关于采矿设备数据采集系统的研究

马永亮，王贵根，付艳龙，朱明钧，钟军明，朱志兴

（江西铜业集团有限公司 城门山铜矿，江西 九江 332100）

1 引言

与国外数字化矿山相比，目前国内矿山数字化水平并不高，矿山企业对矿山数字化的概念、意义和建设方法缺乏清晰的认识，矿山仍普遍延用传统粗放式管理，少部分矿山建成了矿山三维可视化模型，矿山智能调度系统，视频监控系统，边坡监测系统等，以上系统普遍仍停留在功能模块的层面，缺乏统一的平台，数据不能共享，功能不完整，扩展能力有限，同时作为矿山最基础最关键的设备采集系统被普遍忽视。城门山铜矿作为江铜首家智能化矿山建设试点单位，目前正稳步推进采矿智能化建设一期项目。而要实现矿产资源开采数字化、技术装备智能化、生产过程控制可视化、信息传输网络化、生产管理与决策科学化的基础是可靠的自动数据采集［1]。目前矿内在用进口采矿铲装设备自带的数据采集装置对设备底层运行及健康数据采集的种类少、通信实时性差、实用性差、各数据管理软件互不兼容，因此难于实现采矿设备数据全面实时采集，并构建矿内设备实时数据共享与运用的平台。

与国外数字化矿山相比，目前国内矿山数字化水平并不高，矿山企业对矿山数字化的概念、意义和建设方法缺乏清晰的认识，矿山仍普遍延用传统粗放式管理，少部分矿山建成了矿山三维可视化模型，矿山智能调度系统，视频监控系统，边坡监测系统等，以上系统普遍仍停留在功能模块的层面，缺乏统一的平台，数据不能共享，功能不完整，扩展能力有限，同时作为矿山最基础最关键的设备采集系统被普遍忽视。城门山铜矿作为江铜首家智能化矿山建设试点单位，目前正稳步推进采矿智能化建设一期项目。而要实现矿产资源开采数字化、技术装备智能化、生产过程控制可视化、信息传输网络化、生产管理与决策科学化的基础是可靠的自动数据采集［1]［10]。目前矿内在用进口采矿铲装设备自带的数据采集装置对设备底层运行及健康数据采集的种类少、通信实时性差、实用性差、各数据管理软件互不兼容，因此难于实现采矿设备数据全面实时采集，并构建矿内设备实时数据共享与运用的平台。

2 主要的研究与试验内容

（1）全面梳理矿内采矿铲装设备数据采集情况，选取国外进口的铰接式卡车、挖机作为研究与试验对象；

（2）全面熟悉试验对象的电气、机械和液压情况。电气方面主要关注试验对象的ECU数量、位置分布、针脚定义、控制功能、通讯技术、传感器分布等；机械方面主要关注试验对象关键部件尺寸、堵头设置、开孔等利于加装传感器；液压系统则关注动力传动原理；

（3）通过使用万用表、示波器等常用仪器测试和验证系统供电、通讯方法和工作参数；

（4）在确定试验对象通讯方案后，使用USBCAN卡、J1708接口卡等通讯适配卡接入到试验对象通讯网络尝试捕获通讯数据。与此同时，使用原厂专业诊断系统记录下记录车辆当前各项实时数据，以便于后续对数据进行全面深入的对比分析，从而获取总线数据规律及原始数据与应用数据的对应关系；

（5）开发对应的采集硬件与软件系统，完成试验对象作业前的常规功能测试，其中很关键的一步是现场数据模拟测试，主要包括现场数据的回放测试，验证采集装置的数据解析及数据应答响应；模拟ECU组网通讯测试，确保试验对象在输入模拟数据情况下可正常运行；

（6）现场作业调试，跟踪试验对象运行状态，并根据测试结果修改采集设备软件，使其工作在正常状态。

3 系统结构和配置

数据采集系统主要由采集装置、数据服务器、应用服务器构成，系统结构示意图见图1。采集装置完成数据采集后打包传输至数据服务器，数据服务器主要完成数据的前期处理及存储［7]，应用服务器主要用于完成用户应用访问控制、数据分析、展示等。

图1 系统结构示意图

3.1 采集装置内部结构

采集装置主要完成试验对象数据采集，数据预处理及通讯。采集装置内部结构示意图见图2，包括多级电源模块，处理器单元，存储单元，CAN-bus通讯［4]，J1708通讯，远程通讯，模拟量采集，开关信号输入输出等［5]。

3.2 采集装置性能指标

采集装置采用铸铝外壳，防护等级IP65，对外接口共5个，其中2个SMA母头用于连接通讯天线和GPS天线，其余3个SEMEMA-14接口用于连接外部信号和供电，采集装置性能指标见表1。

图2 采集装置内部结构示意图

主要采集的试验对象参数，见表2。

4 系统工作原理

试验对象启动后，采集装置开始上电运行多任务实时操作系统，内置看门狗电路，确保系统运行的可靠性。在本研究中，采集装置共设置4个用户任务，分别用于数据采集（试验对象通讯电缆数据采集和模拟量采集），GPS定位，远程数据传输，看门狗与运行状态指示，采集装置内部运行原理示意图见图3）。

图3 采集装置内部运行原理示意图

采集装置尝试通过车载通讯电缆与设备自带的ECU进行通讯，获得数据后对数据进行解析。另外采集装置可通过模拟输入通道采集模拟量，开关量以及频率信号。解析后的数据存到数据交换用的缓存中，另外一个任务从缓存中获取数据信息，并通过基于LTE网络将数据上传到服务器端，从而完成一次数据采集，通讯协议使用HTTP［2]。如果传输失败，系统将会在5s后再次尝试与服务器通讯，如果连续10次通讯失败，系统将会自动复位通讯模块，并重新尝试与服务器通讯，试验对象与数据采集装置数据传输线路连接［3]见图4。

5 采集系统管理平台功能

服务器在接收到采集装置上传的数据后将数据进行基本的处理后存储到数据库中，应用服务器可通过数据服务器提供的API接口获取数据服务器中的数据用于展示分析［6]。本次研究试点的采集系统管理平台功能，包括设备管理、设备监控管理两大功能板块。

5.1 设备管理功能板块

设备管理功能板块由设备台账管理、设备点检管理、设备保养管理、设备维修管理、设备备件管理、设备定位管理功能模块组成［8，11]。例举设备台账管理、设备点检管理展示界面见图5、图6。

图4 数据采集装置数据传输线路连接示意图

5.2 设备监控管理功能板块

图5 设备台账管理展示界面

图6 设备点检管理展示界面

设备监控管理功能板块主要由设备运行监控及预警、报警条件设置、报警流水记录、操作行为统计、准时开机统计、历史数据分析、报警统计分析和设备运行分析功能模块组成［9]。

例举设备运行监控及预警展示主界面见图7。图7展示了系统捕获的城门山铜矿挖机故障代码信息（机油压力传感器信号异常报警），通过故障代码提示设备管理人员可在第一时间了解到设备的异常，便于及时对故障点检修。

在系统运行过程中实时监控设备的运行状态，设备一旦发生异常系统可以立即提示，帮助设备管理人员及时对设备进行检查和维修，将设备故障及时排除，提高设备的可靠性。图8展示了部分可监控的工程机械关键数据。

用户可自定义数据报警上下限，满足用户的个性化系统预警设置需求。数据预警设置页面如图9所示。与此同时，系统还提供了报警记录浏览、导出与统计功能，帮助快速分析每台设备的报警情况。

图7 设备运行监控及预警展示界面

图8 设备监测参数页面

图9 数据报警上下限设置页面

图10 历史数据分析展示界面

图11 设备运行情况统计

设备历史数据分析页面如图10所示。通过历史数据，用户可回查设备以往任意时间段内的单个数据和整体趋势，帮助设备维护人员弄清设备故障前后的运行状况，加快事故真正原因确定，从而有效规避同种故障的再一次发生。同时该处支持数据统计功能，可以给出选定范围的数据最大值，最小值，平均值。在同样的工况下同种类型的设备，同项数据偏差大的故障概率高。

系统通过对设备运行数据的采集，统计出设备的运行时间、油耗、平均油耗和平均运行时长，这些数据能直接反映设备的出勤情况及燃料消耗，用于辅助生产管理。

6 结论

长期以来，进口采矿设备对设备底层数据处于封闭状态，制造商采用收费模式为国内矿山企业提供服务，严重阻碍了智能矿山建设。通过城门山铜矿智能化矿山建设一期项目设备与工艺智能化组对采矿设备数据采集系统的研究，实现了设备数据的自动采集，同时解决原数据采集装置数据种类少、通信实时性差、实用性差、各数据管理软件互不兼容的问题，构建了统一的数据管理平台，为采矿设备智能运维、全寿命周期管理打下了坚实基础。