液壓支架壓力監測系統軟件設計

河南宏福煤業有限公司 邱衛東

中國礦業大學信息與電氣工程學院 景曉軍

礦井工作面由于巖層運動，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行支撐，液壓支架的壓力監測和數據分析對井下安全生產有至關重要的作用。礦井管理人員可以根據系統軟件上的壓力數據，分析可能產生危險的地段，即使采取相關措施，避免安全事故的發生。

本文主要研究了壓力在線監測系統的上位機軟件設計。結合煤礦現場的復雜情況，制定適合工業現場用的通訊協議，方便上位機處理數據。上位機軟件采用VB作為主要開發工具，在以太網上實現基本的數據采集功能，所有實時數據都保存到SQL2000數據庫中，并能夠對這些數據做出科學分析，供煤礦分析煤礦頂板壓力狀態，并對安全隱患提前預警。

1.壓力在線監測系統概述

1.1 系統硬件組成

液壓支架壓力在線監測系統由壓力傳感器，無線射頻模塊，接收分站，以太網關等硬件設備組成，如圖1所示。硬件設備主要是電池供電，要求功耗低，無線數據傳輸要求精密的防碰撞算法，算法的優劣直接關系到整個系統的性能[1]。

有源2.4GHz射頻模塊的有效傳輸距離可達200米，在煤礦工作面復雜情況下，采用電池供電，CPU采用TI公司的MSP430超低功耗單片機，三節干電池供電，半年更換一次。多個無線壓力傳感器使用共享的射頻信道，同時處于接收分站識別范圍的情況下，數據包傳輸會發生沖突。因為本系統在工作面等地點安裝，供電不方便，采用電池供電，要求功耗低，且處理器內部的寄存器及內存大小限制了復雜算法的使用，本系統采用標準的二叉樹搜索算法，避免了同信道數據的碰撞[2]。

以太網網關起協議轉換的作用，將接收分站的RS485信號轉變為以太網流數據包，傳輸至地面接收分站，經過數據解析，在調度室PC機上采集壓力數據。

1.2 系統軟件架構

系統軟件架構如圖2所示，主要由數據采集部分，數據分析處理部分和報警打印三部分組成。其中VB解析壓力傳感器協議是系統軟件的關鍵，數據校驗采用通用的CRC校驗，采用VB編程實現。數據分析采用VB的繪圖控件編寫程序。

2.通信協議

2.1 通信協議分析

其中地址表示設備號，功能碼表示此數據包是壓力數據，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送功率和電池電壓。每組數據占用一個字節，數據包一共八個字節。校驗位采用標準的CRC校驗。

2.2 VB解析協議

下位機發送的數據包是8個字節的十六進制數據包，上位機需要對數據包進行數據轉換，方便數據分析處理，十六進制轉字符型數據的程序如下：

將8字節的數據包存放在字節數組中，用For循環將每個字節轉變為十六進制字符型數，便于上位機的后續處理。

2.3 CRC校驗的VB實現

校驗部分采用標準的CRC校驗，CRC校驗的VB實現函數如下：

CRC校驗用在每個數據包的接收校驗部分，保證了數據的完整和準確性[4]。

3.數據庫分析和處理

3.1 SQL數據庫的存取和查詢

本系統用SQL2000數據庫實現對壓力數據的存儲和查詢，用微軟的ADO控件，用OLEDB方法將VB中的winsock控件接收的數據鏈接到數據庫中[5]，可實現數據庫歷史數據的查詢，進而繪制相關圖表。

表1 壓力數據協議

圖1 壓力監測系統硬件組成

圖2 壓力監測系統軟件架構

SQL中的數據格式如表2所示：

（3）加強建植層基本性質的研究。深入研究不同灌草模式下的噴混基底穩定性，建植層結構力學性質，建植層保水供水功能，酸堿度調節與養分動態等物理化學過程的變化，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治理模式。

數據的存取和查詢軟件界面如圖3所示，datagrid控件用于存儲從數據庫中查詢的數據，根據選擇的時間段查看歷史壓力值，可以保存為excel文件打印。也可以選擇設備號，查看當前壓力的實時數據。

壓力值的存儲采用VB的ADO控件，程序如下：

先把VB解析出來的數據存到text里，再用ADO控件的Recordset方法將text里的數據更新到SQL數據庫中[6]，具體程序如下：

3.2 實時曲線圖和歷史柱狀圖表繪制

根據上述對數據庫存儲和查詢的分析，采用VB的MSChart控件將查詢到的數據繪制成相應的實時曲線圖，通過對歷史數據的分析，繪制出相應的歷史柱形圖。

表2 SQL數據庫中壓力表的格式

圖3 壓力監測系統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，硬件設備的實時數據在界面上能直觀顯示，能查看到短時間段內的壓力數據。

3.3 曲線擬合

要實現歷史數據繪制圖表，必須要對各點的數據進行擬合，繪制出軌跡圖，但是VB的數據處理繪圖能力有限，所以本系統可以結合Matlab對數據庫中的車輛運行數據進行解析，控件采用C++編程，以OCX控件形式供VB調用[7]。

Matlab中的曲線擬合采用最小二乘法，在VC6.0中創建了Matlab的ActiveX對象后，就可以使用這個對象所包含的各種方法來實現對Matlab的調用。利用相似定律，編程獲得在其他轉速下性能曲線，表達式的系數運行結果以字符串返回，圖形則以Matlab圖形窗口的形式顯示。此功能一般用于年報表分析。

4.報警和報表打印

4.1 報警功能

壓力值報警功能因為每個礦井的地質條件有所差異，在界面上有報警值輸入的功能，根據不同地質條件，設置不同的壓力報警值[8]。圖表上，只要超過此報警值，壓力超標部分的曲線會以紅色顯示，提醒調度指揮室注意采取相應措施。另外音頻輸出一個報警聲音：壓力超標，外加一個紅色報警燈，裝在總調度室，實現聲光報警。

4.2 報表打印

壓力的報表打印功能分實時曲線打印，月壓力趨勢分析曲線圖打印，超限報警記錄打印，年壓力趨勢分析柱形圖打印等。

具體的報表設計采用VB的PrintForm方法先將各種圖表打印到電腦屏幕上，可用鼠標滾輪放大或者縮小相應的圖表，再添加打印機，實現圖表的輸出。

5.總結

先分析了工作面液壓支架壓力監測系統的硬件構成，在此基礎上對軟件架構進行分析，主要實現了以下三個功能：

（1）壓力數據采集，SQL數據庫保存數據；

（2）壓力數據的實時曲線繪制；

（3）報警功能和報表打印功能。

系統軟件的后續完善主要是和其他系統的融合方面，比如礦井瓦斯監測系統，巷道環境監測系統等。

[1]尹洪勝,于寧寧,趙宗平,俞星.基于CANopen的煤礦壓力在線監測系統[J].煤礦安全,2010(03):71-74.

[2]王志中,董愛華.ZigBee技術及其在井下人員定位系統中的應用[J].煤礦安全,2008(05):62-65.

[3]李致金.基于無線傳感器網絡的煤礦頂板壓力監測系統[J].電子技術應用,2010(11):79-82.

[4]陳威兵,劉光燦,馮璐.基于3G網絡的車輛定位與視頻監控系統設計[J].計算機測量與控制,2011,19(3):600-602.

[5]孫澤宏,孔德慧.監測系統在綜采工作面礦壓觀測中的應用[J].計算機測量與控制,2008(3):82-85.

[6]阮殿旭,張曉光.煤礦井下工作面無線監測網絡任務優化算法研究[J].煤礦機電,2011(02):26-27.

[7]段銀聯.基于RFID技術的礦井人員定位監控系統研究[D].安徽:安徽理工大學,2009:12-14.

[8]丁恩杰,馬方清.監控系統與現場總線[M].徐州:中國礦業大學出版社,2003:18-26.