煤礦智能分布式無線通信技術的應用與研究

謝國正

(陜西黃陵二號煤礦有限公司,陜西 延安 727307)

0 引言

中國能源賦存特點是“貧油、富煤、少氣”,導致以煤為主的能源結構在今后相當長的時間內難以改變。煤炭發電占據國家年總發電量的60%以上,同時也是建材、化工、鋼鐵等產業重要的燃料和原料,煤炭供應的穩定和安全直接影響國民經濟發展的健康與穩定。預計到2030年中國煤炭消費量占一次能源消費總量的比例保持在50%左右,至2050年約占40%。國家對煤炭的需求量居高不下,煤炭生產還必須符合新時代可持續性、綠色、智能、安全的高質量發展。

目前,數字化、智能化已經成為智慧礦山建設的重要目標和發展方向[1]。通信技術又是智慧礦山建設的關鍵基礎技術之一,煤礦井下通信主要以有線通信為主,無線通信為輔。因為在井下的采煤區、掘進區作業環境復雜的原因,采取有線的方式施工和維護非常有難度,并且在狹長的巷道里,有線的接入點數量受到很大限制,無法做到全面的通信。通信線纜在采煤工作面、掘進工作面等位置均為星形連接,一旦災害發生導致線纜損壞,通信就會中斷。區別于有線通信系統的限制,無線的傳輸方式非常適合礦井下通信,無線通信方式主要有漏泄通信、透地通信、3G通信、4G通信、5G通信、WiFi 6通信及無線以太網(WLAN)通信系統等[2-4]。

1 研究目標

隨著生產效率、經營質量要求的不斷提高,智能化、少人化、無人化的信息化建設變得具有復雜性和多樣性,管理層需要更加及時地了解和掌握設備工作情況、人員工作狀況、環境狀況、信息交互等多種場景下的復雜綜合信息[5]。因此,對于無線通信網絡的要求,尤其是在信號有效覆蓋范圍、網絡建設周期、建設維護成本及復雜環境等方面有著嚴格要求,具體設計思路如下。

改造現有的通信模式,增設工業級隔爆兼本安型千兆交換機,并必須實現工業級WiFi信號覆蓋,解決了傳統交換機(網口)提供流量帶寬不足的問題[6]。在此基礎上,可提升礦用隔爆型高清攝像頭的傳輸流暢性,提高畫質,同時也可以連接礦用本安型手機。

通過工業無線分布式專網通信交換機部署在采煤機上,采煤機數據可通過分流或備用傳輸模式。采煤機系統可判斷優先通過無線網絡系統進行傳輸,同時線纜可作為備用途徑加深數據安全性,保障數據可靠穩定性[7-8]。

為了深化網絡可用性,充分發揮工業無線分布式專網通信交換機的特性,構建一套綜采工作面環路網絡,以確保個別設備的中斷運行不會影響總體系統運作。

接入標準化工業級WiFi交換機,提供井下工作面的WiFi服務,是隔爆兼本安型智能手機一個重要基礎連接通道、新語音通道,使得井上、井下可以進行實時溝通與交流。

解決工作面監控視頻不夠清晰流暢、卡頓現象。首先,由于攝像頭數量多達80臺,其出現卡頓現象原因在百兆交換機,普通標清所需流量帶寬平均值為1.5 Mbps,總需流量帶寬為105～120 Mbps。因此出現不清晰及卡頓現象很正常;其次,攝像頭部署的平均位置與匯聚交換機位置都不在一個液壓支架上,網線部署勢必在液壓支架上交叉串聯,這樣在采煤機工作中,液壓支架的移動將不可避免地使攝像頭的網線磨損,導致網線割斷或水晶頭松脫,卡頓現象就會出現[9]。

2 技術設計方案

2.1 無線組網方式

2.1.1 點對點無線傳輸方式

點對點被定義為“透明”網絡,因為它的活動對網絡主機是透明的。換言之,點對點根據“轉發”將分組從一個網段轉發到另一個網段,該“轉發”是通過從對傳入流量的分析中學習網絡拓撲而建立的。在此配置中,點對點和網絡主機之間不會發生顯式交互。連接到點對點兩側的2個網段將共享相同的IP尋址類。因此,每個網絡主機必須使用唯一的IP地址,即不允許2個設備共享同一IP地址。

2.1.2 手拉手線性無線傳輸方式

手拉手線性搭建方式源自于點對點模式。此模式適合應用在深入隧道(跨山區邊境、隧道公路、井下煤礦等)直線應用。由于有線網絡在動態模式工作環境中出現斷網頻率高,系統應用出現斷網而導致經濟損失。因此提供手拉手線性架構以解決此類應用場景。

2.1.3 固定-移動無線傳輸方式

移動微基站通過微基站(Ⅰ)進行數據傳輸,同時,移動微基站搜尋下個微基站的信號源。搜索的信號源通過深度學習計算,判斷在最佳信號值自行切換。由于移動微基站在與微基站(Ⅰ)建立通信傳輸時,鏈路質量會因為移動微基站的移動而改變,因此,通過持續搜索信號源進行計算對比機制,可保障切換0數據掉包概率,最終保障數據的可靠與安全。

當移動微基站成功切換后(傳輸微基站(Ⅱ)),移動微基站繼續做同樣的工作,即發送傳輸的同時搜索信號源,進行計算對比,判斷下個切換點(依此類推),保障通信質量的品質,完成高關鍵系統應用任務。

2.1.4 點對多點無線傳輸方式

分布式技術優化了點對多點架構的功能和能力,提供具有Profinet協議的PLC控制應用以滿足安全和工業自動化行業中系統集成商的需求。分布式技術基于集中式媒體訪問控制(MAC)協議,允許客戶創建點對多點網絡。該技術的調頻單元可以用于使用扇形天線或具有多個定向天線的天線分配器以確保信號達到覆蓋效果。

2.1.5 動態式移動無線傳輸方式

當所有微基站配置在全動態移動頻率時,都需轉換微基站模式至移動微基站模式。與固定-移動通信模式不同的是,此網絡架構會因為移動微基站的變化而改變。由于運作環節變化頻率大,系統需具備快速及智能學習計算能力技術才可應對動態式網絡架構應用場景,保障可靠通信能力。此模式通常應用在相對小范圍如礦業運輸、單兵隊伍、戰術車隊等超特殊場景。

2.1.6 分布式無線傳輸方式

MPLS網絡技術的發展帶給無線傳輸專網網絡解決方案的基礎創新的介質網絡架構,不同于傳統的無線技術解決方案,該架構在可靠性和靈活性的術語上具有不匹配的優勢。用MPLS技術為您提供具有高度網絡靈活配置的優勢。在一個分布式無線專網中,每個調頻單元發送數據包從設備直接連接到該設備,并作為一臺智能路由器設備,深度計算出靈活多變但高度可靠的路徑出口。

在一個冗余和可靠的分布式專網中,數據包的每一條數據流都有多個可用路徑到達基站(出口點),并且網絡在任何時間點沿著最佳路徑前進,不會出現單一節點的設備故障導致網絡中斷(去中心化),這是其他無線技術無法達到的。

2.2 網絡設計框圖

技術上采用的是分布式無線通信方式,其總體框架如圖1所示。

無線Mesh網絡(WMN,Wireless Mesh Network,又稱無線網狀網、無線網格網等)和無線傳感器網絡一樣,也是一種應用性的網絡技術,由對等網絡(Ad hoc)發展而來,是一個動態的可以不斷擴展的網絡架構,任意的2個設備均可以保持無線互聯。

Vo-WLAN技術是基于WLAN(無線局域網)的語音通信技術。Vo-WLAN可以利用現有的WLAN網絡實現無線的VoIP通話能力,井上和井下人員通過Vo-WLAN可隨時語音通信。Vo-WLAN系統的數據流如下:通過接入點AP(Access Point)把語音信號傳輸到VoIP網關,該網關可以是原來的有線VoIP網關,這樣語音數據在IP網絡和PBX(交換機)之間傳輸,實現數據通信與語音通信的高效結合。

基于井下無線Mesh網絡和Vo-WLAN技術系統設計的組成,分為骨干通信層、信號覆蓋層及終端通信層,分層實現其功能。按照分層組網,預計可達到99.9%的網絡可用性及可靠性,高達866 Mbps速率、時延最大為50毫秒?；诠I無線分布式專網交換機傳輸技術的特性,每個設備節點都具備提供入網接口的能力。比如部署WiFi服務,提供帶有WiFi通信模塊的防爆手機入網使用,搭建井下與地面的通信連接通道,實現遠程監督、遠程調試、遠程監管、實時溝通等一系列智能手段[10-11]。

安裝在液壓支架上的攝像儀可通過工業無線分布式專網骨干通信層設備,將圖像傳回到工作面控制中心,繼而連接到礦場內部的核心環網。信號覆蓋層的設備,其功能主要是確保通信信號無縫覆蓋到采煤機工作軌跡,再借由安裝在采煤機機身上的終端通信層設備自行依據最佳信號及最大帶寬條件實現信號傳輸。

3 現場實施方案

陜西黃陵二號煤礦211綜采工作面網絡架構部署示意圖如圖2所示。

3.1 液壓支架無線設備布置方案

液壓支架的無線信號設備布置效果如圖3所示。部署在液壓支架上的工業無線分布式通信交換機設備(信號覆蓋給采煤機)之間通過TCP/IP協議串聯。攝像頭與隔爆兼本安型千兆交換機連接,匯入井下萬兆以太環網的主干網中,保證工作的80路視頻穩定傳輸,并具有網絡管理和視頻流量的管理能力。本安型手機和帶有WiFi通信模塊的智能終端提供WiFi通信服務,并預留接口可以接入人員定位、語音通信、數據獲取與更新等功能。

圖3 液壓支架無線設備施工案例

3.2 采煤機無線設備布置方案

采煤機的無線信號設備布置效果如圖4所示。工業無線分布式專網通信交換機安裝在采煤機機身中間段,此處是唯一可部署空間位置,工業無線分布式專網通信交換機通過RJ45網線與采煤機上的PLC連接通信,PLC需將協議轉換至標準TCP/IP協議。工業無線分布式專網通信交換機再提供可選Profinet協議的插件,進而實現對PLC控制的應用,滿足安全和工業自動化行業中系統集成商的需求[12]。

圖4 采煤機上無線設備施工案例

3.3 巷道內無線設備布置方案

針對工業級隔爆兼本安型無線交換機具有WiFi覆蓋功能,在綜采工作面提供的視頻與WiFi服務,構建一條工業無線分布式專網通信交換機傳輸通道,避免巷道轉載機因為支架的移動導致線纜出現通信穩定性的問題。工業無線分布式專網通信交換機延續通過轉載機、超前支架以及與設備列車構建無線通信基礎,建立井下遠程監控中心,采煤機遠程監控箱和順槽集控系統。

3.4 無線設備供電要求

采煤機機身的無線設備供電及通信。采煤機腔體內部要引一路電源(127 V或220 V)給無線設備供電。采煤機腔體內部引出8芯線到無線設備上實現無線設備和采煤機機身PLC通訊。液壓支架無線設備在電液控制電源上通過三通接線盒,分一路給無線設備供電,或采取照明的電源,通過三通接線器,為無線電設備供電(電壓為井下通用的127 V直流電)。

3.5 設備工程安裝要求

無線設備安裝在液壓支架附屬的襯板上,安裝使用不銹鋼螺絲加彈性墊片。天線系統安裝在液壓支架頂板部,平行于現有的視頻監控設備。饋線將按現有的線路路徑部署。饋線長度范圍在2～10 m之間。采煤機機身上裝一臺隔爆兼本安型工業無線分布式專網通信交換機。采煤機與機身無線交換機通信采用標準工業以太網RJ45接口。

4 結語

分布式無線Mesh通信系統網絡建設對采煤機打通PLC鏈接、實現遠程操控、實時監測設備運行狀況,構建大數據存儲基礎提供了網絡應用平臺。通過虛擬可視化以推進綜合井下工作面的智能化進程,對早日實現無人化井下采煤,具有很高的應用和推廣價值。