蘇良碧

（平朔煤炭工業(yè)公司 井工設(shè)備維修中心，山西 朔州 036002）

露天礦采剝機械電修工實操比賽監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

蘇良碧

（平朔煤炭工業(yè)公司 井工設(shè)備維修中心，山西 朔州 036002）

系統(tǒng)以西門子WINCC組態(tài)軟件為基礎(chǔ)，使用RemoDAQ-8000系列數(shù)據(jù)采集模塊對730E電動輪卡車直流調(diào)速控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集，通過對所采集數(shù)據(jù)進行分析來準(zhǔn)確判斷參賽選手的比賽進程。所采集的數(shù)據(jù)在上位機組態(tài)界面中動態(tài)顯示，從而增加了比賽的公平性、公正性和公開性。

電修工實操比賽；WINCC組態(tài)軟件；RemoDAQ數(shù)據(jù)采集模塊；730E電動輪卡車

0 引言

自動化考試檢測系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，但是各種技能競賽實操比賽還以裁判員現(xiàn)場監(jiān)考打分為主，浪費了大量的人力物力資源同時影響了競賽的公平性、公開性與公正性[1]。針對這一問題，以“中煤平朔杯”第三屆全國煤炭行業(yè)職業(yè)技能競賽露天采剝機械電修工實操比賽為基礎(chǔ)，使用西門子WINCC組態(tài)軟件技術(shù)開發(fā)了1套技能競賽實操比賽實時狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，在730E電動輪卡車電氣系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)得到準(zhǔn)確采集的前提下，精確判斷實操比賽進程及參賽選手操作結(jié)果，從而為實操比賽狀態(tài)監(jiān)測提供了一種實時性、實用性強的解決方案。

1 監(jiān)測系統(tǒng)整體設(shè)計方案

1.1 實操比賽流程

“中煤平朔杯”第3屆全國煤炭行業(yè)職業(yè)技能競賽露天采剝機械電修工實操比賽內(nèi)容以小松730E礦用卡車電氣系統(tǒng)故障診斷與維修為主，該設(shè)備發(fā)動機型號為K2000E（2000HP），主電機型號為GTA-22，電動輪型號為GE788，采用STATEXIII型控制系統(tǒng)。

本次電修工實操考察的內(nèi)容主要包括：①安全操作（安全掛牌、車輪打掩）；②PTU連接（參數(shù)修改、數(shù)據(jù)保存）；③靜態(tài)故障診斷與處理（水溫、水壓、油壓、曲軸箱壓力傳感器故障）；④啟動故障診斷與處理；⑤勵磁故障診斷與處理；⑥發(fā)動機馬力故障診斷與處理。

1.2 監(jiān)測系統(tǒng)功能分析

730E電動輪卡車采用直流電氣驅(qū)動控制系統(tǒng)，康明斯柴油發(fā)動機帶動交流發(fā)電機旋轉(zhuǎn)，所產(chǎn)生的三相高壓交流電被整流成直流電供給電動輪。STATEXIII控制系統(tǒng)對操作員發(fā)出的電氣信號和本系統(tǒng)內(nèi)各種裝置所產(chǎn)生的反饋信號作出響應(yīng)，這些反饋信號監(jiān)控著各種控制設(shè)備和驅(qū)動設(shè)備的電壓、電流、速度等參數(shù)[2]。

電修工實操比賽以考察參賽選手對730E電動輪卡車直流調(diào)速控制系統(tǒng)故障診斷與排查能力為主，設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)在保證電控系統(tǒng)數(shù)據(jù)及時、準(zhǔn)確采集的基礎(chǔ)上，通過對730E礦用卡車掛牌打掩信號、傳感器信號、啟動繼電器信號、發(fā)電機勵磁電流信號、發(fā)動機電壓和電流信號的實時數(shù)據(jù)進行評判，準(zhǔn)確判斷實操比賽進程及參賽選手完成情況，同時通過網(wǎng)絡(luò)攝像機對參賽選手的操作過程進行實時視頻監(jiān)控，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 實操比賽實時狀態(tài)監(jiān)測系結(jié)構(gòu)

2 實操比賽監(jiān)測系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計

2.1 實時數(shù)據(jù)采集

硬件系統(tǒng)由集智達RemoDAQ-8000系列數(shù)據(jù)采集與控制模塊所組成，各模塊之間通過RS485接口進行通訊，該系列模塊支持MODBUS/RTU通訊協(xié)議[3]。比賽過程中所需采集的開關(guān)量信號包括車輪打掩信號與掛牌信號，通過限位開關(guān)與紅外線接近開關(guān)將其轉(zhuǎn)換為電信號，然后采用16路非隔離型數(shù)字輸入模塊RemoDAQ-8053對其進行進行采集。730E電動輪卡車實時數(shù)據(jù)從電氣柜模擬輸入輸出卡件上采集，數(shù)據(jù)多數(shù)為0～10 V的線性或非線性電壓信號，采用16路模擬量輸入模塊RemoDAQ-8561對其進行采集。RemoDAQ-8561模塊將RS485接口轉(zhuǎn)換為USB接口，用于上位機與各數(shù)據(jù)采集模塊之間的數(shù)據(jù)通信。

2.2 視頻信號采集

為了確保裁判員在監(jiān)視過程畫面的同時也可以觀測到現(xiàn)場比賽選手的實時操作情況，因此將攝像頭的實時畫面直接嵌入到WINCC運行系統(tǒng)當(dāng)中。裁判員既可以對現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行實時監(jiān)測，又可以直接觀測到攝像頭所拍攝的比賽選手操作畫面信息?，F(xiàn)場視頻信號使用網(wǎng)絡(luò)攝像頭進行采集，分別對駕駛室、電氣柜、發(fā)動機等部位進行監(jiān)測。視頻信號通過無線路由器與上位機進行傳輸，在WINCC軟件中通過WebBrowser Control控件進行顯示。

2.3 WINCC程序設(shè)計流程

本系統(tǒng)的上位機監(jiān)測系統(tǒng)采用西門子公司生產(chǎn)的WINCC軟件編制而成。WINCC能為工業(yè)領(lǐng)域提供完備的監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集（SCADA）功能，涵蓋單用戶系統(tǒng)到支持冗余服務(wù)器和遠程Web服務(wù)器解決方案的多用戶系統(tǒng)，具有開放型全圖形化人機操作界面，組態(tài)方便，功能強大，操作簡單[4]。

2.3.1 數(shù)據(jù)處理

一進校園，編輯就被小路兩旁的國防展板所吸引，有“狼牙山五壯士”“抗日小英雄張嘎”“特級戰(zhàn)斗英雄黃繼光”等抗日英雄小故事，正是課間時間，孩子們追逐玩耍著，三三兩兩的孩子在展板前駐足凝視，稚嫩的眼神中閃爍著神圣的光芒……“這是為國防教育專設(shè)的宣傳欄，每學(xué)期更換一次，校園中處處有國防人物的展板，目的是讓孩子們在潛移默化中得到紅色教育的熏陶。”趙天明校長為編輯介紹到。

RemoDAQ-8000系列數(shù)據(jù)采集與控制模塊采用MODBUS/RTU協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，而WINCC監(jiān)測軟件并不支持MODBUS/RTU協(xié)議，上位機首先需要將模塊MODBUS/RTU協(xié)議轉(zhuǎn)換為OPC協(xié)議，然后與WINCC軟件進行數(shù)據(jù)通訊[5]。

系統(tǒng)所采集的模擬量信號主要分為線性變量信號和非線性變量信號。發(fā)電機電壓、電動機電流、發(fā)電機勵磁電流、電動機勵磁電流為線性信號，其值與模擬量采集模塊輸入電壓為線性關(guān)系，例如，在0～8 V電壓范圍內(nèi)對應(yīng)的發(fā)電機電壓（0～1 600 V）為：

式中：U為模塊所采集電壓信號對應(yīng)的發(fā)電機電壓，V；Umax、Umin為模塊所采集電壓信號最大值與最小值，V；U′max、U′min為模塊所采集電壓信號對應(yīng)發(fā)電機電壓的最大值與最小值，V；D為所采集電壓信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)值。

冷卻劑溫度、冷卻劑壓力、油壓、曲軸箱壓力、發(fā)動機轉(zhuǎn)速為非線性電壓信號，需要對其進行分段線性化近似處理，冷卻劑溫度信號特性如圖2所示，例如，在U1～U2電壓范圍內(nèi)對應(yīng)的冷卻劑溫度值為：

式中：T為模塊所采集電壓信號對應(yīng)的冷卻劑溫度值，℃；U1、U2為模塊所采集電壓信號，V；T1、T2為模塊所采集電壓信號對應(yīng)的冷卻劑溫度值，℃；D為所采集電壓信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)化后的數(shù)值。

2.3.2 程序設(shè)計流程

本次全國露天采剝機械電修工實操比賽總共分為5個步驟，比賽前裁判員在730E電動輪卡車電氣系統(tǒng)上預(yù)置故障，比賽開始后參賽選手開始排查故障，此時實時數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)不斷對所維修設(shè)備電氣系統(tǒng)某些參數(shù)進行監(jiān)測，當(dāng)這些參數(shù)滿足一定條件（正常狀況）后，即認(rèn)為參賽選手完成該比賽步驟，程序設(shè)計流程如圖3所示。

圖2 冷卻劑溫度信號特性

圖3 程序流程圖

2）靜態(tài)故障處理。本步驟主要考察參賽選手對冷卻液溫度傳感器、冷卻液壓力傳感器、機油壓力傳感器、曲軸箱壓力傳感器故障排查的能力。當(dāng)各個傳感器的電壓在正常范圍0.2～4.8 V時，系統(tǒng)自動進入下一步驟[6]。

3）發(fā)動機啟動故障處理。該步驟主要考察參賽選手對發(fā)動機啟動回路故障排查的能力。當(dāng)系統(tǒng)檢測到發(fā)動機啟動信號“START”大于3 V時，發(fā)動機啟動故障排除，系統(tǒng)自動進入下一步驟。

4）勵磁故障處理。該步驟主要考察參賽選手對勵磁回路故障排查的能力。當(dāng)系統(tǒng)檢測到發(fā)電機勵磁電流信號“ALTFAMPS”大于80 A時，勵磁回路故障排除，系統(tǒng)自動進入下一步驟。

5）發(fā)動機低功率故障。該步驟主要考察參賽選手對低功率故障排查的能力。系統(tǒng)根據(jù)檢測到的發(fā)電機電壓信號“AOUTVOLTS”和電動機電流信號“M1AMPS”計算出電動機功率值，當(dāng)系統(tǒng)檢測到發(fā)動機功率〉1 193.6 kW時，發(fā)動機低功率故障排除[7]，至此，參賽選手完成所有比賽步驟，比賽結(jié)束。

2.3.3 上位機界面設(shè)計

上位機界面主要由3部分組成：固定參數(shù)欄、相關(guān)參數(shù)欄和比賽狀態(tài)欄。

1）固定參數(shù)欄：主要包括發(fā)動機轉(zhuǎn)速表、掛牌打掩狀態(tài)顯示和PTU實時數(shù)據(jù)表。這些參數(shù)在比賽過程中多數(shù)步驟中使用到，因此在各個組態(tài)畫面中是固定顯示的。

2）相關(guān)參數(shù)欄：主要顯示與該比賽步驟相關(guān)的狀態(tài)參數(shù)，不同的組態(tài)畫面顯示不同的參數(shù)。比如靜態(tài)故障處理畫面的相關(guān)參數(shù)欄顯示與該步驟相關(guān)的機油壓力表、冷卻劑溫度表、冷卻劑壓力表和曲軸箱壓力表[8]。

3）比賽狀態(tài)欄：主要顯示車號、選手編號、倒計時和比賽進程。

3 結(jié)語

根據(jù)“中煤平朔杯”全國煤炭行業(yè)露天采剝機械電修工實操比賽的需求，以WINCC組態(tài)軟件技術(shù)為基礎(chǔ)，通過RemoDAQ-8000數(shù)據(jù)采集與控制模塊實現(xiàn)了實時數(shù)據(jù)采集，最終將實操比賽的進程及相關(guān)數(shù)據(jù)在上位機中動態(tài)顯示。該系統(tǒng)在全國技能競賽實操比賽中運行穩(wěn)定可靠，實時數(shù)據(jù)得到了精確的采集，準(zhǔn)確判斷了參賽選手的完成情況及比賽進程，取得了較好的應(yīng)用效果，這在全國煤炭行業(yè)技能競賽中尚屬首次。由于自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的優(yōu)勢，該系統(tǒng)性價比較高，便于在其他技能競賽中推廣使用。

［1］ 譚政，徐建閩，任保利，等.長途駕駛考試監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計［J］.計算機工程，2012，38（9）：22-35.

［2］ 王斌.730E卡車電動輪故障分析及應(yīng)對措施［J］.露天采礦技術(shù)，2013（3）：69-72.

［3］ 宋濤.RemoDAQ-8000模塊在空氣壓縮機系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.煤礦機電，2011（4）：119-120.

［4］ 郭炳鰲，電工培訓(xùn)與智能化考核系統(tǒng)［D］.成都：電子科技大學(xué)，2008.

［5］ 張道想，朱衛(wèi)東.網(wǎng)絡(luò)在線考試監(jiān)控系統(tǒng)的分析與設(shè)計［J］.電腦知識與技術(shù)，2007（1）：95-96.

［6］ 李振林.傳感器技術(shù)在礦用卡車的應(yīng)用［J］.露天采礦技術(shù)，2012（6）：68-72.

［7］ 屈有斌.730E卡車無牽引故障電氣原因分析［J］.露天采礦技術(shù)，2016，31（3）：64-66.

［8］ 彭志召，張雨，劉義樂，等.基于LabWindows/CVI的礦用卡車實時狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā).礦山機械，2010，38（17）：41-42.

【責(zé)任編輯：陳 毓】

Design of monitoring system in mining and stripping machine electric maintenance competition in open-pit mine

SU Liangbi
(Underground Equipment Maintenance Center,Pingshuo Coal Industry Company,Shuozhou 036002,China)

This system is based on the SIEMENS WINCC configuration software,and acquires 730E electric wheel truck DC speed control system data through the RemoDAQ-8000 series data acquisition module,and judges the competition process accurately through analyzing data.The collected data is dynamically displayed in the monitor computer to increases the fairness,impartiality and openness of the competition.

electric maintenance competition;WINCC configuration software;RemoDAQ series data acquisition module;730E electric wheel truck

TD672

B

1671－9816（2017）04－0047－04

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.04.014

蘇良碧.露天礦采剝機械電修工實操比賽監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（4）：47-49.

2016-11-08

蘇良碧（1985—），山西朔州人，工程師，碩士，畢業(yè)于內(nèi)蒙古大學(xué)控制工程專業(yè)，從事煤礦機械機電系統(tǒng)維修與升級改造工作。