礦山豎井視頻界面自動切換監視系統的開發設計

夏海波，王庭有

(昆明理工大學, 昆明 650093)

引言

礦井提升機是礦山中的四大關鍵設備之一，它擔負著把井下的礦物、巖石提升到地面及升降人員、材料、設備的任務，因此對其安全可靠性要求很高[1-2]。在控制礦井提升機運輸過程中，為了讓絞車司機看到巷道現場的實時直觀情況，如：乘車人員是否上下完畢、岔機是否扳到位等，根據云錫松礦實際生產情況，開發出了罐籠提升的視頻監視系統。在礦山豎井中，需要對每一個巷口進行視頻監視，而只用一臺上位機對罐籠的運輸進行監控和監視，因此，需要開發一套視頻自動切換監視系統。每當罐籠運行至一個巷口時，上位機的視頻監視窗口畫面自動切換到該巷口，并對該巷口進行實時監視。通過在實際現場的應用，監控室能夠看到豎井各個巷口的較為清晰的視頻畫面，而且當罐籠在豎井中上下運行時，能實現視頻畫面的自動切換，而且不會出現視頻閃爍。然后，把該監視程序直接移植到豎井提升機的監控程序中，程序也能正常運行。實現了一臺監控機在對提升機的各種參數監控的同時，實現對罐籠到達的巷口情況的實時監視。

1 工作原理

采用VC-845攝像機接收視頻信號，通過同軸電纜與光電轉換器連接。轉換后的光信號通過光纖傳送到監控室，再與光電轉換器連接后通過同軸電纜、15針D型接口與上位機安裝的海康威視的視音頻壓縮卡[3]連接，對視頻信號進行處理后，在上位機的顯示器上顯示出來，實現視頻監視功能。同時，在每個巷口安裝一個超聲波傳感器，用來接收罐籠到達每個巷口的信號，該信號被西門子的PLC(S7-300)接收，通過PLC與上位機的通信被送至上位機，作為視頻監視程序中進行視頻通道自動選擇的條件，通過軟件實現視頻通道的自動切換，實現用一個視頻窗口自動跟蹤罐籠所在的巷口位置并實時監視該巷口的實際情況。圖1為工作原理流程圖。

圖1 工作原理流程圖

2 現場硬件設備配置

2.1 通信介質

數據通信的傳輸介質一般包括雙絞線、同軸電纜、光纖電纜和無線傳輸介質。

雙絞線是最普通的傳輸介質，由兩根相互絕緣的導線組成。它具有以下特點：1)兩條導線螺旋狀擰在一起，可以減少鄰近線路的電氣干擾；2)一對雙絞線可用一條通信線路，既可以傳輸模擬信號，又可以傳輸數字信號；3)雙絞線既可以用于點的連接，也可以用于多點連接，不用中繼器的最大傳輸距離可達到1.5 km；4)抗干擾性較好，價格便宜等。

同軸電纜是一種常用的傳輸介質，分為基帶同軸電纜(5012電纜)和寬帶同軸電纜(7512電纜) 兩類。它具有以下特點：1)同軸電纜由同心的內導體、絕緣介質層、屏蔽層和外部保護層組成。2)基帶同軸電纜用于傳輸數字信號。寬帶同軸電纜既可用于模擬信號的發送，又可用于數字信號的發送。3)同軸電纜既可以用于點對點的連接，也可用于多點連接。基帶同軸電纜最大傳輸距離為幾千米；寬帶同軸電纜可達到幾十千米。4)對于較高的頻率，同軸電纜的抗干擾性比雙絞線好，但價格高于雙絞線。

光纖電纜是性能最好的傳輸介質。它具有以下特點：1)光纖用各種玻璃外加保護層組成，在折射率較高的單根光纖外面用折射率較低的包層圍裹起來，就構成一條光纖通道，由多點光纖組成光纖電纜；2)光纖普遍用于點對點的連接，可以在6～8 km的距離內不使用中繼器進行傳輸；3)光纖不易受電磁干擾和噪聲影響，所以抗干擾性極強。

無線傳輸介質主要有微波、紅外線和激光。它們主要應用于精度要求高、工作環境好的系統中[4-6]。

礦山豎井昏暗、潮濕、粉塵多，環境很惡劣，干擾嚴重，根據以上傳輸介質的特點和云錫松礦的實際生產條件，采用光纖進行視頻傳輸。

2.2 攝像機

VC-845攝像機是日夜兩用型紅外線攝像機，在白日或光線充足的環境條件下整個攝像機畫面顯示為彩色，能保證觀看者正常觀看圖像。當工作環境進入到夜間或光線不充足的狀態時，整個攝像機畫面顯示由彩色自動轉為黑白，從而保證使觀看者能在照明環境變化時清晰正常地觀看圖像[7]。考慮到豎井的光線問題，綜合性價比和實際情況，采用海康威視的VC-845攝像機。

2.3 與上位機的通信設備

實現與上位機通信，可以采用專業的工控組態軟件，如INTOUCH、FIX等，以及專用的PLC通信接口模塊和廠家推薦的DDE Server來完成。但成本較高、投資較大，而采用功能強大的Visual C++語言實現系統的上、下位機的通信，不但可以實現所需功能，還大大地降低了成本[8-9]。上位機和下位機采用RS-232串行總線標準進行通信，連接十分簡單，如圖2所示。如果采用RS-485串行總線標準進行通信，只要使用RS-232/RS-485接口轉換器即可。

圖2 工業PC與PLC的連接

3 軟件設計方案

實現視頻監視，首先要在應用程序中完成視頻圖像的捕獲。視頻圖像捕獲一般來講有兩種方法，一種是利用視頻捕獲卡所附帶的二次開發包(SDK)開發工具，這種捕獲方法的實現是與設備有關的，依賴于視頻捕獲卡與攝像頭的類型，不利于靈活應用；另外一種捕獲方法是Visual C++支持的Video for Windows(以下簡稱VFW)，這給視頻捕獲編程帶來了很大的方便[10]。雖然，此次設計中應用了海康的視頻采集卡，無法完成本設計要求，而利用VFW技術既可以提高視頻捕獲的靈活性，減少對物理設備的依賴，又可以實現控制提升機運輸的同時對每個巷口進行動態監視，并實現視頻畫面自動切換。因此，此設計在VC平臺下應用VFW進行視頻捕捉編程[11]。

在工控機上實現一個視頻窗口動態監視每個巷口的情況，需要視頻界面自動切換，而視頻的切換可以使用視頻切換器和軟件設置兩種方法。第一種方法需要購買視頻切換器，增加成本；因此通過軟件控制程序來實現視頻的自動切換，這也是本次設計的創新之處。為得到控制程序中自動選擇視頻通道的觸發信號，在每個巷口安裝一個超聲波傳感器，用來接收罐籠到達該巷口的信號。該信號通過PLC和上位機的通信，送入上位機，作為程序中視頻通道自動選擇的條件，實現視頻的自動切換。由于Visual C++在圖形處理和底層通信等方面具有較強的功能，所以本文選用它作為軟件開發平臺，用它來實現底層的通信控制有著更快的速度，而且編程也很方便。

實現上位機PC與下位機PLC S7-300之間的串行通信，我們采用ActiveX 串口通信控件，即Microsoft公司提供的MSComm控件。利用MSComm控件比使用Windows API函數要簡單的多[12]。

實現原理是：每個傳感器對應的PLC中地址的輸出量在任何時刻只有0和1兩個值，傳感器沒被觸發時PLC輸出值為0；當傳感器接收到罐籠經過的信號時，對應的PLC輸出值由0變為1。在上位機的監控界面按下“開始監控”按鈕時，上位機PC與下位機PLC S7-300開始通信，并把PLC中的數據寫入緩沖區，程序讀取緩沖區中的數據。如果程序讀取到PLC中某個地址中的數據為1，程序把該數據轉換成該地址所對應的傳感器所處巷口的視頻通道的索引號，作為自動選擇視頻通道的條件，實現視頻自動切換(實現程序在此省略)。

4 結論

系統經過運行，穩定可靠，監控室對豎井各個巷口的現場情況有了直觀的感覺，而且能實現視頻畫面的自動切換。不但提高了豎井行人的安全性，而且提高了工作效率。在資金投入較少的情況下，達到了比較滿意的效果。把該程序移植到豎井提升機監控系統中，視頻畫面也較清晰，也沒有出現延時，實現了對巷口的實時監視，而且監控界面操作人員可以監測到豎井罐籠的給定速度、實際速度、所在位置、電樞電壓、電樞電流、液壓油壓力、潤滑油壓力、回路通斷、紅綠燈情況以及各個中斷的視頻監控信號等，實現了對豎井罐籠的監視監控一體化。

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