基于5G 通信技术的采煤机远程控制系统设计与应用

宋革非

（山西焦煤西山煤电股份有限公司马兰矿， 山西 古交 030205）

引言

随着经济社会的飞速发展，煤炭需求量不断增加，煤炭生产安全问题备受关注[1]。传统的煤炭生产作业受采掘设备、人员的技术水平等制约，安全事故时有发生，危及工作人员的生命安全，给煤炭企业造成较大的经济损失，因此较为先进的安全操控模式亟待开发[2-3]。目前出现了技术先进的5G 通信、物联网等技术，在生产生活中得到了一定范围的应用，实现了智能操控，取得了很好的应用效果[4]。煤矿井下作业环境极为恶劣，将5G 通信技术应用于煤矿生产机械的远程控制，将极大地提高煤矿企业生产的作业的安全性，确保井下作业人员的安全，保证煤炭企业的生产产能和效率[5-6]。针对某煤炭企业建设为背景，以采煤机为研究对象，研究采煤机远程控制系统设计与应用，对于提升企业的产能和安全具有重要意义。

1 5G 技术概述

所谓的5G 技术指的是第五代移动通信技术，基于现有4G 成熟技术发展而来，故而称之为5G，属于新一代蜂窝移动通信技术。相较于现有的4G 技术，5G 技术通信速度更快，系统完善度更高。当前的5G技术涉及两个频率段，分别为FR1 和FR2，主要的频率范围处在450 MHz～6 GHz，也称作Sub6G。2019 年之后至今，5G 商用步伐较快，几乎全球都在签订5G合同，也投入了大量的人力、物力和财力，试图攻克5G 技术瓶颈。我国5G 技术开始于FR1 频段，属于主频，具有频率低、绕射能力强，覆盖效率好的特点，最大带宽能够支持100 Mbit/s。

2 总体结构

基于某煤炭企业采煤机及其远程遥控系统的功能要求，完成了采煤机远程控制系统结构设计，如图1 所示，主要涉及3 个子系统，包括机车车载子系统、远程操控子系统和网络通信子系统。机车车载子系统主要作用是控制与监测车辆的实时工作状态，提供防护控制等，保证采煤机能够按照规定的开采作业要求完成作业功能，是整个系统的控制核心。远程遥控子系统实时显示采煤机的运行状态信息，完成人机交互；网络通信子系统主要作用是车载单元和操控单元之间的无线通信，传输数据信息。三个子系统协调配合完成采煤机远程遥控工作，实现采煤机的采掘要求，提高采煤机采煤效率。

图1 远程控制系统结构

3 子系统设计

3.1 机车车载子系统

机车车载子系统设置在采煤机上，涉及的硬件有车载遥控接收器、中央控制器、各类传感器、电源等。

3.1.1 车载遥控接收器

遥控接收器实为无线接收器，接收遥控发出的控制指令数据，经过功能逻辑进行数字量和PWM 的输出。接收器的主要功能涉及无线通信链路的建设，接收无线遥控器发送的控制指令，以PWM 信号的形式输出电磁阀控制数据，以数字信号形式输出继电器控制信号，以模拟量信号的形式输出调节控制参数。与此同时，还能够持续采集采煤机的工作情况信息，实现与中央控制器之间的数据交换。此处选择的是型号为EC601-MJJ-MU-01 的车载无线接收器，

3.1.2 中央控制器

中央控制器作为远程遥控系统功能实现的关键，主要作用是数据采集、位姿调整、自适应控制等。具体的工作是建立与遥控器之间的数据通讯，获取采煤机的运行参数数据、工作状态信息、自适应动作控制、发出采煤机远程控制指令等。此处选择的是型号为EC601-MJJ-MU-02 的矿用隔爆兼本安型车载中央控制器。

3.1.3 隔爆兼本安型电源箱

采煤机井下作业环境极为恶劣，包括高湿度、高浓度瓦斯气体、腐蚀颗粒等，因此对于电源的选择至关重要。机载电源箱需要具有很好的续航能力，同时，也要具有很好防爆性能，以此保证远程遥控系统供电可靠工作。此处选择了型号为KDW127/24 的矿用隔爆兼本安型稳压电源。此种电源具备AC127 V 输入接口，还具有多个DC 24 V 的接口，具备同时为远程遥控系统提供稳定电源的能力。

3.2 远程遥控子系统

3.2.1 遥控发送器

远程遥控子系统中的关键部件是遥控发送器，此处选择了型号为EC601-MJJ-SU-01 的矿用本安型遥控发送器，采用了开关模式和手柄两种模式，控制指令的传输采用无线网络完成。遥控发送器具有较多的优势，包括实时性强、质量轻、体积小等，与此同时，发送器中集成了多个输入输出电路，具有较高参数配置的微处理器。设置了指示灯，用于实时显示遥控器、接收器工作状态，涉及操控指令、信号强度、电池电量等。

3.2.2 远程遥控平台

远程遥控平台选择的型号为EC601-MJJ-SU-02，属于煤矿井下专用的平台，充分体现了人机工程学原理，具有很好的使用性能。平台设计时也考虑了机器型号和控制要求，配置了遥控使用的拨动开关、按钮等，对应的控制功能经过无线通信方式发送至采煤机中的无线接收器，实现采煤机远程遥控的实时动作。远程遥控平台上具备双屏计算机工作站，分别用于显示视频动画和自动控制软件的主界面。

3.2.3 服务器软件

服务器软件主要置于上位机位置，系统搭建基于Win7 系统完成，使用的是C/S（Client/Server）架构。服务器软件可与车载遥控器接收器互通数据信息，及时获取采煤机的运行参数数值和各个开关量的状态信息，以及自适应控制信息等，实时为远程操控人员提供实时信息。

3.3 网络通信子系统

3.3.1 无线中继器

系统无线中继器选择型号为ZJT9-Z，专门用于煤矿矿山环境中使用的一款，如图2 所示，具有快速组装功能，是便于远程遥控系统使用的无线通信网络设备。ZJT9-Z 型的无线中继器具有无线混频光纤备份通信技术便携式高带宽无线中继迅速组网技术，高带宽计算机网络通信技术等。

图2 无线中继器

3.3.2 5G 通信模组

5G 通信模组用于数字化传输，集成了单片机和无线通信技术，具备高性能数据传输功能。内部自带无线收发模块，完成单片机对采煤机控制指令和数据信息的接收和发送，是一种FSK，采用的是GFSK 调制模式。远程遥控系统采用5G 通信模组，在遥控发送器和遥控接收器之间完成指令和数据的传输和交互，以保障远程遥控系统整体功能的实现。此处选择型号为GM800 的5G 通信模组，实物如图3 所示。

图3 5G 通信模组

3.3.3 5G 网络架构

5G 通信网络架构如图4 所示，包括核心网应用平台、地面5G 基站、井下5G 基站和Hub 等。地面无线信号收发采用有源天线，使其与室内基带处理单元相通；煤矿井下采用射频拉远单元进行无线信号传输，井下的Hub 负责汇集无线信号，与地面的BBU 可以互通信息。配置的5G 通信模组经5G CPE 与5G网络连接，采煤机各种信号采集装置获取的信息，传输至远程应用服务器。远程遥控过程中5G 网络移动性管理的信息通信由5G 载体和5G 核心网互通对接完成。

图4 5G 网络架构

4 应用效果评价

为了验证基于5G 通信技术的采煤机远程控制系统设计的可行性，将其应用于某煤炭企业采煤机远程遥控系统中进行试运行，跟踪记录系统应用情况，应用结果表明，系统运行稳定可靠，实现了采煤机远程遥控实时无线通信的目的。统计结果显示，5G 通信技术的引入，提高了采煤机远程遥控系统近1.3 倍的信息传输速率，大大提高了采煤机作业人员的安全性，及时了解采煤机运行状态参数及故障信息，节约了近2～3 名采煤机的运行维护人员，降低了煤炭生产成本，预计为煤炭企业新增经济效益近100 万元，取得了很好的应用效果。