諶曉歡

（江西銅業(yè)股份有限公司永平銅礦，江西 上饒 334000）

1 引言

多中段溜井作為金屬礦山主要礦石運輸系統(tǒng)，對金屬礦山意義較大。為了避免溜井格篩堵塞，會在溜井旁設置固定式液壓破碎錘，對堵塞格篩的大塊礦石進行扒移破碎，所以固定式液壓破碎錘可以看作溜井的守護者。

目前，永平銅礦井下有3臺破碎錘，均采用本地人工操控作業(yè)方式，這種作業(yè)方式本身存在破碎飛石、倒礦粉塵等職業(yè)健康與安全的風險隱患。隨著開采深度的不斷增加，井下硐室如高溫、高濕等惡劣環(huán)境問題給破碎錘本地作業(yè)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。與此同時，隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和居民生活水平的提升，“以人為本”的意識和理念逐漸增強，井下作業(yè)人員招工難的問題日益凸顯，所以改變破碎錘操控作業(yè)方式是一個亟待解決的問題[1］。

5G技術的出現(xiàn)，以其大帶寬、低時延、廣連接特性，為礦山生產(chǎn)過程中的核心瓶頸問題提供了新的解決思路，同時5G技術還帶動了人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算等技術發(fā)展，為礦山行業(yè)升級發(fā)展提供了支撐[2］。基于5G網(wǎng)絡下的井下破碎錘遠程控制，便是永平銅礦對于“礦山5G+”新技術的探索與嘗試。

2 概述

破碎錘遠程控制是指通過地表控制臺對井下破碎錘進行操控作業(yè)，是自動化技術的一個分支，早在本世紀初便開始應用。但由于當時礦山網(wǎng)絡通信技術落后，網(wǎng)絡通信速度以及硬件等方面都無法支撐破碎錘遠程控制技術得到大規(guī)模的推廣與使用。如今，隨著5G技術、人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等新一代信息技術的進步，促進了井下破碎錘遠程控制的發(fā)展與應用。[1］

5G為新一代蜂窩移動通信技術(ITU IMT-2020規(guī)范要求速度高達20Gbit/s)，可實現(xiàn)寬信道帶寬和大容量MIMOL。[3］5G相較于4G，具有大帶寬(eMBB)、低時延(uRLLC)、廣連接(mMTC)等特點，傳輸速率提升10～100倍，峰值傳輸速率達到10 Gbps，端到端時延達到毫秒級，連接設備密度增加100倍，流量密度提升100倍，頻譜效率提升3～5倍，能夠在500 km/h的速度下保證用戶體驗[4］。5G與4G關鍵技術指標對比見表1[5］。

表1 5G與4G關鍵技術指標對比

受作業(yè)方式的影響，井下普遍部署的工業(yè)環(huán)網(wǎng)（有線）并不適用于所有的場景，特別是爆破、采掘、運輸?shù)认到y(tǒng)，都需要無線通信，要求網(wǎng)絡部署更靈活、帶寬滿足高清視頻類信號傳輸、時延可靠有保障。傳統(tǒng)的無線通信技術如近距離無線、WiFi、4G都存在著傳輸距離短、易受干擾、時延大、切換體驗不佳、上行帶寬不夠等問題， 5G則為礦山提供了一種可實現(xiàn)靈活部署、更大帶寬、更低時延、更加穩(wěn)定可靠的通信技術[6］，使物與物間關聯(lián)變得更為方便，加速了礦山物聯(lián)網(wǎng)應用層面的搭建。此次永平銅礦井下5G網(wǎng)絡搭建是對井下5G網(wǎng)絡實地應用的嘗試與探索，選取-150m中段破碎錘作業(yè)硐室為初步應用地，基于5G網(wǎng)絡實現(xiàn)破碎錘的遠程控制。通過實驗探索與總結優(yōu)化，實現(xiàn)5G網(wǎng)絡下破碎錘遠程控制在永平銅礦的進一步推廣應用。

3 系統(tǒng)建設介紹

破碎錘遠程控制有成熟的硬件和軟件支持，可直接引進應用。本次永平銅礦采用的是“一控一”遠程控制系統(tǒng)。系統(tǒng)允許遠程操控臺通過“點對點”方式控制井下聯(lián)網(wǎng)的液壓破碎錘，非常適用于持續(xù)作業(yè)的設備。

系統(tǒng)包括以下六個部分：地表中控柜、遠程操控臺、本地控制柜、設備液壓響應系統(tǒng)、網(wǎng)絡系統(tǒng)（5G網(wǎng)絡）、視頻系統(tǒng)。其中地表中控柜、遠程操控臺、本地控制柜、設備液壓響應系統(tǒng)都是模塊化產(chǎn)品，直接安裝接線即可使用，而網(wǎng)絡系統(tǒng)和視頻系統(tǒng)需要根據(jù)礦山實際情況進行現(xiàn)場勘察設計后進行鋪設安裝，有一定的工程難度。通過勘察設計后系統(tǒng)整體構架如圖1所示：

圖1 永平銅礦5G網(wǎng)絡下破碎錘遠程控制架構圖

無線網(wǎng)絡方案描述：

1. 5G基站接入移動SPN傳輸承載設備，通過接入、普通匯聚、骨干匯聚到核心。

2. N2接口（基站到AMF）路徑：基站—城域SPN—IP承載網(wǎng)—中國移動5GC核心網(wǎng)，端到端L3網(wǎng)絡。不同網(wǎng)絡間采用物理口字型雙連接。

3. N3接口（基站到UPF）路徑：基站—SPN（就近接入）—共享MEC（UPF），流量由MEC轉發(fā)。

4. N4&OM接口（UPF到SMF）路徑：MEC（UPF）—城域SPN—IP承載網(wǎng)—中國移動5GC核心網(wǎng)，端到端L3網(wǎng)絡，不同網(wǎng)絡間采用物理口字型雙連接。

5. N6接口（共享UPF到礦區(qū)數(shù)據(jù)中心）路徑：MEC（UPF）—通過專線網(wǎng)絡直連。

3.1 5G網(wǎng)絡建設

5G網(wǎng)絡建設分為地表網(wǎng)絡建設和井下網(wǎng)絡建設。地表5G網(wǎng)絡借助永平銅礦地表現(xiàn)有5G基站進行網(wǎng)絡設置建設，井下5G網(wǎng)絡需要重新鋪設建立。整體組網(wǎng)方案如圖2：

圖2 組網(wǎng)方案圖

采用5G SA組網(wǎng)方式滿足網(wǎng)絡需求。從目前應用對網(wǎng)絡的需求來看，上行以視頻信息采集傳輸為主，對帶寬需求大（最高可達 100Mbps）；下行以控制為主，對時延要求較高（＜50ms），部分應用（遠程駕駛、遠程操控）對可靠性要求極高（99.9%）。

3.1.1 井下5G網(wǎng)絡鋪設

為保證通信網(wǎng)絡可靠性，同時兼具后期其他設備改造升級網(wǎng)絡連接的靈活性，網(wǎng)絡架構采用5G無線網(wǎng)絡結合有線網(wǎng)絡進行主備通信連接的組網(wǎng)方式，5G無線網(wǎng)絡采用SA獨立組網(wǎng)結合MEC邊緣核心網(wǎng)的方式，確保網(wǎng)絡可靠性以及低時延。同時井下配置一條專線作為備用網(wǎng)絡，在無線網(wǎng)絡故障恢復階段保證破碎錘操控系統(tǒng)仍能正常運行。

由于永平銅礦井下隧道無現(xiàn)成站址，通過在-150m破碎坑道新建一個5G站點方式進行覆蓋，在坑道旁安裝1臺5G AAU，滿足1臺破碎錘遠程操控設備以及2臺視頻監(jiān)控的網(wǎng)絡通信需求，同時還可為設備點巡檢人員提供5G網(wǎng)絡通信。5G網(wǎng)絡現(xiàn)場設備見圖3。

表2 破碎錘遠程控制網(wǎng)絡需求

圖3 5G網(wǎng)絡現(xiàn)場設備安裝圖

3.1.2 通信系統(tǒng)網(wǎng)絡測試

為保證破碎錘遠程操控系統(tǒng)數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸，采用一路5G工業(yè)網(wǎng)關傳輸視頻監(jiān)控大流量數(shù)據(jù)，一路5G工業(yè)網(wǎng)關傳輸破碎錘遠程操控控制命令數(shù)據(jù)，通過分路分設備傳輸?shù)姆绞?，提升?shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性與可靠性。同時預留有線通信接口作為備用網(wǎng)絡，進一步提升網(wǎng)絡連接可靠性。網(wǎng)絡連接及傳輸示意圖見圖4。

圖4 網(wǎng)絡連接及傳輸示意圖

（1）5G網(wǎng)絡速率測試

經(jīng)過現(xiàn)場5G網(wǎng)絡優(yōu)化調(diào)整，現(xiàn)場平均RSRP電平值-75dB,網(wǎng)絡覆蓋良好，5G網(wǎng)絡下載速率峰值速率可達1Gb/s，平均下載速率達到800Mbps/s，能夠滿足破碎錘遠程操控所需的下載速率。下載速率見圖5，上行速率見圖6，測試數(shù)據(jù)表見表3。

表3 網(wǎng)絡測試數(shù)據(jù)表

圖5 下載速率

圖6 上行速率

（2）5G網(wǎng)絡傳輸時延測試

經(jīng)測試井下通信網(wǎng)絡端到端時延最長為115ms,最短為9ms,平均時延在29ms左右，滿足破碎錘井下遠程操控的時延要求。

3.2 破碎錘遠程控制系統(tǒng)建設

由于地表中控柜、遠程操控臺、本地控制柜、設備液壓響應系統(tǒng)都是模塊化產(chǎn)品，直接安裝接線即可使用，系統(tǒng)的視頻部分與控制部分相互獨立?？刂葡到y(tǒng)以總線控制技術（CAN-BUS）為基礎，通過遠程操控臺進行操作，形成操作信息并通過網(wǎng)絡系統(tǒng)將信息傳輸至井下本地控制系統(tǒng)。本地控制系統(tǒng)識別操作信息，得到操作指令，并通過運算輸出指令，控制液壓系統(tǒng)動作，從而實現(xiàn)液壓破碎錘的遠程操作。

硬件布置結構圖見圖7：

圖7 硬件布置結構圖

3.2.1 地表控柜搭建

地表中控在系統(tǒng)中扮演著“翻譯官”的角色，主要作用是對遠程操控臺和井下本地控制柜之間的不同傳輸協(xié)議進行轉換，使得地表和井下建立連接。中控柜為集成模塊安裝，現(xiàn)場接線即可。

3.2.2 遠程操控臺搭建

遠程操控臺是操縱指令輸入及設備狀態(tài)顯示的設備，采用兩軸比例操縱桿，配備7英寸MD3彩色顯示屏，模塊化安裝，其動作功能見圖8。

圖8 控制臺動作功能圖

3.2.3 本地控制系統(tǒng)搭建

本地控制系統(tǒng)是系統(tǒng)的“執(zhí)行者”，該系統(tǒng)將地表傳輸來的信息進行逆向解析，得到操作人員的操作指令，然后根據(jù)指令控制破碎機動作。

本地系統(tǒng)設置有“遠程/本地”控制選擇開關，可供本地控制室進行操控模式選擇，見圖9。

圖9 控制臺動作功能圖

本地控制系統(tǒng)的所有硬件系統(tǒng)同中控系統(tǒng)一樣，現(xiàn)場外部接線即可投入使用。

3.2.4 視頻系統(tǒng)

視頻系統(tǒng)由中控視頻顯示和本地攝像系統(tǒng)兩部分組成。中控視頻顯示作業(yè)現(xiàn)場的實時場景，而本地攝像則起監(jiān)控作用，包括一個云臺攝像頭和一個槍機攝像頭。槍機監(jiān)測礦運車的行駛情況，云臺攝像頭調(diào)到作業(yè)最佳視角，監(jiān)測作業(yè)。布置圖見圖10。

圖10 攝像頭布置圖

4 系統(tǒng)連網(wǎng)測試

對破碎錘遠程控制系統(tǒng)的5G工業(yè)網(wǎng)關進行設置，接入已經(jīng)鋪設好的5G網(wǎng)絡，測試結果如圖11、圖12所示：

圖11 吞吐量測試圖

圖12 響應時間測試圖

（1）5G網(wǎng)絡吞吐量31.391Mbps/s

（2）5G響應時間為57ms

對破碎錘遠程控制系統(tǒng)進行連網(wǎng)操作，操作過程順暢，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，達到預期目標，遠程操控現(xiàn)場如圖13所示。

圖13 操控現(xiàn)場圖

5 應用分析

永平銅礦已實現(xiàn)基于5G網(wǎng)絡下的破碎錘遠程控制，該技術不僅從根本上解決了破碎錘操作人員的安全問題，而且極大地改善了操作人員的操作環(huán)境，與此同時也為下一步實現(xiàn)破碎錘的“一控多”功能打下了基礎，積累了經(jīng)驗。

在經(jīng)濟方面，永平銅礦破碎錘作業(yè)班組共6人，采取4班3運轉的方式，有兩班只有1人進行值班作業(yè)，需要同時滿足-100m，-150m中段3臺破碎錘的作業(yè)與維護工作，作業(yè)人員需在兩中段間進行移動，路程耗費時間較長，生產(chǎn)作業(yè)壓力較大。2022年計劃在-200m新增一臺破碎錘進行擴充作業(yè)，現(xiàn)有人員已無法滿足井下破碎作業(yè)的生產(chǎn)需求，經(jīng)評估需至少新增4人方能滿足作業(yè)需求。本次破碎錘遠程操控作業(yè)已改造完成，并成功運行，后續(xù)將通過復制推廣將井下4臺破碎錘全部改造成遠程操控。改造完成后，每年僅人力成本減少60多萬元。破碎機遠程控制系統(tǒng)實現(xiàn)破碎錘設備的狀態(tài)檢測和自動停機等保護措施，提高了破碎錘遠程控制的可靠性和安全性，每年可降低10%設備維護成本。

破碎錘遠程控制系統(tǒng)將操作人員由井下移至地表，在改善了員工工作環(huán)境的同時，也降低了員工的工作強度。同時，減少下井作業(yè)人員，極大地提升了礦山生產(chǎn)本質(zhì)安全。

6 結論

基于5G網(wǎng)絡下的破碎錘遠程控制在永平銅礦的成功應用，充分驗證了5G網(wǎng)絡下的破碎錘遠程控制的可行性，為進一步大范圍實施破碎錘遠程控制改造提供了工程經(jīng)驗與數(shù)據(jù)支撐。同時也對自動化水平的提升起到了很好的推動作用，為探索實現(xiàn)更多的5G網(wǎng)絡下的礦山應用打下了良好基礎。