基于LabVIEW程序設計的“安全監測與監控”課程改革與實踐

□倪冠華 于師建 程衛民 周 剛 劉 震

安全工程專業是在礦井通風與安全專業的基礎上發展而來的，安全監測監控作為安全工程專業的一門專業課[1-2]。近年來，隨著材料科學、傳感器技術的發展，關于工業生產安全問題的監測與監控技術發展很快。在煤礦生產方面，自從國家煤礦安全監督管理總局進行了全國范圍內的煤礦瓦斯災害專項整治以來，要求國內大中小型煤礦都需要安裝煤礦安全監測監控系統[3]，主要監測的目標有兩類：一類為礦井環境參數監測，包括瓦斯濃度、一氧化碳濃度、礦井溫度、濕度等；另一類為工況參數監測，包括煤倉煤位、皮帶運行情況、掘進機、采煤機運行情況等。以上安全監測監控的廣泛和深入的應用，逐步凸顯了“安全監測與監控”課程的重要性。但是，根據筆者3年來的授課經驗獲悉，此課程課堂效率不高，學生學習積極性不足，主要因為“安全監測與監控”的教學方式主要以講授為主，對于包括計算機技術、通信技術、網絡技術和電子技術為一體的安全監測監控技術的講授方式使學生感到枯燥無味，學生學習效率低下。因此，如何使學生能有效、生動地掌握“安全監測與監控”課程成為亟待解決的關鍵性問題，而基于Labo?ratory Virtual Instrument Engineering Workbench（LabVIEW）虛擬儀器[4-5]的程序設計正是對“安全監測與監控”這一課程進行的改革與實踐。

一、安全監測與監控課程概述及特點

安全監測監控系統是包括計算機技術、網絡技術、通信技術和電子技術為一體的綜合自動化產品。主要包括傳感器、監控分站、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測監控系統、樓宇火災安全監測監控系統、煤礦瓦斯監測監控系統、交通監測監控系統等，都以環境系統的安全為目標而設置的一套綜合性電子系統?？梢?，安全監測監控系統是國內外各行業都應用到的一種預防安全事故的綜合性技術產品，通過對環境狀態參數、安全信息的監測與監控，來實現安全性分析和預測的自動化、準確化和及時化，并給予必要的預警和控制。

鑒于此，本課程首先介紹了安全監測監控的系統組成和發展歷程、傳感器基本理論，其次，介紹了瓦斯檢測、礦井環境狀態參數（一氧化碳、溫度、濕度、粉塵、硫化氫等）檢測、礦井生產系統工況參數（風門開關狀態、機電設備開停狀態、煤炭運量等）檢測三大檢測應用；然后，介紹了安全監測數據采集（A/D轉換器、采樣保持器、信號放大器、D/A轉換器）、數據通信（數據基帶傳輸、頻帶傳輸、數據多路復用）及計算機網絡三項關鍵技術，最后介紹了安全監測監控系統管理（輔助管理和遠程管理）、性能測試、設計原則及步驟等設計方法。另外，“安全監測與監控”課程設置有2個學時的實驗教學，實驗教學內容為“煤礦安全生產監測監控系統實操實驗”，實驗目的包括：熟悉礦井安全生產監測監控系統；了解各種傳感器的原理和實際使用方式、方法。具體內容為實施監測監控礦井井下各種安全參數：瓦斯濃度、風速、負壓、溫度等并做記錄。因此，現有的“安全監測與監控”課程特點為以講授為主（30學時）、課堂實驗為輔（2學時）。

二、教學過程中存在的問題

雖然“安全監測與監控”課程包括講授和實驗兩個方面，但是，通過課間和學生的交流反饋，以講授為主的理論講解必會造成學生在課堂學習過程中枯燥無味、學習困難的嚴重問題，主要因為安全工程專業學生電子電路技術理論、通信理論基礎薄弱，以講授為主的理論講解，很難使學生理解，難以激發學生的學習熱情和興趣。

此外，雖然2個學時的煤礦安全生產監測監控系統實操實驗，可以讓學生理論聯系實際，更加具體形象地了解安全監測監控系統的實際工作過程，讓學生在課堂學習安全監測監控系統組成、傳感器的工作原理、數據采集、通信及計算機網絡等技術的基礎之上，使學生更加深刻地理解安全監測監控系統工作原理。但是，筆者在傳授課程過程中發現，由于各高校為了專業各門課程的統籌發展[6]，往往對于“安全監測與監控”實驗教學的設備投入不夠，并且眾多學生圍繞一臺實驗儀器的現象比較突出，實際學習情況并不令人滿意。因此，如何改善學生學習條件及方式，如何使其獲得更加有效的實踐學習，是擺在我們面前的一項緊迫任務。

三、基于LabVIEW程序設計的“安全監測與監控”課程改革與實踐

參考當前煤礦安全監測設備的各項技術指標，通過煤礦瓦斯監測監控系統LabVIEW虛擬儀器的設計，使學生在煤礦瓦斯監測監控系統的理解和應用上更加直觀、具體、方便。

1.LabVIEW程序簡介。LabVIEW是一種程序開發環境，類似于C語音和BASIC開發環境，但是Lab?VIEW與其他計算機語言的根本區別是：其他計算機語言都是采用基于文本的語言產生代碼，而Lab?VIEW使用的是圖形化編輯語言編寫程序，產生的程序是框圖的形式[7-8]。LabVIEW開發的軟件程序由數據流程圖、前面板和圖標連接端口三部分組成。

（1）數據流程圖。數據流程圖[9]，又稱框圖程序，采用圖形化的編程語言進行框圖程序的編寫，代替傳統編程語言中的文本代碼?？驁D的程序由節點、端點、圖框和連線四種元素構成。

（2）前面板。前面板是LabVIEW應用程序的圖形化用戶界面，可以布置輸入參量和查看輸出參量，前面板可包含按鈕、度數盤、開關量、儀器量及其他實際儀器工具，LabVIEW應用程序的前面板相當于實際監測監控系統的操控面板，并且其圖標均為功能模塊。

（3）圖標連接端口。圖標的連接端口可以實現圖標之間的連接，并可以實現LabVIEW的層次化結構。用戶可以把上層次的LabVIEW程序來調用以創建更加復雜的下一層次LabVIEW程序，且這種層次化調用的梯次可以無限增加。

2.LabVIEW虛擬儀器應用程序設計。煤礦瓦斯監測監控系統LabVIEW虛擬儀器的程序是根據煤礦瓦斯監測監控系統的硬件組成和功能，在LabVIEW環境下開發設計的。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，這是一個完整的虛擬過程[10】。

首先，在數據流程圖中利用圖形化方法進行編程，實際上是LabVIEW的程序代碼。利用數據流程圖中的各種圖形控件虛擬煤礦瓦斯監控系統的硬件部分，具體如下：

（1）利用四組信號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之間隨機取值的方式，模擬煤礦井下傳感器對井下瓦斯的濃度的隨機連續的取樣過程。

（2）采用四個信息收集圖形控件虛擬四個井下分站，對信號輸入圖形控件傳來的多通道信息進行收集和匯總，模擬井下分站對井下各瓦斯傳感器傳來的信息的收集和匯總。

（3）對地面中心站的虛擬，則根據地面中心站的多個功能進行設計編程，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LabVIEW子程序虛擬地面中心站的聲光報警功能，傳出的數值經過比較控件的比較，當信息大于5%時，則實現聲光報警功能。

（4）數據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，實現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應用程序的前面板相當于實際監測監控系統的操控面板，并且其圖標均為功能模塊。其中，包括圖形顯示控件、報警燈控件、文本顯示控件、按鈕與開關控件。具體設計方案如下：

LabVIEW從數據流程圖接收指令，在前面板上有設置四個圖形顯示控件，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。分別模擬顯示掘進工作面、回采工作面、機電設備洞室、主要運輸巷道的瓦斯濃度。當數值大于5%時，則在前面板中彈出瓦斯超限窗口，同時在前面板中實現聲光報警功能，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濃度的顯示，并進行預測，確定瓦斯超限的地方，快速、準確地獲取瓦斯超限信息。

3.實踐及效果分析?；贚abVIEW虛擬儀器的程序設計，可以說是另一種更加快速、有效的“課堂實驗教學”。“課堂實驗教學”的優勢在于：①基于Lab?VIEW程序設計的“安全監測與監控”課程改革，可提高學生的學習熱情和興趣，提高課堂效率；②提高學生的編程及創新思維能力，學生可自定義數據流程圖、前面板和圖標連接端口，通過不同參數、不同報警值的設定，來模擬不同的安全監測監控系統，相當于多套傳統實驗教學系統，豐富了實驗內容。

在具體實踐“課堂實驗教學”過程中，以基于LabVIEW程序開發的煤礦瓦斯監測監控系統為例，模擬傳感器采集掘進工作面、回采工作面、機電設備洞室、主要運輸巷道的瓦斯濃度，將數據傳送給監控分站，監控分站通過通信信道傳給地面中心站，地面中心站通過數據處理和分析，將指令傳給執行機構，若瓦斯超限，則實現聲光報警功能。學生學習的效果比傳統講授教學具有明顯提升，首先，通過學生的學習及反饋，由于LabVIEW程序設計軟件是一種圖形化的編程軟件，學生不必去學習復雜的編程語言，而是直接采用數據流程圖中的各種控件實現編程的功能，學生容易掌握；其次，當數值大于5%時，則在前面板中彈出瓦斯超限窗口，同時在前面板中實現聲光報警功能。此時，學生可以自定義報警值，可以實現不同瓦斯濃度條件下的聲光報警功能，激發學生的學習熱情。第三，學生掌握LabVIEW程序設計軟件，可以自主開發其他安全監測監控模擬軟件，如樓宇火災監測監控等，可以開拓學生的創新思維，提高學生學習及工作能力。

[1]魏勇.安全工程專業“化工安全”課程教學改革研究[J].科技視界，2012，（35）:44-52.

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