基于LabView的煤礦突水監測系統數據處理系統的設計

范 燁 崔建明

（太原理工大學電氣與動力工程學院，太原 030024）

我國煤炭資源豐富，是世界產煤大國之一，且煤炭一直是我國的主要能源之一。然而，由于我國地質條件十分復雜，采礦過程中突水事故屢屢發生，嚴重的制約著煤礦的安全生產。因此，設計煤礦突水監測系統是必需且當務之急的。

煤礦突水監測系統主要分為數據采集系統和數據處理系統兩部分。本文主要介紹基于LabView 的煤礦突水監測系統的數據分析處理系統。

LabView 是美國國家儀器公司開發的一種用圖標代替文本行創建應用程序的圖形化編程語言。LabView 使用的是圖形化編程語言G 編寫程序，采用數據流編程方式，程序框圖中節點之間的數據流向決定了VΙ（虛擬儀器）及函數的執行順序。

1 系統硬件設計

煤礦突水監測系統主要包括3 個部分，即上位機（地面監測中心：在 Windows 操作系統下裝有LabView 軟件的主機、網絡通信適配器等）、井下監測系統（傳感器、數據采集單元、網絡通信接口等）、數據傳輸網絡（CAN 總線等）。系統結構如圖1所示。

系統通過基于CAN 總線結構的數據傳輸網絡將井下檢測系統與上位機互連構成，其中上位機與系統的CAN 總線是使用周立功公司的USBCAN-?? 接口設備進行連接的。而突水監測數據采集系統的控制芯片的配置程序則通過JTAG 或AS 接口進行下載。

在整個突水監測系統中，上位機通過數據傳輸網絡向數據采集系統發布相關指令，數據采集系統則將所采集到的數據上傳，完成監測數據、曲線的實時顯示以及存儲、查詢、越限報警等任務。

2 系統軟件設計

煤礦突水監測系統數據處理分析部分的軟件主要有上位機在Windows 下的LabView 軟件。系統首先由下位機的數據采集系統將數據采集到，然后經過CAN 總線傳送到上位機，再用上位機Windows下的LabView 進行數據處理分析以及顯示等。

上位機的開發環境采用Windows 操作系統，在Windows 下安裝NΙ LabView 開發模塊。LabView 是一種通用的編程系統，它有一個能夠完成編程任務的龐大函數庫，該函數庫包括數據采集、GPΙB、串口控制、數據分析、數據顯示、數據存儲等。

在本文中，主要運用LabView 開發模塊對煤礦突水監測系統進行人機界面的開發，采用虛擬儀器技術，能夠使系統的界面形象逼真，且具有良好的可視性和交互性。由LabView 實現上位機的數據存儲、分析、查詢、圖表顯示等功能。從而達到對煤礦突水情況的實時狀態監測、故障診斷和及時報警。

在LabView 環境下，包括用戶的應用程序稱為虛擬儀器VΙ 以及人機的交互接口稱為前面板。其中VΙ 是LabView 的核心，前面板接受來自方框圖的指令。下面就LabView 開發環境下實現的數據分析處理進行詳細的介紹。

2.1 密碼驗證模塊

首先是密碼驗證模塊，在前面板的顯示為用戶登錄驗證系統的界面，該模塊的作用是對進入系統的用戶進行安全識別，只有用戶在輸入正確的用戶名和密碼后，才可以進入系統，否則拒絕進入。這樣可以防止非法的用戶進入系統，從而進行非法操作。

圖2所示為密碼驗證模塊的框圖程序，圖3所示為用戶登錄驗證界面的前面板。

2.2 報警模塊

接下來是報警系統的模塊設計。報警系統的作用是當上位機接收到的由下位機傳送上來的數據經過數據處理分析之后發現異常，進行警告以及顯示異常情況的系統。當系統診斷出異常狀況，在前面板界面就會顯示，從而提醒人員進行相應的處理。報警系統能夠更加直觀的將異常情況顯示，對人員 作出警告，整個報警系統的前面板設計簡潔、明了、容易識別、美觀、大方。是整個突水監測系統上位機軟件設計中不可或缺的部分。

圖2 密碼驗證的框圖

圖3 用戶登錄驗證界面的前面板

圖4所示為報警模塊的框圖程序，圖5所示為報警系統的前面板。

圖4 報警模塊的框圖程序

2.3 數據的存儲模塊

在突水監測系統中，在上位機接收到由下位機傳送來的數據后，要將數據存儲起來，以便于數據分析處理等操作，而且人員可以隨時調閱已存儲的數據，這種實時記錄的數據也會為研究人員更深入的研究提供極大的幫助，是研究所必須的數據支撐。

數據的存儲模塊是專門用來將由下位機輸送來的信號保存成文件形式。LabView 支持幾種不同格式的文件用于輸入輸出，其中包括文本文件、二進制文件和數據記錄文件、電子表格文件等。其中電子表格文件是一種特殊的文本文件，該文件也是以碼的格式來存儲數據，只是它為了使Microsoft Exsel等電子表格軟件能夠直接讀取數據，采用了例如用制表符來制作標記等特殊的要求。

圖5 報警系統的前面板

圖6所示為數據存儲的框圖程序。該框圖程序所實現的是將接收到的來自下位機的數據存儲起來。圖7所示為數據讀取的框圖程序。該框圖程序所實現的是數據的讀取，便于人員直接查看，直觀、形象、具體。

圖6 數據存儲的框圖

圖7 數據讀取的框圖

2.4 數據的分析處理

突水監測系統的數據分析處理主要是由BP 神經網絡模型實現的。在LabView 中采用Matlab Script節點調用Matlab 軟件以執行腳本，運用Matlab 提供的專門的神經網絡工具箱（NNbox）的平臺，進行神經網絡的設計和仿真，將下位機所采集的數據進行分析和處理，從而實現突水監測。圖8所示為Script 節點。

圖8 Script 節點

該數據處理系統與下位機的數據采集系統相結合，就夠成了完整的煤礦突水監測系統。首先，在煤層底板或陷落柱水文地質異常區埋設傳感器；然后，傳感器輸出信號通過數據采集系統采集；接下來，上傳到地面監測中心，即數據處理系統中進行數據處理分析；最后，實現煤礦突水的遠程實時監測和預警。

3 結論

本文采用虛擬儀器的LabView 編程系統以及Matlab 強大的數據處理功能對煤礦的突水狀況進行實時監控。提供了很好的人機交互界面，能夠進行數據的存取以及及時報警，提醒人員做出相應處理。實驗表明，該系統能夠完成突水監測系統的數據分析、處理、存取以及報警等任務，而且具有直觀、簡潔、明了的優點，有很高的應用價值。

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