煤矿智能分布式无线通信技术的应用与研究

谢国正

(陕西黄陵二号煤矿有限公司,陕西 延安 727307)

0 引言

中国能源赋存特点是“贫油、富煤、少气”,导致以煤为主的能源结构在今后相当长的时间内难以改变。煤炭发电占据国家年总发电量的60%以上,同时也是建材、化工、钢铁等产业重要的燃料和原料,煤炭供应的稳定和安全直接影响国民经济发展的健康与稳定。预计到2030年中国煤炭消费量占一次能源消费总量的比例保持在50%左右,至2050年约占40%。国家对煤炭的需求量居高不下,煤炭生产还必须符合新时代可持续性、绿色、智能、安全的高质量发展。

目前,数字化、智能化已经成为智慧矿山建设的重要目标和发展方向[1]。通信技术又是智慧矿山建设的关键基础技术之一,煤矿井下通信主要以有线通信为主,无线通信为辅。因为在井下的采煤区、掘进区作业环境复杂的原因,采取有线的方式施工和维护非常有难度,并且在狭长的巷道里,有线的接入点数量受到很大限制,无法做到全面的通信。通信线缆在采煤工作面、掘进工作面等位置均为星形连接,一旦灾害发生导致线缆损坏,通信就会中断。区别于有线通信系统的限制,无线的传输方式非常适合矿井下通信,无线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通信及无线以太网(WLAN)通信系统等[2-4]。

1 研究目标

随着生产效率、经营质量要求的不断提高,智能化、少人化、无人化的信息化建设变得具有复杂性和多样性,管理层需要更加及时地了解和掌握设备工作情况、人员工作状况、环境状况、信息交互等多种场景下的复杂综合信息[5]。因此,对于无线通信网络的要求,尤其是在信号有效覆盖范围、网络建设周期、建设维护成本及复杂环境等方面有着严格要求,具体设计思路如下。

改造现有的通信模式,增设工业级隔爆兼本安型千兆交换机,并必须实现工业级WiFi信号覆盖,解决了传统交换机(网口)提供流量带宽不足的问题[6]。在此基础上,可提升矿用隔爆型高清摄像头的传输流畅性,提高画质,同时也可以连接矿用本安型手机。

通过工业无线分布式专网通信交换机部署在采煤机上,采煤机数据可通过分流或备用传输模式。采煤机系统可判断优先通过无线网络系统进行传输,同时线缆可作为备用途径加深数据安全性,保障数据可靠稳定性[7-8]。

为了深化网络可用性,充分发挥工业无线分布式专网通信交换机的特性,构建一套综采工作面环路网络,以确保个别设备的中断运行不会影响总体系统运作。

接入标准化工业级WiFi交换机,提供井下工作面的WiFi服务,是隔爆兼本安型智能手机一个重要基础连接通道、新语音通道,使得井上、井下可以进行实时沟通与交流。

解决工作面监控视频不够清晰流畅、卡顿现象。首先,由于摄像头数量多达80台,其出现卡顿现象原因在百兆交换机,普通标清所需流量带宽平均值为1.5 Mbps,总需流量带宽为105～120 Mbps。因此出现不清晰及卡顿现象很正常;其次,摄像头部署的平均位置与汇聚交换机位置都不在一个液压支架上,网线部署势必在液压支架上交叉串联,这样在采煤机工作中,液压支架的移动将不可避免地使摄像头的网线磨损,导致网线割断或水晶头松脱,卡顿现象就会出现[9]。

2 技术设计方案

2.1 无线组网方式

2.1.1 点对点无线传输方式

点对点被定义为“透明”网络,因为它的活动对网络主机是透明的。换言之,点对点根据“转发”将分组从一个网段转发到另一个网段,该“转发”是通过从对传入流量的分析中学习网络拓扑而建立的。在此配置中,点对点和网络主机之间不会发生显式交互。连接到点对点两侧的2个网段将共享相同的IP寻址类。因此,每个网络主机必须使用唯一的IP地址,即不允许2个设备共享同一IP地址。

2.1.2 手拉手线性无线传输方式

手拉手线性搭建方式源自于点对点模式。此模式适合应用在深入隧道(跨山区边境、隧道公路、井下煤矿等)直线应用。由于有线网络在动态模式工作环境中出现断网频率高,系统应用出现断网而导致经济损失。因此提供手拉手线性架构以解决此类应用场景。

2.1.3 固定-移动无线传输方式

移动微基站通过微基站(Ⅰ)进行数据传输,同时,移动微基站搜寻下个微基站的信号源。搜索的信号源通过深度学习计算,判断在最佳信号值自行切换。由于移动微基站在与微基站(Ⅰ)建立通信传输时,链路质量会因为移动微基站的移动而改变,因此,通过持续搜索信号源进行计算对比机制,可保障切换0数据掉包概率,最终保障数据的可靠与安全。

当移动微基站成功切换后(传输微基站(Ⅱ)),移动微基站继续做同样的工作,即发送传输的同时搜索信号源,进行计算对比,判断下个切换点(依此类推),保障通信质量的品质,完成高关键系统应用任务。

2.1.4 点对多点无线传输方式

分布式技术优化了点对多点架构的功能和能力,提供具有Profinet协议的PLC控制应用以满足安全和工业自动化行业中系统集成商的需求。分布式技术基于集中式媒体访问控制(MAC)协议,允许客户创建点对多点网络。该技术的调频单元可以用于使用扇形天线或具有多个定向天线的天线分配器以确保信号达到覆盖效果。

2.1.5 动态式移动无线传输方式

当所有微基站配置在全动态移动频率时,都需转换微基站模式至移动微基站模式。与固定-移动通信模式不同的是,此网络架构会因为移动微基站的变化而改变。由于运作环节变化频率大,系统需具备快速及智能学习计算能力技术才可应对动态式网络架构应用场景,保障可靠通信能力。此模式通常应用在相对小范围如矿业运输、单兵队伍、战术车队等超特殊场景。

2.1.6 分布式无线传输方式

MPLS网络技术的发展带给无线传输专网网络解决方案的基础创新的介质网络架构,不同于传统的无线技术解决方案,该架构在可靠性和灵活性的术语上具有不匹配的优势。用MPLS技术为您提供具有高度网络灵活配置的优势。在一个分布式无线专网中,每个调频单元发送数据包从设备直接连接到该设备,并作为一台智能路由器设备,深度计算出灵活多变但高度可靠的路径出口。

在一个冗余和可靠的分布式专网中,数据包的每一条数据流都有多个可用路径到达基站(出口点),并且网络在任何时间点沿着最佳路径前进,不会出现单一节点的设备故障导致网络中断(去中心化),这是其他无线技术无法达到的。

2.2 网络设计框图

技术上采用的是分布式无线通信方式,其总体框架如图1所示。

无线Mesh网络(WMN,Wireless Mesh Network,又称无线网状网、无线网格网等)和无线传感器网络一样,也是一种应用性的网络技术,由对等网络(Ad hoc)发展而来,是一个动态的可以不断扩展的网络架构,任意的2个设备均可以保持无线互联。

Vo-WLAN技术是基于WLAN(无线局域网)的语音通信技术。Vo-WLAN可以利用现有的WLAN网络实现无线的VoIP通话能力,井上和井下人员通过Vo-WLAN可随时语音通信。Vo-WLAN系统的数据流如下:通过接入点AP(Access Point)把语音信号传输到VoIP网关,该网关可以是原来的有线VoIP网关,这样语音数据在IP网络和PBX(交换机)之间传输,实现数据通信与语音通信的高效结合。

基于井下无线Mesh网络和Vo-WLAN技术系统设计的组成,分为骨干通信层、信号覆盖层及终端通信层,分层实现其功能。按照分层组网,预计可达到99.9%的网络可用性及可靠性,高达866 Mbps速率、时延最大为50毫秒。基于工业无线分布式专网交换机传输技术的特性,每个设备节点都具备提供入网接口的能力。比如部署WiFi服务,提供带有WiFi通信模块的防爆手机入网使用,搭建井下与地面的通信连接通道,实现远程监督、远程调试、远程监管、实时沟通等一系列智能手段[10-11]。

安装在液压支架上的摄像仪可通过工业无线分布式专网骨干通信层设备,将图像传回到工作面控制中心,继而连接到矿场内部的核心环网。信号覆盖层的设备,其功能主要是确保通信信号无缝覆盖到采煤机工作轨迹,再借由安装在采煤机机身上的终端通信层设备自行依据最佳信号及最大带宽条件实现信号传输。

3 现场实施方案

陕西黄陵二号煤矿211综采工作面网络架构部署示意图如图2所示。

3.1 液压支架无线设备布置方案

液压支架的无线信号设备布置效果如图3所示。部署在液压支架上的工业无线分布式通信交换机设备(信号覆盖给采煤机)之间通过TCP/IP协议串联。摄像头与隔爆兼本安型千兆交换机连接,汇入井下万兆以太环网的主干网中,保证工作的80路视频稳定传输,并具有网络管理和视频流量的管理能力。本安型手机和带有WiFi通信模块的智能终端提供WiFi通信服务,并预留接口可以接入人员定位、语音通信、数据获取与更新等功能。

图3 液压支架无线设备施工案例

3.2 采煤机无线设备布置方案

采煤机的无线信号设备布置效果如图4所示。工业无线分布式专网通信交换机安装在采煤机机身中间段,此处是唯一可部署空间位置,工业无线分布式专网通信交换机通过RJ45网线与采煤机上的PLC连接通信,PLC需将协议转换至标准TCP/IP协议。工业无线分布式专网通信交换机再提供可选Profinet协议的插件,进而实现对PLC控制的应用,满足安全和工业自动化行业中系统集成商的需求[12]。

图4 采煤机上无线设备施工案例

3.3 巷道内无线设备布置方案

针对工业级隔爆兼本安型无线交换机具有WiFi覆盖功能,在综采工作面提供的视频与WiFi服务,构建一条工业无线分布式专网通信交换机传输通道,避免巷道转载机因为支架的移动导致线缆出现通信稳定性的问题。工业无线分布式专网通信交换机延续通过转载机、超前支架以及与设备列车构建无线通信基础,建立井下远程监控中心,采煤机远程监控箱和顺槽集控系统。

3.4 无线设备供电要求

采煤机机身的无线设备供电及通信。采煤机腔体内部要引一路电源(127 V或220 V)给无线设备供电。采煤机腔体内部引出8芯线到无线设备上实现无线设备和采煤机机身PLC通讯。液压支架无线设备在电液控制电源上通过三通接线盒,分一路给无线设备供电,或采取照明的电源,通过三通接线器,为无线电设备供电(电压为井下通用的127 V直流电)。

3.5 设备工程安装要求

无线设备安装在液压支架附属的衬板上,安装使用不锈钢螺丝加弹性垫片。天线系统安装在液压支架顶板部,平行于现有的视频监控设备。馈线将按现有的线路路径部署。馈线长度范围在2～10 m之间。采煤机机身上装一台隔爆兼本安型工业无线分布式专网通信交换机。采煤机与机身无线交换机通信采用标准工业以太网RJ45接口。

4 结语

分布式无线Mesh通信系统网络建设对采煤机打通PLC链接、实现远程操控、实时监测设备运行状况,构建大数据存储基础提供了网络应用平台。通过虚拟可视化以推进综合井下工作面的智能化进程,对早日实现无人化井下采煤,具有很高的应用和推广价值。