基于邊緣計算的礦井提升機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)

劉柯杰，王正國，李濟順,4，薛玉君,4

1河南科技大學(xué)機電工程學(xué)院 河南洛陽 471003

2河南省機械設(shè)計及傳動系統(tǒng)重點實驗室 (河南科技大學(xué))河南洛陽 471003

3洛陽中重自動化工程有限責(zé)任公司 河南洛陽 471039

4礦山重型裝備國家重點實驗室 河南洛陽 471039

礦 井提升機是礦產(chǎn)資源開采過程中的重要設(shè)備，承擔著沿井筒運送物料、設(shè)備和人員的任務(wù)，被稱為礦山的“咽喉”[1]。提升機的運行狀態(tài)直接影響礦產(chǎn)生產(chǎn)和人員安全，對礦井提升機進行健康狀態(tài)監(jiān)測，有助于確保礦山安全生產(chǎn)。對此，瑞士ABB 公司開發(fā)了帶有行程保護的提升機健康管理系統(tǒng)，國內(nèi)中信重工開發(fā)了用于提升機機電設(shè)備的溫度振動監(jiān)測系統(tǒng)。同時，有學(xué)者在提升機關(guān)鍵部位安裝傳感器，將傳感器數(shù)據(jù)上傳至上位機進行故障診斷，判斷提升機狀態(tài)[2-5]，但目前應(yīng)用的健康管理系統(tǒng)擴展性低，且大多直接將傳感器獲取的數(shù)據(jù)傳輸至上位機進行故障診斷，上傳數(shù)據(jù)量大，網(wǎng)絡(luò)負擔大。

有學(xué)者提出，將遠程智能診斷平臺與監(jiān)測系統(tǒng)自適應(yīng)、自檢測相結(jié)合的提升機健康管理系統(tǒng)作為研發(fā)方向[6]?；诖?，筆者設(shè)計了一種基于邊緣計算的礦井提升機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，采集提升機運行狀態(tài)的關(guān)鍵部位參數(shù)，且系統(tǒng)具有擴展性，可減緩大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ艍毫?，提高故障診斷效率。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 提升機組成與運行特點研究

設(shè)計監(jiān)測系統(tǒng)，需要先研究提升機組成和運行狀態(tài)特點，分析提升機常見故障，針對故障原因選取部位進行監(jiān)測，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)特征與設(shè)置閾值進行對比，以判斷提升機健康狀態(tài)。提升機是復(fù)雜的機電液一體化裝備，主要由拖動系統(tǒng)和制動系統(tǒng)組成。拖動系統(tǒng)主要由電動機、減速器、主軸和滾筒組成，制動系統(tǒng)主要由制動盤、閘瓦和液壓站組成。前者主要監(jiān)測旋轉(zhuǎn)機械的振動參數(shù)，后者監(jiān)測閘瓦位移、制動盤溫度和制動油壓，以判斷提升機健康狀態(tài)。

在實際生產(chǎn)中，提升機一個運行周期由啟動、加速、勻速運行、減速、爬行和制動 6 個運行過程組成。隨著提升機運行狀態(tài)的變化，提升容器的運行速度可簡化成如圖 1 所示的速度曲線。

圖1 提升容器運行速度曲線Fig.1 Curve of operating speed of hoisting container

如圖 1 所示：t0之前為啟動階段，提升容器從靜止狀態(tài)以較小的加速度a0加速到v0；t0～t1是主加速階段，提升容器以加速度a1勻加速到最大行程速度vmax；t1～t2為勻速運行階段，提升容器以vmax平穩(wěn)運行；t2～t3為減速階段，提升容器做勻減速運動；t3～t4為爬行階段，也是提升機在制動前的緩沖階段，應(yīng)使容器速度保持平緩；t4～t5為制動階段，提升機經(jīng)兩次合閘進行制動。在上述運行過程中，升降物料時，加速度不應(yīng)超過 1.0 m/s2，減速度不應(yīng)超過 1.2 m/s2；升降人員時，加、減速度不應(yīng)超過 0.75 m/s2。此外，立井提升時，加、減速度的變化率宜為 0.3～0.5 m/s3[7]。

綜合考慮提升機各組成部分及其常見故障，可采集如表 1 所列的關(guān)鍵部位參數(shù)與設(shè)置閾值進行對比，來判斷提升機運行狀態(tài)。

表1 常見故障及特征參數(shù)Tab.1 Common faults and characteristic parameters

1.2 監(jiān)測系統(tǒng)框架設(shè)計

監(jiān)測系統(tǒng)由感知層、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建層、應(yīng)用層組成，系統(tǒng)框架如圖 2 所示。感知層由安裝在提升機監(jiān)測部位的無線監(jiān)測終端組成，終端根據(jù)上位機發(fā)布的任務(wù)參數(shù)采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)，提取并融合數(shù)據(jù)特征后傳輸至上位機。終端的每個物理接口在系統(tǒng)中被稱為物理通道。監(jiān)測終端與上位機通過 TCP/IP 協(xié)議進行通信，為保證上位機對監(jiān)測終端設(shè)備的管理，每個終端設(shè)備都以預(yù)先設(shè)置的 IP 地址接入局域網(wǎng)。構(gòu)成應(yīng)用層的上位機是系統(tǒng)的管理和控制中心，通過人機交互界面可動態(tài)添加或管理監(jiān)測設(shè)備，在接受到終端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)后，可將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫并顯示在人機交互界面。通過上位機建立的用來傳輸各路特征數(shù)據(jù)的載體被稱為虛擬通道，一個虛擬通道可將多個物理通道的數(shù)據(jù)融合成一路數(shù)據(jù)，提高了數(shù)據(jù)的可靠性。

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)框架Fig.2 Framework of monitoring system

2 系統(tǒng)硬件組成

監(jiān)測終端設(shè)備承擔讀取傳感器信號并對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理的過程任務(wù)。在局域網(wǎng)中，每個監(jiān)測終端具有唯一的 IP 地址和 TCP 端口號，方便上位機管理。系統(tǒng)選擇 TI 公司的 CC3220SF 嵌入式無線開發(fā)板作為終端設(shè)備芯片。該開發(fā)板內(nèi)置運行頻率為 80 MHz的 ARM 和高度集成的 WiFi 網(wǎng)絡(luò)處理器，可選擇接入點 AP 和站點 STA 兩種網(wǎng)絡(luò)工作模式。開發(fā)板內(nèi)含 1 MB Flash 和 256 kB RAM，具備一個 4 通道 12 位分辨率的逐次逼近型 ADC 模塊，對傳感器數(shù)據(jù)進行預(yù)處理后，可通過 WiFi 模塊將數(shù)據(jù)傳輸至上位機，滿足監(jiān)測終端對數(shù)據(jù)預(yù)處理與傳輸?shù)男枨蟆?shù)據(jù)在監(jiān)測終端的流向如圖 3 所示。ADC 模塊讀取傳感器數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)傳送至 ARM 進行特征值提取，然后經(jīng)WiFi 模塊傳輸至上位機。

圖3 監(jiān)測終端中數(shù)據(jù)流向Fig.3 Data flow in monitoring terminal

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

系統(tǒng)選用免費且開放源碼的 MySQL 數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進行存儲。MySQL 作為一種關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，基于關(guān)系模型，將現(xiàn)實世界實體以及實體間的各種聯(lián)系用多張二維表表示。一種關(guān)系就是一張表，表中各列代表對象的屬性，行是一條條記錄的數(shù)據(jù)[8]?；谙到y(tǒng)總體框架，并圍繞礦井提升機監(jiān)測系統(tǒng)可擴展的需求，搭建了設(shè)備層、虛擬層和數(shù)據(jù)層的 3 層數(shù)據(jù)庫，如圖 4 所示。

圖4 三層數(shù)據(jù)庫的表關(guān)系圖Fig.4 Relationship of three-layer database

(1) 設(shè)備層中有監(jiān)測終端表和模擬輸入物理通道表。監(jiān)測終端表存放監(jiān)測終端 ID 與 IP 地址、TCP 端口號、設(shè)備名稱、物理通道總數(shù)、濾波功能參數(shù)、放大功能參數(shù)和采樣頻率范圍等；模擬輸入物理通道表存放系統(tǒng)各個監(jiān)測終端模擬輸入物理通道的屬性，如通道名稱、最大采樣頻率、最小采樣頻率、ADC 分辨率、最大輸入電壓、最小輸入電壓、所在終端 ID和信號調(diào)理參數(shù)等。

(2) 虛擬層中有虛擬通道表、通道關(guān)系表和采集任務(wù)表。虛擬通道表存放上位機創(chuàng)建的虛擬通道各個屬性，如虛擬通道 ID、采集的物理量類型、采樣模式、所用信號調(diào)理參數(shù)、模數(shù)轉(zhuǎn)換參數(shù)、采樣觸發(fā)模式、所在任務(wù) ID 等；通道關(guān)系表是虛擬通道表和模擬輸入物理通道表的中間表，該表存放虛擬通道與物理通道的聯(lián)系。

(3) 數(shù)據(jù)層中有時域特征表和原始數(shù)據(jù)表。時域特征表存放系統(tǒng)各個虛擬通道傳輸?shù)奶卣鲾?shù)據(jù)，如數(shù)據(jù)來源的虛擬通道 ID、時間戳以及最大值、最小值、峰峰值、均值、方差、平均幅值、能量、均方根、方根幅值、標準差、峰值系數(shù)、波形系數(shù)、偏度因子、脈沖因子、裕度因子、峭度、峭度因子等 17 個時域特征；原始數(shù)據(jù)表存放因數(shù)據(jù)特征超過設(shè)定閾值時，監(jiān)測終端上傳的原始數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)來源的虛擬通道 ID。

3.2 終端程序設(shè)計

監(jiān)測終端程序包含局域網(wǎng)連接、與上位機建立通信連接、數(shù)據(jù)采集與傳輸 3 個模塊。選用 TI 公司CCS 編譯器 (Code Composer Studio) 作為終端程序的集成開發(fā)環(huán)境，該環(huán)境不僅支持可移植操作系統(tǒng)接口標準 (Portable Operating System Interface of UNIX，POSIX)，而且可選用 TI 公司為 CC3220SF 開發(fā)者提供的開發(fā)工具包 (Software Development Kit，SDK)。工具包內(nèi)含硬件接口函數(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信接口函數(shù)和實時操作系統(tǒng) TI-RTOS 函數(shù)等庫函數(shù)，保證了終端程序的可移植性。為方便系統(tǒng)管理監(jiān)測終端，所有終端都以 STA 模式接入局域網(wǎng)，并作為 Socket 服務(wù)端等待上位機 Socket 客戶端連接。

(1) 局域網(wǎng)連接模塊的作用是接入無線局域網(wǎng)，程序流程如圖 5 所示。開發(fā)板通電后，調(diào)用 Board_init General() 初始化開發(fā)板；開發(fā)板初始化后，定義該模塊線程優(yōu)先級和堆棧大小，并調(diào)用 pthread_create() 函數(shù)創(chuàng)建局域網(wǎng)連接線程。該線程內(nèi)可配置監(jiān)測終端接入局域網(wǎng)時的 IP 地址，調(diào)用 sl_Start() 函數(shù)啟動開發(fā)板內(nèi)置 SimpleLink 網(wǎng)絡(luò)模塊驅(qū)動。該驅(qū)動使開發(fā)板進入站點工作模式，并以預(yù)先配置的 IP 地址接入無線局域網(wǎng)。

圖5 局域網(wǎng)連接的程序流程Fig.5 Program flow of LAN connection

(2) 采用基于 TCP/IP 協(xié)議的套接字 (Socket) 接口技術(shù)與上位機建立通信模塊。TCP/IP 協(xié)議不僅只包含 TCP 和 IP 兩個協(xié)議，而是由 FTP、TCP、UDP、IP 等多個協(xié)議構(gòu)成的協(xié)議簇。Socket 作為 TCP/IP 協(xié)議簇中抽象化的接口技術(shù)，將復(fù)雜的 TCP/IP 協(xié)議封裝成方便調(diào)用的一組接口[9]。Socket 接口可選用 TCP或 UDP 作為傳輸控制協(xié)議。其中，TCP 是面向連接的，在通信時使用可靠的數(shù)據(jù)流傳輸，優(yōu)點是通信內(nèi)容安全且準確；UDP 不用建立連接，優(yōu)點是傳輸速度快，但傳輸時容易造成數(shù)據(jù)丟包?？紤]到系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，選用面向連接的 TCP 控制協(xié)議。Socket有阻塞和非阻塞兩種工作模式。阻塞工作模式只有在接收到建立連接的另一方后數(shù)據(jù)后，才能運行后面的程序，不利于數(shù)據(jù)采集，因而系統(tǒng)選用非阻塞工作模式。監(jiān)測終端 Socket 建立連接流程如圖 6 所示。

圖6 與上位機建立通信的流程Fig.6 Process flow of communication establishment with host computer

終端設(shè)備聲明 Socket 需要綁定的結(jié)構(gòu)體參數(shù)。該結(jié)構(gòu)體內(nèi)含 Socket 監(jiān)聽的 IP 地址和 Port 端口號，調(diào)用 sl_Socket() 函數(shù)創(chuàng)建一個 Socket 實例，將結(jié)構(gòu)體參數(shù)與實例綁定；調(diào)用 sl_SetSockOpt() 函數(shù)將此實例設(shè)置為非阻塞模式，即可等待上位機連接。在監(jiān)測終端與上位機完成通信連接后，終端等待上位機發(fā)布任務(wù)。通信協(xié)議數(shù)據(jù)包格式如表 2 所列。

表2 數(shù)據(jù)包格式Tab.2 Format of data packet

(3) 數(shù)據(jù)采集和傳輸模塊有 3 種任務(wù)模式：單點采集、多點采集和連續(xù)采集。單點采集和多點采集模式中終端對傳感器數(shù)據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換后，跳過提取特征值過程，直接傳輸至上位機，適合采集溫度等靜態(tài)信號；連續(xù)采集模式程序流程如圖 7 所示，終端根據(jù)任務(wù)參數(shù)提取傳感器數(shù)據(jù)中的時域特征。若特征值未超過設(shè)置閾值，則上傳特征值；否則，直接上傳原始值與特征值。

圖7 連續(xù)采集模式的程序流程Fig.7 Program flow of continuous acquisition mode

3.2 上位機設(shè)計

系統(tǒng)上位機由 C Sharp 語言在 Windows 平臺上的 Visual Studio 編譯器內(nèi)編寫。上位機程序框架如圖8 所示，包含基礎(chǔ)類、通信協(xié)議和各功能模塊。功能模塊可分為設(shè)備管理、物理通道管理和任務(wù)管理 3 個板塊。

圖8 上位機程序框架Fig.8 Framework of program of host computer

(1) 設(shè)備管理板塊實現(xiàn)更新設(shè)備信息 (IP 地址和TCP 端口號)、刪除設(shè)備、連接設(shè)備等功能。軟件運行后，可新建設(shè)備管理界面，通過該界面對設(shè)備 IP地址、端口號等屬性進行增刪和修改。通過設(shè)備連接界面，可與已加入局域網(wǎng)的任意監(jiān)測設(shè)備建立通信，同時命令該監(jiān)測終端上傳設(shè)備特征，如物理通道數(shù)、ADC 分辨率、采樣頻率等。在接收到設(shè)備特征后，程序的終端通信模塊將調(diào)用數(shù)據(jù)庫模塊更新數(shù)據(jù)。每當上位機與監(jiān)測終端連接時，程序后臺將會新建一個線程負責(zé)與該終端進行通信，防止單線程 Socket 通信的阻塞，并確保數(shù)據(jù)安全。

(2) 物理通道管理板塊可查詢設(shè)備物理通道。通過物理通道界面獲取系統(tǒng)所有尚未被任務(wù)占用的物理通道，并顯示物理通道 ID，采樣速率、分辨率、最小輸入、最大輸入和該通道所在的設(shè)備 ID 等參數(shù)。

(3) 任務(wù)管理板塊實現(xiàn)創(chuàng)建采集任務(wù)和結(jié)束任務(wù)功能。創(chuàng)建任務(wù)的界面如圖 9 所示，該界面可新增本次新建任務(wù)中的虛擬通道。虛擬通道是系統(tǒng)中一路信號的載體，該路信號可能由一個或多個物理通道，按照設(shè)置的采樣頻率、采樣長度等參數(shù)，采集數(shù)據(jù)并進行特征提取和融合得來的。

圖9 創(chuàng)建任務(wù)界面Fig.9 Interface of task creation

一次數(shù)據(jù)采集任務(wù)可包含多個虛擬通道，但一個虛擬通道僅能傳輸屬于同一個終端的物理通道數(shù)據(jù)。通過該界面可配置本次任務(wù)中新建虛擬通道與系統(tǒng)物理通道的聯(lián)系，設(shè)置采集物理量參數(shù)、模數(shù)轉(zhuǎn)換參數(shù)和信號調(diào)理參數(shù)。通道聯(lián)系指此虛擬通道承載哪些物理通道采集的數(shù)據(jù)；模數(shù)轉(zhuǎn)換參數(shù)指分辨率、采樣頻率、采樣點數(shù)和采樣觸發(fā)模式；信號調(diào)理參數(shù)指放大倍數(shù)和濾波參數(shù)。任務(wù)參數(shù)設(shè)置完畢，即可將該任務(wù)封裝為結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)測終端，終端根據(jù)此參數(shù)進行數(shù)據(jù)采集。任務(wù)發(fā)布后，將本次任務(wù)占用的物理通道在數(shù)據(jù)庫中標記為不可用，以免下次創(chuàng)建任務(wù)時共用同一物理通道，待終端任務(wù)結(jié)束后即可釋放這些物理通道。

4 結(jié)論

(1) 根據(jù)提升機的組成部件及其常見故障，確定在提升機啟動、加速、勻速運行、減速和爬行階段采集電動機、主軸和減速器的運行參數(shù)，在提升機制動階段采集閘瓦位移、偏擺及液壓缸油壓參數(shù)，以判斷提升機狀態(tài)運行。

(2) 針對采集數(shù)據(jù)量大的問題，系統(tǒng)將數(shù)據(jù)特征提取的過程下沉到監(jiān)測終端，并可將多個物理通道數(shù)據(jù)融合后，通過虛擬通道傳輸至上位機，并儲存在MySQL 數(shù)據(jù)庫，降低了網(wǎng)絡(luò)通信成本，并可向遠程故障診斷平臺提供特征數(shù)據(jù)。