半實(shí)物綜采實(shí)操平臺(tái)可擴(kuò)展數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉寧寧

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司， 北京 100013；2.煤礦應(yīng)急避險(xiǎn)技術(shù)裝備工程研究中心， 北京 100013；3.北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心， 北京 100013)

0 引言

煤炭行業(yè)機(jī)電設(shè)備日趨大型化、復(fù)雜化和專(zhuān)業(yè)化，傳統(tǒng)的理論講解和模型培訓(xùn)難以滿(mǎn)足設(shè)備培訓(xùn)需求，同時(shí)《煤礦安全培訓(xùn)規(guī)定》和《煤礦特種作業(yè)人員安全技術(shù)培訓(xùn)大綱及考核要求(征求意見(jiàn)稿)》等對(duì)煤礦多種工種操作人員的實(shí)操考核提出了明確要求[1-3]。半實(shí)物仿真是在計(jì)算機(jī)仿真回路中接入實(shí)物，將部分難以用實(shí)物代替的對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型、編程在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，人員通過(guò)操作真實(shí)設(shè)備控制虛擬設(shè)備動(dòng)作[4-6]，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)訓(xùn)練模擬器、石油鉆井等復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)操作培訓(xùn)，是一種替代真實(shí)環(huán)境或設(shè)備的典型培訓(xùn)方法，具有可重復(fù)、經(jīng)濟(jì)、安全等優(yōu)點(diǎn)[7-9]。多種型式的半實(shí)物實(shí)操平臺(tái)(如連續(xù)采煤機(jī)仿真模擬器、掘進(jìn)機(jī)實(shí)操系統(tǒng)、提升機(jī)操作訓(xùn)練系統(tǒng)等)開(kāi)始應(yīng)用于礦山設(shè)備培訓(xùn)[10-12]，其中采集真實(shí)設(shè)備控制面板的操作信號(hào)并輸入虛擬場(chǎng)景以驅(qū)動(dòng)虛擬設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)是核心。目前普遍做法是針對(duì)具體被仿真設(shè)備開(kāi)發(fā)特定的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，但礦山設(shè)備種類(lèi)多樣、型號(hào)多變，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)重復(fù)開(kāi)發(fā)造成資源和時(shí)間浪費(fèi)[13]。本文以半實(shí)物綜采實(shí)操平臺(tái)為背景，開(kāi)發(fā)了一種可擴(kuò)展數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可滿(mǎn)足多種型式的半實(shí)物實(shí)操平臺(tái)數(shù)據(jù)采集需求，節(jié)約開(kāi)發(fā)資源，縮短開(kāi)發(fā)周期。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需求

半實(shí)物綜采實(shí)操平臺(tái)是面向煤礦采煤機(jī)司機(jī)和液壓支架工培訓(xùn)設(shè)計(jì)的模擬設(shè)備，由高仿真、全比例的采煤機(jī)操作臺(tái)和液壓支架操作臺(tái)組成，2個(gè)操作臺(tái)整體架構(gòu)相同[14]。半實(shí)物綜采實(shí)操平臺(tái)所模擬的原型設(shè)備分別為MGTY400/930-3.3D型采煤機(jī)和ZFS7200/18/35型液壓支架，根據(jù)原型設(shè)備功能及操作方式布局操作臺(tái)控制面板控件。除原型設(shè)備所必須的控件外，考慮到操作臺(tái)總體供電控制和上位機(jī)開(kāi)關(guān)控制，采煤機(jī)和液壓支架操作臺(tái)控制面板均需要增加電源開(kāi)關(guān)、供電指示燈、開(kāi)機(jī)按鈕、開(kāi)機(jī)指示燈4個(gè)控件。此外，由于僅通過(guò)1個(gè)液壓支架操作臺(tái)控制綜采工作面所有液壓支架，需要增加左移和右移按鈕用于液壓支架工選擇待控制支架，增加選架旋鈕用于設(shè)置成組移架過(guò)程中成組動(dòng)作支架臺(tái)數(shù)。采煤機(jī)、液壓支架操作臺(tái)控制面板控件分別見(jiàn)表1、表2。因此，采煤機(jī)操作臺(tái)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要滿(mǎn)足1個(gè)模擬量、21個(gè)開(kāi)關(guān)量的輸入需求；液壓支架操作臺(tái)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要滿(mǎn)足9個(gè)模擬量、7個(gè)開(kāi)關(guān)量的輸入需求。

表1 采煤機(jī)操作臺(tái)控制面板控件

表2 液壓支架操作臺(tái)控制面板控件

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件

數(shù)據(jù)采集板是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心，需要滿(mǎn)足以下功能要求。

(1) 能夠?qū)Σ擅簷C(jī)、液壓支架操作臺(tái)控制面板產(chǎn)生的所有操作信號(hào)進(jìn)行采集和處理。

(2) 滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求，保證虛擬場(chǎng)景對(duì)人員操作響應(yīng)無(wú)延遲，包括2個(gè)方面：① 能夠在人員操作的極短時(shí)間內(nèi)采集帶回彈功能的按鈕或旋鈕產(chǎn)生的操作信號(hào)；② 能夠?qū)崟r(shí)采集同時(shí)操作多個(gè)按鈕產(chǎn)生的操作信號(hào)。

(3) 數(shù)據(jù)采集板模塊化有助于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一定程度上的通用性，適應(yīng)不同半實(shí)物實(shí)操平臺(tái)的開(kāi)發(fā)。

(4) 開(kāi)關(guān)量和模擬量單獨(dú)采集、統(tǒng)一處理，以靈活的擴(kuò)展組合模式適應(yīng)不同半實(shí)物實(shí)操平臺(tái)數(shù)據(jù)采集需求。

數(shù)據(jù)采集板分為主板和擴(kuò)展板，實(shí)物如圖1所示。

(a) 主板

(b) 擴(kuò)展板

主板基于高性能、低功耗的8位ATmega16型單片機(jī)設(shè)計(jì)[15]，可采集8路模擬量信號(hào)。模擬量信號(hào)經(jīng)低通濾波器接入單片機(jī)內(nèi)置的10位高精度ADC，經(jīng)ADC處理后存入單片機(jī)寄存器。主板采用RS485總線與上位機(jī)通信，采用I2C總線與作為從機(jī)的主板或擴(kuò)展板通信。

擴(kuò)展板核心為通用I/O擴(kuò)展芯片PCA9555D，可采集16路開(kāi)關(guān)量信號(hào)。開(kāi)關(guān)量信號(hào)經(jīng)濾波電路濾波后，通過(guò)TLP521-1光電耦合器實(shí)現(xiàn)電氣隔離，再經(jīng)斯密特觸發(fā)反相器74HC14整形放大后接入PCA9555D。

主板和擴(kuò)展板之間有2種擴(kuò)展組合模式，如圖2所示。一主多擴(kuò)模式是1塊主板與n塊(n≤8)擴(kuò)展板通過(guò)I2C總線相連，主板通過(guò)地址巡檢與擴(kuò)展板通信，最多可采集8路模擬量和128路開(kāi)關(guān)量，適用于需要采集的模擬量較少、開(kāi)關(guān)量較多的情況。一主多從多擴(kuò)模式是m塊(m≥2)主板與t塊(t≤11-m)擴(kuò)展板通過(guò)I2C總線相連，其中1塊主板作為主機(jī)，m-1塊主板作為從機(jī)，通過(guò)單片機(jī)編程區(qū)分主機(jī)和從機(jī)地址，適用于需要采集的模擬量較多的情況。

(a) 一主多擴(kuò)

(b) 一主多從多擴(kuò)

以半實(shí)物綜采實(shí)操平臺(tái)為例，采煤機(jī)操作臺(tái)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用一主多擴(kuò)模式，即1塊主板與2塊擴(kuò)展板相連，如圖3(a)所示；液壓支架操作臺(tái)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用一主多從多擴(kuò)模式，即2塊主板與1塊擴(kuò)展板相連，其中一塊主板作為主機(jī)，另一塊主板作為從機(jī)，如圖3(b)所示。AC220 V電源直接連接自鎖按鈕，并分別為上位機(jī)和開(kāi)關(guān)電源供電，通過(guò)自鎖按鈕控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電源通斷。開(kāi)關(guān)電源輸出DC12 V，為主板和擴(kuò)展板供電。開(kāi)關(guān)量信號(hào)通過(guò)開(kāi)關(guān)按鈕產(chǎn)生，開(kāi)關(guān)按鈕公共點(diǎn)直接接入開(kāi)關(guān)電源正極，開(kāi)關(guān)按鈕另一端接入擴(kuò)展板的開(kāi)關(guān)量采集通道；模擬量信號(hào)通過(guò)電位器產(chǎn)生，電位器固定端接入主板的直流輸出端子(VA+，VA-)，由主板給電位器供電，電位器滑動(dòng)端接入主板的模擬量采集通道。作為從機(jī)的主板和擴(kuò)展板均由串行數(shù)據(jù)線(SDA)和時(shí)鐘線(SCL)以并聯(lián)方式接入作為主機(jī)的主板。

(a) 采煤機(jī)操作臺(tái)

(b) 液壓支架操作臺(tái)

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件主要包括數(shù)據(jù)采集程序和通信程序。

采用C語(yǔ)言編寫(xiě)數(shù)據(jù)采集程序，流程如圖4所示。首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括單片機(jī)I/O、定時(shí)器、串口、I2C接口初始化。然后通過(guò)地址輪巡判斷是否有從機(jī)：如果沒(méi)有從機(jī)，即一主多擴(kuò)模式時(shí)，僅采集主機(jī)模擬量；如果有從機(jī)，即一主多從多擴(kuò)模式時(shí)，先采集從機(jī)模擬量，再采集主機(jī)模擬量。之后采集開(kāi)關(guān)量，將模擬量和開(kāi)關(guān)量寫(xiě)入主機(jī)寄存器。最后通過(guò)延時(shí)等待，保證以固定時(shí)間間隔10 ms不間斷采集數(shù)據(jù)。

圖4 數(shù)據(jù)采集流程

采用Unity軟件支持的C#語(yǔ)言編寫(xiě)通信程序。為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，上位機(jī)以200 ms的時(shí)間間隔讀取主機(jī)寄存器數(shù)據(jù)。采煤機(jī)和液壓支架操作臺(tái)對(duì)應(yīng)的上位機(jī)之間通過(guò)TCP/IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，保證2個(gè)操作臺(tái)虛擬場(chǎng)景同步響應(yīng)、協(xié)同動(dòng)作。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)半實(shí)物綜采實(shí)操平臺(tái)數(shù)據(jù)采集需求，提出了一種可擴(kuò)展數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，著重介紹了數(shù)據(jù)采集板硬件設(shè)計(jì)，給出了數(shù)據(jù)采集及通信軟件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)可完成對(duì)用戶(hù)操作信號(hào)的實(shí)時(shí)采集、處理和傳輸，以靈活的擴(kuò)展組合模式滿(mǎn)足多種型式的半實(shí)物實(shí)操平臺(tái)數(shù)據(jù)采集需求，具有一定程度的通用性。