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)機電設(shè)備日趨大型化、復(fù)雜化和專業(yè)化，傳統(tǒng)的理論講解和模型培訓(xùn)難以滿足設(shè)備培訓(xùn)需求，同時《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(征求意見稿)》等對煤礦多種工種操作人員的實操考核提出了明確要求[1-3]。半實物仿真是在計算機仿真回路中接入實物，將部分難以用實物代替的對象的動態(tài)特性通過建立數(shù)學(xué)模型、編程在計算機上運行，人員通過操作真實設(shè)備控制虛擬設(shè)備動作[4-6]，廣泛應(yīng)用于飛機訓(xùn)練模擬器、石油鉆井等復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)操作培訓(xùn)，是一種替代真實環(huán)境或設(shè)備的典型培訓(xùn)方法，具有可重復(fù)、經(jīng)濟、安全等優(yōu)點[7-9]。多種型式的半實物實操平臺(如連續(xù)采煤機仿真模擬器、掘進機實操系統(tǒng)、提升機操作訓(xùn)練系統(tǒng)等)開始應(yīng)用于礦山設(shè)備培訓(xùn)[10-12]，其中采集真實設(shè)備控制面板的操作信號并輸入虛擬場景以驅(qū)動虛擬設(shè)備運轉(zhuǎn)是核心。目前普遍做法是針對具體被仿真設(shè)備開發(fā)特定的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，但礦山設(shè)備種類多樣、型號多變，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)重復(fù)開發(fā)造成資源和時間浪費[13]。本文以半實物綜采實操平臺為背景，開發(fā)了一種可擴展數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可滿足多種型式的半實物實操平臺數(shù)據(jù)采集需求，節(jié)約開發(fā)資源，縮短開發(fā)周期。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需求

半實物綜采實操平臺是面向煤礦采煤機司機和液壓支架工培訓(xùn)設(shè)計的模擬設(shè)備，由高仿真、全比例的采煤機操作臺和液壓支架操作臺組成，2個操作臺整體架構(gòu)相同[14]。半實物綜采實操平臺所模擬的原型設(shè)備分別為MGTY400/930-3.3D型采煤機和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，考慮到操作臺總體供電控制和上位機開關(guān)控制，采煤機和液壓支架操作臺控制面板均需要增加電源開關(guān)、供電指示燈、開機按鈕、開機指示燈4個控件。此外，由于僅通過1個液壓支架操作臺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)置成組移架過程中成組動作支架臺數(shù)。采煤機、液壓支架操作臺控制面板控件分別見表1、表2。因此，采煤機操作臺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要滿足1個模擬量、21個開關(guān)量的輸入需求；液壓支架操作臺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要滿足9個模擬量、7個開關(guān)量的輸入需求。

表1 采煤機操作臺控制面板控件

表2 液壓支架操作臺控制面板控件

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，需要滿足以下功能要求。

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

(2) 滿足實時性要求，保證虛擬場景對人員操作響應(yīng)無延遲，包括2個方面：① 能夠在人員操作的極短時間內(nèi)采集帶回彈功能的按鈕或旋鈕產(chǎn)生的操作信號；② 能夠?qū)崟r采集同時操作多個按鈕產(chǎn)生的操作信號。

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

(4) 開關(guān)量和模擬量單獨采集、統(tǒng)一處理，以靈活的擴展組合模式適應(yīng)不同半實物實操平臺數(shù)據(jù)采集需求。

數(shù)據(jù)采集板分為主板和擴展板，實物如圖1所示。

(a) 主板

(b) 擴展板

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

擴展板核心為通用I/O擴展芯片PCA9555D，可采集16路開關(guān)量信號。開關(guān)量信號經(jīng)濾波電路濾波后，通過TLP521-1光電耦合器實現(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。

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

(a) 一主多擴

(b) 一主多從多擴

以半實物綜采實操平臺為例，采煤機操作臺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用一主多擴模式，即1塊主板與2塊擴展板相連，如圖3(a)所示；液壓支架操作臺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用一主多從多擴模式，即2塊主板與1塊擴展板相連，其中一塊主板作為主機，另一塊主板作為從機，如圖3(b)所示。AC220 V電源直接連接自鎖按鈕，并分別為上位機和開關(guān)電源供電，通過自鎖按鈕控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電源通斷。開關(guān)電源輸出DC12 V，為主板和擴展板供電。開關(guān)量信號通過開關(guān)按鈕產(chǎn)生，開關(guān)按鈕公共點直接接入開關(guān)電源正極，開關(guān)按鈕另一端接入擴展板的開關(guān)量采集通道；模擬量信號通過電位器產(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，電位器滑動端接入主板的模擬量采集通道。作為從機的主板和擴展板均由串行數(shù)據(jù)線(SDA)和時鐘線(SCL)以并聯(lián)方式接入作為主機的主板。

(a) 采煤機操作臺

(b) 液壓支架操作臺

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語言編寫數(shù)據(jù)采集程序，流程如圖4所示。首先進行系統(tǒng)初始化，包括單片機I/O、定時器、串口、I2C接口初始化。然后通過地址輪巡判斷是否有從機：如果沒有從機，即一主多擴模式時，僅采集主機模擬量；如果有從機，即一主多從多擴模式時，先采集從機模擬量，再采集主機模擬量。之后采集開關(guān)量，將模擬量和開關(guān)量寫入主機寄存器。最后通過延時等待，保證以固定時間間隔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#語言編寫通信程序。為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性，上位機以200 ms的時間間隔讀取主機寄存器數(shù)據(jù)。采煤機和液壓支架操作臺對應(yīng)的上位機之間通過TCP/IP協(xié)議進行數(shù)據(jù)交換，保證2個操作臺虛擬場景同步響應(yīng)、協(xié)同動作。

4 結(jié)語

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