范 燁 崔建明

（太原理工大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，太原 030024）

我國(guó)煤炭資源豐富，是世界產(chǎn)煤大國(guó)之一，且煤炭一直是我國(guó)的主要能源之一。然而，由于我國(guó)地質(zhì)條件十分復(fù)雜，采礦過程中突水事故屢屢發(fā)生，嚴(yán)重的制約著煤礦的安全生產(chǎn)。因此，設(shè)計(jì)煤礦突水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是必需且當(dāng)務(wù)之急的。

煤礦突水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要分為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)兩部分。本文主要介紹基于LabView 的煤礦突水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)。

LabView 是美國(guó)國(guó)家儀器公司開發(fā)的一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語(yǔ)言。LabView 使用的是圖形化編程語(yǔ)言G 編寫程序，采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流向決定了VΙ（虛擬儀器）及函數(shù)的執(zhí)行順序。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

煤礦突水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括3 個(gè)部分，即上位機(jī)（地面監(jiān)測(cè)中心：在 Windows 操作系統(tǒng)下裝有LabView 軟件的主機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信適配器等）、井下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（傳感器、數(shù)據(jù)采集單元、網(wǎng)絡(luò)通信接口等）、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)（CAN 總線等）。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)通過基于CAN 總線結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)將井下檢測(cè)系統(tǒng)與上位機(jī)互連構(gòu)成，其中上位機(jī)與系統(tǒng)的CAN 總線是使用周立功公司的USBCAN-?? 接口設(shè)備進(jìn)行連接的。而突水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制芯片的配置程序則通過JTAG 或AS 接口進(jìn)行下載。

在整個(gè)突水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，上位機(jī)通過數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)向數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)布相關(guān)指令，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)則將所采集到的數(shù)據(jù)上傳，完成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、曲線的實(shí)時(shí)顯示以及存儲(chǔ)、查詢、越限報(bào)警等任務(wù)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

煤礦突水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理分析部分的軟件主要有上位機(jī)在Windows 下的LabView 軟件。系統(tǒng)首先由下位機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將數(shù)據(jù)采集到，然后經(jīng)過CAN 總線傳送到上位機(jī)，再用上位機(jī)Windows下的LabView 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析以及顯示等。

上位機(jī)的開發(fā)環(huán)境采用Windows 操作系統(tǒng)，在Windows 下安裝NΙ LabView 開發(fā)模塊。LabView 是一種通用的編程系統(tǒng)，它有一個(gè)能夠完成編程任務(wù)的龐大函數(shù)庫(kù)，該函數(shù)庫(kù)包括數(shù)據(jù)采集、GPΙB、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。

在本文中，主要運(yùn)用LabView 開發(fā)模塊對(duì)煤礦突水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行人機(jī)界面的開發(fā)，采用虛擬儀器技術(shù)，能夠使系統(tǒng)的界面形象逼真，且具有良好的可視性和交互性。由LabView 實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析、查詢、圖表顯示等功能。從而達(dá)到對(duì)煤礦突水情況的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷和及時(shí)報(bào)警。

在LabView 環(huán)境下，包括用戶的應(yīng)用程序稱為虛擬儀器VΙ 以及人機(jī)的交互接口稱為前面板。其中VΙ 是LabView 的核心，前面板接受來(lái)自方框圖的指令。下面就LabView 開發(fā)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)分析處理進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

2.1 密碼驗(yàn)證模塊

首先是密碼驗(yàn)證模塊，在前面板的顯示為用戶登錄驗(yàn)證系統(tǒng)的界面，該模塊的作用是對(duì)進(jìn)入系統(tǒng)的用戶進(jìn)行安全識(shí)別，只有用戶在輸入正確的用戶名和密碼后，才可以進(jìn)入系統(tǒng)，否則拒絕進(jìn)入。這樣可以防止非法的用戶進(jìn)入系統(tǒng)，從而進(jìn)行非法操作。

圖2所示為密碼驗(yàn)證模塊的框圖程序，圖3所示為用戶登錄驗(yàn)證界面的前面板。

2.2 報(bào)警模塊

接下來(lái)是報(bào)警系統(tǒng)的模塊設(shè)計(jì)。報(bào)警系統(tǒng)的作用是當(dāng)上位機(jī)接收到的由下位機(jī)傳送上來(lái)的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理分析之后發(fā)現(xiàn)異常，進(jìn)行警告以及顯示異常情況的系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)診斷出異常狀況，在前面板界面就會(huì)顯示，從而提醒人員進(jìn)行相應(yīng)的處理。報(bào)警系統(tǒng)能夠更加直觀的將異常情況顯示，對(duì)人員 作出警告，整個(gè)報(bào)警系統(tǒng)的前面板設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔、明了、容易識(shí)別、美觀、大方。是整個(gè)突水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)中不可或缺的部分。

圖2 密碼驗(yàn)證的框圖

圖3 用戶登錄驗(yàn)證界面的前面板

圖4所示為報(bào)警模塊的框圖程序，圖5所示為報(bào)警系統(tǒng)的前面板。

圖4 報(bào)警模塊的框圖程序

2.3 數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)模塊

在突水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，在上位機(jī)接收到由下位機(jī)傳送來(lái)的數(shù)據(jù)后，要將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來(lái)，以便于數(shù)據(jù)分析處理等操作，而且人員可以隨時(shí)調(diào)閱已存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，這種實(shí)時(shí)記錄的數(shù)據(jù)也會(huì)為研究人員更深入的研究提供極大的幫助，是研究所必須的數(shù)據(jù)支撐。

數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)模塊是專門用來(lái)將由下位機(jī)輸送來(lái)的信號(hào)保存成文件形式。LabView 支持幾種不同格式的文件用于輸入輸出，其中包括文本文件、二進(jìn)制文件和數(shù)據(jù)記錄文件、電子表格文件等。其中電子表格文件是一種特殊的文本文件，該文件也是以碼的格式來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，只是它為了使Microsoft Exsel等電子表格軟件能夠直接讀取數(shù)據(jù)，采用了例如用制表符來(lái)制作標(biāo)記等特殊的要求。

圖5 報(bào)警系統(tǒng)的前面板

圖6所示為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的框圖程序。該框圖程序所實(shí)現(xiàn)的是將接收到的來(lái)自下位機(jī)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來(lái)。圖7所示為數(shù)據(jù)讀取的框圖程序。該框圖程序所實(shí)現(xiàn)的是數(shù)據(jù)的讀取，便于人員直接查看，直觀、形象、具體。

圖6 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的框圖

圖7 數(shù)據(jù)讀取的框圖

2.4 數(shù)據(jù)的分析處理

突水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析處理主要是由BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型實(shí)現(xiàn)的。在LabView 中采用Matlab Script節(jié)點(diǎn)調(diào)用Matlab 軟件以執(zhí)行腳本，運(yùn)用Matlab 提供的專門的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱（NNbox）的平臺(tái)，進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和仿真，將下位機(jī)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，從而實(shí)現(xiàn)突水監(jiān)測(cè)。圖8所示為Script 節(jié)點(diǎn)。

圖8 Script 節(jié)點(diǎn)

該數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)與下位機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相結(jié)合，就夠成了完整的煤礦突水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。首先，在煤層底板或陷落柱水文地質(zhì)異常區(qū)埋設(shè)傳感器；然后，傳感器輸出信號(hào)通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集；接下來(lái)，上傳到地面監(jiān)測(cè)中心，即數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析；最后，實(shí)現(xiàn)煤礦突水的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警。

3 結(jié)論

本文采用虛擬儀器的LabView 編程系統(tǒng)以及Matlab 強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能對(duì)煤礦的突水狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。提供了很好的人機(jī)交互界面，能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)的存取以及及時(shí)報(bào)警，提醒人員做出相應(yīng)處理。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)能夠完成突水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析、處理、存取以及報(bào)警等任務(wù)，而且具有直觀、簡(jiǎn)潔、明了的優(yōu)點(diǎn)，有很高的應(yīng)用價(jià)值。

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