5G通信技術在斗輪機無人值守中的應用研究

譚建軍，劉文哲，何曄，翟林波，馬晉峰

(1.中國大唐集團有限公司，北京100043；2.湖南大唐先一科技有限公司，湖南 長沙 410007；3.內蒙古大唐國際托克托發電有限責任公司，內蒙古 呼和浩特 010206)

0 引言

伴隨著移動通信技術的更新迭代，5G通信技術逐步取代4G移動通信技術，現已進入人們的日常生活，李軍[1]通過研究發現全球的移動通信網絡進行升級換代已經是必然趨勢。5G全稱為第五代移動通信技術(5th generation mobile communication technology，簡稱5G)，是最新一代蜂窩移動通信技術，具備高速率、低時延和大連接等特點。國內現有火電廠通信鏈路幾乎都采用光纖的方式，而部分火電廠采用4G、無線AP、藍牙等通信方式，在火電廠障礙物多、通信覆蓋范圍廣等場景下，上述技術傳輸速度慢、時延高、數據丟包率高，使得火電廠無線通信技術的應用受阻。

在國家“兩化”融合方針和節能減排政策驅動下，數字化電廠、智能發電、智慧電廠的建設逐漸成為電力行業發展的趨勢。俞建江[2]等研究發現通過5G通信的方式可有效實現火電廠內部設備互聯，通過5G通信實現本地數據與邏輯處理、設備的遠程監測及控制等功能，提供智慧電廠5G應用解決方案。特別是在火電廠數字化、智能化、智慧化轉型升級過程中，各種智能、智慧業務場景對數據采集、收集、傳輸的高速率、低時延和大連接的需求顯得尤為迫切。5G通信技術因為高速率、低時延和大連接的優勢，能夠彌補現有無線通信方式的不足，并且能夠滿足各種智能、智慧業務場景整合所需的數據采集、收集、傳輸條件。劉永旺[3]等研究發現5G技術在智慧能源的應用場景不斷增多。

以下探討5G通信技術在火電廠煤場斗輪機無人值守系統中的應用研究，從煤場5G布置、斗輪機通信方式設計、火電廠5G應用前景等方面進行詳細闡述，為火電企業5G通信技術應用提供實踐成果。

1 5G通信技術優勢

趙俊杰[4]等研究發現5G是智慧電廠新基建的戰略核心。5G區別于4G最基本的三個性能體現在傳輸速率更快、連接數密度更高和時延更低。相應地，5G在以下三大應用場景更具有優勢：大流量移動寬帶業務(enhance mobile broadband，eMBB)、大連接物聯網(massive machine type of communication，mMTC)、超可靠低時延通信(ultra reliable & low latency communication，uRLLC)。

1)eMBB(大流量移動寬帶業務)的主要功能是大幅提高數據速率，能夠容納更多的流量、人口密集區域和轉接路徑，有完整的覆蓋范圍。朱龍昶[5]等研究發現通過引入大規模天線、毫米波通信等技術，結合應用異構網絡，可提高系統性能，將5G用于大帶寬業務應用場景以保證數據的高效傳輸。在火電廠煤場斗輪機無人值守業務場景中，5G用于高清視頻傳輸、斗輪機AI智能作業平臺通信等。

2)mMTC：側重解決傳統移動通信無法很好地支持物聯網及垂直行業應用的問題。詹文[6]等研究發現面向mMTC的5G通信技術可使機器與機器能在無人控制的情況下，自主地進行數據交互。在火電廠煤場斗輪機無人值守業務場景中，5G用于傳感器數據采集，具體包括斗輪機安全防護的傳感器，如料位計、防碰撞雷達、超聲波雷達、接近開關、定位芯片等數據采集單元。

3)uRLLC：端到端的概念，包含了核心網、傳輸、RAN等多個方面，李晶[7]等研究發現只要對時延保障有可靠性要求的業務都屬于uRLLC業務。在火電廠煤場斗輪機無人值守業務場景中，就地與遠程斗輪機無人值守控制系統作業指令的傳輸可通過5G無線通信技術的應用保證斗輪機無人值守作業高可靠、低時延，確保斗輪機設備作業安全。

2 5G通信技術在斗輪機無人值守的 應用需求分析

2.1 數據采集及傳輸需求

劉礦平[8]等對基于5G技術的視頻監控系統進行設計研究，在視頻傳輸大帶寬需求應用場景中，根據國際電信聯盟(international telecommunication union，ITU)發布的5G通信技術關鍵指標[9](表1)，5G通信的峰值速率可達到4G通信的20倍，時延可提升數十倍。因此在火電廠斗輪機此類大型設備的無人值守智能應用場景中，采用5G通信技術可以滿足現場斗輪機設備上的傳感器數據采集和傳輸需求、現場視頻傳輸需求，確保設備運行安全。

表1 5G與4G技術的關鍵技術指標對比

2.2 斗輪機控制服務需求

孫亞偉[10]研究發現火電廠斗輪機用無線傳輸可以降低斗輪機通信成本且不受地形控制，柳曦[11]等研究發現采用光纖通信的斗輪機可能出現信號不穩定和電磁干擾等情況。相應地，在火電廠煤場斗輪機無人值守應用場景中，范軻[12]在火電廠無線技術研究應用中發現有ZigBee、Wi-Fi等短距離通信技術及4G通信技術可應用，但會出現數據傳輸速率慢、通信覆蓋面積小的問題，無法滿足火電廠煤場斗輪機無人值守所需的低時延、高可靠性要求。4G或無線AP等無線通信技術因能量效率低、流量密度低、時延高、速率低等問題，會造成斗輪機就地傳感器無法將實時采集數據發送至斗輪機AI智能作業平臺；相應地，斗輪機AI智能作業平臺也無法實時將斗輪機無人值守運行的控制指令遠程發布給斗輪機就地控制PLC。5G通信技術低至1 ms的時延可滿足火電廠斗輪機無人值守控制服務所需的實時控制服務需求。

3 5G通信技術在斗輪機無人值守系 統中的應用實踐

3.1 5G通信技術在斗輪機通信中的應用方案

張茜[13]對火電廠斗輪堆取料機智能化無人值守進行了研究，本文在其基礎上提出基于5G通信技術的斗輪機無人值守系統，具體架構如圖1所示。該系統由斗輪機AI智能作業平臺、5G網絡、斗輪機就地PLC控制系統，以及底層采集服務層組成。由圖1可知底層采集服務層采集的數據經斗輪機就地PLC匯集后通過5G網絡從現場傳輸至遠程斗輪機AI智能作業平臺。AI智能作業平臺運行計算后，將斗輪機無人值守的堆取料作業指令遠程下達，通過5G網絡直接下達至斗輪機就地PLC。其中視頻服務因占用較大帶寬，通過5G網絡切片組建視頻獨立網絡。

在斗輪機無人值守系統中，5G網絡用于現場傳感器數據的采集、視頻數據傳輸及斗輪機AI智能作業平臺控制指令的下達。相應地，為保證斗輪機無人值守的穩定運行，如圖1所示在斗輪機就地PLC處配置了5G CPE通信模塊，并且可以延伸至多臺斗輪機，做到多臺斗輪機在5G通信條件下的無人值守運行。由圖1可知斗輪機就地PLC將底層采集服務層傳感器采集的數據通過5G CPE通信模塊、5G基站傳輸至斗輪機AI智能作業平臺，遠程控制人員可通過集控室大屏觀察斗輪機設備狀態及具體的運行參數；斗輪機AI智能作業平臺根據前端采集的設備參數，如煤堆數據、斗輪機姿態、斗輪機位置、皮帶運行情況等，進行控制決策，利用5G通信技術的低時延性將斗輪機的堆取料作業指令通過5G網絡下發至斗輪機就地PLC。

圖1 基于5G通信技術的斗輪機無人值守系統網絡架構

在煤場現場通過第三方測速軟件測得5G與4G實測數據如表2和圖2所示。

其中4G平均上傳速率為P4G=(n1+n2+…+nn-1)/n，5G平均上傳速率為P5G=(n1+n2+…+nn-1)/n；式中n為測試次數。得出4G的平均上傳速率為2.3 Mbyte/s，平均下載速率2.72 Mbyte/s，5G的平均上傳速率為23.28 Mbyte/s，平均下載速率54.28 Mbyte/s。

表2 5G與4G現場測試上傳下載速率 Mbyte/s

圖2 5G與4G上傳下載速率折線圖

本項目斗輪機定位系統定位數據發送頻率為40 Hz，即40次/s，次均間隔25 ms。視頻監控在斗輪機上匯集后，通過5G CPE基站傳輸至遠程控制室硬盤錄像機。根據上述實測數據5G上傳速度為4G的10倍，5G下載速度為4G的19.9倍，在不考慮5G基礎基站擴充的情況下，同等網絡延遲情況下，5G通信速度遠遠優于4G網絡。斗輪機就地5G網絡如圖3所示。

圖3 斗輪機就地5G網絡架構

3.2 5G通信技術在斗輪機應用中的優勢

張楊[14]等研究發現5G可用于斗輪機無人值守控制系統的通信傳輸，可保證系統穩定可靠運行。楊如意[15]等研究并在火電廠實現5G網絡接入火電廠DCS控制系統，通過5G切片的方式實現了全廠無線全覆蓋、測量控制等設備的接入。其研究成果表明，5G網絡通信在切片情況下的高安全性、低時延、高帶寬、大連接等優勢已具備在火電廠底層控制系統應用前景。郝轟宇[16]等研究發現斗輪機采用無線通信方式可以大大降低斗輪機設備維護費用，為電廠提質增效、節能降耗、提升燃煤經濟性做出了突出貢獻。

1)低時延、采集時效性高

該項目斗輪機無人值守系統涉及的I/O點180余個，且開關信號較多，系統運行過程中未出現數據丟包、延時等情況；其中視頻傳輸畫面也未出現卡頓、延時等情況。結合前述5G在火電廠DCS控制系統的應用，未來5G通信技術可為火電廠更多智能智慧化數據采集、業務應用場景提供無線通信保障及網絡安全保障。

2)低投入、高回報

煤場斗輪機軌道按300 m計算，柔性光纖價格200元/m、使用周期2年，光纖材料費用6萬元，人工費1萬元，年平均費用按4萬元/年計算，10年的使用費用為40萬元。

斗輪堆取料機的卷盤電機使用2臺3 kW電機，年消費電費2×3 kW×10 h(運行小時)×330(年運行天數)×0.5元/(kW·h)=0.99萬元/臺，電纜卷筒費用15萬元，10年合計使用費40+0.99×10+15=64.9萬元，其中不包括設備故障停運、檢修帶來的損失。

斗輪機上5G設備投資費用30余萬元，功耗為1 kW，年運行費用2×1 kW×10 h(運行小時)×330(年運行天數)×0.5元/(kW·h)=0.33萬元/臺，10年合計使用費33萬元；使用5G通信10年可以節約31.9萬余元。除提升通信可靠性外，還可降低檢修工作量及減少異常網絡通信故障，經濟效益十分顯著。

相比采用柔性光纖加無線AP的通信方式，采用5G通信現場施工量非常小，且施工周期相比綜合布線施工縮短約40天，避免了大量橋架、穿管、地溝開挖等工作，5G通信投運后，也無須指派專人進行光纖巡查等工作，大幅減少了人力成本支出。

3)通信安全可靠

宋科[17]等研究發現5G通信通過中頻直接采樣的方式可解決5G通信抗干擾能力差的問題。同時通過虛擬化技術對5G網絡運營商、現場5G網絡進行了定制化切片服務，將視頻、控制、采集等進行網絡分類，各自采用獨立的網絡防止切片資源競爭以及非法攻擊。在斗輪機無人值守的核心網絡中，視頻和斗輪機無人值守運行系統配置了獨立的硬件，5G切片技術的應用為其形成了獨具特色的物理和邏輯隔離，確保斗輪機無人值守的安全運行。在其他外部燃料管理系統、SIS系統、DCS生產系統等邊緣計算節點滿足網閘、防火墻等網絡安全設備的安全要求。

4 結語

隨著數字化電廠、智能發電、智慧電廠的建設深入，5G通信技術作為現有技術條件下極具性價比的無線通信方式，以高速率、低時延和大連接的優勢，將成為未來火電廠智能、智慧建設必備的無線通信方案。在某電廠的斗輪機無人值守5G通信應用場景中，該電廠煤場(260 m×120 m)共配置了2個5G 宏站、6個5G室分，相比4G，投資費用明顯增加，但是相對整個火電廠5G全覆蓋來說，整體投資性價比較高。周琦[18]研究發現5G通信技術將朝著交互智能、萬物互聯、生活的云端化發展；宋會賢[19]已在火電廠開展基于5G的智能巡檢研究；高滿達[20]等在火電廠燃煤鍋爐運行監測中開展5G應用?？梢灶A見未來火電廠基于5G的全場景智能、智慧化應用將成為可能，覆蓋火電廠生產、運行、管理各個業務場景。