關(guān)于采礦設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究

馬永亮，王貴根，付艷龍，朱明鈞，鐘軍明，朱志興

（江西銅業(yè)集團(tuán)有限公司 城門山銅礦，江西 九江 332100）

1 引言

與國外數(shù)字化礦山相比，目前國內(nèi)礦山數(shù)字化水平并不高，礦山企業(yè)對礦山數(shù)字化的概念、意義和建設(shè)方法缺乏清晰的認(rèn)識，礦山仍普遍延用傳統(tǒng)粗放式管理，少部分礦山建成了礦山三維可視化模型，礦山智能調(diào)度系統(tǒng)，視頻監(jiān)控系統(tǒng)，邊坡監(jiān)測系統(tǒng)等，以上系統(tǒng)普遍仍停留在功能模塊的層面，缺乏統(tǒng)一的平臺，數(shù)據(jù)不能共享，功能不完整，擴(kuò)展能力有限，同時作為礦山最基礎(chǔ)最關(guān)鍵的設(shè)備采集系統(tǒng)被普遍忽視。城門山銅礦作為江銅首家智能化礦山建設(shè)試點單位，目前正穩(wěn)步推進(jìn)采礦智能化建設(shè)一期項目。而要實現(xiàn)礦產(chǎn)資源開采數(shù)字化、技術(shù)裝備智能化、生產(chǎn)過程控制可視化、信息傳輸網(wǎng)絡(luò)化、生產(chǎn)管理與決策科學(xué)化的基礎(chǔ)是可靠的自動數(shù)據(jù)采集［1]。目前礦內(nèi)在用進(jìn)口采礦鏟裝設(shè)備自帶的數(shù)據(jù)采集裝置對設(shè)備底層運(yùn)行及健康數(shù)據(jù)采集的種類少、通信實時性差、實用性差、各數(shù)據(jù)管理軟件互不兼容，因此難于實現(xiàn)采礦設(shè)備數(shù)據(jù)全面實時采集，并構(gòu)建礦內(nèi)設(shè)備實時數(shù)據(jù)共享與運(yùn)用的平臺。

與國外數(shù)字化礦山相比，目前國內(nèi)礦山數(shù)字化水平并不高，礦山企業(yè)對礦山數(shù)字化的概念、意義和建設(shè)方法缺乏清晰的認(rèn)識，礦山仍普遍延用傳統(tǒng)粗放式管理，少部分礦山建成了礦山三維可視化模型，礦山智能調(diào)度系統(tǒng)，視頻監(jiān)控系統(tǒng)，邊坡監(jiān)測系統(tǒng)等，以上系統(tǒng)普遍仍停留在功能模塊的層面，缺乏統(tǒng)一的平臺，數(shù)據(jù)不能共享，功能不完整，擴(kuò)展能力有限，同時作為礦山最基礎(chǔ)最關(guān)鍵的設(shè)備采集系統(tǒng)被普遍忽視。城門山銅礦作為江銅首家智能化礦山建設(shè)試點單位，目前正穩(wěn)步推進(jìn)采礦智能化建設(shè)一期項目。而要實現(xiàn)礦產(chǎn)資源開采數(shù)字化、技術(shù)裝備智能化、生產(chǎn)過程控制可視化、信息傳輸網(wǎng)絡(luò)化、生產(chǎn)管理與決策科學(xué)化的基礎(chǔ)是可靠的自動數(shù)據(jù)采集［1]［10]。目前礦內(nèi)在用進(jìn)口采礦鏟裝設(shè)備自帶的數(shù)據(jù)采集裝置對設(shè)備底層運(yùn)行及健康數(shù)據(jù)采集的種類少、通信實時性差、實用性差、各數(shù)據(jù)管理軟件互不兼容，因此難于實現(xiàn)采礦設(shè)備數(shù)據(jù)全面實時采集，并構(gòu)建礦內(nèi)設(shè)備實時數(shù)據(jù)共享與運(yùn)用的平臺。

2 主要的研究與試驗內(nèi)容

（1）全面梳理礦內(nèi)采礦鏟裝設(shè)備數(shù)據(jù)采集情況，選取國外進(jìn)口的鉸接式卡車、挖機(jī)作為研究與試驗對象；

（2）全面熟悉試驗對象的電氣、機(jī)械和液壓情況。電氣方面主要關(guān)注試驗對象的ECU數(shù)量、位置分布、針腳定義、控制功能、通訊技術(shù)、傳感器分布等；機(jī)械方面主要關(guān)注試驗對象關(guān)鍵部件尺寸、堵頭設(shè)置、開孔等利于加裝傳感器；液壓系統(tǒng)則關(guān)注動力傳動原理；

（3）通過使用萬用表、示波器等常用儀器測試和驗證系統(tǒng)供電、通訊方法和工作參數(shù)；

（4）在確定試驗對象通訊方案后，使用USBCAN卡、J1708接口卡等通訊適配卡接入到試驗對象通訊網(wǎng)絡(luò)嘗試捕獲通訊數(shù)據(jù)。與此同時，使用原廠專業(yè)診斷系統(tǒng)記錄下記錄車輛當(dāng)前各項實時數(shù)據(jù)，以便于后續(xù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行全面深入的對比分析，從而獲取總線數(shù)據(jù)規(guī)律及原始數(shù)據(jù)與應(yīng)用數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系；

（5）開發(fā)對應(yīng)的采集硬件與軟件系統(tǒng)，完成試驗對象作業(yè)前的常規(guī)功能測試，其中很關(guān)鍵的一步是現(xiàn)場數(shù)據(jù)模擬測試，主要包括現(xiàn)場數(shù)據(jù)的回放測試，驗證采集裝置的數(shù)據(jù)解析及數(shù)據(jù)應(yīng)答響應(yīng)；模擬ECU組網(wǎng)通訊測試，確保試驗對象在輸入模擬數(shù)據(jù)情況下可正常運(yùn)行；

（6）現(xiàn)場作業(yè)調(diào)試，跟蹤試驗對象運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)測試結(jié)果修改采集設(shè)備軟件，使其工作在正常狀態(tài)。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和配置

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由采集裝置、數(shù)據(jù)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器構(gòu)成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。采集裝置完成數(shù)據(jù)采集后打包傳輸至數(shù)據(jù)服務(wù)器，數(shù)據(jù)服務(wù)器主要完成數(shù)據(jù)的前期處理及存儲［7]，應(yīng)用服務(wù)器主要用于完成用戶應(yīng)用訪問控制、數(shù)據(jù)分析、展示等。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 采集裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)

采集裝置主要完成試驗對象數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)預(yù)處理及通訊。采集裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖見圖2，包括多級電源模塊，處理器單元，存儲單元，CAN-bus通訊［4]，J1708通訊，遠(yuǎn)程通訊，模擬量采集，開關(guān)信號輸入輸出等［5]。

3.2 采集裝置性能指標(biāo)

采集裝置采用鑄鋁外殼，防護(hù)等級IP65，對外接口共5個，其中2個SMA母頭用于連接通訊天線和GPS天線，其余3個SEMEMA-14接口用于連接外部信號和供電，采集裝置性能指標(biāo)見表1。

圖2 采集裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

主要采集的試驗對象參數(shù)，見表2。

4 系統(tǒng)工作原理

試驗對象啟動后，采集裝置開始上電運(yùn)行多任務(wù)實時操作系統(tǒng)，內(nèi)置看門狗電路，確保系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。在本研究中，采集裝置共設(shè)置4個用戶任務(wù)，分別用于數(shù)據(jù)采集（試驗對象通訊電纜數(shù)據(jù)采集和模擬量采集），GPS定位，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，看門狗與運(yùn)行狀態(tài)指示，采集裝置內(nèi)部運(yùn)行原理示意圖見圖3）。

圖3 采集裝置內(nèi)部運(yùn)行原理示意圖

采集裝置嘗試通過車載通訊電纜與設(shè)備自帶的ECU進(jìn)行通訊，獲得數(shù)據(jù)后對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。另外采集裝置可通過模擬輸入通道采集模擬量，開關(guān)量以及頻率信號。解析后的數(shù)據(jù)存到數(shù)據(jù)交換用的緩存中，另外一個任務(wù)從緩存中獲取數(shù)據(jù)信息，并通過基于LTE網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器端，從而完成一次數(shù)據(jù)采集，通訊協(xié)議使用HTTP［2]。如果傳輸失敗，系統(tǒng)將會在5s后再次嘗試與服務(wù)器通訊，如果連續(xù)10次通訊失敗，系統(tǒng)將會自動復(fù)位通訊模塊，并重新嘗試與服務(wù)器通訊，試驗對象與數(shù)據(jù)采集裝置數(shù)據(jù)傳輸線路連接［3]見圖4。

5 采集系統(tǒng)管理平臺功能

服務(wù)器在接收到采集裝置上傳的數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)進(jìn)行基本的處理后存儲到數(shù)據(jù)庫中，應(yīng)用服務(wù)器可通過數(shù)據(jù)服務(wù)器提供的API接口獲取數(shù)據(jù)服務(wù)器中的數(shù)據(jù)用于展示分析［6]。本次研究試點的采集系統(tǒng)管理平臺功能，包括設(shè)備管理、設(shè)備監(jiān)控管理兩大功能板塊。

5.1 設(shè)備管理功能板塊

設(shè)備管理功能板塊由設(shè)備臺賬管理、設(shè)備點檢管理、設(shè)備保養(yǎng)管理、設(shè)備維修管理、設(shè)備備件管理、設(shè)備定位管理功能模塊組成［8，11]。例舉設(shè)備臺賬管理、設(shè)備點檢管理展示界面見圖5、圖6。

圖4 數(shù)據(jù)采集裝置數(shù)據(jù)傳輸線路連接示意圖

5.2 設(shè)備監(jiān)控管理功能板塊

圖5 設(shè)備臺賬管理展示界面

圖6 設(shè)備點檢管理展示界面

設(shè)備監(jiān)控管理功能板塊主要由設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控及預(yù)警、報警條件設(shè)置、報警流水記錄、操作行為統(tǒng)計、準(zhǔn)時開機(jī)統(tǒng)計、歷史數(shù)據(jù)分析、報警統(tǒng)計分析和設(shè)備運(yùn)行分析功能模塊組成［9]。

例舉設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控及預(yù)警展示主界面見圖7。圖7展示了系統(tǒng)捕獲的城門山銅礦挖機(jī)故障代碼信息（機(jī)油壓力傳感器信號異常報警），通過故障代碼提示設(shè)備管理人員可在第一時間了解到設(shè)備的異常，便于及時對故障點檢修。

在系統(tǒng)運(yùn)行過程中實時監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)備一旦發(fā)生異常系統(tǒng)可以立即提示，幫助設(shè)備管理人員及時對設(shè)備進(jìn)行檢查和維修，將設(shè)備故障及時排除，提高設(shè)備的可靠性。圖8展示了部分可監(jiān)控的工程機(jī)械關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

用戶可自定義數(shù)據(jù)報警上下限，滿足用戶的個性化系統(tǒng)預(yù)警設(shè)置需求。數(shù)據(jù)預(yù)警設(shè)置頁面如圖9所示。與此同時，系統(tǒng)還提供了報警記錄瀏覽、導(dǎo)出與統(tǒng)計功能，幫助快速分析每臺設(shè)備的報警情況。

圖7 設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控及預(yù)警展示界面

圖8 設(shè)備監(jiān)測參數(shù)頁面

圖9 數(shù)據(jù)報警上下限設(shè)置頁面

圖10 歷史數(shù)據(jù)分析展示界面

圖11 設(shè)備運(yùn)行情況統(tǒng)計

設(shè)備歷史數(shù)據(jù)分析頁面如圖10所示。通過歷史數(shù)據(jù)，用戶可回查設(shè)備以往任意時間段內(nèi)的單個數(shù)據(jù)和整體趨勢，幫助設(shè)備維護(hù)人員弄清設(shè)備故障前后的運(yùn)行狀況，加快事故真正原因確定，從而有效規(guī)避同種故障的再一次發(fā)生。同時該處支持?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)計功能，可以給出選定范圍的數(shù)據(jù)最大值，最小值，平均值。在同樣的工況下同種類型的設(shè)備，同項數(shù)據(jù)偏差大的故障概率高。

系統(tǒng)通過對設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集，統(tǒng)計出設(shè)備的運(yùn)行時間、油耗、平均油耗和平均運(yùn)行時長，這些數(shù)據(jù)能直接反映設(shè)備的出勤情況及燃料消耗，用于輔助生產(chǎn)管理。

6 結(jié)論

長期以來，進(jìn)口采礦設(shè)備對設(shè)備底層數(shù)據(jù)處于封閉狀態(tài)，制造商采用收費(fèi)模式為國內(nèi)礦山企業(yè)提供服務(wù)，嚴(yán)重阻礙了智能礦山建設(shè)。通過城門山銅礦智能化礦山建設(shè)一期項目設(shè)備與工藝智能化組對采礦設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究，實現(xiàn)了設(shè)備數(shù)據(jù)的自動采集，同時解決原數(shù)據(jù)采集裝置數(shù)據(jù)種類少、通信實時性差、實用性差、各數(shù)據(jù)管理軟件互不兼容的問題，構(gòu)建了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理平臺，為采礦設(shè)備智能運(yùn)維、全壽命周期管理打下了堅實基礎(chǔ)。