5G通信技術(shù)在斗輪機無人值守中的應(yīng)用研究

譚建軍，劉文哲，何曄，翟林波，馬晉峰

(1.中國大唐集團有限公司，北京100043；2.湖南大唐先一科技有限公司，湖南 長沙 410007；3.內(nèi)蒙古大唐國際托克托發(fā)電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010206)

0 引言

伴隨著移動通信技術(shù)的更新迭代，5G通信技術(shù)逐步取代4G移動通信技術(shù)，現(xiàn)已進入人們的日常生活，李軍[1]通過研究發(fā)現(xiàn)全球的移動通信網(wǎng)絡(luò)進行升級換代已經(jīng)是必然趨勢。5G全稱為第五代移動通信技術(shù)(5th generation mobile communication technology，簡稱5G)，是最新一代蜂窩移動通信技術(shù)，具備高速率、低時延和大連接等特點。國內(nèi)現(xiàn)有火電廠通信鏈路幾乎都采用光纖的方式，而部分火電廠采用4G、無線AP、藍牙等通信方式，在火電廠障礙物多、通信覆蓋范圍廣等場景下，上述技術(shù)傳輸速度慢、時延高、數(shù)據(jù)丟包率高，使得火電廠無線通信技術(shù)的應(yīng)用受阻。

在國家“兩化”融合方針和節(jié)能減排政策驅(qū)動下，數(shù)字化電廠、智能發(fā)電、智慧電廠的建設(shè)逐漸成為電力行業(yè)發(fā)展的趨勢。俞建江[2]等研究發(fā)現(xiàn)通過5G通信的方式可有效實現(xiàn)火電廠內(nèi)部設(shè)備互聯(lián)，通過5G通信實現(xiàn)本地數(shù)據(jù)與邏輯處理、設(shè)備的遠程監(jiān)測及控制等功能，提供智慧電廠5G應(yīng)用解決方案。特別是在火電廠數(shù)字化、智能化、智慧化轉(zhuǎn)型升級過程中，各種智能、智慧業(yè)務(wù)場景對數(shù)據(jù)采集、收集、傳輸?shù)母咚俾省⒌蜁r延和大連接的需求顯得尤為迫切。5G通信技術(shù)因為高速率、低時延和大連接的優(yōu)勢，能夠彌補現(xiàn)有無線通信方式的不足，并且能夠滿足各種智能、智慧業(yè)務(wù)場景整合所需的數(shù)據(jù)采集、收集、傳輸條件。劉永旺[3]等研究發(fā)現(xiàn)5G技術(shù)在智慧能源的應(yīng)用場景不斷增多。

以下探討5G通信技術(shù)在火電廠煤場斗輪機無人值守系統(tǒng)中的應(yīng)用研究，從煤場5G布置、斗輪機通信方式設(shè)計、火電廠5G應(yīng)用前景等方面進行詳細闡述，為火電企業(yè)5G通信技術(shù)應(yīng)用提供實踐成果。

1 5G通信技術(shù)優(yōu)勢

趙俊杰[4]等研究發(fā)現(xiàn)5G是智慧電廠新基建的戰(zhàn)略核心。5G區(qū)別于4G最基本的三個性能體現(xiàn)在傳輸速率更快、連接數(shù)密度更高和時延更低。相應(yīng)地，5G在以下三大應(yīng)用場景更具有優(yōu)勢：大流量移動寬帶業(yè)務(wù)(enhance mobile broadband，eMBB)、大連接物聯(lián)網(wǎng)(massive machine type of communication，mMTC)、超可靠低時延通信(ultra reliable & low latency communication，uRLLC)。

1)eMBB(大流量移動寬帶業(yè)務(wù))的主要功能是大幅提高數(shù)據(jù)速率，能夠容納更多的流量、人口密集區(qū)域和轉(zhuǎn)接路徑，有完整的覆蓋范圍。朱龍昶[5]等研究發(fā)現(xiàn)通過引入大規(guī)模天線、毫米波通信等技術(shù)，結(jié)合應(yīng)用異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，可提高系統(tǒng)性能，將5G用于大帶寬業(yè)務(wù)應(yīng)用場景以保證數(shù)據(jù)的高效傳輸。在火電廠煤場斗輪機無人值守業(yè)務(wù)場景中，5G用于高清視頻傳輸、斗輪機AI智能作業(yè)平臺通信等。

2)mMTC：側(cè)重解決傳統(tǒng)移動通信無法很好地支持物聯(lián)網(wǎng)及垂直行業(yè)應(yīng)用的問題。詹文[6]等研究發(fā)現(xiàn)面向mMTC的5G通信技術(shù)可使機器與機器能在無人控制的情況下，自主地進行數(shù)據(jù)交互。在火電廠煤場斗輪機無人值守業(yè)務(wù)場景中，5G用于傳感器數(shù)據(jù)采集，具體包括斗輪機安全防護的傳感器，如料位計、防碰撞雷達、超聲波雷達、接近開關(guān)、定位芯片等數(shù)據(jù)采集單元。

3)uRLLC：端到端的概念，包含了核心網(wǎng)、傳輸、RAN等多個方面，李晶[7]等研究發(fā)現(xiàn)只要對時延保障有可靠性要求的業(yè)務(wù)都屬于uRLLC業(yè)務(wù)。在火電廠煤場斗輪機無人值守業(yè)務(wù)場景中，就地與遠程斗輪機無人值守控制系統(tǒng)作業(yè)指令的傳輸可通過5G無線通信技術(shù)的應(yīng)用保證斗輪機無人值守作業(yè)高可靠、低時延，確保斗輪機設(shè)備作業(yè)安全。

2 5G通信技術(shù)在斗輪機無人值守的 應(yīng)用需求分析

2.1 數(shù)據(jù)采集及傳輸需求

劉礦平[8]等對基于5G技術(shù)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)進行設(shè)計研究，在視頻傳輸大帶寬需求應(yīng)用場景中，根據(jù)國際電信聯(lián)盟(international telecommunication union，ITU)發(fā)布的5G通信技術(shù)關(guān)鍵指標(biāo)[9](表1)，5G通信的峰值速率可達到4G通信的20倍，時延可提升數(shù)十倍。因此在火電廠斗輪機此類大型設(shè)備的無人值守智能應(yīng)用場景中，采用5G通信技術(shù)可以滿足現(xiàn)場斗輪機設(shè)備上的傳感器數(shù)據(jù)采集和傳輸需求、現(xiàn)場視頻傳輸需求，確保設(shè)備運行安全。

表1 5G與4G技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)對比

2.2 斗輪機控制服務(wù)需求

孫亞偉[10]研究發(fā)現(xiàn)火電廠斗輪機用無線傳輸可以降低斗輪機通信成本且不受地形控制，柳曦[11]等研究發(fā)現(xiàn)采用光纖通信的斗輪機可能出現(xiàn)信號不穩(wěn)定和電磁干擾等情況。相應(yīng)地，在火電廠煤場斗輪機無人值守應(yīng)用場景中，范軻[12]在火電廠無線技術(shù)研究應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)有ZigBee、Wi-Fi等短距離通信技術(shù)及4G通信技術(shù)可應(yīng)用，但會出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸速率慢、通信覆蓋面積小的問題，無法滿足火電廠煤場斗輪機無人值守所需的低時延、高可靠性要求。4G或無線AP等無線通信技術(shù)因能量效率低、流量密度低、時延高、速率低等問題，會造成斗輪機就地傳感器無法將實時采集數(shù)據(jù)發(fā)送至斗輪機AI智能作業(yè)平臺；相應(yīng)地，斗輪機AI智能作業(yè)平臺也無法實時將斗輪機無人值守運行的控制指令遠程發(fā)布給斗輪機就地控制PLC。5G通信技術(shù)低至1 ms的時延可滿足火電廠斗輪機無人值守控制服務(wù)所需的實時控制服務(wù)需求。

3 5G通信技術(shù)在斗輪機無人值守系 統(tǒng)中的應(yīng)用實踐

3.1 5G通信技術(shù)在斗輪機通信中的應(yīng)用方案

張茜[13]對火電廠斗輪堆取料機智能化無人值守進行了研究，本文在其基礎(chǔ)上提出基于5G通信技術(shù)的斗輪機無人值守系統(tǒng)，具體架構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)由斗輪機AI智能作業(yè)平臺、5G網(wǎng)絡(luò)、斗輪機就地PLC控制系統(tǒng)，以及底層采集服務(wù)層組成。由圖1可知底層采集服務(wù)層采集的數(shù)據(jù)經(jīng)斗輪機就地PLC匯集后通過5G網(wǎng)絡(luò)從現(xiàn)場傳輸至遠程斗輪機AI智能作業(yè)平臺。AI智能作業(yè)平臺運行計算后，將斗輪機無人值守的堆取料作業(yè)指令遠程下達，通過5G網(wǎng)絡(luò)直接下達至斗輪機就地PLC。其中視頻服務(wù)因占用較大帶寬，通過5G網(wǎng)絡(luò)切片組建視頻獨立網(wǎng)絡(luò)。

在斗輪機無人值守系統(tǒng)中，5G網(wǎng)絡(luò)用于現(xiàn)場傳感器數(shù)據(jù)的采集、視頻數(shù)據(jù)傳輸及斗輪機AI智能作業(yè)平臺控制指令的下達。相應(yīng)地，為保證斗輪機無人值守的穩(wěn)定運行，如圖1所示在斗輪機就地PLC處配置了5G CPE通信模塊，并且可以延伸至多臺斗輪機，做到多臺斗輪機在5G通信條件下的無人值守運行。由圖1可知斗輪機就地PLC將底層采集服務(wù)層傳感器采集的數(shù)據(jù)通過5G CPE通信模塊、5G基站傳輸至斗輪機AI智能作業(yè)平臺，遠程控制人員可通過集控室大屏觀察斗輪機設(shè)備狀態(tài)及具體的運行參數(shù)；斗輪機AI智能作業(yè)平臺根據(jù)前端采集的設(shè)備參數(shù)，如煤堆數(shù)據(jù)、斗輪機姿態(tài)、斗輪機位置、皮帶運行情況等，進行控制決策，利用5G通信技術(shù)的低時延性將斗輪機的堆取料作業(yè)指令通過5G網(wǎng)絡(luò)下發(fā)至斗輪機就地PLC。

圖1 基于5G通信技術(shù)的斗輪機無人值守系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

在煤場現(xiàn)場通過第三方測速軟件測得5G與4G實測數(shù)據(jù)如表2和圖2所示。

其中4G平均上傳速率為P4G=(n1+n2+…+nn-1)/n，5G平均上傳速率為P5G=(n1+n2+…+nn-1)/n；式中n為測試次數(shù)。得出4G的平均上傳速率為2.3 Mbyte/s，平均下載速率2.72 Mbyte/s，5G的平均上傳速率為23.28 Mbyte/s，平均下載速率54.28 Mbyte/s。

表2 5G與4G現(xiàn)場測試上傳下載速率 Mbyte/s

圖2 5G與4G上傳下載速率折線圖

本項目斗輪機定位系統(tǒng)定位數(shù)據(jù)發(fā)送頻率為40 Hz，即40次/s，次均間隔25 ms。視頻監(jiān)控在斗輪機上匯集后，通過5G CPE基站傳輸至遠程控制室硬盤錄像機。根據(jù)上述實測數(shù)據(jù)5G上傳速度為4G的10倍，5G下載速度為4G的19.9倍，在不考慮5G基礎(chǔ)基站擴充的情況下，同等網(wǎng)絡(luò)延遲情況下，5G通信速度遠遠優(yōu)于4G網(wǎng)絡(luò)。斗輪機就地5G網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。

圖3 斗輪機就地5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3.2 5G通信技術(shù)在斗輪機應(yīng)用中的優(yōu)勢

張楊[14]等研究發(fā)現(xiàn)5G可用于斗輪機無人值守控制系統(tǒng)的通信傳輸，可保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行。楊如意[15]等研究并在火電廠實現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)接入火電廠DCS控制系統(tǒng)，通過5G切片的方式實現(xiàn)了全廠無線全覆蓋、測量控制等設(shè)備的接入。其研究成果表明，5G網(wǎng)絡(luò)通信在切片情況下的高安全性、低時延、高帶寬、大連接等優(yōu)勢已具備在火電廠底層控制系統(tǒng)應(yīng)用前景。郝轟宇[16]等研究發(fā)現(xiàn)斗輪機采用無線通信方式可以大大降低斗輪機設(shè)備維護費用，為電廠提質(zhì)增效、節(jié)能降耗、提升燃煤經(jīng)濟性做出了突出貢獻。

1)低時延、采集時效性高

該項目斗輪機無人值守系統(tǒng)涉及的I/O點180余個，且開關(guān)信號較多，系統(tǒng)運行過程中未出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟包、延時等情況；其中視頻傳輸畫面也未出現(xiàn)卡頓、延時等情況。結(jié)合前述5G在火電廠DCS控制系統(tǒng)的應(yīng)用，未來5G通信技術(shù)可為火電廠更多智能智慧化數(shù)據(jù)采集、業(yè)務(wù)應(yīng)用場景提供無線通信保障及網(wǎng)絡(luò)安全保障。

2)低投入、高回報

煤場斗輪機軌道按300 m計算，柔性光纖價格200元/m、使用周期2年，光纖材料費用6萬元，人工費1萬元，年平均費用按4萬元/年計算，10年的使用費用為40萬元。

斗輪堆取料機的卷盤電機使用2臺3 kW電機，年消費電費2×3 kW×10 h(運行小時)×330(年運行天數(shù))×0.5元/(kW·h)=0.99萬元/臺，電纜卷筒費用15萬元，10年合計使用費40+0.99×10+15=64.9萬元，其中不包括設(shè)備故障停運、檢修帶來的損失。

斗輪機上5G設(shè)備投資費用30余萬元，功耗為1 kW，年運行費用2×1 kW×10 h(運行小時)×330(年運行天數(shù))×0.5元/(kW·h)=0.33萬元/臺，10年合計使用費33萬元；使用5G通信10年可以節(jié)約31.9萬余元。除提升通信可靠性外，還可降低檢修工作量及減少異常網(wǎng)絡(luò)通信故障，經(jīng)濟效益十分顯著。

相比采用柔性光纖加無線AP的通信方式，采用5G通信現(xiàn)場施工量非常小，且施工周期相比綜合布線施工縮短約40天，避免了大量橋架、穿管、地溝開挖等工作，5G通信投運后，也無須指派專人進行光纖巡查等工作，大幅減少了人力成本支出。

3)通信安全可靠

宋科[17]等研究發(fā)現(xiàn)5G通信通過中頻直接采樣的方式可解決5G通信抗干擾能力差的問題。同時通過虛擬化技術(shù)對5G網(wǎng)絡(luò)運營商、現(xiàn)場5G網(wǎng)絡(luò)進行了定制化切片服務(wù)，將視頻、控制、采集等進行網(wǎng)絡(luò)分類，各自采用獨立的網(wǎng)絡(luò)防止切片資源競爭以及非法攻擊。在斗輪機無人值守的核心網(wǎng)絡(luò)中，視頻和斗輪機無人值守運行系統(tǒng)配置了獨立的硬件，5G切片技術(shù)的應(yīng)用為其形成了獨具特色的物理和邏輯隔離，確保斗輪機無人值守的安全運行。在其他外部燃料管理系統(tǒng)、SIS系統(tǒng)、DCS生產(chǎn)系統(tǒng)等邊緣計算節(jié)點滿足網(wǎng)閘、防火墻等網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備的安全要求。

4 結(jié)語

隨著數(shù)字化電廠、智能發(fā)電、智慧電廠的建設(shè)深入，5G通信技術(shù)作為現(xiàn)有技術(shù)條件下極具性價比的無線通信方式，以高速率、低時延和大連接的優(yōu)勢，將成為未來火電廠智能、智慧建設(shè)必備的無線通信方案。在某電廠的斗輪機無人值守5G通信應(yīng)用場景中，該電廠煤場(260 m×120 m)共配置了2個5G 宏站、6個5G室分，相比4G，投資費用明顯增加，但是相對整個火電廠5G全覆蓋來說，整體投資性價比較高。周琦[18]研究發(fā)現(xiàn)5G通信技術(shù)將朝著交互智能、萬物互聯(lián)、生活的云端化發(fā)展；宋會賢[19]已在火電廠開展基于5G的智能巡檢研究；高滿達[20]等在火電廠燃煤鍋爐運行監(jiān)測中開展5G應(yīng)用?？梢灶A(yù)見未來火電廠基于5G的全場景智能、智慧化應(yīng)用將成為可能，覆蓋火電廠生產(chǎn)、運行、管理各個業(yè)務(wù)場景。