基于邊緣計算的礦井提升機狀態監測系統研發

劉柯杰，王正國，李濟順,4，薛玉君,4

1河南科技大學機電工程學院 河南洛陽 471003

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

3洛陽中重自動化工程有限責任公司 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 井提升機是礦產資源開采過程中的重要設備，承擔著沿井筒運送物料、設備和人員的任務，被稱為礦山的“咽喉”[1]。提升機的運行狀態直接影響礦產生產和人員安全，對礦井提升機進行健康狀態監測，有助于確保礦山安全生產。對此，瑞士ABB 公司開發了帶有行程保護的提升機健康管理系統，國內中信重工開發了用于提升機機電設備的溫度振動監測系統。同時，有學者在提升機關鍵部位安裝傳感器，將傳感器數據上傳至上位機進行故障診斷，判斷提升機狀態[2-5]，但目前應用的健康管理系統擴展性低，且大多直接將傳感器獲取的數據傳輸至上位機進行故障診斷，上傳數據量大，網絡負擔大。

有學者提出，將遠程智能診斷平臺與監測系統自適應、自檢測相結合的提升機健康管理系統作為研發方向[6]。基于此，筆者設計了一種基于邊緣計算的礦井提升機狀態監測系統，采集提升機運行狀態的關鍵部位參數，且系統具有擴展性，可減緩大量數據傳輸的通信壓力，提高故障診斷效率。

1 系統總體設計

1.1 提升機組成與運行特點研究

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

在實際生產中，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，應使容器速度保持平緩；t4～t5為制動階段，提升機經兩次合閘進行制動。在上述運行過程中，升降物料時，加速度不應超過 1.0 m/s2，減速度不應超過 1.2 m/s2；升降人員時，加、減速度不應超過 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 所列的關鍵部位參數與設置閾值進行對比，來判斷提升機運行狀態。

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

1.2 監測系統框架設計

監測系統由感知層、網絡構建層、應用層組成，系統框架如圖 2 所示。感知層由安裝在提升機監測部位的無線監測終端組成，終端根據上位機發布的任務參數采集相應的數據，提取并融合數據特征后傳輸至上位機。終端的每個物理接口在系統中被稱為物理通道。監測終端與上位機通過 TCP/IP 協議進行通信，為保證上位機對監測終端設備的管理，每個終端設備都以預先設置的 IP 地址接入局域網。構成應用層的上位機是系統的管理和控制中心，通過人機交互界面可動態添加或管理監測設備，在接受到終端傳輸的數據后，可將數據存入數據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據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據融合成一路數據，提高了數據的可靠性。

圖2 監測系統框架Fig.2 Framework of monitoring system

2 系統硬件組成

監測終端設備承擔讀取傳感器信號并對數據進行預處理的過程任務。在局域網中，每個監測終端具有唯一的 IP 地址和 TCP 端口號，方便上位機管理。系統選擇 TI 公司的 CC3220SF 嵌入式無線開發板作為終端設備芯片。該開發板內置運行頻率為 80 MHz的 ARM 和高度集成的 WiFi 網絡處理器，可選擇接入點 AP 和站點 STA 兩種網絡工作模式。開發板內含 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，對傳感器數據進行預處理后，可通過 WiFi 模塊將數據傳輸至上位機，滿足監測終端對數據預處理與傳輸的需求。數據在監測終端的流向如圖 3 所示。ADC 模塊讀取傳感器數據后，將數據傳送至 ARM 進行特征值提取，然后經WiFi 模塊傳輸至上位機。

圖3 監測終端中數據流向Fig.3 Data flow in monitoring terminal

3 系統軟件設計

3.1 數據庫設計

系統選用免費且開放源碼的 MySQL 數據庫對數據進行存儲。MySQL 作為一種關系型數據庫，基于關系模型，將現實世界實體以及實體間的各種聯系用多張二維表表示。一種關系就是一張表，表中各列代表對象的屬性，行是一條條記錄的數據[8]。基于系統總體框架，并圍繞礦井提升機監測系統可擴展的需求，搭建了設備層、虛擬層和數據層的 3 層數據庫，如圖 4 所示。

圖4 三層數據庫的表關系圖Fig.4 Relationship of three-layer database

(1) 設備層中有監測終端表和模擬輸入物理通道表。監測終端表存放監測終端 ID 與 IP 地址、TCP 端口號、設備名稱、物理通道總數、濾波功能參數、放大功能參數和采樣頻率范圍等；模擬輸入物理通道表存放系統各個監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和信號調理參數等。

(2) 虛擬層中有虛擬通道表、通道關系表和采集任務表。虛擬通道表存放上位機創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、所用信號調理參數、模數轉換參數、采樣觸發模式、所在任務 ID 等；通道關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系。

(3) 數據層中有時域特征表和原始數據表。時域特征表存放系統各個虛擬通道傳輸的特征數據，如數據來源的虛擬通道 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、波形系數、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；原始數據表存放因數據特征超過設定閾值時，監測終端上傳的原始數據和數據來源的虛擬通道 ID。

3.2 終端程序設計

監測終端程序包含局域網連接、與上位機建立通信連接、數據采集與傳輸 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環境，該環境不僅支持可移植操作系統接口標準 (Portable Operating System Interface of UNIX，POSIX)，而且可選用 TI 公司為 CC3220SF 開發者提供的開發工具包 (Software Development Kit，SDK)。工具包內含硬件接口函數、網絡通信接口函數和實時操作系統 TI-RTOS 函數等庫函數，保證了終端程序的可移植性。為方便系統管理監測終端，所有終端都以 STA 模式接入局域網，并作為 Socket 服務端等待上位機 Socket 客戶端連接。

(1) 局域網連接模塊的作用是接入無線局域網，程序流程如圖 5 所示。開發板通電后，調用 Board_init General() 初始化開發板；開發板初始化后，定義該模塊線程優先級和堆棧大小，并調用 pthread_create() 函數創建局域網連接線程。該線程內可配置監測終端接入局域網時的 IP 地址，調用 sl_Start() 函數啟動開發板內置 SimpleLink 網絡模塊驅動。該驅動使開發板進入站點工作模式，并以預先配置的 IP 地址接入無線局域網。

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

(2) 采用基于 TCP/IP 協議的套接字 (Socket) 接口技術與上位機建立通信模塊。TCP/IP 協議不僅只包含 TCP 和 IP 兩個協議，而是由 FTP、TCP、UDP、IP 等多個協議構成的協議簇。Socket 作為 TCP/IP 協議簇中抽象化的接口技術，將復雜的 TCP/IP 協議封裝成方便調用的一組接口[9]。Socket 接口可選用 TCP或 UDP 作為傳輸控制協議。其中，TCP 是面向連接的，在通信時使用可靠的數據流傳輸，優點是通信內容安全且準確；UDP 不用建立連接，優點是傳輸速度快，但傳輸時容易造成數據丟包。考慮到系統傳輸數據的穩定性，選用面向連接的 TCP 控制協議。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據后，才能運行后面的程序，不利于數據采集，因而系統選用非阻塞工作模式。監測終端 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

終端設備聲明 Socket 需要綁定的結構體參數。該結構體內含 Socket 監聽的 IP 地址和 Port 端口號，調用 sl_Socket() 函數創建一個 Socket 實例，將結構體參數與實例綁定；調用 sl_SetSockOpt() 函數將此實例設置為非阻塞模式，即可等待上位機連接。在監測終端與上位機完成通信連接后，終端等待上位機發布任務。通信協議數據包格式如表 2 所列。

表2 數據包格式Tab.2 Format of data packet

(3) 數據采集和傳輸模塊有 3 種任務模式：單點采集、多點采集和連續采集。單點采集和多點采集模式中終端對傳感器數據模數轉換后，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信號；連續采集模式程序流程如圖 7 所示，終端根據任務參數提取傳感器數據中的時域特征。若特征值未超過設置閾值，則上傳特征值；否則，直接上傳原始值與特征值。

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

3.2 上位機設計

系統上位機由 C Sharp 語言在 Windows 平臺上的 Visual Studio 編譯器內編寫。上位機程序框架如圖8 所示，包含基礎類、通信協議和各功能模塊。功能模塊可分為設備管理、物理通道管理和任務管理 3 個板塊。

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

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

(2) 物理通道管理板塊可查詢設備物理通道。通過物理通道界面獲取系統所有尚未被任務占用的物理通道，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備 ID 等參數。

(3) 任務管理板塊實現創建采集任務和結束任務功能。創建任務的界面如圖 9 所示，該界面可新增本次新建任務中的虛擬通道。虛擬通道是系統中一路信號的載體，該路信號可能由一個或多個物理通道，按照設置的采樣頻率、采樣長度等參數，采集數據并進行特征提取和融合得來的。

圖9 創建任務界面Fig.9 Interface of task creation

一次數據采集任務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據。通過該界面可配置本次任務中新建虛擬通道與系統物理通道的聯系，設置采集物理量參數、模數轉換參數和信號調理參數。通道聯系指此虛擬通道承載哪些物理通道采集的數據；模數轉換參數指分辨率、采樣頻率、采樣點數和采樣觸發模式；信號調理參數指放大倍數和濾波參數。任務參數設置完畢，即可將該任務封裝為結構體數據發送至監測終端，終端根據此參數進行數據采集。任務發布后，將本次任務占用的物理通道在數據庫中標記為不可用，以免下次創建任務時共用同一物理通道，待終端任務結束后即可釋放這些物理通道。

4 結論

(1) 根據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，在提升機制動階段采集閘瓦位移、偏擺及液壓缸油壓參數，以判斷提升機狀態運行。

(2) 針對采集數據量大的問題，系統將數據特征提取的過程下沉到監測終端，并可將多個物理通道數據融合后，通過虛擬通道傳輸至上位機，并儲存在MySQL 數據庫，降低了網絡通信成本，并可向遠程故障診斷平臺提供特征數據。