基于GPRS及LabVIEW的煤礦提升設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測研究

蔣紫韻　王雁

【摘 要】針對煤礦提升設(shè)備的監(jiān)測現(xiàn)狀，結(jié)合GPRS網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，并用LabVIEW虛擬技術(shù)開發(fā)監(jiān)測軟件，實(shí)現(xiàn)在遠(yuǎn)端對運(yùn)行現(xiàn)場情況的實(shí)時監(jiān)測及故障的準(zhǔn)確分析，保障提升設(shè)備的安全運(yùn)行。

【關(guān)鍵詞】GPRS；LabVIEW；煤礦提升設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測

中圖分類號： TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）29-0065-002

【Abstract】Aiming at the status quo of coal mine lifting equipment monitoring， combined with GPRS network， a remote monitoring system is designed and developed with LabVIEW virtualization software to realize real-time monitoring and fault analysis on the remote site and ensure the safety of the equipment run.

【Key words】GPRS；LabVIEW；Coal mine lifts equipment remote monitoring

0 引言

煤礦提升設(shè)備負(fù)責(zé)人員及材料的運(yùn)輸，是煤礦安全生產(chǎn)的主要設(shè)備之一，其安全運(yùn)行至關(guān)重要，所以需要及時了解其運(yùn)行狀態(tài)，多采用的方法是機(jī)電師傅例行巡檢[1]。隨著通信技術(shù)，計算機(jī)技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了在線監(jiān)測技術(shù)[2]，在設(shè)備控制室的計算機(jī)上安裝在線監(jiān)測軟件，實(shí)時顯示監(jiān)測狀態(tài)，但這種方法對診斷技術(shù)人員的專業(yè)素質(zhì)要求較高，而煤礦一般缺乏相關(guān)技術(shù)人才，因此設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測診斷技術(shù)應(yīng)用而生。根據(jù)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用模式，信息傳輸技術(shù)需要局域網(wǎng)的支持，但煤礦提升設(shè)備現(xiàn)場又不具備布網(wǎng)條件[3]，如果采用電話線傳輸方式又不能滿足間斷及較高數(shù)率的傳輸條件，而通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸可以克服上述缺點(diǎn)，因此，研究基于GPRS的遠(yuǎn)程監(jiān)測具有較大的應(yīng)用前景。

1 GPRS遠(yuǎn)程傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)

1.1 GPRS技術(shù)

GPRS是一種通用分組無線傳輸技術(shù)，數(shù)據(jù)在通信過程中不固定占用無線信道，用戶只有在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時才占用信道，且計費(fèi)是以通信數(shù)據(jù)量為主要依據(jù)的，即“傳的越多，付的越多”。GPRS可提供高達(dá)115kbit/s的傳輸速率，能夠很好的滿足工礦監(jiān)控的需要。GPRS能提供快速的即時連接，永遠(yuǎn)在線，接入時間僅需1S，可提高遠(yuǎn)程監(jiān)測的效率。

1.2 遠(yuǎn)程傳輸框架

數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)是將現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)通過工控機(jī)端發(fā)送給GPRS模塊，然后進(jìn)行分析、處理，將數(shù)據(jù)打包，通過GPRS模塊接入GPRS網(wǎng)絡(luò)，再通過各種網(wǎng)關(guān)和路由將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)中心，遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)中心負(fù)責(zé)對傳輸數(shù)據(jù)的監(jiān)聽、解析和存儲，以及做為遠(yuǎn)程客戶端訪問數(shù)據(jù)的管理中心。遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)框架如圖1所示。

1.2.1 GPRS模塊

開發(fā)本系統(tǒng)采用的GPRS模塊具備數(shù)據(jù)透傳，TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，可提供標(biāo)準(zhǔn)RS232/485數(shù)據(jù)接口。在用GPRS模塊傳輸數(shù)據(jù)前需要完成以下配置，包括：接入中心IP地址、端口號、終端SIM卡號、終端編號、APN名稱。接入中心IP地址即遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)中心服務(wù)器IP地址，要填寫對應(yīng)的公網(wǎng)地址；端口號即為在路由器上設(shè)置的端口映射號；終端SIM卡號即有GPRS數(shù)據(jù)流量的SIM卡卡號；終端編號是一種標(biāo)識，當(dāng)有多個模塊同時使用時，利于遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)中心進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)偵聽與解析；APN名稱即開通SIM卡的通信公司名稱。GPRS模塊與現(xiàn)場工控機(jī)通過RS232接口通訊，相應(yīng)的也要配置串口通訊參數(shù)。

1.2.2 數(shù)據(jù)協(xié)議

遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)過程中數(shù)據(jù)協(xié)議的制定相當(dāng)重要，關(guān)系到遠(yuǎn)端中心服務(wù)器能否準(zhǔn)確地將收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析及存儲。由于煤礦提升設(shè)備的在線監(jiān)測系統(tǒng)可能不只一個，或者同時在遠(yuǎn)端監(jiān)測的礦井不只一個，制定數(shù)據(jù)協(xié)議的時候要考慮全面，制定的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議如表1所示。

其中，起始位與結(jié)束位為標(biāo)志字段；無線模塊編號用于區(qū)分所監(jiān)測設(shè)備的對象；傳輸采集時刻便于查找歷史數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析；數(shù)據(jù)部分則根據(jù)具體的設(shè)備監(jiān)測量確定，例如不同的礦井所用的制動閘類型不一樣，則制動閘的個數(shù)不固定，或同一提升設(shè)備選擇監(jiān)測點(diǎn)不同，有監(jiān)測提升鋼絲繩張力情況的，有監(jiān)測主軸及減速器振動信息的，有監(jiān)測制動閘制動力的，所以數(shù)據(jù)部分的具體信息長度可變；各字段的字符長度的選取關(guān)系到流量費(fèi)用問題，所以要根據(jù)實(shí)際情況合理選用，本協(xié)議字符是以十六進(jìn)制定義。

1.2.3 遠(yuǎn)端中心服務(wù)器

遠(yuǎn)端中心服務(wù)器既負(fù)責(zé)從網(wǎng)絡(luò)端口接收數(shù)據(jù)，又負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的解析及快速高效存儲。通信服務(wù)器的工作流程：首先讀取相關(guān)配置信息進(jìn)行初始化，接著打開偵聽端口并進(jìn)行監(jiān)聽連接請求，數(shù)據(jù)庫和通信服務(wù)器建立連接后，開始數(shù)據(jù)通信。本系統(tǒng)服務(wù)器端口號即為GPRS模塊所填寫端口號。數(shù)據(jù)庫的設(shè)計要考慮到數(shù)據(jù)的檢索問題，因服務(wù)器所偵聽到的數(shù)據(jù)可能是多個礦井的數(shù)據(jù)，且一個礦井的數(shù)據(jù)發(fā)送裝置不只一個，所以可采用預(yù)分庫分表的策略設(shè)計數(shù)據(jù)庫，即把一個數(shù)據(jù)庫切分成多個部分放到不同的數(shù)據(jù)庫上，從而緩解單一數(shù)據(jù)庫的性能問題。

2 LabVIEW遠(yuǎn)程監(jiān)測的實(shí)現(xiàn)

搭建遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)目的是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程客戶端對現(xiàn)場情況的監(jiān)測及診斷分析，本文采用LabVIEW開發(fā)遠(yuǎn)端監(jiān)測軟件。

2.1 LabVIEW介紹

LabVIEW是美國NI公司開發(fā)的圖形化編程軟件，可實(shí)現(xiàn)信號的采集，數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)顯示及存儲等 ，具有豐富的圖形化控件，友好的界面，采用流程圖模塊化式的設(shè)計理念，使編程更容易，通過調(diào)用相關(guān)函數(shù)實(shí)現(xiàn)多種儀器的功能，即相當(dāng)于軟件即硬件，同時也是目前功能最強(qiáng)，應(yīng)用最廣的圖形化開發(fā)環(huán)境。endprint

2.2 主要功能模塊

2.2.1 數(shù)據(jù)的采集模塊

對于監(jiān)測現(xiàn)場，傳感器采集的數(shù)據(jù)首先要經(jīng)過一定的信號調(diào)理，才能通過LabVIEW數(shù)據(jù)采集卡將數(shù)字信號采集到計算機(jī)中，或是通過計算機(jī)的RS232串口通訊方式采集數(shù)據(jù)。對于遠(yuǎn)程監(jiān)測客戶端采集的數(shù)據(jù)不再是來自傳感器，而是直接讀取存在遠(yuǎn)端中心服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，即通過GPRS模塊發(fā)出的數(shù)據(jù)，相應(yīng)的讀取操作程序框圖如圖2所示。

以上數(shù)據(jù)的獲取來自數(shù)據(jù)庫，編程用到LabSQL數(shù)據(jù)庫工具包，首先通過ADO Connection Create節(jié)點(diǎn)與ADO建立連接，后通過ADO Connection Open 節(jié)點(diǎn)指定打開數(shù)據(jù)源，ConnectionString給出所安裝數(shù)據(jù)庫的驅(qū)動，數(shù)據(jù)存放計算機(jī)的公網(wǎng)IP地址，端口號，及計算機(jī)用戶名及密碼，以及數(shù)據(jù)庫的名稱。打開數(shù)據(jù)源后通過SQL Execute節(jié)點(diǎn)執(zhí)行SQL命令“select屬性名from數(shù)據(jù)庫表名where 1 order dy參量名desc limit n”，含義是從表中取出從第n個參量開始的所選參量，從Data取出第一行數(shù)據(jù)作為某時刻的采集信息。最后使用ADO Connection Close節(jié)點(diǎn)關(guān)閉與數(shù)據(jù)庫的連接。

2.2.2 數(shù)據(jù)分析模塊

數(shù)據(jù)分析可以對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷是否存在超閾值情況，進(jìn)而做出預(yù)警處理，并將報警情況記錄在數(shù)據(jù)表中，以便技術(shù)人員查看，及時檢查設(shè)備。圖3是對提升設(shè)備制動閘間隙是否偏大的判斷框圖，煤礦安全規(guī)程規(guī)定制動閘在開狀態(tài)閘瓦到閘盤的間隙不能超過2mm，當(dāng)超過時指示燈會亮以示報警，應(yīng)及時調(diào)整。

還可以對故障數(shù)據(jù)進(jìn)行時頻域分析，根據(jù)頻率幅值變化情況進(jìn)行故障診斷，另將小波分析及HHT分析應(yīng)用到振動信號的診斷中，得出特征頻率，分析確定故障類型。因在LabVIEW中實(shí)現(xiàn)Hilbert譜程序的編程比較復(fù)雜，可通過LabVIEW調(diào)用mathscript節(jié)點(diǎn)，在節(jié)點(diǎn)中直接運(yùn)行MATLAB的m文件，得到Hilbert譜。因故障診斷算法不只上述幾種，為了準(zhǔn)確分析故障情況，若能將監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確及時傳給行業(yè)專家進(jìn)行分析，對故障的判斷會更準(zhǔn)確，可見開發(fā)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)是很有必要的。

2.2.3 數(shù)據(jù)顯示模塊

數(shù)據(jù)顯示即在一個界面上顯示所有要監(jiān)測的參量及報警指示信息，因LabVIEW含有豐富的圖形化控件及可以自定義控件，監(jiān)測界面可以直觀展示運(yùn)行情況，圖4是煤礦提升設(shè)備鋼絲繩張力監(jiān)測主界面，在界面中可以顯示每根繩的張力值及實(shí)時曲線圖，罐籠的運(yùn)行位置，報警信息等，方便工作人員查看。

另外，LabVIEW軟件自帶web網(wǎng)頁發(fā)布功能，可以將正在運(yùn)行的監(jiān)測界面前面板發(fā)布出去，方便煤礦高層了解現(xiàn)場情況，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。若處在內(nèi)網(wǎng)的另一臺計算機(jī)要訪問，直接在瀏覽器的URL欄輸入“http：//主機(jī)IP地址/VI稱.html”，即可看到監(jiān)測界面，要想控制監(jiān)測界面，只需在界面點(diǎn)擊VI圖片，在彈出的菜單中選擇獲得控制前面板的功能，但此刻主機(jī)就不具備控制界面的權(quán)限，即同一時刻，主機(jī)端和客戶端只允許其中一端控制前面板。若是處在外網(wǎng)的計算機(jī)要訪問，需要先實(shí)現(xiàn)域名與內(nèi)網(wǎng)主機(jī)的綁定，在動態(tài)分配公網(wǎng)IP的情況下，由外網(wǎng)訪問內(nèi)網(wǎng)主機(jī)，進(jìn)而查看監(jiān)測界面。

3 結(jié)語

本文開發(fā)的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，主要包括兩部分，一部分是基于GPRS的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳，一部分是基于LabVIEW的監(jiān)測軟件開發(fā)。其中，數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳關(guān)鍵是數(shù)據(jù)協(xié)議的制定及數(shù)據(jù)的解析，監(jiān)測軟件開發(fā)關(guān)鍵是各功能模塊的實(shí)現(xiàn)。另外，遠(yuǎn)程傳數(shù)據(jù)會有網(wǎng)絡(luò)延時問題，經(jīng)初步測試會有1-2秒的延時，但不影響遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)整體性能，開發(fā)本系統(tǒng)對煤礦安全生產(chǎn)有一定實(shí)際的意義。

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