動(dòng)力災(zāi)害信息傳輸平臺(tái)的設(shè)計(jì)

楊慶江+李明+馮新宇+劉永立

摘 要： 針對(duì)煤礦安全生產(chǎn)中的特殊需求，設(shè)計(jì)一種采用以虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)上位機(jī)的監(jiān)控界面，其利用微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)男畔ⅰＴ撈脚_(tái)對(duì)煤炭生產(chǎn)的關(guān)鍵部位的底壓力、側(cè)壓力、溫度等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和實(shí)時(shí)監(jiān)控，并構(gòu)建相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)使節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)以便于對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)查詢(xún)與信號(hào)的處理分析，且設(shè)計(jì)了二次開(kāi)發(fā)接口。研究結(jié)果表明，該平臺(tái)不僅實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境參數(shù)的采集，也實(shí)現(xiàn)了分站與上位機(jī)間的以太網(wǎng)通信，而且支持用戶(hù)的再次開(kāi)發(fā)。從而得出結(jié)論，該平臺(tái)具備良好的兼容性和擴(kuò)展性，可以充分滿(mǎn)足煤炭安全生產(chǎn)的特殊需求。

關(guān)鍵詞： 工業(yè)以太網(wǎng)； 信息傳輸平臺(tái)； 動(dòng)力災(zāi)害； 煤礦安全； STM32； 監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)： TN911.2?34； TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(guó)家對(duì)煤礦安全的問(wèn)題越來(lái)越重視的情況之下，對(duì)煤礦企業(yè)的安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)提出更高的要求。為了確保礦井的安全運(yùn)行，許多廠(chǎng)商大力投入資金對(duì)安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，已經(jīng)成為當(dāng)今煤炭安全生產(chǎn)的研究熱點(diǎn)。經(jīng)過(guò)多年不斷的發(fā)展，我國(guó)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(guó)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(gè)性需求時(shí)，要求煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)具有監(jiān)測(cè)參數(shù)豐富、監(jiān)測(cè)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(diǎn)[1?3]。因此，筆者針對(duì)在煤炭安全生產(chǎn)有特殊需求的情況下，設(shè)計(jì)一種基于STM32與LabVIEW的工業(yè)以太網(wǎng)信息傳輸平臺(tái)，該信息傳輸平臺(tái)以STM32為控制核心、LabVIEW為軟件核心，以單片機(jī)采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和井下?tīng)顟B(tài)為基礎(chǔ)，通過(guò)MODBUS TCP協(xié)議，由工業(yè)以太網(wǎng)傳入上位機(jī)，由可視化平臺(tái)對(duì)井下環(huán)境的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控及儲(chǔ)存，并實(shí)現(xiàn)了用戶(hù)對(duì)報(bào)警策略的二次開(kāi)發(fā)功能，工程應(yīng)用表明，該平臺(tái)滿(mǎn)足了煤炭安全生產(chǎn)的特殊需要。

1 平臺(tái)的架構(gòu)設(shè)計(jì)

本信息傳輸平臺(tái)主要是對(duì)井下全面壓力以及溫度的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸，整個(gè)平臺(tái)采用 3 層結(jié)構(gòu)： 底層為監(jiān)控層，包括多個(gè)智能傳輸終端，通過(guò)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(diǎn)，匯總監(jiān)控層傳入的井下數(shù)據(jù)； 頂層是上位機(jī)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、顯示。平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

在井下監(jiān)控區(qū)域中，監(jiān)控節(jié)點(diǎn)與分站節(jié)點(diǎn)共同組成星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分站節(jié)點(diǎn)為其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的中心，監(jiān)控節(jié)點(diǎn)直接與中心節(jié)點(diǎn)相連構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)控節(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)向分站節(jié)點(diǎn)傳遞。分站節(jié)點(diǎn)采集得到的井下監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通過(guò)以太環(huán)網(wǎng)發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行處理。在上位機(jī)設(shè)計(jì)友好的人機(jī)交互界面，對(duì)井下監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并將數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)[4]。

2 平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)

為了滿(mǎn)足檢測(cè)數(shù)量的需要，本傳輸平臺(tái)的傳感器采用新型多參數(shù)智能傳感器，該產(chǎn)品監(jiān)測(cè)數(shù)量豐富，集成化高，使監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)安全可靠；為了滿(mǎn)足通信速率的需要，傳輸網(wǎng)絡(luò)采用以太工業(yè)環(huán)網(wǎng)作為平臺(tái)傳輸網(wǎng)絡(luò)；為了滿(mǎn)足通信協(xié)議、兼容性的需要，開(kāi)發(fā)了多種接口的信息傳輸分站，為礦井監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的傳輸平臺(tái)，具有良好的通信穩(wěn)定性、可靠性、平臺(tái)擴(kuò)展性與兼容性。本平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)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(tái)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(lái)越受到使用單位和研究人員的普遍重視。針對(duì)現(xiàn)代煤炭安全生產(chǎn)對(duì)傳感器的特殊需要，本設(shè)計(jì)使用的新型傳感器集成了溫度傳感器、底部壓力、側(cè)部壓力傳感器，該新型傳感器測(cè)量參數(shù)豐富，集成性高，增加了監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的可靠性，滿(mǎn)足了煤炭安全生產(chǎn)的特殊需求。

本設(shè)計(jì)采用的GDW60（A）圍巖動(dòng)力災(zāi)害傳感器是一種新型的多參數(shù)傳感器，可以同時(shí)測(cè)量鉆孔內(nèi)的氣體壓力、溫度、三軸巖體載荷共5通道功能。現(xiàn)場(chǎng)安裝簡(jiǎn)單，分別放大可遠(yuǎn)距離傳輸，工作電壓為DC 18～24 V；應(yīng)力測(cè)量量程為0～60 MPa；溫度測(cè)量量程為0～60 ℃；氣體壓力測(cè)量量程為0～10 MPa。

GDW60（A）圍巖動(dòng)力災(zāi)害傳感器結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

2.2 傳輸網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)當(dāng)今煤炭生產(chǎn)的特殊需求，本設(shè)計(jì)選擇了以工業(yè)以太網(wǎng)作為傳輸網(wǎng)絡(luò)，其具備很好的傳輸速率、穩(wěn)定性、靈敏度、擴(kuò)展接入能力、故障自我恢復(fù)能力。所采用的技術(shù)規(guī)范在當(dāng)代工程實(shí)踐中已經(jīng)是很成熟了，并且為了應(yīng)對(duì)實(shí)際應(yīng)用中的復(fù)雜惡劣環(huán)境條件進(jìn)行了對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)，在運(yùn)行的穩(wěn)定性、環(huán)境適應(yīng)性、抗干擾等方面與過(guò)去的技術(shù)比較都有很大的進(jìn)步，能很好地適應(yīng)井下復(fù)雜的環(huán)境。本設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了基于先進(jìn)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(gè)部分組成。由于STM32芯片內(nèi)沒(méi)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(tái)實(shí)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(gè)系統(tǒng)傳輸速率達(dá)100 Mbit/s以上。

2.3 硬件接口

目前大部分的生產(chǎn)廠(chǎng)家都采用各自的通信協(xié)議，因此很難找到兩個(gè)相互兼容的系統(tǒng)。目前，信息傳輸平臺(tái)的通用性已成為設(shè)備升級(jí)、擴(kuò)充的主要制約因素。用戶(hù)使用了某個(gè)廠(chǎng)家的產(chǎn)品，在接下來(lái)的部分升級(jí)、擴(kuò)充以及技術(shù)支持上，就只能局限于該廠(chǎng)家，甚至有些煤礦企業(yè)為了滿(mǎn)足煤炭生產(chǎn)的特殊需要，在系統(tǒng)只需要對(duì)部分設(shè)備進(jìn)行更換的情況下，卻沒(méi)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(chǎng)家的產(chǎn)品。因此，為了解決通信協(xié)議不規(guī)范的問(wèn)題，就必須開(kāi)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(xiàn)、CAN總線(xiàn)三種目前主流的接口方式。這樣在很大程度上提高了整個(gè)平臺(tái)的兼容性、通用性，需要升級(jí)、補(bǔ)充設(shè)備時(shí)可節(jié)省成本、時(shí)間[5]。

3 軟件設(shè)計(jì)

1） 本平臺(tái)的軟件結(jié)構(gòu)主要包括：監(jiān)控模塊、用戶(hù)管理模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)模塊。在軟件結(jié)構(gòu)上主要采取模塊化的編程方法，將整個(gè)軟件平臺(tái)按照功能分解為一個(gè)個(gè)單獨(dú)的模塊，每個(gè)模塊分別完成各自的功能，當(dāng)需要增加平臺(tái)功能時(shí)也只需要增加相應(yīng)的模塊即可，使軟件系統(tǒng)更新更加便利，有利于軟件平臺(tái)的擴(kuò)展。

2） 本平臺(tái)采用MODBUS協(xié)議進(jìn)行上位機(jī)與下位機(jī)間的交互，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)MODBUS/TCP是MODBUS家族中應(yīng)用于自動(dòng)控制裝備上的開(kāi)放通信協(xié)議，其應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)非常成熟，具有良好的通用性。

3） 本平臺(tái)利用LabVIEW可調(diào)用其他語(yǔ)言進(jìn)行混合編程的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)預(yù)留了再次開(kāi)發(fā)的接口，用戶(hù)可根據(jù)情況進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，算法集成，該軟件平臺(tái)的移植性強(qiáng)、通用性好。

3.1 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)動(dòng)力災(zāi)害信息傳輸平臺(tái)的要求，軟件采取模塊化的編程方法，具體分為數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、用戶(hù)管理模塊、監(jiān)控模塊三大部分。

1） 用戶(hù)管理模塊。使用者輸入正確的賬號(hào)和密碼后可以登錄，并且具有修改密碼或添加用戶(hù)等功能，如果輸入了錯(cuò)誤的密碼或賬戶(hù)，則不能夠登錄系統(tǒng)且提示密碼錯(cuò)誤或不存在賬戶(hù)。系統(tǒng)功能還包括管理用戶(hù)權(quán)限、顯示用戶(hù)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(jī)界面可對(duì)溫度、底壓力、側(cè)壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、處理等操作。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，界面能將數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，用戶(hù)可隨時(shí)查看歷史數(shù)據(jù)。

3） 數(shù)據(jù)庫(kù)模塊。LabVIEW可以采用SOL工具包與SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行連接，主要功能是對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)管理，與其他模塊進(jìn)行通信，支持各種應(yīng)用對(duì)數(shù)據(jù)的訪(fǎng)問(wèn)，設(shè)置組態(tài)信息和對(duì)用戶(hù)權(quán)限進(jìn)行控制管理。

傳輸平臺(tái)的軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.2 上位機(jī)與下位機(jī)的通信

MODBUS通信協(xié)議是一種在工業(yè)領(lǐng)域被廣為應(yīng)用的真正開(kāi)放、標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。此協(xié)議是主從通信協(xié)議，當(dāng)上位機(jī)發(fā)送命令幀到下位機(jī)，下位機(jī)才返回?cái)?shù)據(jù)幀到上位機(jī)。本平臺(tái)的通信方式使用的是輪詢(xún)方式，主機(jī)命令幀格式與下位機(jī)返回幀格式分別見(jiàn)表1和表2。

下位機(jī)需要完成初始化，設(shè)置好波特率與CRC方式，這兩個(gè)設(shè)置一定要與上位機(jī)的一樣，下位機(jī)與上位機(jī)之間才能正常的信息交互。然后下位機(jī)就處于輪詢(xún)接收狀態(tài)。CPU反復(fù)讀取狀態(tài)寄存器，當(dāng)下位機(jī)把數(shù)據(jù)發(fā)送到接收緩沖區(qū)，狀態(tài)寄存的標(biāo)志位改變，CPU開(kāi)始讀取數(shù)據(jù)。進(jìn)行從機(jī)地址判斷，若非本機(jī)號(hào)碼，重新接收數(shù)據(jù)；若是本機(jī)號(hào)碼進(jìn)行CRC，若接收數(shù)據(jù)正確，進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，執(zhí)行相應(yīng)功能。

本設(shè)計(jì)采用輪詢(xún)方式接收數(shù)據(jù)。接收到數(shù)據(jù)先判斷其是否為本機(jī)地址，如果是本機(jī)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(shè)計(jì)

為了使用戶(hù)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，本軟件接口根據(jù)監(jiān)測(cè)參數(shù)溫度、底壓力1、底壓力2、側(cè)壓力1、側(cè)壓力2分別設(shè)計(jì)了3個(gè)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(gè)接口值，程序?qū)⒔?jīng)過(guò)處理的數(shù)據(jù)輸入給索引數(shù)組，從其輸出提取當(dāng)前監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)釆樣值，在進(jìn)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(shè)置不同的聲音頻率進(jìn)行報(bào)警，工作人員可以從聲光報(bào)警中區(qū)分報(bào)警等級(jí)[7]。endprint

本軟件平臺(tái)在5個(gè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)下分別設(shè)計(jì)了3個(gè)接口，用戶(hù)可根據(jù)井下的情況分別設(shè)置3個(gè)界限值的大小，來(lái)制定不同的報(bào)警策略，真正達(dá)到了操作簡(jiǎn)單，用戶(hù)不需要具備專(zhuān)業(yè)知識(shí)的情況下也可以很輕易地進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，使平臺(tái)具有良好的擴(kuò)展性、通用性[8]。軟件接口設(shè)計(jì)的程序框圖如圖5所示。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、效果

礦井下瓦斯壓力會(huì)引起瓦斯突出，危害井下人員的生命，煤層的瓦斯壓力值應(yīng)小于0.74 MPa。由安全級(jí)別表可知，當(dāng)瓦斯?jié)舛葴囟仍?7～21 ℃時(shí)，安全級(jí)別定為高級(jí)； 當(dāng)瓦斯?jié)舛葴囟仍?1～25 ℃時(shí)，安全級(jí)別定為比較高。在實(shí)驗(yàn)室中，采用甲烷氣體對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行溫濕度和瓦斯壓力測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3和表4。

經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確監(jiān)控井下情況。對(duì)瓦斯壓力測(cè)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的平均誤差為 0.14 ℃。根據(jù)對(duì)系統(tǒng)的測(cè)試可知，該系統(tǒng)的誤差較小 。由此，該信息傳輸平臺(tái)完全符合井下安全生產(chǎn)的要求。

5 結(jié) 論

筆者從動(dòng)力災(zāi)害信息平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)出發(fā)，從平臺(tái)架構(gòu)、硬件環(huán)境搭建通信軟件編程等方面介紹了傳輸平臺(tái)的設(shè)計(jì)。通過(guò)使用LabVIEW，設(shè)計(jì)了用戶(hù)管理、監(jiān)控顯示、數(shù)據(jù)管理，三個(gè)不同功能的模塊，且設(shè)計(jì)了軟件接口。在接口中，使用準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)處理原則，應(yīng)用算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分類(lèi)[9]。通過(guò)對(duì)該信息傳輸平臺(tái)進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試，結(jié)果證明該平臺(tái)能夠達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，具有監(jiān)測(cè)參數(shù)豐富、監(jiān)測(cè)容量大、兼容性強(qiáng)、通信協(xié)議規(guī)范等特點(diǎn)。對(duì)于礦井溫度、壓力的測(cè)量，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行擴(kuò)展，對(duì)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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