动力灾害信息传输平台的设计

杨庆江+李明+冯新宇+刘永立

摘 要： 针对煤矿安全生产中的特殊需求，设计一种采用以虚拟仪器软件开发上位机的监控界面，其利用微控制器进行数据采集与传输的信息。该平台对煤炭生产的关键部位的底压力、侧压力、温度等数据进行采集和实时监控，并构建相应数据库使节点采集的数据以便于对数据的存储查询与信号的处理分析，且设计了二次开发接口。研究结果表明，该平台不仅实现对环境参数的采集，也实现了分站与上位机间的以太网通信，而且支持用户的再次开发。从而得出结论，该平台具备良好的兼容性和扩展性，可以充分满足煤炭安全生产的特殊需求。

关键词： 工业以太网； 信息传输平台； 动力灾害； 煤矿安全； STM32； 监控系统

中图分类号： TN911.2?34； TP274 文献标识码： A 文章编号： 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

在国家对煤矿安全的问题越来越重视的情况之下，对煤矿企业的安全监测监控系统提出更高的要求。为了确保矿井的安全运行，许多厂商大力投入资金对安全监测监控系统进行开发，已经成为当今煤炭安全生产的研究热点。经过多年不断的发展，我国已经研制出了很多具有代表性的产品，如 KJ90NB，KJ101N，KJ95N 等系统是我国目前的主流产品。但是在煤炭安全生产需要特殊要求、个性需求时，要求煤矿安全监控系统具有监测参数丰富、监测容量大、系统通信协议统一、规范、信速率高、相互兼容等特点[1?3]。因此，笔者针对在煤炭安全生产有特殊需求的情况下，设计一种基于STM32与LabVIEW的工业以太网信息传输平台，该信息传输平台以STM32为控制核心、LabVIEW为软件核心，以单片机采集的实时数据和井下状态为基础，通过MODBUS TCP协议，由工业以太网传入上位机，由可视化平台对井下环境的参数进行实时监控及储存，并实现了用户对报警策略的二次开发功能，工程应用表明，该平台满足了煤炭安全生产的特殊需要。

1 平台的架构设计

本信息传输平台主要是对井下全面压力以及温度的监测数据的传输，整个平台采用 3 层结构： 底层为监控层，包括多个智能传输终端，通过终端所携带的多参数智能传感器，采集井下的压力、温度数据； 中间层是分站节点，汇总监控层传入的井下数据； 顶层是上位机，对数据进行保存、显示。平台网络结构模型如图1所示。

在井下监控区域中，监控节点与分站节点共同组成星型网络拓扑结构，分站节点为其网络结构的中心，监控节点直接与中心节点相连构成的网络，监控节点将采集到的数据向分站节点传递。分站节点采集得到的井下监控数据通过以太环网发送给上位机进行处理。在上位机设计友好的人机交互界面，对井下监控数据进行实时显示，并将数据保存到数据库[4]。

2 平台的硬件设计

为了满足检测数量的需要，本传输平台的传感器采用新型多参数智能传感器，该产品监测数量丰富，集成化高，使监测数据安全可靠；为了满足通信速率的需要，传输网络采用以太工业环网作为平台传输网络；为了满足通信协议、兼容性的需要，开发了多种接口的信息传输分站，为矿井监控系统构建统一标准的传输平台，具有良好的通信稳定性、可靠性、平台扩展性与兼容性。本平台的硬件设计框图如图2所示。endprint

2.1 多参数智能传感器

与信息传输平台配接的智能传感器是煤炭安全生产中的重要装备，并越来越受到使用单位和研究人员的普遍重视。针对现代煤炭安全生产对传感器的特殊需要，本设计使用的新型传感器集成了温度传感器、底部压力、侧部压力传感器，该新型传感器测量参数丰富，集成性高，增加了监控数据的可靠性，满足了煤炭安全生产的特殊需求。

本设计采用的GDW60（A）围岩动力灾害传感器是一种新型的多参数传感器，可以同时测量钻孔内的气体压力、温度、三轴岩体载荷共5通道功能。现场安装简单，分别放大可远距离传输，工作电压为DC 18～24 V；应力测量量程为0～60 MPa；温度测量量程为0～60 ℃；气体压力测量量程为0～10 MPa。

GDW60（A）围岩动力灾害传感器结构图如图3所示。

2.2 传输网络

根据当今煤炭生产的特殊需求，本设计选择了以工业以太网作为传输网络，其具备很好的传输速率、稳定性、灵敏度、扩展接入能力、故障自我恢复能力。所采用的技术规范在当代工程实践中已经是很成熟了，并且为了应对实际应用中的复杂恶劣环境条件进行了对应的设计，在运行的稳定性、环境适应性、抗干扰等方面与过去的技术比较都有很大的进步，能很好地适应井下复杂的环境。本设计开发了基于先进的 STM32 嵌入式 CPU。以太网接口电路主要由 MAC 控制器和物理层接口两个部分组成。由于STM32芯片内没有含纳以太网控制芯片，所以选用以太网芯片DM9000A 作为以太网模块，平台实现了具有工业以太网接口的信息传输分站，使得整个系统传输速率达100 Mbit/s以上。

2.3 硬件接口

目前大部分的生产厂家都采用各自的通信协议，因此很难找到两个相互兼容的系统。目前，信息传输平台的通用性已成为设备升级、扩充的主要制约因素。用户使用了某个厂家的产品，在接下来的部分升级、扩充以及技术支持上，就只能局限于该厂家，甚至有些煤矿企业为了满足煤炭生产的特殊需要，在系统只需要对部分设备进行更换的情况下，却没有与之相兼容的产品，而只能放弃原有整套系统而另选其他厂家的产品。因此，为了解决通信协议不规范的问题，就必须开发具有多种接口的井下信息传输分站，该信息传输分站具备了RS 232C、RS 485 总线、CAN总线三种目前主流的接口方式。这样在很大程度上提高了整个平台的兼容性、通用性，需要升级、补充设备时可节省成本、时间[5]。

3 软件设计

1） 本平台的软件结构主要包括：监控模块、用户管理模块、数据库模块。在软件结构上主要采取模块化的编程方法，将整个软件平台按照功能分解为一个个单独的模块，每个模块分别完成各自的功能，当需要增加平台功能时也只需要增加相应的模块即可，使软件系统更新更加便利，有利于软件平台的扩展。

2） 本平台采用MODBUS协议进行上位机与下位机间的交互，工业以太网技术MODBUS/TCP是MODBUS家族中应用于自动控制装备上的开放通信协议，其应用技术已经非常成熟，具有良好的通用性。

3） 本平台利用LabVIEW可调用其他语言进行混合编程的特点，设计预留了再次开发的接口，用户可根据情况进行二次开发，算法集成，该软件平台的移植性强、通用性好。

3.1 软件结构设计

根据动力灾害信息传输平台的要求，软件采取模块化的编程方法，具体分为数据库模块、用户管理模块、监控模块三大部分。

1） 用户管理模块。使用者输入正确的账号和密码后可以登录，并且具有修改密码或添加用户等功能，如果输入了错误的密码或账户，则不能够登录系统且提示密码错误或不存在账户。系统功能还包括管理用户权限、显示用户登录的历史记录，有利于系统的管理。

2） 监控模块。在上位机界面可对温度、底压力、侧压力数据进行实时显示、处理等操作。现场测量的数据信号传输到上位机，界面能将数据进行实时显示并存储在数据库中，用户可随时查看历史数据。

3） 数据库模块。LabVIEW可以采用SOL工具包与SQL Server数据库进行连接，主要功能是对实时数据和历史数据进行存储管理，与其他模块进行通信，支持各种应用对数据的访问，设置组态信息和对用户权限进行控制管理。

传输平台的软件结构如图4所示。

3.2 上位机与下位机的通信

MODBUS通信协议是一种在工业领域被广为应用的真正开放、标准的网络通信协议。此协议是主从通信协议，当上位机发送命令帧到下位机，下位機才返回数据帧到上位机。本平台的通信方式使用的是轮询方式，主机命令帧格式与下位机返回帧格式分别见表1和表2。

下位机需要完成初始化，设置好波特率与CRC方式，这两个设置一定要与上位机的一样，下位机与上位机之间才能正常的信息交互。然后下位机就处于轮询接收状态。CPU反复读取状态寄存器，当下位机把数据发送到接收缓冲区，状态寄存的标志位改变，CPU开始读取数据。进行从机地址判断，若非本机号码，重新接收数据；若是本机号码进行CRC，若接收数据正确，进行数据解析，执行相应功能。

本设计采用轮询方式接收数据。接收到数据先判断其是否为本机地址，如果是本机地址，则接收完整数据帧再解析其功能码和CRC值[6]，如果不是，则重新接收数据。

3.3 软件的接口设计

为了使用户进行二次开发，本软件接口根据监测参数温度、底压力1、底压力2、侧压力1、侧压力2分别设计了3个接口，按照数值由高到底的顺序分别是“极限值”、“警戒值”、“极小值”三个接口值，程序将经过处理的数据输入给索引数组，从其输出提取当前监测的实时釆样值，在进行分析处理，判断出其所处的范围。并且在不同状态分别设置不同的声音频率进行报警，工作人员可以从声光报警中区分报警等级[7]。endprint

本软件平台在5个监测数据下分别设计了3个接口，用户可根据井下的情况分别设置3个界限值的大小，来制定不同的报警策略，真正达到了操作简单，用户不需要具备专业知识的情况下也可以很轻易地进行二次开发，使平台具有良好的扩展性、通用性[8]。软件接口设计的程序框图如图5所示。

4 实验数据、效果

矿井下瓦斯压力会引起瓦斯突出，危害井下人员的生命，煤层的瓦斯压力值应小于0.74 MPa。由安全级别表可知，当瓦斯浓度温度在17～21 ℃时，安全级别定为高级； 当瓦斯浓度温度在21～25 ℃时，安全级别定为比较高。在实验室中，采用甲烷气体对该系统进行温湿度和瓦斯压力测试，测试结果见表3和表4。

经过多次实验结果表明，该系统可以准确监控井下情况。对瓦斯压力测试可知，每次得到的瓦斯压力数据误差均小于0.02 MPa，5次实验的平均误差为0.014 MPa。 每次得到的气体温度数据误差均小于0.2 ℃，5次實验的平均误差为 0.14 ℃。根据对系统的测试可知，该系统的误差较小 。由此，该信息传输平台完全符合井下安全生产的要求。

5 结 论

笔者从动力灾害信息平台的总体结构出发，从平台架构、硬件环境搭建通信软件编程等方面介绍了传输平台的设计。通过使用LabVIEW，设计了用户管理、监控显示、数据管理，三个不同功能的模块，且设计了软件接口。在接口中，使用准确的数据处理原则，应用算法对数据进行了分类[9]。通过对该信息传输平台进行联机调试，结果证明该平台能够达到预期的目标，具有监测参数丰富、监测容量大、兼容性强、通信协议规范等特点。对于矿井温度、压力的测量，根据实际情况进行扩展，对保证煤矿的安全生产具有重要意义[10]。

注：本文通讯作者为李明。

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