楊慶江+李明+馮新宇+劉永立

摘 要： 針對煤礦安全生產(chǎn)中的特殊需求，設計一種采用以虛擬儀器軟件開發(fā)上位機的監(jiān)控界面，其利用微控制器進行數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)男畔?。該平臺對煤炭生產(chǎn)的關鍵部位的底壓力、側壓力、溫度等數(shù)據(jù)進行采集和實時監(jiān)控，并構建相應數(shù)據(jù)庫使節(jié)點采集的數(shù)據(jù)以便于對數(shù)據(jù)的存儲查詢與信號的處理分析，且設計了二次開發(fā)接口。研究結果表明，該平臺不僅實現(xiàn)對環(huán)境參數(shù)的采集，也實現(xiàn)了分站與上位機間的以太網(wǎng)通信，而且支持用戶的再次開發(fā)。從而得出結論，該平臺具備良好的兼容性和擴展性，可以充分滿足煤炭安全生產(chǎn)的特殊需求。

關鍵詞： 工業(yè)以太網(wǎng)； 信息傳輸平臺； 動力災害； 煤礦安全； STM32； 監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類號： TN911.2?34； TP274 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）04?0101?04

Abstract： In view of the special demands of coal mine safety production， a monitoring interface of upper computer was designed by using virtual instrument software. The micro controller is adopted to collect data and transmit information. On this platform， bottom pressure， side pressure， temperature and other data of key parts in coal production are collected and monitored in real time. The corresponding database is constructed for the advantage of storage and query of data collected from nodes as well as signal processing and analysis. The secondary development interface is also designed. The research results show that on this platform， not only the environmental parameter collection and Ethernet communication between substation and upper computer are realized， but users′ re?development is supported， so it can be concluded that the platform has good compatibility and expansibility， and can fully meet the special demands of coal safety production.

Keywords： industrial Ethernet； information transmission platform； dynamic disaster； coal mine safety； STM32； monitoring system

0 引 言

在國家對煤礦安全的問題越來越重視的情況之下，對煤礦企業(yè)的安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)提出更高的要求。為了確保礦井的安全運行，許多廠商大力投入資金對安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)進行開發(fā)，已經(jīng)成為當今煤炭安全生產(chǎn)的研究熱點。經(jīng)過多年不斷的發(fā)展，我國已經(jīng)研制出了很多具有代表性的產(chǎn)品，如 KJ90NB，KJ101N，KJ95N 等系統(tǒng)是我國目前的主流產(chǎn)品。但是在煤炭安全生產(chǎn)需要特殊要求、個性需求時，要求煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)具有監(jiān)測參數(shù)豐富、監(jiān)測容量大、系統(tǒng)通信協(xié)議統(tǒng)一、規(guī)范、信速率高、相互兼容等特點[1?3]。因此，筆者針對在煤炭安全生產(chǎn)有特殊需求的情況下，設計一種基于STM32與LabVIEW的工業(yè)以太網(wǎng)信息傳輸平臺，該信息傳輸平臺以STM32為控制核心、LabVIEW為軟件核心，以單片機采集的實時數(shù)據(jù)和井下狀態(tài)為基礎，通過MODBUS TCP協(xié)議，由工業(yè)以太網(wǎng)傳入上位機，由可視化平臺對井下環(huán)境的參數(shù)進行實時監(jiān)控及儲存，并實現(xiàn)了用戶對報警策略的二次開發(fā)功能，工程應用表明，該平臺滿足了煤炭安全生產(chǎn)的特殊需要。

1 平臺的架構設計

本信息傳輸平臺主要是對井下全面壓力以及溫度的監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸，整個平臺采用 3 層結構： 底層為監(jiān)控層，包括多個智能傳輸終端，通過終端所攜帶的多參數(shù)智能傳感器，采集井下的壓力、溫度數(shù)據(jù)； 中間層是分站節(jié)點，匯總監(jiān)控層傳入的井下數(shù)據(jù)； 頂層是上位機，對數(shù)據(jù)進行保存、顯示。平臺網(wǎng)絡結構模型如圖1所示。

在井下監(jiān)控區(qū)域中，監(jiān)控節(jié)點與分站節(jié)點共同組成星型網(wǎng)絡拓撲結構，分站節(jié)點為其網(wǎng)絡結構的中心，監(jiān)控節(jié)點直接與中心節(jié)點相連構成的網(wǎng)絡，監(jiān)控節(jié)點將采集到的數(shù)據(jù)向分站節(jié)點傳遞。分站節(jié)點采集得到的井下監(jiān)控數(shù)據(jù)通過以太環(huán)網(wǎng)發(fā)送給上位機進行處理。在上位機設計友好的人機交互界面，對井下監(jiān)控數(shù)據(jù)進行實時顯示，并將數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫[4]。

2 平臺的硬件設計

為了滿足檢測數(shù)量的需要，本傳輸平臺的傳感器采用新型多參數(shù)智能傳感器，該產(chǎn)品監(jiān)測數(shù)量豐富，集成化高，使監(jiān)測數(shù)據(jù)安全可靠；為了滿足通信速率的需要，傳輸網(wǎng)絡采用以太工業(yè)環(huán)網(wǎng)作為平臺傳輸網(wǎng)絡；為了滿足通信協(xié)議、兼容性的需要，開發(fā)了多種接口的信息傳輸分站，為礦井監(jiān)控系統(tǒng)構建統(tǒng)一標準的傳輸平臺，具有良好的通信穩(wěn)定性、可靠性、平臺擴展性與兼容性。本平臺的硬件設計框圖如圖2所示。endprint

2.1 多參數(shù)智能傳感器

與信息傳輸平臺配接的智能傳感器是煤炭安全生產(chǎn)中的重要裝備，并越來越受到使用單位和研究人員的普遍重視。針對現(xiàn)代煤炭安全生產(chǎn)對傳感器的特殊需要，本設計使用的新型傳感器集成了溫度傳感器、底部壓力、側部壓力傳感器，該新型傳感器測量參數(shù)豐富，集成性高，增加了監(jiān)控數(shù)據(jù)的可靠性，滿足了煤炭安全生產(chǎn)的特殊需求。

本設計采用的GDW60（A）圍巖動力災害傳感器是一種新型的多參數(shù)傳感器，可以同時測量鉆孔內的氣體壓力、溫度、三軸巖體載荷共5通道功能。現(xiàn)場安裝簡單，分別放大可遠距離傳輸，工作電壓為DC 18～24 V；應力測量量程為0～60 MPa；溫度測量量程為0～60 ℃；氣體壓力測量量程為0～10 MPa。

GDW60（A）圍巖動力災害傳感器結構圖如圖3所示。

2.2 傳輸網(wǎng)絡

根據(jù)當今煤炭生產(chǎn)的特殊需求，本設計選擇了以工業(yè)以太網(wǎng)作為傳輸網(wǎng)絡，其具備很好的傳輸速率、穩(wěn)定性、靈敏度、擴展接入能力、故障自我恢復能力。所采用的技術規(guī)范在當代工程實踐中已經(jīng)是很成熟了，并且為了應對實際應用中的復雜惡劣環(huán)境條件進行了對應的設計，在運行的穩(wěn)定性、環(huán)境適應性、抗干擾等方面與過去的技術比較都有很大的進步，能很好地適應井下復雜的環(huán)境。本設計開發(fā)了基于先進的 STM32 嵌入式 CPU。以太網(wǎng)接口電路主要由 MAC 控制器和物理層接口兩個部分組成。由于STM32芯片內沒有含納以太網(wǎng)控制芯片，所以選用以太網(wǎng)芯片DM9000A 作為以太網(wǎng)模塊，平臺實現(xiàn)了具有工業(yè)以太網(wǎng)接口的信息傳輸分站，使得整個系統(tǒng)傳輸速率達100 Mbit/s以上。

2.3 硬件接口

目前大部分的生產(chǎn)廠家都采用各自的通信協(xié)議，因此很難找到兩個相互兼容的系統(tǒng)。目前，信息傳輸平臺的通用性已成為設備升級、擴充的主要制約因素。用戶使用了某個廠家的產(chǎn)品，在接下來的部分升級、擴充以及技術支持上，就只能局限于該廠家，甚至有些煤礦企業(yè)為了滿足煤炭生產(chǎn)的特殊需要，在系統(tǒng)只需要對部分設備進行更換的情況下，卻沒有與之相兼容的產(chǎn)品，而只能放棄原有整套系統(tǒng)而另選其他廠家的產(chǎn)品。因此，為了解決通信協(xié)議不規(guī)范的問題，就必須開發(fā)具有多種接口的井下信息傳輸分站，該信息傳輸分站具備了RS 232C、RS 485 總線、CAN總線三種目前主流的接口方式。這樣在很大程度上提高了整個平臺的兼容性、通用性，需要升級、補充設備時可節(jié)省成本、時間[5]。

3 軟件設計

1） 本平臺的軟件結構主要包括：監(jiān)控模塊、用戶管理模塊、數(shù)據(jù)庫模塊。在軟件結構上主要采取模塊化的編程方法，將整個軟件平臺按照功能分解為一個個單獨的模塊，每個模塊分別完成各自的功能，當需要增加平臺功能時也只需要增加相應的模塊即可，使軟件系統(tǒng)更新更加便利，有利于軟件平臺的擴展。

2） 本平臺采用MODBUS協(xié)議進行上位機與下位機間的交互，工業(yè)以太網(wǎng)技術MODBUS/TCP是MODBUS家族中應用于自動控制裝備上的開放通信協(xié)議，其應用技術已經(jīng)非常成熟，具有良好的通用性。

3） 本平臺利用LabVIEW可調用其他語言進行混合編程的特點，設計預留了再次開發(fā)的接口，用戶可根據(jù)情況進行二次開發(fā)，算法集成，該軟件平臺的移植性強、通用性好。

3.1 軟件結構設計

根據(jù)動力災害信息傳輸平臺的要求，軟件采取模塊化的編程方法，具體分為數(shù)據(jù)庫模塊、用戶管理模塊、監(jiān)控模塊三大部分。

1） 用戶管理模塊。使用者輸入正確的賬號和密碼后可以登錄，并且具有修改密碼或添加用戶等功能，如果輸入了錯誤的密碼或賬戶，則不能夠登錄系統(tǒng)且提示密碼錯誤或不存在賬戶。系統(tǒng)功能還包括管理用戶權限、顯示用戶登錄的歷史記錄，有利于系統(tǒng)的管理。

2） 監(jiān)控模塊。在上位機界面可對溫度、底壓力、側壓力數(shù)據(jù)進行實時顯示、處理等操作。現(xiàn)場測量的數(shù)據(jù)信號傳輸?shù)缴衔粰C，界面能將數(shù)據(jù)進行實時顯示并存儲在數(shù)據(jù)庫中，用戶可隨時查看歷史數(shù)據(jù)。

3） 數(shù)據(jù)庫模塊。LabVIEW可以采用SOL工具包與SQL Server數(shù)據(jù)庫進行連接，主要功能是對實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進行存儲管理，與其他模塊進行通信，支持各種應用對數(shù)據(jù)的訪問，設置組態(tài)信息和對用戶權限進行控制管理。

傳輸平臺的軟件結構如圖4所示。

3.2 上位機與下位機的通信

MODBUS通信協(xié)議是一種在工業(yè)領域被廣為應用的真正開放、標準的網(wǎng)絡通信協(xié)議。此協(xié)議是主從通信協(xié)議，當上位機發(fā)送命令幀到下位機，下位機才返回數(shù)據(jù)幀到上位機。本平臺的通信方式使用的是輪詢方式，主機命令幀格式與下位機返回幀格式分別見表1和表2。

下位機需要完成初始化，設置好波特率與CRC方式，這兩個設置一定要與上位機的一樣，下位機與上位機之間才能正常的信息交互。然后下位機就處于輪詢接收狀態(tài)。CPU反復讀取狀態(tài)寄存器，當下位機把數(shù)據(jù)發(fā)送到接收緩沖區(qū)，狀態(tài)寄存的標志位改變，CPU開始讀取數(shù)據(jù)。進行從機地址判斷，若非本機號碼，重新接收數(shù)據(jù)；若是本機號碼進行CRC，若接收數(shù)據(jù)正確，進行數(shù)據(jù)解析，執(zhí)行相應功能。

本設計采用輪詢方式接收數(shù)據(jù)。接收到數(shù)據(jù)先判斷其是否為本機地址，如果是本機地址，則接收完整數(shù)據(jù)幀再解析其功能碼和CRC值[6]，如果不是，則重新接收數(shù)據(jù)。

3.3 軟件的接口設計

為了使用戶進行二次開發(fā)，本軟件接口根據(jù)監(jiān)測參數(shù)溫度、底壓力1、底壓力2、側壓力1、側壓力2分別設計了3個接口，按照數(shù)值由高到底的順序分別是“極限值”、“警戒值”、“極小值”三個接口值，程序將經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)輸入給索引數(shù)組，從其輸出提取當前監(jiān)測的實時釆樣值，在進行分析處理，判斷出其所處的范圍。并且在不同狀態(tài)分別設置不同的聲音頻率進行報警，工作人員可以從聲光報警中區(qū)分報警等級[7]。endprint

本軟件平臺在5個監(jiān)測數(shù)據(jù)下分別設計了3個接口，用戶可根據(jù)井下的情況分別設置3個界限值的大小，來制定不同的報警策略，真正達到了操作簡單，用戶不需要具備專業(yè)知識的情況下也可以很輕易地進行二次開發(fā)，使平臺具有良好的擴展性、通用性[8]。軟件接口設計的程序框圖如圖5所示。

4 實驗數(shù)據(jù)、效果

礦井下瓦斯壓力會引起瓦斯突出，危害井下人員的生命，煤層的瓦斯壓力值應小于0.74 MPa。由安全級別表可知，當瓦斯?jié)舛葴囟仍?7～21 ℃時，安全級別定為高級； 當瓦斯?jié)舛葴囟仍?1～25 ℃時，安全級別定為比較高。在實驗室中，采用甲烷氣體對該系統(tǒng)進行溫濕度和瓦斯壓力測試，測試結果見表3和表4。

經(jīng)過多次實驗結果表明，該系統(tǒng)可以準確監(jiān)控井下情況。對瓦斯壓力測試可知，每次得到的瓦斯壓力數(shù)據(jù)誤差均小于0.02 MPa，5次實驗的平均誤差為0.014 MPa。 每次得到的氣體溫度數(shù)據(jù)誤差均小于0.2 ℃，5次實驗的平均誤差為 0.14 ℃。根據(jù)對系統(tǒng)的測試可知，該系統(tǒng)的誤差較小 。由此，該信息傳輸平臺完全符合井下安全生產(chǎn)的要求。

5 結 論

筆者從動力災害信息平臺的總體結構出發(fā)，從平臺架構、硬件環(huán)境搭建通信軟件編程等方面介紹了傳輸平臺的設計。通過使用LabVIEW，設計了用戶管理、監(jiān)控顯示、數(shù)據(jù)管理，三個不同功能的模塊，且設計了軟件接口。在接口中，使用準確的數(shù)據(jù)處理原則，應用算法對數(shù)據(jù)進行了分類[9]。通過對該信息傳輸平臺進行聯(lián)機調試，結果證明該平臺能夠達到預期的目標，具有監(jiān)測參數(shù)豐富、監(jiān)測容量大、兼容性強、通信協(xié)議規(guī)范等特點。對于礦井溫度、壓力的測量，根據(jù)實際情況進行擴展，對保證煤礦的安全生產(chǎn)具有重要意義[10]。

注：本文通訊作者為李明。

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