職 彥

(太原重工股份有限公司 技術(shù)中心礦山所,山西 太原 030024)

0 引言

工業(yè)裝備智能化是引領(lǐng)我國高端裝備制造高質(zhì)量發(fā)展的核心技術(shù)，該技術(shù)涉及面廣，多學科交叉融合。將人工智能、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、機器人、大數(shù)據(jù)、云計算、智能裝備等與現(xiàn)有工業(yè)產(chǎn)品深度融合，形成全面感知、實時互聯(lián)、分析決策、自主學習、動態(tài)預測、協(xié)同控制的智能系統(tǒng)，可極大地提高工業(yè)生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)的效率和環(huán)保水平。為了響應國家戰(zhàn)略發(fā)展需求，各行各業(yè)正在進行積極探索，以實現(xiàn)工業(yè)裝備智能化。

電鏟作為大型露天礦山的主要開采設(shè)備，在整個開采環(huán)節(jié)中占據(jù)著非常重要的位置。長期以來，露天礦山惡劣的現(xiàn)場環(huán)境(高粉塵、高噪聲、高震動)一直是危害現(xiàn)場操作及維護人員的主要因素，司機在現(xiàn)場嘈雜的環(huán)境中需要隨時集中精力，否則極易發(fā)生大型設(shè)備的安全事故。因此，有必要開發(fā)一套遠程操作系統(tǒng)。該套系統(tǒng)不僅可以提升操作者的駕駛體驗，更為今后的無人操作打通了部分技術(shù)難點。

1 遠程操作系統(tǒng)硬件架構(gòu)

遠程操作終端按實際的司機室配置組成，包括聯(lián)動臺和操作臺，最大程度模擬真實的操作環(huán)境。

系統(tǒng)硬件架構(gòu)主要由視頻部分和控制部分組成。視頻部分負責將司機室座艙視角及周邊環(huán)境實時傳輸至遠程操作終端；控制部分完成設(shè)備本地控制系統(tǒng)和遠程控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互，并融合必要的安全策略。

1.1 視頻部分

分布式監(jiān)控系統(tǒng)視頻部分主要包括高清攝像頭、無線傳輸天線、視頻解碼器及高清顯示屏。

(1)攝像頭的布置：在司機室內(nèi)布置4個攝像頭，分別對準前方工作機構(gòu)及左、右兩側(cè)視角，該攝像頭的布置直接關(guān)系到遠程的視覺還原效果；出于安全考慮，在機棚內(nèi)部的主要旋轉(zhuǎn)部件—鋼絲繩卷筒上布置1個攝像頭；由于電鏟設(shè)備尾部回轉(zhuǎn)半徑為10 m，旋轉(zhuǎn)時有可能和輔助作業(yè)的工程車輛發(fā)生擦碰，因此，在設(shè)備外部的左、右兩側(cè)也各布置1個盲區(qū)攝像頭；另外，在電鏟的尾部安裝電纜卷筒的位置也布置1個攝像頭，便于司機觀察移設(shè)過程中尾部高壓電纜的情況。

(2)天線的布置：天線的布置要求在電鏟旋轉(zhuǎn)工作的過程中信號傳輸無死角。設(shè)備的A型架頂端是除了天輪以外最高的位置，同時靠近設(shè)備回轉(zhuǎn)中心軸,震動幅度最小，因此在該處布置天線A；考慮系統(tǒng)冗余，在司機室頂端布置天線B。正常工作時，接收端實時掃描天線A和B的信號強度，并自動將信號切換至信號較強的天線端。

(3)視頻解碼器及高清顯示屏：解碼器用于圖像拼接，將司機室4個攝像頭傳輸?shù)膱D像在終端大屏幕上無縫拼接為一副完整的畫面，最大程度還原真實的司機視角。機棚內(nèi)部旋轉(zhuǎn)部位的圖像顯示于屏幕兩側(cè)，便于司機在不分散注意力的情況下隨時觀察。

1.2 控制部分

從設(shè)備運行可靠性和安全性考慮，當遠程操作系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，主機必須可靠停車，因此，遠程操作系統(tǒng)配備一套獨立的CPU控制器。遠程CPU在每個掃描周期內(nèi)向本地CPU發(fā)送一組校驗數(shù)據(jù)，用于判斷遠程系統(tǒng)的狀態(tài)。控制系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示，傳輸中間介質(zhì)采用西門子SCALANCE W系列無線產(chǎn)品。

圖1 控制系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

2 遠程操作系統(tǒng)軟件架構(gòu)

本系統(tǒng)采用西門子自帶的S7通信，具有如下兩種通信方式：

(1)基于客戶端(Client)/服務(wù)器(Server)的單邊通信?？蛻舳?Client)/服務(wù)器(Server)模式是最常用的通信方式，也稱作S7單邊通信。在該模式中，只需要在客戶端一側(cè)進行配置和編程，服務(wù)器一側(cè)只需要準備好需要被訪問的數(shù)據(jù)，不需要任何編程(服務(wù)器的“服務(wù)”功能是硬件提供的，不需要用戶軟件的任何設(shè)置)。

(2)基于伙伴(Partner)/伙伴(Partner)的雙邊通信?；锇?Partner)/伙伴(Partner)通信模式也稱為S7雙邊通信，也有人稱其為客戶端(Client)—客戶端(Client)模式。該通信方式有如下幾個特點：①通信雙方都需要進行配置和編程；②通信需要先建立連接,主動請求建立連接的是主動伙伴(Active Partner)，被動等待建立連接的是被動伙伴(Passive Partner)；③當通信建立后，通信雙方都可以發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。

使用中，在本地和遠程程序中各增加2個全局DB數(shù)據(jù)塊，一個用于接收數(shù)據(jù)，另一個用于發(fā)送數(shù)據(jù)。根據(jù)實際數(shù)據(jù)需要，發(fā)送和接收DB塊各定義26個字節(jié)，如圖2所示。其中的數(shù)據(jù)類型根據(jù)需要前10個BYTE獨立定義，用于Bool型變量的數(shù)據(jù)整合，整體傳輸；后16個BYTE兩兩組合為WORD型變量，用于模擬量的傳輸。遠程CPU中編程數(shù)據(jù)讀、寫的程序段如圖3、圖4所示。

圖2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

圖3 GET程序段

圖4 PUT程序段

在GET和PUT程序段中，使用了CPU自帶的時鐘頻率，該功能在硬件組態(tài)中CPU的設(shè)備屬性中勾選。勾選后CPU會提供8種頻率的時鐘，最高頻率為10 Hz。為了最大程度降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r延，保證操作的實時性和準確性，此處選用10 Hz作為程序塊的執(zhí)行周期，寫入REQ引腳。

選擇GET或PUT塊的屬性，點擊連接名稱，新建一個連接，例如命名為“S7_連接”。連接屬性中，記錄下本地ID的十六進制數(shù)值，填寫進ID引腳中。在GET程序塊中，ADDR_1引腳寫入伙伴CPU中待讀取數(shù)據(jù)的地址及數(shù)據(jù)長度，RD_1中寫入本地CPU中讀取數(shù)據(jù)的存放區(qū)域。在PUT程序塊中，SD_1引腳寫入本地CPU中發(fā)送數(shù)據(jù)的長度及起始地址，ADDR_1中寫入伙伴CPU接收數(shù)據(jù)后的存放地址。

當程序塊運行出錯時，ERROR引腳輸出高電平，STATUS輸出故障代碼。正常運行時，NDR和DONE引腳輸出高點平。

3 功能測試

軟件功能編程結(jié)束后，需要對關(guān)鍵信號逐一測試。測試時，在遠程操作終端分別按下各個控制按鈕，同時本地CPU在線觀察程序中相應的數(shù)據(jù)位是否變化。對于比較重要的抱閘信號，不僅測試該數(shù)據(jù)位是否正確傳輸，同時測試遠程數(shù)據(jù)位和本地數(shù)據(jù)位是否有邏輯沖突，確保邏輯的完備性和可靠性。

上述數(shù)據(jù)逐位測試結(jié)束后進行各個機構(gòu)的單獨啟動測試。為保證安全，在機構(gòu)獨立啟動測試過程中，本地駕駛室的司機隨時觀察設(shè)備的運行狀態(tài)，當有異常發(fā)生時立即切斷設(shè)備電源。遠程測試開始后，操作如下：按下提升機構(gòu)松閘按鈕，提升機構(gòu)接收到松閘指令后按預定程序啟動提升逆變器，程序收到逆變器運行反饋指令后，發(fā)出信號使能抱閘電磁閥，觀察提升機構(gòu)抱閘是否打開，確認無誤后進行抱閘測試；按下抱閘按鈕，提升抱閘機構(gòu)應立即動作，剎車片鎖緊提升機構(gòu)；之后再次按下提升機構(gòu)松閘按鈕，并輸出模擬量給定，觀察提升機構(gòu)是否按給定速度平穩(wěn)運行，在司機室人機界面觀察給定速度和反饋速度有無偏差。完成提升機構(gòu)的測試后，按相同的方法對其余機構(gòu)逐一測試。

4 聯(lián)動試車

進行了機構(gòu)各部試車正常后，再次啟動設(shè)備進行聯(lián)動試車。首先同時對各機構(gòu)進行松閘操作，松閘后各機構(gòu)逆變器正常啟動，抱閘打開，電機空載電流正常;之后各機構(gòu)同時給定速度，觀察電機實際運行速度和給定速度吻合，設(shè)備運行平穩(wěn)。

5 結(jié)語

該套操作系統(tǒng)在本地和遠程兩組CPU間通過SCALANCE W傳輸數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了設(shè)備的遠程操作。現(xiàn)場應用中，可根據(jù)工況將傳輸方式替換為5G或光纖，其余軟件編程不變，有很強的替換性和可擴展性。