基于LabVIEW程序設(shè)計(jì)的“安全監(jiān)測(cè)與監(jiān)控”課程改革與實(shí)踐

□倪冠華 于師建 程衛(wèi)民 周 剛 劉 震

安全工程專業(yè)是在礦井通風(fēng)與安全專業(yè)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控作為安全工程專業(yè)的一門專業(yè)課[1-2]。近年來(lái)，隨著材料科學(xué)、傳感器技術(shù)的發(fā)展，關(guān)于工業(yè)生產(chǎn)安全問題的監(jiān)測(cè)與監(jiān)控技術(shù)發(fā)展很快。在煤礦生產(chǎn)方面，自從國(guó)家煤礦安全監(jiān)督管理總局進(jìn)行了全國(guó)范圍內(nèi)的煤礦瓦斯災(zāi)害專項(xiàng)整治以來(lái)，要求國(guó)內(nèi)大中小型煤礦都需要安裝煤礦安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)[3]，主要監(jiān)測(cè)的目標(biāo)有兩類：一類為礦井環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)，包括瓦斯?jié)舛取⒁谎趸紳舛?、礦井溫度、濕度等；另一類為工況參數(shù)監(jiān)測(cè)，包括煤倉(cāng)煤位、皮帶運(yùn)行情況、掘進(jìn)機(jī)、采煤機(jī)運(yùn)行情況等。以上安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控的廣泛和深入的應(yīng)用，逐步凸顯了“安全監(jiān)測(cè)與監(jiān)控”課程的重要性。但是，根據(jù)筆者3年來(lái)的授課經(jīng)驗(yàn)獲悉，此課程課堂效率不高，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不足，主要因?yàn)椤鞍踩O(jiān)測(cè)與監(jiān)控”的教學(xué)方式主要以講授為主，對(duì)于包括計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和電子技術(shù)為一體的安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)的講授方式使學(xué)生感到枯燥無(wú)味，學(xué)生學(xué)習(xí)效率低下。因此，如何使學(xué)生能有效、生動(dòng)地掌握“安全監(jiān)測(cè)與監(jiān)控”課程成為亟待解決的關(guān)鍵性問題，而基于Labo?ratory Virtual Instrument Engineering Workbench（LabVIEW）虛擬儀器[4-5]的程序設(shè)計(jì)正是對(duì)“安全監(jiān)測(cè)與監(jiān)控”這一課程進(jìn)行的改革與實(shí)踐。

一、安全監(jiān)測(cè)與監(jiān)控課程概述及特點(diǎn)

安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)是包括計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)和電子技術(shù)為一體的綜合自動(dòng)化產(chǎn)品。主要包括傳感器、監(jiān)控分站、通信信道、中心站和電源5部分組成，如我們常見到的建筑消防監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)、樓宇火災(zāi)安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)、煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)、交通監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)等，都以環(huán)境系統(tǒng)的安全為目標(biāo)而設(shè)置的一套綜合性電子系統(tǒng)?？梢?，安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)外各行業(yè)都應(yīng)用到的一種預(yù)防安全事故的綜合性技術(shù)產(chǎn)品，通過對(duì)環(huán)境狀態(tài)參數(shù)、安全信息的監(jiān)測(cè)與監(jiān)控，來(lái)實(shí)現(xiàn)安全性分析和預(yù)測(cè)的自動(dòng)化、準(zhǔn)確化和及時(shí)化，并給予必要的預(yù)警和控制。

鑒于此，本課程首先介紹了安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控的系統(tǒng)組成和發(fā)展歷程、傳感器基本理論，其次，介紹了瓦斯檢測(cè)、礦井環(huán)境狀態(tài)參數(shù)（一氧化碳、溫度、濕度、粉塵、硫化氫等）檢測(cè)、礦井生產(chǎn)系統(tǒng)工況參數(shù)（風(fēng)門開關(guān)狀態(tài)、機(jī)電設(shè)備開停狀態(tài)、煤炭運(yùn)量等）檢測(cè)三大檢測(cè)應(yīng)用；然后，介紹了安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集（A/D轉(zhuǎn)換器、采樣保持器、信號(hào)放大器、D/A轉(zhuǎn)換器）、數(shù)據(jù)通信（數(shù)據(jù)基帶傳輸、頻帶傳輸、數(shù)據(jù)多路復(fù)用）及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，最后介紹了安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)管理（輔助管理和遠(yuǎn)程管理）、性能測(cè)試、設(shè)計(jì)原則及步驟等設(shè)計(jì)方法。另外，“安全監(jiān)測(cè)與監(jiān)控”課程設(shè)置有2個(gè)學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容為“煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)操實(shí)驗(yàn)”，實(shí)驗(yàn)?zāi)康陌ǎ菏煜さV井安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)；了解各種傳感器的原理和實(shí)際使用方式、方法。具體內(nèi)容為實(shí)施監(jiān)測(cè)監(jiān)控礦井井下各種安全參數(shù)：瓦斯?jié)舛?、風(fēng)速、負(fù)壓、溫度等并做記錄。因此，現(xiàn)有的“安全監(jiān)測(cè)與監(jiān)控”課程特點(diǎn)為以講授為主（30學(xué)時(shí)）、課堂實(shí)驗(yàn)為輔（2學(xué)時(shí)）。

二、教學(xué)過程中存在的問題

雖然“安全監(jiān)測(cè)與監(jiān)控”課程包括講授和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面，但是，通過課間和學(xué)生的交流反饋，以講授為主的理論講解必會(huì)造成學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)過程中枯燥無(wú)味、學(xué)習(xí)困難的嚴(yán)重問題，主要因?yàn)榘踩こ虒I(yè)學(xué)生電子電路技術(shù)理論、通信理論基礎(chǔ)薄弱，以講授為主的理論講解，很難使學(xué)生理解，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和興趣。

此外，雖然2個(gè)學(xué)時(shí)的煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)操實(shí)驗(yàn)，可以讓學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，更加具體形象地了解安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際工作過程，讓學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)組成、傳感器的工作原理、數(shù)據(jù)采集、通信及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的基礎(chǔ)之上，使學(xué)生更加深刻地理解安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)工作原理。但是，筆者在傳授課程過程中發(fā)現(xiàn)，由于各高校為了專業(yè)各門課程的統(tǒng)籌發(fā)展[6]，往往對(duì)于“安全監(jiān)測(cè)與監(jiān)控”實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)備投入不夠，并且眾多學(xué)生圍繞一臺(tái)實(shí)驗(yàn)儀器的現(xiàn)象比較突出，實(shí)際學(xué)習(xí)情況并不令人滿意。因此，如何改善學(xué)生學(xué)習(xí)條件及方式，如何使其獲得更加有效的實(shí)踐學(xué)習(xí)，是擺在我們面前的一項(xiàng)緊迫任務(wù)。

三、基于LabVIEW程序設(shè)計(jì)的“安全監(jiān)測(cè)與監(jiān)控”課程改革與實(shí)踐

參考當(dāng)前煤礦安全監(jiān)測(cè)設(shè)備的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，通過煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)LabVIEW虛擬儀器的設(shè)計(jì)，使學(xué)生在煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的理解和應(yīng)用上更加直觀、具體、方便。

1.LabVIEW程序簡(jiǎn)介。LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境，類似于C語(yǔ)音和BASIC開發(fā)環(huán)境，但是Lab?VIEW與其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的根本區(qū)別是：其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言都是采用基于文本的語(yǔ)言產(chǎn)生代碼，而Lab?VIEW使用的是圖形化編輯語(yǔ)言編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式[7-8]。LabVIEW開發(fā)的軟件程序由數(shù)據(jù)流程圖、前面板和圖標(biāo)連接端口三部分組成。

（1）數(shù)據(jù)流程圖。數(shù)據(jù)流程圖[9]，又稱框圖程序，采用圖形化的編程語(yǔ)言進(jìn)行框圖程序的編寫，代替?zhèn)鹘y(tǒng)編程語(yǔ)言中的文本代碼?？驁D的程序由節(jié)點(diǎn)、端點(diǎn)、圖框和連線四種元素構(gòu)成。

（2）前面板。前面板是LabVIEW應(yīng)用程序的圖形化用戶界面，可以布置輸入?yún)⒘亢筒榭摧敵鰠⒘?，前面板可包含按鈕、度數(shù)盤、開關(guān)量、儀器量及其他實(shí)際儀器工具，LabVIEW應(yīng)用程序的前面板相當(dāng)于實(shí)際監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的操控面板，并且其圖標(biāo)均為功能模塊。

（3）圖標(biāo)連接端口。圖標(biāo)的連接端口可以實(shí)現(xiàn)圖標(biāo)之間的連接，并可以實(shí)現(xiàn)LabVIEW的層次化結(jié)構(gòu)。用戶可以把上層次的LabVIEW程序來(lái)調(diào)用以創(chuàng)建更加復(fù)雜的下一層次LabVIEW程序，且這種層次化調(diào)用的梯次可以無(wú)限增加。

2.LabVIEW虛擬儀器應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)LabVIEW虛擬儀器的程序是根據(jù)煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件組成和功能，在LabVIEW環(huán)境下開發(fā)設(shè)計(jì)的。包括虛擬傳感器的信息采集、井下分站的信息收集和匯總、信息傳輸通道的信息傳輸及地面中心站的信息處理和顯示，這是一個(gè)完整的虛擬過程[10】。

首先，在數(shù)據(jù)流程圖中利用圖形化方法進(jìn)行編程，實(shí)際上是LabVIEW的程序代碼。利用數(shù)據(jù)流程圖中的各種圖形控件虛擬煤礦瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)的硬件部分，具體如下：

（1）利用四組信號(hào)輸入圖形控件虛擬不同井下分站的多組瓦斯傳感器，采取在0～5.3之間隨機(jī)取值的方式，模擬煤礦井下傳感器對(duì)井下瓦斯的濃度的隨機(jī)連續(xù)的取樣過程。

（2）采用四個(gè)信息收集圖形控件虛擬四個(gè)井下分站，對(duì)信號(hào)輸入圖形控件傳來(lái)的多通道信息進(jìn)行收集和匯總，模擬井下分站對(duì)井下各瓦斯傳感器傳來(lái)的信息的收集和匯總。

（3）對(duì)地面中心站的虛擬，則根據(jù)地面中心站的多個(gè)功能進(jìn)行設(shè)計(jì)編程，包括利用顯示器控件虛擬地面中心站的顯示器及大屏幕，模擬顯示器及大屏幕對(duì)地面中心站傳出的信息的顯示功能；利于比較控件虛擬地面中心站的處理器，模擬地面中心站的信息處理；利用一個(gè)LabVIEW子程序虛擬地面中心站的聲光報(bào)警功能，傳出的數(shù)值經(jīng)過比較控件的比較，當(dāng)信息大于5%時(shí)，則實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警功能。

（4）數(shù)據(jù)流程圖中的各種連線，即可虛擬礦井井下及地面CAN總線及各種通信電纜，實(shí)現(xiàn)模擬井下分站和地面中心站及各井下分站與傳感器之間的信息傳輸。

其次，LabVIEW應(yīng)用程序的前面板相當(dāng)于實(shí)際監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的操控面板，并且其圖標(biāo)均為功能模塊。其中，包括圖形顯示控件、報(bào)警燈控件、文本顯示控件、按鈕與開關(guān)控件。具體設(shè)計(jì)方案如下：

LabVIEW從數(shù)據(jù)流程圖接收指令，在前面板上有設(shè)置四個(gè)圖形顯示控件，虛擬地面工作站的顯示器或大屏幕。圖形顯示控件中分別顯示各信息的大小，并用直線連接。分別模擬顯示掘進(jìn)工作面、回采工作面、機(jī)電設(shè)備洞室、主要運(yùn)輸巷道的瓦斯?jié)舛?。?dāng)數(shù)值大于5%時(shí)，則在前面板中彈出瓦斯超限窗口，同時(shí)在前面板中實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警功能，從而提示工作人員瓦斯超限。工作人員還可以通過前面板上的圖形顯示窗口觀看瓦斯?jié)舛鹊娘@示，并進(jìn)行預(yù)測(cè)，確定瓦斯超限的地方，快速、準(zhǔn)確地獲取瓦斯超限信息。

3.實(shí)踐及效果分析?；贚abVIEW虛擬儀器的程序設(shè)計(jì)，可以說是另一種更加快速、有效的“課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)”?！罢n堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)”的優(yōu)勢(shì)在于：①基于Lab?VIEW程序設(shè)計(jì)的“安全監(jiān)測(cè)與監(jiān)控”課程改革，可提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和興趣，提高課堂效率；②提高學(xué)生的編程及創(chuàng)新思維能力，學(xué)生可自定義數(shù)據(jù)流程圖、前面板和圖標(biāo)連接端口，通過不同參數(shù)、不同報(bào)警值的設(shè)定，來(lái)模擬不同的安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，相當(dāng)于多套傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，豐富了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

在具體實(shí)踐“課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)”過程中，以基于LabVIEW程序開發(fā)的煤礦瓦斯監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)為例，模擬傳感器采集掘進(jìn)工作面、回采工作面、機(jī)電設(shè)備洞室、主要運(yùn)輸巷道的瓦斯?jié)舛?，將?shù)據(jù)傳送給監(jiān)控分站，監(jiān)控分站通過通信信道傳給地面中心站，地面中心站通過數(shù)據(jù)處理和分析，將指令傳給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，若瓦斯超限，則實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警功能。學(xué)生學(xué)習(xí)的效果比傳統(tǒng)講授教學(xué)具有明顯提升，首先，通過學(xué)生的學(xué)習(xí)及反饋，由于LabVIEW程序設(shè)計(jì)軟件是一種圖形化的編程軟件，學(xué)生不必去學(xué)習(xí)復(fù)雜的編程語(yǔ)言，而是直接采用數(shù)據(jù)流程圖中的各種控件實(shí)現(xiàn)編程的功能，學(xué)生容易掌握；其次，當(dāng)數(shù)值大于5%時(shí)，則在前面板中彈出瓦斯超限窗口，同時(shí)在前面板中實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警功能。此時(shí)，學(xué)生可以自定義報(bào)警值，可以實(shí)現(xiàn)不同瓦斯?jié)舛葪l件下的聲光報(bào)警功能，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。第三，學(xué)生掌握LabVIEW程序設(shè)計(jì)軟件，可以自主開發(fā)其他安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控模擬軟件，如樓宇火災(zāi)監(jiān)測(cè)監(jiān)控等，可以開拓學(xué)生的創(chuàng)新思維，提高學(xué)生學(xué)習(xí)及工作能力。

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