液压支架压力监测系统软件设计

河南宏福煤业有限公司 邱卫东

中国矿业大学信息与电气工程学院 景晓军

矿井工作面由于岩层运动，回采工作等因素的影响，顶板压力会不断变化。工作面采用液压支架对顶板进行支撑，液压支架的压力监测和数据分析对井下安全生产有至关重要的作用。矿井管理人员可以根据系统软件上的压力数据，分析可能产生危险的地段，即使采取相关措施，避免安全事故的发生。

本文主要研究了压力在线监测系统的上位机软件设计。结合煤矿现场的复杂情况，制定适合工业现场用的通讯协议，方便上位机处理数据。上位机软件采用VB作为主要开发工具，在以太网上实现基本的数据采集功能，所有实时数据都保存到SQL2000数据库中，并能够对这些数据做出科学分析，供煤矿分析煤矿顶板压力状态，并对安全隐患提前预警。

1.压力在线监测系统概述

1.1 系统硬件组成

液压支架压力在线监测系统由压力传感器，无线射频模块，接收分站，以太网关等硬件设备组成，如图1所示。硬件设备主要是电池供电，要求功耗低，无线数据传输要求精密的防碰撞算法，算法的优劣直接关系到整个系统的性能[1]。

有源2.4GHz射频模块的有效传输距离可达200米，在煤矿工作面复杂情况下，采用电池供电，CPU采用TI公司的MSP430超低功耗单片机，三节干电池供电，半年更换一次。多个无线压力传感器使用共享的射频信道，同时处于接收分站识别范围的情况下，数据包传输会发生冲突。因为本系统在工作面等地点安装，供电不方便，采用电池供电，要求功耗低，且处理器内部的寄存器及内存大小限制了复杂算法的使用，本系统采用标准的二叉树搜索算法，避免了同信道数据的碰撞[2]。

以太网网关起协议转换的作用，将接收分站的RS485信号转变为以太网流数据包，传输至地面接收分站，经过数据解析，在调度室PC机上采集压力数据。

1.2 系统软件架构

系统软件架构如图2所示，主要由数据采集部分，数据分析处理部分和报警打印三部分组成。其中VB解析压力传感器协议是系统软件的关键，数据校验采用通用的CRC校验，采用VB编程实现。数据分析采用VB的绘图控件编写程序。

2.通信协议

2.1 通信协议分析

其中地址表示设备号，功能码表示此数据包是压力数据，第一组为压力值a，二组为压力值b，第三组和第四组分别为发送功率和电池电压。每组数据占用一个字节，数据包一共八个字节。校验位采用标准的CRC校验。

2.2 VB解析协议

下位机发送的数据包是8个字节的十六进制数据包，上位机需要对数据包进行数据转换，方便数据分析处理，十六进制转字符型数据的程序如下：

将8字节的数据包存放在字节数组中，用For循环将每个字节转变为十六进制字符型数，便于上位机的后续处理。

2.3 CRC校验的VB实现

校验部分采用标准的CRC校验，CRC校验的VB实现函数如下：

CRC校验用在每个数据包的接收校验部分，保证了数据的完整和准确性[4]。

3.数据库分析和处理

3.1 SQL数据库的存取和查询

本系统用SQL2000数据库实现对压力数据的存储和查询，用微软的ADO控件，用OLEDB方法将VB中的winsock控件接收的数据链接到数据库中[5]，可实现数据库历史数据的查询，进而绘制相关图表。

表1 压力数据协议

图1 压力监测系统硬件组成

图2 压力监测系统软件架构

SQL中的数据格式如表2所示：

（3）加强建植层基本性质的研究。深入研究不同灌草模式下的喷混基底稳定性，建植层结构力学性质，建植层保水供水功能，酸碱度调节与养分动态等物理化学过程的变化，植物生物量和根系生长布局，水土保持效果等，以确定最适宜的生态治理模式。

数据的存取和查询软件界面如图3所示，datagrid控件用于存储从数据库中查询的数据，根据选择的时间段查看历史压力值，可以保存为excel文件打印。也可以选择设备号，查看当前压力的实时数据。

压力值的存储采用VB的ADO控件，程序如下：

先把VB解析出来的数据存到text里，再用ADO控件的Recordset方法将text里的数据更新到SQL数据库中[6]，具体程序如下：

3.2 实时曲线图和历史柱状图表绘制

根据上述对数据库存储和查询的分析，采用VB的MSChart控件将查询到的数据绘制成相应的实时曲线图，通过对历史数据的分析，绘制出相应的历史柱形图。

表2 SQL数据库中压力表的格式

图3 压力监测系统SQL存储和查询界面

图4 工作面液压支架压力分析图表

绘制出的图表如图4所示，硬件设备的实时数据在界面上能直观显示，能查看到短时间段内的压力数据。

3.3 曲线拟合

要实现历史数据绘制图表，必须要对各点的数据进行拟合，绘制出轨迹图，但是VB的数据处理绘图能力有限，所以本系统可以结合Matlab对数据库中的车辆运行数据进行解析，控件采用C++编程，以OCX控件形式供VB调用[7]。

Matlab中的曲线拟合采用最小二乘法，在VC6.0中创建了Matlab的ActiveX对象后，就可以使用这个对象所包含的各种方法来实现对Matlab的调用。利用相似定律，编程获得在其他转速下性能曲线，表达式的系数运行结果以字符串返回，图形则以Matlab图形窗口的形式显示。此功能一般用于年报表分析。

4.报警和报表打印

4.1 报警功能

压力值报警功能因为每个矿井的地质条件有所差异，在界面上有报警值输入的功能，根据不同地质条件，设置不同的压力报警值[8]。图表上，只要超过此报警值，压力超标部分的曲线会以红色显示，提醒调度指挥室注意采取相应措施。另外音频输出一个报警声音：压力超标，外加一个红色报警灯，装在总调度室，实现声光报警。

4.2 报表打印

压力的报表打印功能分实时曲线打印，月压力趋势分析曲线图打印，超限报警记录打印，年压力趋势分析柱形图打印等。

具体的报表设计采用VB的PrintForm方法先将各种图表打印到电脑屏幕上，可用鼠标滚轮放大或者缩小相应的图表，再添加打印机，实现图表的输出。

5.总结

先分析了工作面液压支架压力监测系统的硬件构成，在此基础上对软件架构进行分析，主要实现了以下三个功能：

（1）压力数据采集，SQL数据库保存数据；

（2）压力数据的实时曲线绘制；

（3）报警功能和报表打印功能。

系统软件的后续完善主要是和其他系统的融合方面，比如矿井瓦斯监测系统，巷道环境监测系统等。

[1]尹洪胜,于宁宁,赵宗平,俞星.基于CANopen的煤矿压力在线监测系统[J].煤矿安全,2010(03):71-74.

[2]王志中,董爱华.ZigBee技术及其在井下人员定位系统中的应用[J].煤矿安全,2008(05):62-65.

[3]李致金.基于无线传感器网络的煤矿顶板压力监测系统[J].电子技术应用,2010(11):79-82.

[4]陈威兵,刘光灿,冯璐.基于3G网络的车辆定位与视频监控系统设计[J].计算机测量与控制,2011,19(3):600-602.

[5]孙泽宏,孔德慧.监测系统在综采工作面矿压观测中的应用[J].计算机测量与控制,2008(3):82-85.

[6]阮殿旭,张晓光.煤矿井下工作面无线监测网络任务优化算法研究[J].煤矿机电,2011(02):26-27.

[7]段银联.基于RFID技术的矿井人员定位监控系统研究[D].安徽:安徽理工大学,2009:12-14.

[8]丁恩杰,马方清.监控系统与现场总线[M].徐州:中国矿业大学出版社,2003:18-26.