基于LabVIEW的煤礦巷道頂板監(jiān)測系統設計

劉 杰 劉志剛 劉明清 岳曉光 常 娟

(1.武漢理工大學資源與環(huán)境工程學院，湖北武漢430070;2.河南省礦山信息化重點學科開放實驗室，河南焦作454000;3.國家環(huán)境保護部華南環(huán)境科學研究所，廣東廣州510655)

在各類煤礦事故中，頂板事故發(fā)生起數最多，造成了巨大的人員傷亡和財產損失，據相關資料顯示，近10年來，國內煤礦發(fā)生致人死亡的頂板事故3 372起，占煤礦事故總數的43%［1］。因此，實時監(jiān)測頂板離層的位移及壓力，判斷頂板離層及圍巖的穩(wěn)固性，及時采取有效的防護措施，對預防頂板事故的發(fā)生具有重大的現實意義。

1 監(jiān)測系統設計方案

煤礦巷道頂板監(jiān)測系統由頂板監(jiān)測傳感器，NIWSN測量系統和監(jiān)測主機及LabVIEW圖形化開發(fā)環(huán)境組成。頂板監(jiān)測傳感器包括頂板位移傳感器和頂板壓力傳感器。NI－WSN測量系統由無線傳感器網絡網關和分布式測量節(jié)點組成。無線傳感器網絡網關相當于網絡協調員，負責節(jié)點授權和消息緩存。測量節(jié)點以無線方式發(fā)送數據至網關。監(jiān)測傳感器直接與WSN測量節(jié)點連接，測量節(jié)點將傳感器采集的位移與壓力信號以無線方式發(fā)送至WSN網關，網關從各分布的測量節(jié)點收集測量數據并通過專用總線傳輸至地面監(jiān)測主機，進行信號分析和處理后，獲取頂板位移信息和壓力數據。頂板監(jiān)測系統結構如圖1所示。

圖1 煤礦巷道頂板監(jiān)測系統結構Fig.1 System structure diagram of roof monitoring of coal mine roadway

2 系統硬件結構

2.1 頂板監(jiān)測傳感器及其原理

煤礦巷道頂板離層位移監(jiān)測原理是，采用基點位移測量法，在巷道頂板垂直位置打入鉆孔，在孔內設2個基點，孔口布置電位器式傳感器，當頂板發(fā)生運動時，2個基點之間的距離也發(fā)生變化，通過測量2個基點之間的位移差值判定頂板的下沉位移［1］。直線型電位器式傳感器由電阻元件和可變電阻的滑動端兩個部分組成，其原理圖如圖2所示。當頂板離層產生位移時，可變電阻滑動端的位置移動，導致輸出電壓Uo變化，則監(jiān)測電壓Uo的變化即可得出頂板位移的變化量。

圖2 直線型電位器式傳感器原理Fig.2 Schematic diagram of linear potentiometer type sensor

可變電阻R0滑動端電壓的變化量與頂板離層位移量呈線性關系［2］，即

式中，χ為監(jiān)測點的頂板位移，mm;Uo為可變電阻滑動端的電壓，mV;χ0為可變電阻的總長度，mm;Ei為加于可變電阻R0兩端的恒定電壓。

頂板壓力監(jiān)測采用振弦式鉆孔應力計，當頂板壓力發(fā)生變化時，通過轉換元件引起傳感器內部的敏感元件振弦產生等效剛度的變化，從而調制諧振器的固有頻率，形成諧振頻率隨被測量變化而變化的頻率特性，通過測量頻率的變化，即可得知被測壓力的變化［3-4］。因此，頂板壓力可表示為

式中，σ為所測位置的應力，kPa;ρ為振弦材料的密度，kg/m3;l為振弦的長度，mm;s為振弦的橫截面積，mm2;ft為頂板發(fā)生位移后振弦的振動頻率，kHz;f0為振弦的初始頻率，Hz。

2.2 無線傳感器網絡

無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks，WSN)是一種基于無線網絡的傳感器信號傳輸系統，通過位置分散的獨立設備連接傳感器監(jiān)控被測物理量或環(huán)境量。這些獨立設備稱為節(jié)點，可結合路由器和網關創(chuàng)建典型的WSN系統。分布式測量節(jié)點可與無線傳感器網關進行無線通信;網關則連通監(jiān)測終端，幫助用戶收集、處理、分析并顯示測量數據。

NI－WSN測量系統由無線傳感器網絡網關和分布式測量節(jié)點組成。每個測量節(jié)點提供4路模擬通道和4路數字通道，可將各路通道按需配置為輸入、漏極輸出或源級輸出。功耗低，可在惡劣環(huán)境下正常運行;其通信借助基于ZigBee的2.4 GHz無線，可達1 000 m戶外視距。無線傳感器網絡網關使用基于ZigBee技術的協議，能與無線測量節(jié)點進行通信，繼而通過提供網絡路由功能，拓展網絡距離和可靠性。無線網關可與最多8個終端節(jié)點或最多36個WSN測量節(jié)點實現通信。

3 LabVIEW圖形化程序程序設計

LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是美國國家儀器有限公司開發(fā)的一種圖形化編程語言，又稱“G”語言，G指的是Graphical Programming Langunge。LabVIEW的核心是數據流編程方式，與傳統文本編程語言根據語句和指令的先后順序決定程序執(zhí)行順序不同［5］，LabVIEW提供了大量的工具與函數用于數據采集、分析、顯示和存儲，因此，在測試，測量和自動化等領域具有很大的優(yōu)勢。

基于LabVIEW的煤礦頂板監(jiān)測系統主要包括3個模塊，包括數據采集模塊、數據存儲與查詢模塊和報表生成模塊。

3.1 數據采集模塊

數據采集(Data Acquisition，DAQ)是指從傳感器和其他待測設備等模擬或數字單元中自動采集信息的過程［6］。傳感器將感應的物理信號轉換為電信號，如電壓或電流，計算機不能直接讀取傳感器的信號，必須配合使用數據采集卡，它是計算機與外部的接口。LabVIEW圖形化編程軟件使計算機與數據采集卡形成了一個完整的數據采集系統。通過Lab-VIEW開發(fā)的數據采集程序可以對采集的數據進行分析、顯示和存儲。因此，數據采集模塊是整個巷道頂板監(jiān)測系統的核心。

煤礦頂板變形是一個流變—突變的過程，巷道開挖后，破壞了巖體的應力平衡狀態(tài)，造成巷道周圍一定范圍內的應力重新分布，在重新形成平衡狀態(tài)前，頂板周圍的應力都在發(fā)生變化，當巷道頂板壓力超過某一臨界值時，將造成頂板冒落。對巷道頂板的監(jiān)測是一個連續(xù)、動態(tài)的過程。數據采集模塊需要同時采集兩路信號，一路是頂板離層傳感器產生的電壓數據，另一路是頂板鉆孔應力計產生的頻率信號，頂板電壓采集程序框圖與頻率采集程序框圖如圖3所示。

圖3 頂板離層電壓(上)與應力頻率(下)采集程序框圖Fig.3 Acquisition program diagram of roof separation voltage(upper)and stress frequency(lower)

數據采集程序的采樣模式選擇1采樣(按要求)，這種采樣模式適合低速以及對時間精度要求不高的場合，與巷道頂板緩慢的變化狀態(tài)相符合。采樣時間間隔可以根據實際需要進行適當地調整，在巷道開挖完成初期，頂板應力變化較大，可以縮短采樣間隔以增加數據密度，當采集的數據變化較小時，可以適當增大采樣時間間隔以減少數據冗余。定時結構為數據采集提供了精確的定時時間，更適用于采樣間隔時間較長的情況。

3.2 數據管理模塊

在對煤礦巷道頂板進行監(jiān)測的過程中，會產生大量數據，同時需要當前時間實時采集的頂板相關數據以及查詢歷史數據，此時，需要程序與數據庫建立通訊，建立相關數據的表，存儲已采集的數據，并調用數據庫實現對歷史數據的查詢。LabVIEW提供了數據庫連接工具包來實現對數據庫查詢，插入、修改等操作。數據庫連接工具包不能創(chuàng)建數據庫，需要借助第三方的數據庫管理軟件，因此，選用Microsoft office中的ACCESS數據庫作為監(jiān)測系統數據庫的管理工具。

頂板監(jiān)測系統的數據管理模塊包括2個子模塊，數據存儲子模塊與數據查詢子模塊。數據存子儲模塊將采集的數據按日期、通道，是否超過預警值分別寫入到數據庫中，便于后期對數據查詢分析;數據查詢子模塊能實現對數據庫信息的實時查詢與顯示，了解巷道頂板變化的動態(tài)信息，掌握當前巷道頂板的狀態(tài)。

使用LabVIEW數據庫連接工具包操作數據庫之前，需要建立與數據庫的連接，可以使用 DSN(Data Source Names)、UDL(Universal Data Link)等不同方式連接數據庫［7］。本系統選擇DSN來連接數據庫。當采集的電壓數據與頻率數據需要存儲時，監(jiān)測系統中的數據庫存儲程序首先會建立與數據的連接，并在數據庫中創(chuàng)建兩個新表分別存儲兩種數據，按編號、日期、通道編碼和是否預警的表頭將數據存入表中并保存，最后關閉與數據庫的連接。頂板離層電壓數據存儲程序框圖如圖4所示，應力頻率數據存儲程序與之類似。

數據查詢子程序連接數據庫后，調用已存儲在數據表中的歷史數據，將其顯示在監(jiān)測面板中，頂板離層電壓數據查詢程序框圖如圖5所示，頂板應力頻率數據查詢程序框圖與之類似。

圖4 頂板離層電壓數據存儲程序框圖Fig.4 Data storage program diagram of the roof separation voltage

圖5 頂板離層電壓數據查詢程序框圖Fig.5 Data query program diagram of the roof separation voltage

3.3 煤礦頂板監(jiān)測系統界面

監(jiān)測界面是用戶與系統交互的窗口，主要分為3個部分，即參數設置，波形數據顯示和數據查詢界面［8］。根據實際工況對各參數進行設置，開始采集后，波形將在波形圖和數組空間上顯示，若采集到的數值高于預警值時，下方紅色報警燈將點亮。當數據查詢按鈕按下時，下方表格中會顯示歷史數據及報警狀態(tài)。程序模擬運行時的監(jiān)測界面如圖6所示。

圖6 監(jiān)測界面圖Fig.6 Monitoring interface diagram

4 結論

運用監(jiān)測傳感器、無線傳感器網絡和LabVIEW圖形化編程環(huán)境設計一套煤礦巷道頂板監(jiān)測系統。對煤礦頂板離層位移和頂板壓力進行動態(tài)監(jiān)測，通過無線傳感器網絡將監(jiān)測數據傳輸至上位機，基于LabVIEW的監(jiān)測程序實現了數據采集與分析、監(jiān)測結果顯示與報警等功能，可實時反映巷道頂板的狀態(tài)，為評估頂板離層的穩(wěn)定性與安全性提供有力的科學依據，起到避免頂板事故發(fā)生的作用。

［1］ 陳 娟，趙耀江.近十年來我國煤礦事故統計分析及啟示［J］.煤炭工程，2012(3):137-139.Chen Juan，Zhao Yaojiang.Statistical analysis and enlightenment of coal mine accidents over the past ten years in our country［J］.Coal Engineering，2012(3):137-139.

［2］ 周李兵，孫駿馳.煤礦巷道頂板離層監(jiān)測系統設計［J］.工礦自動化，2012(4):94-97.Zhou Libing，Sun Junchi.Design of coal mine roadway roof separation monitoring system ［J］.Industry and Mine Automation，2012(4):94-97.

［3］ 閆振雄.基于LabVIEW的難動用礦產資源開采監(jiān)測體系研究［D］.武漢:武漢理工大學，2012.Yan Zhenxiong.Research on the Mining Monitoring System of the Mineral Resources Which is Difficult to Use Based on LabVIEW［D］.Wuhan:Wuhan University of Technology，2012.

［4］ 陳樹學，劉 萱.LabVIEW寶典［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2010.Chen Shuxue，Liu Xuan.LabVIEW Collection［M］.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2010.

［5］ 陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW 8.20程序設計從入門到精通［M］.北京:清華大學出版社，2007.Chen Xihui，Zhang Yinhong.LabVIEW 8.20 Programming from Entry to the Master［M］.Beijing:Tsinghua University Press，2007.

［6］ 任高峰，錢兆明，閆振雄，等.難動用礦產資源開采監(jiān)測系統設計［J］.遼寧工程技術大學學報:自然科學版，2013(7):925-929.Ren Gaofeng，Qian Zhaoming，Yan Zhenxiong，et al.Design the mining monitoring system of mineral resources which is difficult to use［J］.Journal of Liaoning Technical University:Natural Science Edition，2013(7):925-929.

［7］ 趙利坤，王玉杰，卻海言，等.基于LabVIEW的虛擬儀器在爆破震動測試中的應用［J］.金屬礦山，2012(1):136-138.Zhao Likun，Wang Yujie，Que Haiyan，et al.The application of virtual instrument in metal mine blasting vibration test based on Lab-VIEW［J］.Metal Mine，2012(1):136-138.

［8］ 趙佰亭，祝龍記，魏藍藍.煤礦巷道頂板離層結構健康監(jiān)測系統設計［J］.工礦自動化，2013(9):5-7.Zhao Baiting，Zhu Longji，Wei Lanlan.The health monitoring system design of roadway roof separation structural［J］.Industry and Mine Automation，2013(9):5-7.