5G無線技術(shù)在斗輪堆取料機(jī)遠(yuǎn)程控制中的應(yīng)用

華電淄博熱電有限公司 張澤巍 于 洋 西安博創(chuàng)智源科技有限公司 王 龍

中國移動通信集團(tuán)山東有限公司淄博分公司 黎 昕

目前，大部分依靠斗輪機(jī)工作的散料堆場中，斗輪堆取料機(jī)的操作全部采用操作員在就地手動操作的方式進(jìn)行工作，在堆取料過程中斗輪機(jī)的料量由肉眼來判斷，通過操控斗輪機(jī)回轉(zhuǎn)臂的啟停來控制流量；在堆料過程中受皮帶料流的不均勻性容易造成堆料的不規(guī)則，需人工不斷調(diào)整，在整個(gè)堆取料過程中操作人員的勞動強(qiáng)度較大，設(shè)備的頻繁啟停會影響設(shè)備的使用壽命；配料時(shí)斗輪機(jī)的流量難以掌控，影響配料的精準(zhǔn)性[1]。

勞動強(qiáng)度：斗輪機(jī)運(yùn)行作業(yè)時(shí)間長，在堆取料過程中操作頻繁、勞動強(qiáng)度大，長時(shí)間作業(yè)效率不穩(wěn)定、作業(yè)人員容易疲勞，人工操作易產(chǎn)生機(jī)械沖擊，影響設(shè)備壽命。操作人員的勞動強(qiáng)度較大，尤其容易引起視覺疲勞而增加安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，就地人員的換班、吃飯、如廁等日常工作也受到影響，容易產(chǎn)生駕駛員的相關(guān)職業(yè)病風(fēng)險(xiǎn)[2]；設(shè)備壽命：由于人的主觀判斷很難保證系統(tǒng)始終工作在核定流量狀態(tài)、容易發(fā)生過載風(fēng)險(xiǎn)，另外頻繁啟停也會影響設(shè)備的使用壽命。

效率偏低：受抖動、環(huán)境等因素影響，平均取料流量較低；監(jiān)控視角：原有的圖像監(jiān)視覆蓋小、存在死角，堆料作業(yè)過程中不能有效地全方位全天候監(jiān)控，尤其是在夜間或霧天作業(yè)時(shí)難度更大，不利于安全運(yùn)行，影響取料過程的效率。因此本課題利用5G 無線通訊技術(shù)，將斗輪堆取料機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行遷移。

解決“人”的問題：應(yīng)用5G 無線通訊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)斗輪機(jī)等工程設(shè)備遙控遠(yuǎn)程虛擬操作降低司機(jī)勞動強(qiáng)度和改善作業(yè)環(huán)境，大幅減少人員配置數(shù)量改善工作環(huán)境，減少人員疲勞導(dǎo)致的問題[3]；解決“作業(yè)”的問題：作業(yè)面高清視頻數(shù)據(jù)采集、合理作業(yè)規(guī)劃，極大的提高了斗輪機(jī)的作業(yè)效率，大幅降低輸料單位能耗，作業(yè)量全程數(shù)字化，可實(shí)時(shí)監(jiān)控、可統(tǒng)計(jì)分析，提高企業(yè)管理水平后期可結(jié)合AI實(shí)現(xiàn)全自動化操作，具有極大的應(yīng)用價(jià)值[4]。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

斗輪堆取料機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)是以遠(yuǎn)程控制為主線，將斗輪機(jī)自動化控制系統(tǒng)通過采用多種先進(jìn)的傳感器設(shè)備、同行裝置，結(jié)合5G 網(wǎng)絡(luò)和無線技術(shù)實(shí)現(xiàn)了斗輪機(jī)遠(yuǎn)程自動化控制功能。5G 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的斗輪堆取料機(jī)遠(yuǎn)程自動化控制系統(tǒng)主要包括三部分：斗輪機(jī)側(cè)就地控制系統(tǒng)、5G 網(wǎng)絡(luò)無線通信系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、控制中心遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。

斗輪機(jī)側(cè)就地控制系統(tǒng)在原有斗輪機(jī)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加相應(yīng)的定位裝置、防護(hù)裝置、監(jiān)控系統(tǒng)等硬件，使其滿足就地?zé)o人情況下的斗輪機(jī)全范圍防護(hù)檢測要求，該系統(tǒng)在不改變斗輪機(jī)就地控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化斗輪機(jī)現(xiàn)有PLC 控制系統(tǒng)邏輯，增加相應(yīng)的自動控制功能，滿足遠(yuǎn)程操控下的自動運(yùn)行功能。

1.1 5G 網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)

通過放置在最低到工廠MEC 邊緣處理器，實(shí)現(xiàn)以邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)（從整個(gè)運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)看，一個(gè)MEC 處理器是一個(gè)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)）為服務(wù)器的局域網(wǎng)。這種模式下，聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備加裝5G 通信模組（廠內(nèi)布置CPE，將5G 信號轉(zhuǎn)為WiFi 信號連接設(shè)備），適當(dāng)布置基站構(gòu)成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，在車間布置MEC 服務(wù)器用于企業(yè)內(nèi)數(shù)據(jù)通信及與運(yùn)營商大網(wǎng)的連通。這種模式下，企業(yè)的數(shù)據(jù)通過MEC 服務(wù)器在企業(yè)內(nèi)中轉(zhuǎn)、沒有流向公網(wǎng)，從而構(gòu)建了一個(gè)給企業(yè)專用的小型局域網(wǎng)。

MEC 解決方案主要有UPF、硬件、MEP 和APP 四部分，企業(yè)部署MEC 后可直接在本地實(shí)現(xiàn)5G 網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備的管理。流量卡接入CPE 后，數(shù)據(jù)無需進(jìn)入運(yùn)營商核心網(wǎng)分配公網(wǎng)IP 地址，通過MEC 的本地分流能力，在本地MEC 設(shè)備完成私網(wǎng)IP 地址分配，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)業(yè)務(wù)在內(nèi)部閉環(huán)。MEC 與礦區(qū)局域網(wǎng)直連，減少了到中心的傳輸，進(jìn)一步降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，同時(shí)也避免搶占出口核心網(wǎng)帶寬資源。

1.2 GRE 隧道技術(shù)

通過5G+MEC 實(shí)現(xiàn)5G 網(wǎng)絡(luò)與廠區(qū)局域網(wǎng)的互通。在測試工作中，5G 工業(yè)網(wǎng)關(guān)與PLC 通過網(wǎng)線直接相連，工業(yè)網(wǎng)關(guān)作為CPE 設(shè)備，裝上運(yùn)營商5G 流量卡接入5G 基站，通過MEC 進(jìn)行私網(wǎng)IP 地址分配（172.16網(wǎng)段），數(shù)據(jù)通信交換直接在本地局域網(wǎng)完成。PLC 可以對上找到工控網(wǎng)192.168上位機(jī)，證明網(wǎng)絡(luò)已實(shí)現(xiàn)互通。但是由于5G+MEC 建立自己的局域內(nèi)網(wǎng)，網(wǎng)關(guān)及PLC 不能與廠區(qū)局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)跨網(wǎng)段直接通信，上位機(jī)不能找到PLC。如何解決PLC 與上位機(jī)間跨網(wǎng)段通信成為網(wǎng)絡(luò)通信的關(guān)鍵。

隧道技術(shù)（Tunnel）是使用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)讓跨越Internet 的網(wǎng)絡(luò)模擬出專線連接的效果，也是當(dāng)前很常見的VPN（Virtual Private Network）技術(shù)。隧道技術(shù)有多種實(shí)現(xiàn)方式，也就存在多種隧道協(xié)議。GRE 是一種最傳統(tǒng)的隧道協(xié)議，GRE 在兩個(gè)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)之間模擬出直連鏈路，從而使網(wǎng)絡(luò)間達(dá)到直連的效果。隧道是模擬鏈路，所以隧道兩端也有IP 地址，但隧道需要在公網(wǎng)中找到起點(diǎn)和終點(diǎn)，所以隧道的源和終點(diǎn)分別都以公網(wǎng)IP 地址結(jié)尾，該鏈路是通過GRE 協(xié)議來完成的。

對于廠區(qū)來說，隧道兩端分別為廠區(qū)局域網(wǎng)與5G 采集工業(yè)網(wǎng)關(guān)，所以需在局域網(wǎng)三層交換機(jī)上建立Tunnel 隧道，并在隧道上增加靜態(tài)路由指向工業(yè)網(wǎng)關(guān)地址，對于5G 工業(yè)網(wǎng)關(guān)來說亦然。

1.3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

通過高清攝像系統(tǒng)對現(xiàn)場的作業(yè)環(huán)境、設(shè)備工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)對工作區(qū)域內(nèi)的車輛、人員進(jìn)行安全監(jiān)控，達(dá)到安全生產(chǎn)的目的。監(jiān)控系統(tǒng)采用400萬像素網(wǎng)絡(luò)高清星光球機(jī)和400萬像素及以上數(shù)字網(wǎng)絡(luò)紅外高清攝像機(jī)，夜視效果好、圖像清晰，紅外高清球機(jī)采用可隨意調(diào)整攝像頭的方向和監(jiān)視不同遠(yuǎn)近的物體[5]。所有機(jī)上攝像頭信號通過網(wǎng)線或光纖的形式進(jìn)入交換機(jī)，無線網(wǎng)絡(luò)形式將信號傳送至轉(zhuǎn)運(yùn)站上的接收端無線網(wǎng)橋，無線網(wǎng)橋?qū)o線信號轉(zhuǎn)換成光纖信號進(jìn)入中控室交換機(jī)，中控室交換機(jī)一路接入硬盤錄像機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲，一路進(jìn)入視頻服務(wù)進(jìn)行在線監(jiān)控[6]。

1.4 控制中心遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

控制中心遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)包括實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制操作臺及遠(yuǎn)程控制服務(wù)器等設(shè)備，程控駕駛員結(jié)合現(xiàn)場視頻系統(tǒng)，利用遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了模擬就地駕駛模式的真實(shí)場景還原功能，同時(shí)通過遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)及服務(wù)器的智能算法增加自動化操作功能，減少駕駛員操作頻率，提高系統(tǒng)操控安全性。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 懸臂防撞

傳統(tǒng)斗輪機(jī)采用鋼絲繩懸臂防撞系統(tǒng)，屬于接觸式防撞系統(tǒng)。這種防撞在動作之后，其鋼絲繩被撞斷、用于支撐鋼絲繩的角鋼變形，修復(fù)前無法繼續(xù)發(fā)揮保護(hù)作用。采用非接觸式懸臂防撞系統(tǒng)防撞系統(tǒng)動作后可以自動復(fù)位，避免系統(tǒng)繁雜的修復(fù)工作。非接觸式防撞采用超聲波傳感器防撞，安裝調(diào)試簡單、免維護(hù)。在懸臂左右兩側(cè)各安裝2套超聲波傳感器，超聲波傳感器安裝在懸臂前部和懸臂中前部位置，安全距離可根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行設(shè)定（圖1）。

圖1 超聲波防碰撞設(shè)備安裝示意圖

2.2 料位檢測裝置

料位檢測系統(tǒng)用于檢測設(shè)備工作時(shí)設(shè)備本體和物料之間的距離，料位檢測系統(tǒng)采用雷達(dá)料位計(jì)，抗污防塵效果好。當(dāng)料堆高度接近出料位置定時(shí)，斗輪機(jī)自動抬起高度繼續(xù)堆料或者回轉(zhuǎn)一定角度繼續(xù)堆料。雷達(dá)料位計(jì)安裝在懸臂前端，朝下檢測下部料堆高度并參與堆料運(yùn)算，根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備的情況可調(diào)整安裝位置。

2.3 定位裝置

本系統(tǒng)最終目的是實(shí)現(xiàn)設(shè)備的智能化控制，對運(yùn)行設(shè)備的定位要求較高。原定位系統(tǒng)需要全部拆除，設(shè)備支架重新安裝。需要定位機(jī)構(gòu)主要有行走機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、俯仰機(jī)構(gòu)。采用絕對值型編碼器、傾角儀、射頻定位系統(tǒng)相互協(xié)作，通過PLC 程序優(yōu)化設(shè)備啟停過程，減小慣性帶來的偏差，從而達(dá)到精準(zhǔn)定位。

絕對值編碼器：大車行走、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、俯仰機(jī)構(gòu)使用絕對值編碼器，采用Ethernet/IP 通訊協(xié)議方式，將編碼器的數(shù)據(jù)傳入PLC 中，實(shí)時(shí)檢測變幅角度變化并將采集到的數(shù)據(jù)傳入PLC 進(jìn)行處理，方便中控室對堆取料機(jī)運(yùn)行情況進(jìn)行控制和觀察。大車行走機(jī)構(gòu)采用兩套絕對值編碼器，安裝在行走機(jī)構(gòu)的左右側(cè)從動輪上。

射頻識別系統(tǒng)定位：在堆取料機(jī)行走中，由于料場長度較長、距離遠(yuǎn)，行走輪易存在打滑、啃軌等情況易形成編碼器累計(jì)誤差，故需要對編碼器進(jìn)行校準(zhǔn)。射頻定位系統(tǒng)分為讀寫器和標(biāo)簽兩部分，通過讀寫器識別標(biāo)簽里面的數(shù)據(jù)，再將接收到數(shù)據(jù)通過智能信號放大器，最終將信號傳送給PLC。

3 結(jié)語

斗輪堆取料機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)利用了5G 網(wǎng)絡(luò)無線技術(shù)，將斗輪堆取料機(jī)的操作數(shù)字化，解放操作人員的雙手，不用再時(shí)刻將手附在操作柄上，同時(shí)還改善了操作人員的工作環(huán)境，將工作地點(diǎn)從原來的司機(jī)室遷移到了集控室。通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)將操作人員的視角擴(kuò)大，全方位監(jiān)控斗輪堆取料機(jī)，便于操作人員實(shí)時(shí)及時(shí)地發(fā)現(xiàn)監(jiān)管斗輪堆取料機(jī)的狀態(tài)。同時(shí)將斗輪堆取料機(jī)的工藝流程系統(tǒng)化，使用遠(yuǎn)程自動系統(tǒng)存煤，煤堆平整、形狀美觀，為盤煤系統(tǒng)做好準(zhǔn)備工作，使用自動系統(tǒng)取煤可實(shí)現(xiàn)取煤煤量穩(wěn)定。通過無線技術(shù)改變了傳統(tǒng)的電纜信號傳輸，節(jié)省了實(shí)體電纜也規(guī)避了電纜長時(shí)間使用老化磨損的問題。

斗輪堆取料機(jī)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的使用使生產(chǎn)管理簡單明了，提升燃料運(yùn)輸水平、增加效益。通過燃斗輪堆取料機(jī)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)投入使用，為建立清潔、高效的智慧化煤場奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[7]。