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

中國移動通信集團山東有限公司淄博分公司 黎 昕

目前，大部分依靠斗輪機工作的散料堆場中，斗輪堆取料機的操作全部采用操作員在就地手動操作的方式進行工作，在堆取料過程中斗輪機的料量由肉眼來判斷，通過操控斗輪機回轉(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，在整個堆取料過程中操作人員的勞動強度較大，設(shè)備的頻繁啟停會影響設(shè)備的使用壽命；配料時斗輪機的流量難以掌控，影響配料的精準性[1]。

勞動強度：斗輪機運行作業(yè)時間長，在堆取料過程中操作頻繁、勞動強度大，長時間作業(yè)效率不穩(wěn)定、作業(yè)人員容易疲勞，人工操作易產(chǎn)生機械沖擊，影響設(shè)備壽命。操作人員的勞動強度較大，尤其容易引起視覺疲勞而增加安全運行風險。同時，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)病風險[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)生過載風險，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)時難度更大，不利于安全運行，影響取料過程的效率。因此本課題利用5G 無線通訊技術(shù)，將斗輪堆取料機的控制系統(tǒng)進行遷移。

解決“人”的問題：應(yīng)用5G 無線通訊技術(shù)，實現(xiàn)斗輪機等工程設(shè)備遙控遠程虛擬操作降低司機勞動強度和改善作業(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，可實時監(jiān)控、可統(tǒng)計分析，提高企業(yè)管理水平后期可結(jié)合AI實現(xiàn)全自動化操作，具有極大的應(yīng)用價值[4]。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

斗輪堆取料機遠程控制系統(tǒng)是以遠程控制為主線，將斗輪機自動化控制系統(tǒng)通過采用多種先進的傳感器設(shè)備、同行裝置，結(jié)合5G 網(wǎng)絡(luò)和無線技術(shù)實現(xiàn)了斗輪機遠程自動化控制功能。5G 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的斗輪堆取料機遠程自動化控制系統(tǒng)主要包括三部分：斗輪機側(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)、控制中心遠程控制系統(tǒng)。

斗輪機側(cè)就地控制系統(tǒng)在原有斗輪機控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加相應(yīng)的定位裝置、防護裝置、監(jiān)控系統(tǒng)等硬件，使其滿足就地無人情況下的斗輪機全范圍防護檢測要求，該系統(tǒng)在不改變斗輪機就地控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化斗輪機現(xiàn)有PLC 控制系統(tǒng)邏輯，增加相應(yīng)的自動控制功能，滿足遠程操控下的自動運行功能。

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，實現(xiàn)以邊緣計算節(jié)點（從整個運營商網(wǎng)絡(luò)看，一個MEC 處理器是一個邊緣計算節(jié)點）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），適當布置基站構(gòu)成整個網(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)無需進入運營商核心網(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，進一步降低網(wǎng)絡(luò)時延，同時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，裝上運營商5G 流量卡接入5G 基站，通過MEC 進行私網(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，證明網(wǎng)絡(luò)已實現(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)實現(xiàn)跨網(wǎng)段直接通信，上位機不能找到PLC。如何解決PLC 與上位機間跨網(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，也是當前很常見的VPN（Virtual Private Network）技術(shù)。隧道技術(shù)有多種實現(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 在兩個遠程網(wǎng)絡(luò)之間模擬出直連鏈路，從而使網(wǎng)絡(luò)間達到直連的效果。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)中找到起點和終點，所以隧道的源和終點分別都以公網(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)進行監(jiān)控，同時對工作區(qū)域內(nèi)的車輛、人員進行安全監(jiān)控，達到安全生產(chǎn)的目的。監(jiān)控系統(tǒng)采用400萬像素網(wǎng)絡(luò)高清星光球機和400萬像素及以上數(shù)字網(wǎng)絡(luò)紅外高清攝像機，夜視效果好、圖像清晰，紅外高清球機采用可隨意調(diào)整攝像頭的方向和監(jiān)視不同遠近的物體[5]。所有機上攝像頭信號通過網(wǎng)線或光纖的形式進入交換機，無線網(wǎng)絡(luò)形式將信號傳送至轉(zhuǎn)運站上的接收端無線網(wǎng)橋，無線網(wǎng)橋?qū)o線信號轉(zhuǎn)換成光纖信號進入中控室交換機，中控室交換機一路接入硬盤錄像機進行數(shù)據(jù)存儲，一路進入視頻服務(wù)進行在線監(jiān)控[6]。

1.4 控制中心遠程控制系統(tǒng)

控制中心遠程控制系統(tǒng)包括實時視頻監(jiān)控系統(tǒng)、遠程控制操作臺及遠程控制服務(wù)器等設(shè)備，程控駕駛員結(jié)合現(xiàn)場視頻系統(tǒng)，利用遠程控制系統(tǒng)實現(xiàn)了模擬就地駕駛模式的真實場景還原功能，同時通過遠程控制系統(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)計方案

2.1 懸臂防撞

傳統(tǒng)斗輪機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，修復前無法繼續(xù)發(fā)揮保護作用。采用非接觸式懸臂防撞系統(tǒng)防撞系統(tǒng)動作后可以自動復位，避免系統(tǒng)繁雜的修復工作。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。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)備工作時設(shè)備本體和物料之間的距離，料位檢測系統(tǒng)采用雷達料位計，抗污防塵效果好。當料堆高度接近出料位置定時，斗輪機自動抬起高度繼續(xù)堆料或者回轉(zhuǎn)一定角度繼續(xù)堆料。雷達料位計安裝在懸臂前端，朝下檢測下部料堆高度并參與堆料運算，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)最終目的是實現(xiàn)設(shè)備的智能化控制，對運行設(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。需要定位機構(gòu)主要有行走機構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、俯仰機構(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，從而達到精準定位。

絕對值編碼器：大車行走、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、俯仰機構(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，實時檢測變幅角度變化并將采集到的數(shù)據(jù)傳入PLC 進行處理，方便中控室對堆取料機運行情況進行控制和觀察。大車行走機構(gòu)采用兩套絕對值編碼器，安裝在行走機構(gòu)的左右側(cè)從動輪上。

射頻識別系統(tǒng)定位：在堆取料機行走中，由于料場長度較長、距離遠，行走輪易存在打滑、啃軌等情況易形成編碼器累計誤差，故需要對編碼器進行校準。射頻定位系統(tǒng)分為讀寫器和標簽兩部分，通過讀寫器識別標簽里面的數(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

斗輪堆取料機遠程控制系統(tǒng)利用了5G 網(wǎng)絡(luò)無線技術(shù)，將斗輪堆取料機的操作數(shù)字化，解放操作人員的雙手，不用再時刻將手附在操作柄上，同時還改善了操作人員的工作環(huán)境，將工作地點從原來的司機室遷移到了集控室。通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)將操作人員的視角擴大，全方位監(jiān)控斗輪堆取料機，便于操作人員實時及時地發(fā)現(xiàn)監(jiān)管斗輪堆取料機的狀態(tài)。同時將斗輪堆取料機的工藝流程系統(tǒng)化，使用遠程自動系統(tǒng)存煤，煤堆平整、形狀美觀，為盤煤系統(tǒng)做好準備工作，使用自動系統(tǒng)取煤可實現(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)省了實體電纜也規(guī)避了電纜長時間使用老化磨損的問題。

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