基于LABVIEW 的煤自燃模擬實驗溫濕度測試系統設計*

劉 慶，陳文濤，林 碩

(安徽理工大學 機械工程學院，安徽 淮南 232001)

0 引 言

煤炭自燃在煤炭儲運過程中是不容忽視的危險因素[1-2]。 煤炭自燃需要滿足一定的臨界條件，如通風氧氣供給和蓄熱情況等，因此為保障煤礦安全生產，對煤炭自燃過程和條件進行研究是十分有必要的。 松散煤體的熱濕遷移規律可以作為研究煤自燃的重要理論依據，對其進行實驗研究能有效降低煤自燃產生的幾率，具有極大的研究價值。 近年來，眾多學者對煤自燃實驗展開研究。 趙興國利用程序控溫裝置及相應測試系統對煤自燃的特性進行研究[3]。劉文永利用真密度測試儀對含有水分的煤體進行試驗，探究水分對煤自燃的影響[4]。 YB Tang 通過模擬煤的絕熱氧化過程分析煤的官能團變化規律[5]。 綜合上述研究成果發現，現有的煤自燃實驗一般只對溫度及干燥流動空氣進行研究，而實際反應過程中空氣濕度往往也是一個重要的影響因子。 傳統的溫濕度測試方法存在操作困難、響應時間長等問題。 因此，筆者提出一種基于LabVIEW 的可對松散煤體內部溫濕度變化進行監測的測試系統[6-8]。 引入LabVIEW開發軟件[9]對各功能模塊進行程序設計，提供人機交互界面，完成對大量溫濕度數據的實時傳輸、分析、顯示和存儲，實現自動連續在線監測。 此系統具有操作方便、響應靈敏、采集精度高等優點。

1 煤自燃環境模擬實驗系統簡介

通過試驗臺搭建對煤自燃環境進行模擬，進而探究松散煤體的熱濕遷移規律。 系統由空氣加熱裝置、空氣加濕裝置、球熱源加熱裝置、煤樣實驗筒和測試系統組成，其結構示意圖見圖1。

圖1 試驗臺結構示意圖

實驗時，氣泵泵入的空氣經過空氣加熱裝置和空氣加濕裝置，加熱加濕后的空氣源源不斷泵入煤樣實驗筒，熱濕空氣在一定時間內作用于松散煤體，利用油浴法制造恒溫球熱源，使其恒定持久作用于松散煤體，對松散煤體進行傳熱傳質作用。 測試系統的數據采集單元利用布置在松散煤體內部的溫濕度傳感器，實現對溫濕度數值變化的實時監測與保存。

2 測試系統設計

測試系統選用“LabVIEW2018”上位機軟件進行開發。 圖形化編程語言操作簡單、容易上手、可移植性好、在測試研究中被廣泛使用。 系統架構示意圖見圖2，測試系統上位機運用到操作系統、Access 數據庫以及Lab SQL 工具包等，下位機包括數據采集器、USB 通訊轉換器以及溫濕度傳感器等。 程序設計根據功能要求可劃分為通訊模塊、數據庫模塊以及數據處理模塊三個部分。 實驗開始，打開電源供電模塊，通訊模塊通過USB 通訊轉換器建立數據采集器與上位機測試系統的實時通信和數據傳輸，數據處理模塊讀取溫濕度數值，經過計算轉換后在上位機界面上進行數值和圖形化展示，數據庫模塊將所有溫濕度數據實時導入數據庫內，以便隨時查看變化規律。 運行狀態出現錯誤時緊急停止模塊，禁止整個程序繼續運行，以便監控人員進行程序修改和調試。

圖2 系統架構示意圖

2.1 系統硬件選型

測試系統的數據采集單元由硬件及軟件組成，二者相輔相成。 系統側重于實驗室環境下對溫濕度數據的監測，故需針對硬件在煤樣反應筒中的實際應用進行選型和研究。

2.1.1 傳感器選擇

溫濕度傳感器的測試范圍需要滿足溫度在20 ～100 ℃之間，濕度在0 ～100%RH 之間。 由于本實驗的測試環境為松散煤體內部，隨時間和溫度變化，反應筒內部會發生化學反應生成各種帶腐蝕性的氣體，對傳感器的金屬探頭會造成一定損壞，降低其檢測精度。 故在傳感器選擇上要考慮其防護性、耐腐蝕性和耐壓性。 針對這些要求，本測試系統選用型號為RSWS-V05 的溫濕度傳感器。 該傳感器可輸出模擬量信號，其外置式探頭通過數據線與溫濕度變送器相連，形成良好的溫濕度信號數值轉換。

2.1.2 數據采集器選擇

測試系統使用泓格公司I-7000 系列中的i-7017 模塊，該模塊采用8 通道差分方式輸入，其每個通道均可以單獨接入不同類型的信號，以采集輸入的模擬量信號并輸出數字量信號。 采集過程中，開關電源對其供電，溫濕度傳感器接入模塊輸入端，通過USB 通訊轉換器和DCON 協議建立模塊數據端與上位機的實時通訊。

2.1.3 USB 通訊轉換器選擇

USB 通訊轉換器選擇UT-890a，雙向USB 轉RS-485 接口轉換器串口通訊實現上位機程序與下位機的數據傳輸與實時通信。 該轉換器帶有零延時自動收發轉換功能，保證數據能夠高速傳輸，同時帶有濾波磁環，提高數據傳輸的抗干擾性，保證傳輸過程的穩定性。 硬件連接圖見圖3。

圖3 硬件連接圖

2.2 功能模塊程序設計

2.2.1 通訊模塊設計

通訊模塊作為上位機軟件與數據采集器之間聯系的紐帶，實現對上位機發送指令的實時回應以及對有效數據的實時采集和傳輸。 通訊方式選擇串口通訊，通訊協議選用泓格公司開發的DCON Utility 協議。 DCON 協議是一種廣泛應用于計算機監控系統中的基于RS-485 網絡的請求或答復應用層協議。程序設計中，數據采集單元存在十個i-7017 采集模塊，地址位標號分別為1～10，其中奇數地址位標號接收溫度傳感器的信號，偶數地址位標號接收濕度傳感器的信號。 后面板中將while 循環的循環次數和數字10 分別作為商與余數函數輸入端的X 和Y，得出數值為0～9，再通過＋1 運算后與10 個地址位相匹配，將地址位與串口號、校驗方式和校驗和進行簇捆綁，輸入連接至“DG Read AI All”控件，將串口號進行多線路連接，作用于“Open COM”控件，實現程序運行后實時打開串口進行通信，讀取傳感器的輸出信號。

2.2.2 數據處理模塊

數據處理模塊通過索引數組控件對“DG Read AI All”控件讀取的模擬量數據進行索引解析，使其分離獨立計算，將溫濕度模擬量轉換為實際溫濕度數值。 程序設計中，從結構面板中選擇條件結構，創建十個選擇分支，分別對應五層溫濕度傳感器的溫濕度。 獲取分離的溫濕度數據輸送至不同的選擇器下單獨進行分析處理。 實驗采用的溫濕度傳感器溫度量程為-40 ～＋120 ℃，輸出電壓為0 ～5 V，故在程序設計中輸入值*32-40 可得到溫度輸出值；濕度量程為0 ～100%，故在程序設計中輸入值*20 可得到濕度輸出值。 合并信號控件將溫濕度輸出值合并后在波形圖表顯示區實時顯示出來。 數值至小數轉換控件將溫濕度輸出值轉換為字符串格式。 連接字符串控件將時間數值轉換為字符且與溫濕度數據字符合并輸出。 數據循環結構采用while 循環，時間設置為每4 s 進行一次數據采集。

2.2.3 數據庫模塊

數據庫模塊的功能主要是通過Active X 功能調用ADO 控件，使用SQL 語言訪問數據庫，實現溫濕度數據在Access 數據庫中的實時存儲。 選擇Microsoft Jet 4.0 OLE DBProvider 程序，建立信號傳輸。將數據庫保存在當前vi 路徑，利用拆分路徑控件將其拆分為基路徑，同時將數據庫名稱作為相對路徑，并將其轉換為字符串，編寫SQL 語句“Provider＝Microsoft.Jet.OLEDB.4.0；Data Source＝＋路徑＋；Persist Security Info＝False ＋INSERT INTO 模塊1 (數據編號，采集時間點，一，二，三，四，五，六，七)VALUES('＋每個選擇所合并的溫濕度字符串')”，運行程序時ADO 控件對該語句進行處理并輸出，將輸出數據傳輸至數據庫保存。 測試系統的溫度和濕度整體程序設計框圖分別如圖4(a)和(b)所示。

圖4 整體程序設計框圖

3 系統測試與分析

3.1 上位機界面顯示

測試系統前面板見圖5，可顯示溫濕度數值變化波形圖、每一時刻具體溫濕度數值、通訊模塊參數基本信息，方便監控人員根據程序運行狀態修改和設置串口號、地址和波特率等相關參數。 同時能夠顯示數據庫運行狀態，以便監控人員隨時掌握數據庫運行情況，及時處理運行錯誤。

圖5 煤自燃環境模擬實驗測試系統上位機界面

3.2 數據處理與分析

實際實驗中，利用本測試系統獲取溫濕度傳感器在煤樣反應筒中采集的溫濕度信號。 通訊模塊將溫濕度模擬量信號實時傳輸至數據處理模塊并對其進行解析和計算分別得到溫度的輸出值和濕度的輸出值。 輸出的溫濕度數值通過數據庫模塊實時存儲在數據庫內。 對其進行處理分別得到煤樣中部七個不同位置的溫度和濕度數值變化規律，見圖6。

圖6 溫濕度隨時間變化規律

從圖6(a)中看出該煤層測點溫度在實驗開始時升溫速率較快，短時間內上升至較高溫度。 溫度達到一定值后在較小的范圍內保持動態平衡且逐漸趨于穩定。 因該煤層與球熱源距離較近，受球熱源的影響更大，受外界空氣的影響更小，故其整體溫度數值較大且最終穩定在35 ～50 ℃。 從圖6(b)中看出該煤層測點濕度在實驗開始階段逐漸上升，上升幅度較小，上升至峰值后開始平穩下降。 由于該煤層受外界空氣影響較小，球熱源熱傳導作用變大，故該煤層整體濕度分布呈現從四周向中心處不斷減小的趨勢，穩定后整體濕度范圍介于30 ～60%之間。 煤樣溫濕度的整體變化規律符合實際設備中各因素耦合后的實際變化情況。

4 結 語

測試系統通過LabVIEW 軟件建立了友好的PC人機交互界面，實時對溫濕度數據進行采集、讀取、轉換和保存，同時通過可視化上位機圖形顯示界面顯示數據變化趨勢，為后期數據處理提供了便利。 測試系統完成了設計目標，提高了實驗結果的準確性和可靠性。 實驗結果整體變化規律符合煤自燃變化的一般規律，表明本測試系統經過實際校準和精確度校驗，采集數據準確安全，數據穩定性好，響應時間較短，滿足系統測試要求，可以根據需要對系統模塊進行遷移，可移植性高，容錯性好，具有較好的使用價值。 后續研究中可以加入用戶權限、異常情況預警和歷史信息查詢等管理系統，融合5G 技術，進一步提高測試系統的智能化水平。