對(duì)時(shí)延要求較高（＜50ms），部分應(yīng)用（遠(yuǎn)程駕駛、遠(yuǎn)程操控）對(duì)可靠性要求極高（99.9%）。

3.1.1 井下5G網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)

為保證通信網(wǎng)絡(luò)可靠性，同時(shí)兼具后期其他設(shè)備改造升級(jí)網(wǎng)絡(luò)連接的靈活性，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)結(jié)合有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行主備通信連接的組網(wǎng)方式，5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采用SA獨(dú)立組網(wǎng)結(jié)合MEC邊緣核心網(wǎng)的方式，確保網(wǎng)絡(luò)可靠性以及低時(shí)延。同時(shí)井下配置一條專線作為備用網(wǎng)絡(luò)，在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)故障恢復(fù)階段保證破碎錘操控系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行。

由于永平銅礦井下隧道無(wú)現(xiàn)成站址，通過(guò)在-150m破碎坑道新建一個(gè)5G站點(diǎn)方式進(jìn)行覆蓋，在坑道旁安裝1臺(tái)5G AAU，滿足1臺(tái)破碎錘遠(yuǎn)程操控設(shè)備以及2臺(tái)視頻監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)通信需求，同時(shí)還可為設(shè)備點(diǎn)巡檢人員提供5G網(wǎng)絡(luò)通信。5G網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備見(jiàn)圖3。

表2 破碎錘遠(yuǎn)程控制網(wǎng)絡(luò)需求

圖3 5G網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安裝圖

3.1.2 通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)測(cè)試

為保證破碎錘遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸，采用一路5G工業(yè)網(wǎng)關(guān)傳輸視頻監(jiān)控大流量數(shù)據(jù)，一路5G工業(yè)網(wǎng)關(guān)傳輸破碎錘遠(yuǎn)程操控控制命令數(shù)據(jù)，通過(guò)分路分設(shè)備傳輸?shù)姆绞?，提升?shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性與可靠性。同時(shí)預(yù)留有線通信接口作為備用網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)連接可靠性。網(wǎng)絡(luò)連接及傳輸示意圖見(jiàn)圖4。

圖4 網(wǎng)絡(luò)連接及傳輸示意圖

（1）5G網(wǎng)絡(luò)速率測(cè)試

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)5G網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化調(diào)整，現(xiàn)場(chǎng)平均RSRP電平值-75dB,網(wǎng)絡(luò)覆蓋良好，5G網(wǎng)絡(luò)下載速率峰值速率可達(dá)1Gb/s，平均下載速率達(dá)到800Mbps/s，能夠滿足破碎錘遠(yuǎn)程操控所需的下載速率。下載速率見(jiàn)圖5，上行速率見(jiàn)圖6，測(cè)試數(shù)據(jù)表見(jiàn)表3。

表3 網(wǎng)絡(luò)測(cè)試數(shù)據(jù)表

圖5 下載速率

圖6 上行速率

（2）5G網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延測(cè)試

經(jīng)測(cè)試井下通信網(wǎng)絡(luò)端到端時(shí)延最長(zhǎng)為115ms,最短為9ms,平均時(shí)延在29ms左右，滿足破碎錘井下遠(yuǎn)程操控的時(shí)延要求。

3.2 破碎錘遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)建設(shè)

由于地表中控柜、遠(yuǎn)程操控臺(tái)、本地控制柜、設(shè)備液壓響應(yīng)系統(tǒng)都是模塊化產(chǎn)品，直接安裝接線即可使用，系統(tǒng)的視頻部分與控制部分相互獨(dú)立?？刂葡到y(tǒng)以總線控制技術(shù)（CAN-BUS）為基礎(chǔ)，通過(guò)遠(yuǎn)程操控臺(tái)進(jìn)行操作，形成操作信息并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將信息傳輸至井下本地控制系統(tǒng)。本地控制系統(tǒng)識(shí)別操作信息，得到操作指令，并通過(guò)運(yùn)算輸出指令，控制液壓系統(tǒng)動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)液壓破碎錘的遠(yuǎn)程操作。

硬件布置結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖7：

圖7 硬件布置結(jié)構(gòu)圖

3.2.1 地表控柜搭建

地表中控在系統(tǒng)中扮演著“翻譯官”的角色，主要作用是對(duì)遠(yuǎn)程操控臺(tái)和井下本地控制柜之間的不同傳輸協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使得地表和井下建立連接。中控柜為集成模塊安裝，現(xiàn)場(chǎng)接線即可。

3.2.2 遠(yuǎn)程操控臺(tái)搭建

遠(yuǎn)程操控臺(tái)是操縱指令輸入及設(shè)備狀態(tài)顯示的設(shè)備，采用兩軸比例操縱桿，配備7英寸MD3彩色顯示屏，模塊化安裝，其動(dòng)作功能見(jiàn)圖8。

圖8 控制臺(tái)動(dòng)作功能圖

3.2.3 本地控制系統(tǒng)搭建

本地控制系統(tǒng)是系統(tǒng)的“執(zhí)行者”，該系統(tǒng)將地表傳輸來(lái)的信息進(jìn)行逆向解析，得到操作人員的操作指令，然后根據(jù)指令控制破碎機(jī)動(dòng)作。

本地系統(tǒng)設(shè)置有“遠(yuǎn)程/本地”控制選擇開(kāi)關(guān)，可供本地控制室進(jìn)行操控模式選擇，見(jiàn)圖9。

圖9 控制臺(tái)動(dòng)作功能圖

本地控制系統(tǒng)的所有硬件系統(tǒng)同中控系統(tǒng)一樣，現(xiàn)場(chǎng)外部接線即可投入使用。

3.2.4 視頻系統(tǒng)

視頻系統(tǒng)由中控視頻顯示和本地?cái)z像系統(tǒng)兩部分組成。中控視頻顯示作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)場(chǎng)景，而本地?cái)z像則起監(jiān)控作用，包括一個(gè)云臺(tái)攝像頭和一個(gè)槍機(jī)攝像頭。槍機(jī)監(jiān)測(cè)礦運(yùn)車的行駛情況，云臺(tái)攝像頭調(diào)到作業(yè)最佳視角，監(jiān)測(cè)作業(yè)。布置圖見(jiàn)圖10。

圖10 攝像頭布置圖

4 系統(tǒng)連網(wǎng)測(cè)試

對(duì)破碎錘遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的5G工業(yè)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行設(shè)置，接入已經(jīng)鋪設(shè)好的5G網(wǎng)絡(luò)，測(cè)試結(jié)果如圖11、圖12所示：

圖11 吞吐量測(cè)試圖

圖12 響應(yīng)時(shí)間測(cè)試圖

（1）5G網(wǎng)絡(luò)吞吐量31.391Mbps/s

（2）5G響應(yīng)時(shí)間為57ms

對(duì)破碎錘遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)進(jìn)行連網(wǎng)操作，操作過(guò)程順暢，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，遠(yuǎn)程操控現(xiàn)場(chǎng)如圖13所示。

圖13 操控現(xiàn)場(chǎng)圖

5 應(yīng)用分析

永平銅礦已實(shí)現(xiàn)基于5G網(wǎng)絡(luò)下的破碎錘遠(yuǎn)程控制，該技術(shù)不僅從根本上解決了破碎錘操作人員的安全問(wèn)題，而且極大地改善了操作人員的操作環(huán)境，與此同時(shí)也為下一步實(shí)現(xiàn)破碎錘的“一控多”功能打下了基礎(chǔ)，積累了經(jīng)驗(yàn)。

在經(jīng)濟(jì)方面，永平銅礦破碎錘作業(yè)班組共6人，采取4班3運(yùn)轉(zhuǎn)的方式，有兩班只有1人進(jìn)行值班作業(yè)，需要同時(shí)滿足-100m，-150m中段3臺(tái)破碎錘的作業(yè)與維護(hù)工作，作業(yè)人員需在兩中段間進(jìn)行移動(dòng)，路程耗費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，生產(chǎn)作業(yè)壓力較大。2022年計(jì)劃在-200m新增一臺(tái)破碎錘進(jìn)行擴(kuò)充作業(yè)，現(xiàn)有人員已無(wú)法滿足井下破碎作業(yè)的生產(chǎn)需求，經(jīng)評(píng)估需至少新增4人方能滿足作業(yè)需求。本次破碎錘遠(yuǎn)程操控作業(yè)已改造完成，并成功運(yùn)行，后續(xù)將通過(guò)復(fù)制推廣將井下4臺(tái)破碎錘全部改造成遠(yuǎn)程操控。改造完成后，每年僅人力成本減少60多萬(wàn)元。破碎機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)破碎錘設(shè)備的狀態(tài)檢測(cè)和自動(dòng)停機(jī)等保護(hù)措施，提高了破碎錘遠(yuǎn)程控制的可靠性和安全性，每年可降低10%設(shè)備維護(hù)成本。

破碎錘遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)將操作人員由井下移至地表，在改善了員工工作環(huán)境的同時(shí)，也降低了員工的工作強(qiáng)度。同時(shí)，減少下井作業(yè)人員，極大地提升了礦山生產(chǎn)本質(zhì)安全。

6 結(jié)論

基于5G網(wǎng)絡(luò)下的破碎錘遠(yuǎn)程控制在永平銅礦的成功應(yīng)用，充分驗(yàn)證了5G網(wǎng)絡(luò)下的破碎錘遠(yuǎn)程控制的可行性，為進(jìn)一步大范圍實(shí)施破碎錘遠(yuǎn)程控制改造提供了工程經(jīng)驗(yàn)與數(shù)據(jù)支撐。同時(shí)也對(duì)自動(dòng)化水平的提升起到了很好的推動(dòng)作用，為探索實(shí)現(xiàn)更多的5G網(wǎng)絡(luò)下的礦山應(yīng)用打下了良好基礎(chǔ)。