郭 衛(wèi)，劉 磊，郟高祥，劉 俊

(西安科技大學 機械工程學院，陜西 西安 710054)

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展，其已經(jīng)被應(yīng)用于各行各業(yè)，運用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)智能化、無人化煤炭開采已經(jīng)成為當前的主要任務(wù)[1]。采煤機作為煤炭開采中的重要設(shè)備，因其工作環(huán)境十分惡劣，受高溫、粉塵、潮濕、煤層結(jié)構(gòu)等復雜條件影響，出現(xiàn)故障的可能性很大。因此，能夠同步監(jiān)測采煤機位置、姿態(tài)、運行參數(shù)以及遠程控制采煤機動作顯得十分重要。目前國外的采煤機監(jiān)控系統(tǒng)已較為先進[2-4]，可以對采煤機進行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷，美國JOY公司的JNA控制系統(tǒng)和德國Eickhoff公司的IPC控制系統(tǒng)最具代表性。JNA，IPC控制系統(tǒng)均以工業(yè)控制計算機為平臺，能夠存儲、處理機載傳感器采集的數(shù)據(jù)，并以人性化方式(文字、數(shù)據(jù)、曲線、圖形等)顯示采煤機運行信息，通過監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)將信息傳送給地面工作人員。國內(nèi)比較先進的監(jiān)控系統(tǒng)多是基于組態(tài)軟件的采煤機遠程監(jiān)控平臺[5-6]，能夠檢測采煤機的大部分參數(shù)，但故障診斷功能較弱，只能實現(xiàn)對電機、液壓系統(tǒng)等的診斷。雖然具備遠程監(jiān)控功能，但是存在價格昂貴、圖形組態(tài)模塊組件較少且顯示單一、腳本程序復雜且易用性不高[7]等不足。因此，本文采用基于MVC模式的采煤機控制系統(tǒng)，MVC開發(fā)模式將系統(tǒng)劃分為相互獨立的單元，進而有效地降低系統(tǒng)復雜度和維護難度，使得開發(fā)變得簡潔方便，同時減少工作量，提高經(jīng)濟效益。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

采煤機智能化控制系統(tǒng)整體構(gòu)架如圖1所示。

圖1 采煤機智能化控制系統(tǒng)構(gòu)架

整個系統(tǒng)主要由3部分組成，即：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)采集主要由各類傳感器完成，如：絕對值編碼器、溫度傳感器、傾角傳感器、電流傳感器等。絕對值編碼器負責采集采煤機速度、位置；溫度傳感器采集采煤機電機溫度；傾角傳感器采集機身傾角；電流傳感器采集電機電流。數(shù)據(jù)通信部分利用以太網(wǎng)絡(luò)進行通信，傳感器的信號通過A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換后，利用以太網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳到與PLC通訊的OPC Server上[8]，OPC Server與SQL Server 2012相連，并將數(shù)據(jù)上傳到地面監(jiān)測主機上，通過基于MVC架構(gòu)設(shè)計的智能化控制系統(tǒng)能夠?qū)Σ擅簷C狀態(tài)進行實時監(jiān)測。數(shù)據(jù)處理部分是本系統(tǒng)的核心部分，用戶通過瀏覽器頁面操作控制層數(shù)據(jù)，進而對SQL Server 2012進行數(shù)據(jù)交互，SQL Server 2012與OPC Server通訊，從而能夠?qū)崿F(xiàn)采煤機的遠程控制。根據(jù)專家知識庫在軟件中設(shè)計采煤機自適應(yīng)調(diào)速[9]、采煤機自適應(yīng)調(diào)高[10]和主動感知環(huán)境智能決策算法，可實現(xiàn)采煤機的智能化控制。

2 系統(tǒng)功能和軟件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)功能

根據(jù)智能化開采工作面需求，系統(tǒng)需要實現(xiàn)以下功能[11]：

數(shù)據(jù)采集功能 傳感器將采集到的信息通過模數(shù)轉(zhuǎn)換存入OPC Server中，OPC Server與SQL Server相連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互；用戶在客戶端進行操作，Model從數(shù)據(jù)庫中取得所需要的信息并通過View進行相應(yīng)的顯示。

用戶界面[12]系統(tǒng)提供人性化的界面，便于操作和學習，同時不同等級的用戶給予不同的權(quán)限，便于管理。

實時監(jiān)控[13]系統(tǒng)將采煤機的運行狀態(tài)、各項參數(shù)以及瓦斯、粉塵等信息顯示在監(jiān)控主界面上，使用戶能夠遠程監(jiān)測井下生產(chǎn)情況。

報警功能 系統(tǒng)能實時監(jiān)測采煤機運行的各項參數(shù)，在采煤機運行過程中當檢測參數(shù)超出預設(shè)值或者采煤機發(fā)生故障時，系統(tǒng)就會將此類信息發(fā)送至主監(jiān)控界面，并且將報警信息進行記錄。

數(shù)據(jù)管理 系統(tǒng)對采煤機實時狀態(tài)信息進行自動存儲，以供用戶對采煤機歷史數(shù)據(jù)進行查詢，生成監(jiān)測參數(shù)的歷史曲線或歷史報表，為工作人員提供有價值的數(shù)據(jù)。

參數(shù)設(shè)置 具有權(quán)限的客戶可對采煤機參數(shù)進行設(shè)置、修改，從而使采煤機在復雜的地質(zhì)環(huán)境下順利開采。當采煤機需要更換傳感器時，對參數(shù)的修改能夠在一定程度上滿足用戶需求。

智能控制 系統(tǒng)能根據(jù)綜采工作面環(huán)境參數(shù)對采煤機進行調(diào)速、停機，根據(jù)液壓支架故障、移架速度信號和刮板輸送機負載信息能夠自適應(yīng)調(diào)速，根據(jù)綜采工作面地理信息系統(tǒng)和采煤機截割部扭矩及電機電流、溫度等信息能夠自適應(yīng)調(diào)高。智能控制方案如圖2所示。

2.2 軟件設(shè)計

圖2 智能化控制方案

本系統(tǒng)以Visual Studio 2013作為開發(fā)環(huán)境，選用C#作為本系統(tǒng)后臺編程語言，采用HTML5，CSS，JavaScriptj，Query等作為前開發(fā)語言，以MVC 3層構(gòu)架模式進行軟件設(shè)計，以SQL Server 2012作為數(shù)據(jù)庫。

MVC軟件設(shè)計模式有3個模塊，分別為模型(Model)、視圖(View)、控制器(Controller)。3個模塊分別處理各自的業(yè)務(wù)，互不干擾。這樣就可把應(yīng)用程序的顯示部分與邏輯處理部分徹底分開，使得業(yè)務(wù)邏輯接口與數(shù)據(jù)接口之間的接合減弱[14-16]，并且能夠提升視圖層的顯示效果，極大地方便了軟件工程化管理。

MVC整體框架如圖3所示。在MVC模式通過封裝好的類和系統(tǒng)配置文件來進行組裝。

圖3 MVC整體框架

(1)視圖層 視圖層主要負責顯示文字、圖片、表格、動畫等信息，不含業(yè)務(wù)邏輯和模型信息，它是一個HTML文件。HTML文件有很多頁面標簽，如文本框、復選框、各種按鈕等，這些標簽被放在公共的模塊中以便頁面進行調(diào)用。在視圖層中，編寫人員若不熟悉封裝的模型和封裝的類，可通過HTML代碼進行編寫，這樣可以極大地簡化程序的編寫過程而不必對已有框架進行學習。

(2)控制層 控制器是智能化控制系統(tǒng)的核心，其主要功能為：對當前用戶進行處理，根據(jù)請求傳送給相關(guān)的業(yè)務(wù)邏輯以供進行邏輯處理，控制器將處理后的數(shù)據(jù)返回給視圖層以供顯示。

(3)模型層 模型層主要包含業(yè)務(wù)實體和業(yè)務(wù)邏輯兩個部分，一個模型能夠給多個視圖提供數(shù)據(jù)，這樣大大減化軟件開發(fā)工作，提高了模型的利用率。

如圖4所示為在MVC模式下用戶查詢和新增事件的模型。當用戶在瀏覽器的Web界面進行查詢或新增請求時，控制層(Controller)將請求發(fā)送給相應(yīng)的Model，Model層根據(jù)指令對數(shù)據(jù)庫進行調(diào)取或者更改，并將查詢到的數(shù)據(jù)或已更改數(shù)據(jù)返回給Controller，Controller再將數(shù)據(jù)發(fā)送至View層，View層通過瀏覽器顯示給用戶，這樣便完成了數(shù)據(jù)查詢和新增操作。

圖4 MVC查詢與新增模型

3 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)調(diào)試是編寫軟件過程中非常重要的一步，為了驗證本智能化監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性，在實驗室環(huán)境下對本系統(tǒng)進行測試。試驗臺主要硬件有西門子S7-1200 PLC控制器、ACS510-01-09A4-4型變頻器、絕對編碼器(500圈)、角度傳感器(12位)、單相電流傳感器(02A)、溫度傳感器(0～100℃)、傾角傳感器(-60°～+60°)、礦用隔爆兼本質(zhì)安全型電源、CAN總線和PC機(CPU I7六代，內(nèi)存8G，顯卡4G)等組成。系統(tǒng)主界面如圖5所示，操作控制界面如圖6所示。通過對本系統(tǒng)的測試可以看出該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)采煤機的實時監(jiān)視、采煤機遠程操作、以及智能化控制等功能。

圖5 采煤機智能化監(jiān)控系統(tǒng)主界面

圖6 采煤機操作控制界面

采煤機的實時監(jiān)控功能能夠顯示采煤機的當前位置、采煤機運行方向及牽引速度、采煤機的搖臂高度、截割速度、各個電機的溫度等信息。采煤機的遠程操作功能能夠?qū)崿F(xiàn)采煤機的啟動、停機，以及調(diào)節(jié)采煤機牽引方向、截割速度、搖臂高度等功能。采煤機的智能化功能是在外界給予模擬信號的條件下實現(xiàn)的，比如：當系統(tǒng)接收到瓦斯?jié)舛冗^高時，會降低采煤機的截割速度；當系統(tǒng)接收到刮板輸送機負載過大信號時，會降低采煤機的截割速度和牽引速度；當系統(tǒng)接收冒頂信號時，會立即停止采煤機，并發(fā)出報警信息。

系統(tǒng)還具有歷史報表存儲、輸出功能，操作人員可以根據(jù)需要選擇相應(yīng)的時間，導出數(shù)據(jù)報表。為了方便進行數(shù)據(jù)分析、備案，系統(tǒng)還具有打印功能，將數(shù)據(jù)表打印出來保存，為后續(xù)的生產(chǎn)提供有效依據(jù)。

4 結(jié)束語

針對目前采煤機監(jiān)控系統(tǒng)大多采用組態(tài)軟件存在智能化程度低的現(xiàn)狀，提出基于MVC模式的采煤機智能化監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)不但能夠?qū)Σ擅簷C的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控、對采煤機進行遠程控制，還能夠根據(jù)采煤機、液壓支架、刮板輸送機以及煤礦井下環(huán)境條件之間的制約關(guān)系對采煤機進行智能化控制，有效地解決了采煤機智能化控制的難題，提高了采煤機運行的可靠性和生產(chǎn)效率。基于MVC模式開發(fā)的采煤機智能化監(jiān)控系統(tǒng)有助于減輕煤礦工人的勞動強度、降低煤礦的事故率，對實現(xiàn)綜采工作面三機協(xié)同、智能化、無人化控制具有實際意義。