露天礦電鏟智能引導(dǎo)系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用

繆衛(wèi)峰，杜勇志，張 洋，李營作

（1.神華寶日希勒能源有限公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021025；2.北方工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，北京 100144）

礦用挖掘機(jī)用于露天采礦，目前主要有液壓鏟、電鏟2 種。電鏟斗容量大，工作效率高，作業(yè)穩(wěn)定性強(qiáng)，挖掘鏟裝能力高，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的經(jīng)濟(jì)效益。但電鏟工作環(huán)境惡劣，操作環(huán)境狹小，影響施工質(zhì)量。隨著現(xiàn)代智能化物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，利用現(xiàn)代智能化理念，將現(xiàn)代礦山開發(fā)技術(shù)與大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)智能化運(yùn)作，提升施工質(zhì)量，提高工作效率。

1 電鏟智能引導(dǎo)系統(tǒng)總體方案

1.1 功能要求

推壓、提升、行走／回轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)，為電鏟提供動(dòng)力[1]。露天礦電鏟智能引導(dǎo)系統(tǒng)的技術(shù)要求：①對(duì)提升電機(jī)、推壓電機(jī)、行走/回轉(zhuǎn)電機(jī)的給定信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集；②實(shí)時(shí)顯示電鏟工作時(shí)的電度表電量、變壓器溫度、時(shí)間、位置坐標(biāo)等；③實(shí)時(shí)采集凈化風(fēng)機(jī)、空壓機(jī)、電源接地、高壓接觸器等開關(guān)量狀態(tài)[2]；④服務(wù)器端可以獲取傳輸采集信號(hào)數(shù)據(jù)，并且電鏟實(shí)時(shí)工作參數(shù)，從服務(wù)器端獲取到客戶端軟件，分類整理顯示；⑤采集信號(hào)內(nèi)容。電鏟結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 電鏟結(jié)構(gòu)

1.2 功能設(shè)計(jì)

根據(jù)功能需求，設(shè)計(jì)模塊。系統(tǒng)分為客戶端、服務(wù)器端、數(shù)據(jù)采集終端。服務(wù)器是有固定IP 地址的電腦，對(duì)數(shù)據(jù)采集終端發(fā)送的數(shù)據(jù)包，進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、接收、解析。

數(shù)據(jù)采集終端包括軟件設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、調(diào)試。電路有主控制模塊、功能模塊、電源模塊。主控制模塊負(fù)責(zé)響應(yīng)客戶端命令、處理系統(tǒng)中斷、調(diào)度工作任務(wù)。功能模塊負(fù)責(zé)采集電鏟的位置、開關(guān)狀態(tài)、電壓電流等信息[3]。電源模塊提供工作所需的電壓。軟件部分包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)程序、傳感器通信程序、初始化程序等等。完成調(diào)試后，對(duì)電鏟工作參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，傳送至服務(wù)器端，同時(shí)在本地顯示，使用液晶顯示模塊?？蛻舳送ㄟ^TCP/IP 協(xié)議訪問，顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲取。

2 系統(tǒng)硬件

2.1 主控制模塊

2.1.1 STM32 微處理器

系統(tǒng)的核心部分是主控模塊，包括調(diào)度任務(wù)執(zhí)行順序、采集并轉(zhuǎn)換電鏟工作參數(shù)、處理緊急中斷、與外圍傳感器通信等。電路組成包括通信接口、下載調(diào)試電路、按鍵復(fù)位電路等，微處理器I/O 口資源分配信息。外圍傳感器較多，存在不同的通信協(xié)議、數(shù)字接口。對(duì)微處理器的性能要求較高。因此，微處理器單元使用STM32F107VCT6 芯片。STM32F107VCT6芯片自帶功能強(qiáng)大的AD 轉(zhuǎn)換器，AD 轉(zhuǎn)換速率高達(dá)1 MHz。有18 個(gè)采集通道。能夠同時(shí)采集2 路內(nèi)部電壓信號(hào)，16 路外部電壓信號(hào)。寄存器中，AD 轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，左對(duì)齊，或者右對(duì)齊。分通道的采集方式，有間斷、掃描、連續(xù)、單次等[4]。采集大量實(shí)時(shí)信號(hào)轉(zhuǎn)換任務(wù)，均可完成。性能良好，性價(jià)比高，可以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求。

2.1.2 復(fù)位及晶振電路

如果系統(tǒng)進(jìn)入異常狀態(tài)，需要重新開始程序。復(fù)位電路是系統(tǒng)初始化的方式。根據(jù)STM32F107VC 的要求，系統(tǒng)上電后，復(fù)位信號(hào)維持至少28 μs 低電平，然后返回高電平。復(fù)位電路設(shè)計(jì)包括二極管、開關(guān)、10 kΩ 電阻、0.1 μF 的電容等。系統(tǒng)上電時(shí)，給C40電容充電，通過R29電阻，RC 電路時(shí)間常數(shù)0.1 ms，STM32 復(fù)位，RESET 引腳出現(xiàn)低電平。人工復(fù)位時(shí)，按下按鍵S2。斷電再上電時(shí)，存在RC 時(shí)間常數(shù)不一定完全使電容C40放完電，增加二極管D1，可以優(yōu)化復(fù)位效果[5]。斷電后，電容立即放完電。晶振電路接入外部12 和13 引腳處，提供時(shí)鐘源。

2.1.3 信號(hào)選擇電路

設(shè)計(jì)系統(tǒng)需要采集相關(guān)信號(hào)。正反向勵(lì)磁電壓電流信號(hào)、電樞電壓電流信號(hào)、給定信號(hào)。設(shè)計(jì)模擬量采集板3 塊，避免各路信號(hào)采集通道出現(xiàn)相互干擾的情況[6]。每塊板卡設(shè)置信號(hào)采集通道8 路。采集信號(hào)輸入端口，所有模擬量分3 次采集轉(zhuǎn)換。模擬板卡內(nèi)的信號(hào)，每次采集1 塊。輸入STM32 分別通過MN＿A1 端、MN＿A2 端、MN＿A3 端。采集通道地址選擇線，為MN＿OE1～MN＿OE4。與板卡內(nèi)某一路采集信號(hào)進(jìn)行連接。

1）單路模擬量采集通道。MN1N in、MN1 in 端接入采樣信號(hào)。21 路模擬信號(hào)通過3 塊模擬板卡輸出。輸出信號(hào)S1 經(jīng)過處理。

2）模擬量采集通選擇開關(guān)。設(shè)置4 個(gè)開關(guān)，與MN＿A3、MN＿A2、MN＿A1、MN＿A0 的輸出端對(duì)應(yīng)接通。所有通道的采集信號(hào)，向STM32 ADC 轉(zhuǎn)換通道傳送，只能通過此輸出端，其余輸出端無效[7]。選擇不同的ADC 轉(zhuǎn)換通道，使用SW1。模數(shù)開關(guān)ADG408，通過地址線選擇板卡上的某一路信號(hào)，與模擬量輸出端連通。

3）系統(tǒng)需要采集16 開關(guān)信號(hào)。以Keyin1 信號(hào)輸出，輸入從KG1N＿in、KG1＿in 段。KG＿OE1 低電平、高電平KG＿OE0，采集信號(hào)為Keyin8 至Keyin15 路。高電平KG＿OE1、低電平KG＿OE0，采集信號(hào)為Keyin1 至Keyin7。

2.1.4 端口轉(zhuǎn)換電路

系統(tǒng)存在不同的數(shù)字通信接口，以及與微控制器的通信協(xié)議。轉(zhuǎn)換電路需要相應(yīng)的設(shè)計(jì)。對(duì)于電度表接口，使用STM32 通信、RS485 邏輯電平標(biāo)準(zhǔn)、DL/T645 協(xié)議。設(shè)計(jì)RS485 與TTL 電平互轉(zhuǎn)電路。由75LB184 芯片完成轉(zhuǎn)換工作。加入數(shù)字隔離電路，在微處理器STM32、75LB184 芯片、MAX232 之間，防止電平轉(zhuǎn)換電路發(fā)生故障時(shí)，破壞電流和電壓。接入ADUM1201 芯片，在STM32 串口通信I/O端與75LBC184 芯片、MAX232 芯片間，提升系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，減少電平轉(zhuǎn)換電路的干擾。設(shè)計(jì)DTU 模塊，DTU 接口，采用UART 通信協(xié)議。UART 串口通信協(xié)議與TTL 電路的電平不兼容，其通常使用RS232 邏輯電平標(biāo)準(zhǔn)。需要設(shè)計(jì)電平互換電路，使用MAX232 芯片，＋5 V 單電源供電。

2.2 功能模塊電路

1）模擬量采集預(yù)處理電路。電機(jī)參數(shù)主要包括電流、電流和正反向勵(lì)磁電壓、電樞電壓、給定電壓等[8]?？梢灾苯硬杉o定電壓。不能直接采集轉(zhuǎn)換其它電壓電流值，需要變換實(shí)際信號(hào)，隔離測量預(yù)處理電路，再輸入ADC 采集通道。模擬量的隔離采集使用閉環(huán)霍爾電壓傳感器VSM025A，發(fā)揮隔離檢測電流的作用。

2）開關(guān)量采集預(yù)處理電路。配置真空接觸器開關(guān)在電鏟上，開關(guān)處于高壓的工作狀態(tài)。高壓直交流設(shè)備的通斷操作，應(yīng)用高壓真空接觸器。高壓真空接觸器閉合操作后，能夠直接保持在合閘位置，不需要吸合電流?？梢钥刂聘鞣N方式。使用滅弧系統(tǒng)，減少電弧對(duì)觸點(diǎn)的傷害[9]。電鏟中的接觸器工作狀態(tài)大部分是大電流、高壓，檢測麻煩，故障頻繁，數(shù)量多。需要采集各接觸器的狀態(tài)，對(duì)接觸器進(jìn)行檢測[10]。接觸器易產(chǎn)生電弧，開關(guān)頻繁，并且工作電壓高，容易干擾其他的電路。為判斷該開關(guān)量是否正常，依據(jù)同軸開關(guān)的狀態(tài)。

3）溫度采集電路。DS18B20 數(shù)字溫度傳感器抗干擾能力強(qiáng)，尤其適合高精度測溫系統(tǒng)，DS18B20 數(shù)字溫度傳感器將溫度轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，然后向微處理器傳輸。同一總線上可以掛載多個(gè)溫度傳感器。測溫分辨率可達(dá)0.062 5 ℃。測溫范圍為－55～125 ℃，使用獨(dú)特的單總線接口，采取2 種供電方式，外部電源、寄生電源[11]。由VDD 引腳接入，DS18B20 工作外部電源供電。信號(hào)線DQ 上獲取寄生電源。

4）顯示和狀態(tài)指示電路。4 個(gè)輸入按鍵、液晶顯示模塊組成系統(tǒng)顯示調(diào)試部分。4 個(gè)LED 燈組成指示燈電路。STM32 與外圍傳感器的通信狀態(tài)，通過LED 燈指示。LCD 顯示終端LCM240128，可直接連接單片機(jī)I/O 。通信接口兼容TTL 電平。對(duì)電鏟工作狀態(tài)的參數(shù)可以實(shí)時(shí)顯示。對(duì)外接口有讀命令線、數(shù)據(jù)／命令選擇線、讀寫狀態(tài)線、復(fù)位命令線、片選線、數(shù)據(jù)線等等[12]。調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)、控制菜單，使用4個(gè)按鍵。系統(tǒng)工作狀態(tài)指示連接至STM32 引腳上。有源蜂鳴器BEEP，內(nèi)部自帶震蕩源。系統(tǒng)上電初始化時(shí)，直到初始化完成，蜂鳴器一直鳴叫[13]。超過臨界值的電鏟工作參數(shù)，就會(huì)出現(xiàn)報(bào)警提示。

2.3 電源電路

露天礦山電鏟工作時(shí)，通常使用6 000 V 以上工業(yè)級(jí)電源，需要采用架空線供電，線路上有多個(gè)大功率設(shè)備掛接。模擬電路中放大器等芯片要求15 V、±12 V 電壓；部分?jǐn)?shù)字芯片、溫度計(jì)模塊等要求5 V 電壓；主控芯片3.3 V 的工作電壓。系統(tǒng)設(shè)計(jì)多組電壓源，減少不同電源間的相互干擾。供電電壓異常大，電阻阻值極小，視為短路。供電電壓小于其閾值，視為斷路[14]。壓敏電阻保護(hù)后級(jí)電源電路。使用齊納二極管3 個(gè)，降低電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響，促進(jìn)輸入電壓的穩(wěn)定。其發(fā)揮電壓鉗位的作用，防浪涌電壓，防止雷擊等，避免破壞電源[15]。

3 系統(tǒng)軟件

3.1 系統(tǒng)傳感器

軟件系統(tǒng)使用Unity＋PHP＋Mysql＋.NET 技術(shù)，主要以接收傳感器數(shù)據(jù)整合分析為主，軟件設(shè)計(jì)平板端使用C/S 架構(gòu)用先進(jìn)的Unity 語言實(shí)現(xiàn)三維仿真，后臺(tái)應(yīng)用端采用B/S 3 層架構(gòu)用WAMP 技術(shù)棧實(shí)現(xiàn)設(shè)備后臺(tái)配置與施工質(zhì)量分析展示，平板與應(yīng)用端采用標(biāo)準(zhǔn)的HTTP 協(xié)議通訊，平板端與傳感器采用串口、TCP、RS485 等協(xié)議實(shí)時(shí)通訊完成數(shù)據(jù)模塊間的數(shù)據(jù)共享與轉(zhuǎn)發(fā)。

系統(tǒng)安裝定位定向傳感器、角度傳感器和測距傳感器，分別用于計(jì)算電鏟天線位置、車身方位和俯仰、電鏟斗桿旋轉(zhuǎn)角度和電鏟斗桿伸縮長度，通過這些參數(shù)結(jié)合先測量好的參數(shù)，通過數(shù)學(xué)公式即可實(shí)時(shí)計(jì)算出鏟尖位置，完成電鏟挖掘引導(dǎo)工作[16]。系統(tǒng)傳感器安裝示意圖如圖2。

圖2 系統(tǒng)傳感器安裝示意圖

通過旋轉(zhuǎn)軸A 與傳感器A 3 個(gè)方向的相對(duì)位移和距離，計(jì)算出設(shè)備的方位角，俯仰角計(jì)算出旋轉(zhuǎn)軸A 的實(shí)時(shí)坐標(biāo)。

通過旋轉(zhuǎn)軸A 坐標(biāo)和斗桿偏移角度以及斗桿/鏟斗長度，利用三角函數(shù)計(jì)算鏟尖坐標(biāo)。

3.2 系統(tǒng)主要功能及應(yīng)用

系統(tǒng)主要包含2 部分功能，一部分為后臺(tái)配置以及作業(yè)質(zhì)量分析，另一部分為終端配置，實(shí)時(shí)引導(dǎo)電鏟作業(yè)。通過終端與后臺(tái)共同實(shí)現(xiàn)電鏟作業(yè)引導(dǎo)功能、達(dá)到高效施工，準(zhǔn)確施工，完美施工效果[17]。任務(wù)設(shè)置主要包括管理機(jī)械（車輛）基本信息，機(jī)械參數(shù)管理和任務(wù)參數(shù)管理。其中機(jī)械管理是維護(hù)需要工作的電鏟基本信息[18]。終端會(huì)實(shí)時(shí)上傳施工過程數(shù)據(jù)到服務(wù)端，在司機(jī)完成作業(yè)時(shí)，終端會(huì)上傳施工質(zhì)量數(shù)據(jù)給服務(wù)端，后臺(tái)可以展示上傳作業(yè)的施工質(zhì)量[19]。

1）啟動(dòng)終端。打開終端，啟動(dòng)軟件，初次啟動(dòng)會(huì)直接進(jìn)入工作主頁面，此時(shí)沒有工作任務(wù)信息。非初次啟動(dòng)會(huì)提示是否加載之前的作業(yè)數(shù)據(jù)，選擇不加載會(huì)進(jìn)入新的工作主界面，選擇加載會(huì)加載上一次的作業(yè)數(shù)據(jù)。

2）系統(tǒng)配置。選取功能設(shè)置菜單，選擇系統(tǒng)配置功能，進(jìn)入系統(tǒng)配置頁面，能夠進(jìn)行機(jī)械配置操作，包括通訊配置，GNSS 配置（暫無）和傳感器配置。

3）電鏟引導(dǎo)分析。系統(tǒng)的核心功能為電鏟引導(dǎo)，能夠在電鏟鏟尖位置查看，引導(dǎo)司機(jī)作業(yè)。也可以上傳施工質(zhì)量信息到服務(wù)端，在后臺(tái)進(jìn)行展示[20]。通過菜單設(shè)置，進(jìn)行項(xiàng)目管理，然后上傳當(dāng)前作業(yè)。新增任務(wù)進(jìn)行手動(dòng)錄入，對(duì)于縱斷面/橫斷面數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。在此也可以修改參數(shù)。加載事先定義好的任務(wù)信息，對(duì)作業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。

4）高程引導(dǎo)分析。高程引導(dǎo)為指引車輛在相對(duì)穩(wěn)定的工作評(píng)判進(jìn)行作業(yè)，可以輔助提高電鏟施工作業(yè)質(zhì)量。在系統(tǒng)中使用高程引導(dǎo)項(xiàng)目，根據(jù)作業(yè)情況進(jìn)行高程設(shè)置。高程引導(dǎo)信息通過高程引導(dǎo)頁面會(huì)實(shí)時(shí)顯示，從而實(shí)現(xiàn)電鏟作業(yè)標(biāo)高的控制。

5）其它功能分析。系統(tǒng)其它功能有終端可以在電鏟引導(dǎo)和高程引導(dǎo)頁面自由切換，放大縮小查看電鏟模型，切換窗口顯示視角，以及查看電鏟實(shí)時(shí)位置信息等。

應(yīng)用電鏟智能引導(dǎo)系統(tǒng)，能夠及時(shí)準(zhǔn)確定位，定位精度水平優(yōu)于0.2 m，垂直優(yōu)于0.5 m。姿態(tài)測量精度優(yōu)于0.2°。狀態(tài)反應(yīng)快速準(zhǔn)確，即使在復(fù)雜條件下，也能夠在1 s 內(nèi)實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)信息和控制指令，高程精度控制3 cm，有效降低工作人員的工作強(qiáng)度，提升工作效率。

4 結(jié)語

電鏟作為露天礦重要的生產(chǎn)工具，在運(yùn)行環(huán)境相對(duì)惡劣的情況下，調(diào)度管理和精細(xì)化施工確實(shí)存在不同層次差異，設(shè)計(jì)一種電鏟智能引導(dǎo)系統(tǒng)。提高了操作員對(duì)電鏟工作時(shí)各項(xiàng)機(jī)械參數(shù)的了解和采集，在安全操作上對(duì)各機(jī)械單元指數(shù)一目了然，大大提高信息化水平；在精細(xì)化施工和降低人工勞動(dòng)成本以及安全生產(chǎn)方面有明顯效果；推進(jìn)了露天煤礦電鏟調(diào)度管理系統(tǒng)的科技化、智能化、創(chuàng)新化工作模式，為實(shí)現(xiàn)礦山智能化的發(fā)展需要，科技創(chuàng)新型管理水平，數(shù)字化施工奠定良好基礎(chǔ)。