河南宏福煤業(yè)有限公司 邱衛(wèi)東

中國礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院 景曉軍

礦井工作面由于巖層運(yùn)動，回采工作等因素的影響，頂板壓力會不斷變化。工作面采用液壓支架對頂板進(jìn)行支撐，液壓支架的壓力監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析對井下安全生產(chǎn)有至關(guān)重要的作用。礦井管理人員可以根據(jù)系統(tǒng)軟件上的壓力數(shù)據(jù)，分析可能產(chǎn)生危險(xiǎn)的地段，即使采取相關(guān)措施，避免安全事故的發(fā)生。

本文主要研究了壓力在線監(jiān)測系統(tǒng)的上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。結(jié)合煤礦現(xiàn)場的復(fù)雜情況，制定適合工業(yè)現(xiàn)場用的通訊協(xié)議，方便上位機(jī)處理數(shù)據(jù)。上位機(jī)軟件采用VB作為主要開發(fā)工具，在以太網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)基本的數(shù)據(jù)采集功能，所有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)都保存到SQL2000數(shù)據(jù)庫中，并能夠?qū)@些數(shù)據(jù)做出科學(xué)分析，供煤礦分析煤礦頂板壓力狀態(tài)，并對安全隱患提前預(yù)警。

1.壓力在線監(jiān)測系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)硬件組成

液壓支架壓力在線監(jiān)測系統(tǒng)由壓力傳感器，無線射頻模塊，接收分站，以太網(wǎng)關(guān)等硬件設(shè)備組成，如圖1所示。硬件設(shè)備主要是電池供電，要求功耗低，無線數(shù)據(jù)傳輸要求精密的防碰撞算法，算法的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的性能[1]。

有源2.4GHz射頻模塊的有效傳輸距離可達(dá)200米，在煤礦工作面復(fù)雜情況下，采用電池供電，CPU采用TI公司的MSP430超低功耗單片機(jī)，三節(jié)干電池供電，半年更換一次。多個(gè)無線壓力傳感器使用共享的射頻信道，同時(shí)處于接收分站識別范圍的情況下，數(shù)據(jù)包傳輸會發(fā)生沖突。因?yàn)楸鞠到y(tǒng)在工作面等地點(diǎn)安裝，供電不方便，采用電池供電，要求功耗低，且處理器內(nèi)部的寄存器及內(nèi)存大小限制了復(fù)雜算法的使用，本系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)的二叉樹搜索算法，避免了同信道數(shù)據(jù)的碰撞[2]。

以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)起協(xié)議轉(zhuǎn)換的作用，將接收分站的RS485信號轉(zhuǎn)變?yōu)橐蕴W(wǎng)流數(shù)據(jù)包，傳輸至地面接收分站，經(jīng)過數(shù)據(jù)解析，在調(diào)度室PC機(jī)上采集壓力數(shù)據(jù)。

1.2 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖2所示，主要由數(shù)據(jù)采集部分，數(shù)據(jù)分析處理部分和報(bào)警打印三部分組成。其中VB解析壓力傳感器協(xié)議是系統(tǒng)軟件的關(guān)鍵，數(shù)據(jù)校驗(yàn)采用通用的CRC校驗(yàn)，采用VB編程實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)分析采用VB的繪圖控件編寫程序。

2.通信協(xié)議

2.1 通信協(xié)議分析

其中地址表示設(shè)備號，功能碼表示此數(shù)據(jù)包是壓力數(shù)據(jù)，第一組為壓力值a，二組為壓力值b，第三組和第四組分別為發(fā)送功率和電池電壓。每組數(shù)據(jù)占用一個(gè)字節(jié)，數(shù)據(jù)包一共八個(gè)字節(jié)。校驗(yàn)位采用標(biāo)準(zhǔn)的CRC校驗(yàn)。

2.2 VB解析協(xié)議

下位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)包是8個(gè)字節(jié)的十六進(jìn)制數(shù)據(jù)包，上位機(jī)需要對數(shù)據(jù)包進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，方便數(shù)據(jù)分析處理，十六進(jìn)制轉(zhuǎn)字符型數(shù)據(jù)的程序如下：

將8字節(jié)的數(shù)據(jù)包存放在字節(jié)數(shù)組中，用For循環(huán)將每個(gè)字節(jié)轉(zhuǎn)變?yōu)槭M(jìn)制字符型數(shù)，便于上位機(jī)的后續(xù)處理。

2.3 CRC校驗(yàn)的VB實(shí)現(xiàn)

校驗(yàn)部分采用標(biāo)準(zhǔn)的CRC校驗(yàn)，CRC校驗(yàn)的VB實(shí)現(xiàn)函數(shù)如下：

CRC校驗(yàn)用在每個(gè)數(shù)據(jù)包的接收校驗(yàn)部分，保證了數(shù)據(jù)的完整和準(zhǔn)確性[4]。

3.數(shù)據(jù)庫分析和處理

3.1 SQL數(shù)據(jù)庫的存取和查詢

本系統(tǒng)用SQL2000數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)對壓力數(shù)據(jù)的存儲和查詢，用微軟的ADO控件，用OLEDB方法將VB中的winsock控件接收的數(shù)據(jù)鏈接到數(shù)據(jù)庫中[5]，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫歷史數(shù)據(jù)的查詢，進(jìn)而繪制相關(guān)圖表。

表1 壓力數(shù)據(jù)協(xié)議

圖1 壓力監(jiān)測系統(tǒng)硬件組成

圖2 壓力監(jiān)測系統(tǒng)軟件架構(gòu)

SQL中的數(shù)據(jù)格式如表2所示：

（3）加強(qiáng)建植層基本性質(zhì)的研究。深入研究不同灌草模式下的噴混基底穩(wěn)定性，建植層結(jié)構(gòu)力學(xué)性質(zhì)，建植層保水供水功能，酸堿度調(diào)節(jié)與養(yǎng)分動態(tài)等物理化學(xué)過程的變化，植物生物量和根系生長布局，水土保持效果等，以確定最適宜的生態(tài)治理模式。

數(shù)據(jù)的存取和查詢軟件界面如圖3所示，datagrid控件用于存儲從數(shù)據(jù)庫中查詢的數(shù)據(jù)，根據(jù)選擇的時(shí)間段查看歷史壓力值，可以保存為excel文件打印。也可以選擇設(shè)備號，查看當(dāng)前壓力的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

壓力值的存儲采用VB的ADO控件，程序如下：

先把VB解析出來的數(shù)據(jù)存到text里，再用ADO控件的Recordset方法將text里的數(shù)據(jù)更新到SQL數(shù)據(jù)庫中[6]，具體程序如下：

3.2 實(shí)時(shí)曲線圖和歷史柱狀圖表繪制

根據(jù)上述對數(shù)據(jù)庫存儲和查詢的分析，采用VB的MSChart控件將查詢到的數(shù)據(jù)繪制成相應(yīng)的實(shí)時(shí)曲線圖，通過對歷史數(shù)據(jù)的分析，繪制出相應(yīng)的歷史柱形圖。

表2 SQL數(shù)據(jù)庫中壓力表的格式

圖3 壓力監(jiān)測系統(tǒng)SQL存儲和查詢界面

圖4 工作面液壓支架壓力分析圖表

繪制出的圖表如圖4所示，硬件設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在界面上能直觀顯示，能查看到短時(shí)間段內(nèi)的壓力數(shù)據(jù)。

3.3 曲線擬合

要實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)繪制圖表，必須要對各點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，繪制出軌跡圖，但是VB的數(shù)據(jù)處理繪圖能力有限，所以本系統(tǒng)可以結(jié)合Matlab對數(shù)據(jù)庫中的車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，控件采用C++編程，以O(shè)CX控件形式供VB調(diào)用[7]。

Matlab中的曲線擬合采用最小二乘法，在VC6.0中創(chuàng)建了Matlab的ActiveX對象后，就可以使用這個(gè)對象所包含的各種方法來實(shí)現(xiàn)對Matlab的調(diào)用。利用相似定律，編程獲得在其他轉(zhuǎn)速下性能曲線，表達(dá)式的系數(shù)運(yùn)行結(jié)果以字符串返回，圖形則以Matlab圖形窗口的形式顯示。此功能一般用于年報(bào)表分析。

4.報(bào)警和報(bào)表打印

4.1 報(bào)警功能

壓力值報(bào)警功能因?yàn)槊總€(gè)礦井的地質(zhì)條件有所差異，在界面上有報(bào)警值輸入的功能，根據(jù)不同地質(zhì)條件，設(shè)置不同的壓力報(bào)警值[8]。圖表上，只要超過此報(bào)警值，壓力超標(biāo)部分的曲線會以紅色顯示，提醒調(diào)度指揮室注意采取相應(yīng)措施。另外音頻輸出一個(gè)報(bào)警聲音：壓力超標(biāo)，外加一個(gè)紅色報(bào)警燈，裝在總調(diào)度室，實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警。

4.2 報(bào)表打印

壓力的報(bào)表打印功能分實(shí)時(shí)曲線打印，月壓力趨勢分析曲線圖打印，超限報(bào)警記錄打印，年壓力趨勢分析柱形圖打印等。

具體的報(bào)表設(shè)計(jì)采用VB的PrintForm方法先將各種圖表打印到電腦屏幕上，可用鼠標(biāo)滾輪放大或者縮小相應(yīng)的圖表，再添加打印機(jī)，實(shí)現(xiàn)圖表的輸出。

5.總結(jié)

先分析了工作面液壓支架壓力監(jiān)測系統(tǒng)的硬件構(gòu)成，在此基礎(chǔ)上對軟件架構(gòu)進(jìn)行分析，主要實(shí)現(xiàn)了以下三個(gè)功能：

（1）壓力數(shù)據(jù)采集，SQL數(shù)據(jù)庫保存數(shù)據(jù)；

（2）壓力數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)曲線繪制；

（3）報(bào)警功能和報(bào)表打印功能。

系統(tǒng)軟件的后續(xù)完善主要是和其他系統(tǒng)的融合方面，比如礦井瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)，巷道環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)等。

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