葛文超，段 云，王博楠，胥 維

(1.北京礦冶研究總院，北京 100160；2.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160)

露天采礦作業(yè)主要包括穿孔、爆破、鏟裝、運(yùn)輸，爆破效果的優(yōu)劣在很大程度上影響著后續(xù)鏟裝、運(yùn)輸效率，進(jìn)而造成總體成本變動(dòng)，這已成為國(guó)內(nèi)外礦山業(yè)界的共識(shí)[1]。為了優(yōu)化爆破工藝，需要對(duì)爆破質(zhì)量進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，作為露天開采主要設(shè)備，電鏟能直接感知到所鏟裝爆堆的真實(shí)情況，電機(jī)的電壓、電流、能耗等參數(shù)能在一定程度上反映爆堆挖掘難易程度，進(jìn)而間接反映爆堆破碎效果優(yōu)劣情況，因此可以通過監(jiān)測(cè)電機(jī)參數(shù)來評(píng)價(jià)爆破效果的好壞，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者開展了相關(guān)的研究工作。KHORZOUGHI[2]通過對(duì)電鏟鏟裝過程能耗進(jìn)行估算，評(píng)估爆堆可挖掘性。RASULI[3]通過監(jiān)測(cè)電鏟提升、回轉(zhuǎn)及推壓電機(jī)的電流，建立動(dòng)態(tài)載荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為評(píng)估爆堆可挖掘性提供數(shù)據(jù)支持。但是，由于大部分露天礦區(qū)環(huán)境惡劣、基礎(chǔ)設(shè)施不夠完善、電鏟設(shè)備陳舊等，多數(shù)電鏟電機(jī)參數(shù)還未能實(shí)現(xiàn)有效監(jiān)測(cè)。

針對(duì)國(guó)內(nèi)多數(shù)露天礦山電鏟還未實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的難題，本文開發(fā)研究一套基于LabVIEW和PLC的電鏟電機(jī)參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用傳感器和PLC采集各電機(jī)的電壓/電流數(shù)據(jù)，分析處理上傳至上位機(jī)，上位機(jī)選擇圖形化編程軟件LabVIEW實(shí)現(xiàn)電鏟電機(jī)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能，并通過4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)，用戶可訪問客戶端實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)功能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

電鏟電機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)選擇太原重工設(shè)計(jì)生產(chǎn)的WK-35型電鏟，電鏟挖掘作業(yè)主要由提升、推壓、回轉(zhuǎn)以及行走機(jī)構(gòu)完成，根據(jù)電鏟工作特性，構(gòu)建的電鏟電機(jī)參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體框架如圖1所示，采集端主要由傳感器、PLC、車載終端構(gòu)成。電壓/電流傳感器感知電鏟電機(jī)電壓、電流信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為4～20 mA直流電流信號(hào)，PLC檢測(cè)傳感器模擬量數(shù)據(jù)，完成A/D轉(zhuǎn)換后通過串口通信電路傳輸至上位機(jī)車載終端，在LabVIEW開發(fā)平臺(tái)上通過編寫數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)顯示與處理程序?qū)崿F(xiàn)電機(jī)運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)將采集端獲得的電壓/電流數(shù)據(jù)通過4G網(wǎng)絡(luò)上傳至云服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)，并通過客戶端實(shí)現(xiàn)電鏟電機(jī)參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

圖1 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體框圖Fig.1 Overall block diagram of remote monitoring system

2 系統(tǒng)硬件選型

本系統(tǒng)監(jiān)測(cè)參數(shù)選擇提升電機(jī)、推壓電機(jī)、回轉(zhuǎn)電機(jī)、左行走電機(jī)以及右行走電機(jī)的電壓和電流值，共計(jì)10路模擬信號(hào)，電鏟各機(jī)構(gòu)電機(jī)參數(shù)信息如表1所示。

表1 WK-35電鏟電機(jī)參數(shù)信息

2.1 電壓傳感器

根據(jù)表1電機(jī)參數(shù)信息，電鏟電機(jī)額定電壓均為690 V，本文選用美控MIK-DJU-800 V接線式交流電壓變送器，如圖2所示，其電壓測(cè)量范圍為0～800 V，輸出4～20 mA直流電流，該傳感器可將正弦或畸形交流電壓轉(zhuǎn)換成獨(dú)立于負(fù)載且與測(cè)量值成比例的直流電流信號(hào)，符合電磁兼容(emc)和安全性的技術(shù)要求和規(guī)范，滿足本系統(tǒng)需求。

圖2 電壓傳感器實(shí)物圖Fig.2 Physical picture of voltage sensor

2.2 電流傳感器

電鏟最大額定電流經(jīng)計(jì)算約為680 A，本文選用美控MIK-DJI-1000 A開環(huán)直測(cè)式霍爾電流變送器，如圖3所示，其量程為0～1 000 A，輸出4～20 mA直流電流，該傳感器采用閉環(huán)零磁通磁平衡式原理，具有精度高、線性度好、反應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，滿足系統(tǒng)需求。

圖3 電流傳感器實(shí)物圖Fig.3 Physical picture of current sensor

2.3 PLC控制器及相應(yīng)模塊[4]

系統(tǒng)選用三菱FX5UC-32MT/D型PLC控制器及對(duì)應(yīng)模塊，如圖4所示。FX5UC系列是三菱公司推出的新一代可編程控制器，其CPU模塊包含16個(gè)輸入、輸出點(diǎn)數(shù)，自帶以太網(wǎng)和RS-485端口；A/D模塊選擇FX5-4AD-ADP，該模塊包含4個(gè)模擬輸入通道，為實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集需求，需要至少3個(gè)A/D模塊，當(dāng)A/D模塊輸入4～20 mA電流時(shí)，對(duì)應(yīng)數(shù)字量輸出值為0～12 800，分辨率為1.25 μA；通信模塊選擇FX5-232ADP，該模塊支持MELSOFT連接、MC協(xié)議以及Modbus RTU通信。

圖4 PLC及相應(yīng)模塊Fig.4 PLC and corresponding module

2.4 車載終端

考慮到電鏟現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境惡劣，本文選用新漢VMC-3000工業(yè)計(jì)算機(jī)作為車載終端，如圖5所示。該車載終端基于Intel? AtomTMD2550處理器，內(nèi)置GPS接收器，支持藍(lán)牙、Wi-Fi、4G擴(kuò)展，可接收、顯示、傳輸采集端信息。另外該終端設(shè)備集成IP65等級(jí)外殼，專為重型車輛設(shè)計(jì)，可在極嚴(yán)苛的環(huán)境下提供絕對(duì)的防水、防塵保護(hù)，前面板可有效阻止外部源以防錯(cuò)誤觸摸，工作效率和安全性都能得到保障，滿足現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)要求。

圖5 車載終端Fig.5 Vehicle terminal

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示，主要包括如下步驟：1)PLC初始化，設(shè)定A/D模塊相關(guān)參數(shù)；2)A/D模塊從傳感器獲取數(shù)據(jù)，完成A/D轉(zhuǎn)換后存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)寄存器中；3)通過串口通信協(xié)議Modbus RTU實(shí)現(xiàn)PLC和上位機(jī)軟件LabVIEW的通信，LabVIEW讀取PLC寄存器數(shù)據(jù)；4)電壓/電流數(shù)據(jù)通過前面板顯示并保存；5)將各數(shù)據(jù)打包為單個(gè)數(shù)組，通過4G網(wǎng)絡(luò)上傳至云服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)；6)編寫客戶端軟件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

圖6 軟件設(shè)計(jì)流程圖Fig.6 Software design flow chart

3.1 PLC程序設(shè)計(jì)

三菱PLC對(duì)應(yīng)編程軟件為GX Works3仿真軟件，該軟件是由三菱公司推出的綜合PLC編程軟件，是專用于PLC設(shè)計(jì)、調(diào)試及維護(hù)的編程工具，與傳統(tǒng)的GX Developer軟件相比，功能及操作性能有所提高，使用更加方便[5]。

以FX5-4AD-ADP模塊通道1為例，通過查詢得知A/D轉(zhuǎn)換完成標(biāo)志對(duì)應(yīng)繼電器為SM6300，數(shù)字輸出值對(duì)應(yīng)特殊寄存器為SD6300，其它通道對(duì)應(yīng)繼電器和寄存器同理可查詢，編寫采集程序如圖7所示。根據(jù)傳感器輸出范圍，將A/D模塊輸入范圍設(shè)置為4～20 mA，采集得到的數(shù)字量值存儲(chǔ)在D0、D1、D2、D3等數(shù)據(jù)寄存器中，等待查詢。

圖7 PLC采集程序Fig.7 PLC acquisition program

3.2 通信協(xié)議

串口通信協(xié)議選擇Modbus RTU模式，在消息中每個(gè)8 bit字節(jié)包含兩個(gè)4 bit的十六進(jìn)制字符，Modbus RTU模式的主要優(yōu)點(diǎn)是：在相同波特率下，可比ASCII方式傳送更多數(shù)據(jù)[6]。該協(xié)議使用主-從通信方式，即主設(shè)備向從設(shè)備發(fā)送請(qǐng)求，從設(shè)備分析并處理主設(shè)備的請(qǐng)求，然后向主設(shè)備發(fā)送結(jié)果，如果過程中出現(xiàn)任何差錯(cuò)，從設(shè)備將返回一個(gè)異常功能碼[7]。在本系統(tǒng)中，主設(shè)備為車載終端，從設(shè)備為三菱PLC，讀取寄存器的功能代碼為03H，在讀取數(shù)據(jù)時(shí)主站請(qǐng)求報(bào)文如表2所示，從站應(yīng)答報(bào)文如表3所示。

通信協(xié)議中CRC(冗余循環(huán)校驗(yàn)碼)含2個(gè)字節(jié)，即16位二進(jìn)制數(shù)。CRC碼由發(fā)送設(shè)備計(jì)算，放置于所發(fā)送信息幀的末端，接收設(shè)備再重新計(jì)算接收信息的CRC，比較計(jì)算得到的CRC與接收到的CRC，如果兩者不相符，則認(rèn)為數(shù)據(jù)傳輸出錯(cuò)。

3.3 LabVIEW程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件采用圖形化編程語言LabVIEW開發(fā)，LabVIEW設(shè)計(jì)起初主要用于實(shí)驗(yàn)室測(cè)控環(huán)境，目前在開發(fā)信號(hào)采集、過程控制、儀器檢測(cè)、儀器控制等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，與Visual C++、Visual Basic、MATLAB等編程工具相比，LabVIEW基于G語言，上手快，操作方便；用戶可根據(jù)自身需求自定義操作界面，且其性能由計(jì)算機(jī)配置決定，不受儀器廠商限制；可實(shí)時(shí)、直接對(duì)數(shù)據(jù)編輯；多線程技術(shù)可同時(shí)運(yùn)行多個(gè)任務(wù)模塊，適合對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[8-9]。本文選擇LabVIEW軟件編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取、顯示存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)上傳云服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)以及客戶端遠(yuǎn)程訪問功能。

3.3.1 數(shù)據(jù)讀取與處理

如圖8所示，程序通過調(diào)用LabVIEW中VISA配置函數(shù)對(duì)串口進(jìn)行初始化設(shè)置，除串口號(hào)均選用默認(rèn)值：波特率選擇9600，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無校驗(yàn)位，串口號(hào)選擇COM3。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，PLC經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)幀通過RS-232串口傳輸至上位機(jī)，按照上位機(jī)和下位機(jī)之間的通信協(xié)議，VISA讀取函數(shù)每次讀取PLC傳輸?shù)墓潭ㄗ止?jié)數(shù)據(jù)，通過截取字符串函數(shù)及數(shù)值/字符串轉(zhuǎn)換函數(shù)將輸入字符串轉(zhuǎn)換為所需數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換完成后根據(jù)比例關(guān)系計(jì)算得到真實(shí)電壓/電流值。

圖8 數(shù)據(jù)讀取與處理程序框圖Fig.8 Block diagram of data reading and processing program

3.3.2 數(shù)據(jù)顯示與保存

數(shù)據(jù)顯示與保存程序主要是將采集處理后的電壓和電流值等參數(shù)實(shí)時(shí)顯示并保存。程序通過創(chuàng)建局部變量實(shí)時(shí)顯示各電機(jī)數(shù)據(jù)，并以時(shí)間點(diǎn)為文件名將數(shù)據(jù)保存為csv格式，使用LabVIEW編寫的數(shù)據(jù)顯示與保存程序見圖9。

圖9 數(shù)據(jù)顯示與保存程序框圖Fig.9 Program block diagram of data display and storage

3.3.3 服務(wù)器端程序

為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)功能，需將電鏟電壓/電流數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至云服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中。服務(wù)器功能主要是接收、解析采集終端上傳的數(shù)據(jù)包，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。本文選擇TCP/IP協(xié)議完成數(shù)據(jù)通信，使用LabVIEW編寫的服務(wù)器端程序框圖如圖10所示，程序界面如圖11所示，該程序通過監(jiān)聽對(duì)應(yīng)端口，接收采集端上傳數(shù)據(jù)并解析，同時(shí)顯示采集終端設(shè)備的IP地址、端口號(hào)以及上下線時(shí)間。

圖10 服務(wù)器端程序框圖Fig.10 Server side program block diagram

圖11 服務(wù)器端軟件界面Fig.11 Server side software interface

該程序依據(jù)性能為主、展示為輔的設(shè)計(jì)理念，軟件界面設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，大部分顯示與操作功能未顯示在軟件界面上，大大減少了前臺(tái)數(shù)據(jù)分析的工作，將系統(tǒng)資源主要用于數(shù)據(jù)通信過程，確保數(shù)據(jù)通信的穩(wěn)定性。

3.3.4 客戶端程序

基于C/S模式的客戶端軟件采用LabVIEW編寫，通過生成EXE文件和對(duì)應(yīng)的安裝包文件，可以在沒有LabVIEW的Windows環(huán)境中運(yùn)行，該軟件是針對(duì)電鏟遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)編寫的專用軟件，主要用于監(jiān)測(cè)、顯示、查詢電鏟電機(jī)運(yùn)行參數(shù)，支持多臺(tái)終端同時(shí)查看監(jiān)測(cè)信息。該軟件的主要功能：1)用戶登錄信息管理；2)電鏟電機(jī)運(yùn)行參數(shù)獲??；3)電機(jī)歷史運(yùn)行參數(shù)獲取?？蛻舳顺绦蛑鹘缑嫒鐖D12所示。

圖12 客戶端程序主界面Fig.12 Main interface of client program

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為驗(yàn)證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性，選擇在德興銅礦銅廠WK-35電鏟上進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，圖13為現(xiàn)場(chǎng)硬件設(shè)備安裝圖，對(duì)電壓/電流等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，將傳感器、PLC、電源通過導(dǎo)軌固定。圖14為上位機(jī)終端安裝位置，上位機(jī)終端通過萬向球頭支架固定，起到防震作用。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)功能，能夠滿足系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)需求，設(shè)計(jì)合理，具有良好的可移植性和穩(wěn)定性，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖13 硬件設(shè)備安裝圖Fig.13 Installation diagram of hardware equipment

5 結(jié)論

利用LabVIEW和PLC作為主要軟/硬件，將測(cè)量技術(shù)、傳感器技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)及數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)電鏟電機(jī)參數(shù)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)。目前該系統(tǒng)已成功部署在江西德興銅礦銅廠18#WK-35電鏟上，通過6個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電鏟電機(jī)電壓、電流運(yùn)行參數(shù)，人機(jī)界面友好，具有較強(qiáng)的實(shí)用性和可靠性，該系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化礦山提供一定基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也為其他型號(hào)電鏟電機(jī)監(jiān)測(cè)乃至其他工作參數(shù)的監(jiān)測(cè)提供可借鑒經(jīng)驗(yàn)。