矿山压力在线实时监测系统设计与实现.docx

机电与自动化 矿山压力在线实时监测系统设计与实现戴明利 1 吴志刚 2 左敏 1( 1. 北京工商大学 ; 2. 天地科技股份有限公司 )摘 要 根据矿山压力监测环境的现状 ,提出并设计了一套矿山压力自动监测系统 。分析了矿山压力实时监测系统的体系结构和软硬件开发技术 ,实现对开采工作面各种矿山压力数据的自动检测和预警 。系统满足了可靠 性 、健壮性 、经济性和易用性的要求 。关键词 矿山压力 监控系统 压力变送器N ET L INQD e sign an d Rea l iza t ion of Rea l2t im e O n l in e Rock Pre ss M on itor in g Sy stemD a i M ingli1 W u Zh igang2Zuo M in1( 1. B eijing Technology and B usiness U n iversity; 2. T iand i S cience & Technology C o. , L td. )A b stra c t B a sed on cu rren t situa tion of m ine p re ss mon ito ring, one se t of au tom a tic mon ito ring system fo r rock p re ss is p u t fo rwa rd and de signed, and the struc tu re and ha rdwa re2softwa re techno logy of the rea l2tim e mon ito ring system fo r rock p re ss a re ana lyzed to rea lize the au to2mon ito ring and p re2a la rm ing fo r va riou s rock p re ss da ta fo r a round m in ing wo rk ing face s. The system m ee ts the requ irem en t of re liab ility, toughne ss, econom ica l effic iency and ea sy2u sing.Keyword s Rock P re ss, Mon ito r System , P re ss Sen so r, N ET, L INQ在矿体没有开采之前 ,岩体处于平衡状态 。当矿体开采后 ,形成了地下空间 ,破坏了岩体的原始应 力 ,引起岩体应力重新分布 ,并一直延续到岩体内形 成新的平衡为止 。在应力重新分布过程中 ,使围岩 产生变形 、移动 、破坏 ,从而对工作面 、巷道及围岩产 生压力 。通常把由开采过程而引起的岩移运动对支 架围岩所产生的作用力 ,称为矿山压力 1 。在矿山压力作用下所引起的一系列力学现象 , 如顶板下沉和垮落 、底板鼓起 、片帮 、支架变形和损 坏 、充填物下沉压缩 、岩层和地表移动 、露天矿边坡 滑移 、冲击地压 、水与瓦斯突出等 ,均称之为矿山压 力显现 。在矿山生产过程中 ,由于对矿山压力显现观测 预报不及时和处理不当所引起的生产事故 ,对矿山 企业安全生产和矿工的人身安 全构 成了 极 大的 威 胁 2 。事故 处 理 需 要 花 费 巨 大 的 财 力 、物 力 和 精 力 。因此 ,矿山压力的实时监测和预警对矿山生产 安全和预防采矿事故的发生起到至关重要的作用 。 为进一步改善当前矿山生产中矿山压力检测手段的 落后现状 ,设计了一套矿山压力自动检测系统 ,以便 对矿山压力进行实时监测并进行预警处理 。1 矿山压力监测系统结构设计1. 1 系统体系结构设计根据矿山安全监控相关标准的要求和矿山生产 企业的实际需要 ,系统采用集中式和分布式相结合的运行模式 ,即井上设置监测主机 ,井下主通信干线 4 采用 CAN 总线的通信方式 。井上监测主机采用以太网完成和本地监测辅机与本地数据库服务器的 数据通讯 ;本地数据库服务器为远程客户终端提供W EB 浏览器服务 ,以方便实现管理人员随时随地及 时了解当前压力 监 测数 据 。井 下主 通 信干 线采 用 CAN 总线通信方式将各监测分站连接起来 ,每个监 测分站采用 R S485实现与信号变送器之间的通信 。 井上监控分站与井下监控分站的通信采用光纤或电缆的连接方式实现 。采用光纤方式时 ,光纤传 输 R S232信号到井下后 ,再转成 CAN 信号实现与井 下主通信干线的连 接 ; 采用 电缆 方 式时 , 直 接传 输 CAN 信号到井下与主通信干线连接 。根据实际应 用情况的不同 ,可方便选择任一连接方式 。系统设计中井下系统最多可设置 32 个监控分戴明利 ( 1964 ) ,男 ,北京工商大学计算机学院 , 讲师 , 100048 北京市阜成路 11 号 。123总第 408期金属矿山2010年第 6期站 ,每个监控分站可提供 8 个 R S485 通道用来连接不同类型的变送器 ,包括位移变送器 、锚索测力变送 器 、支架压力变送器 、钻孔应力变送器等 。各变送器 将传感器模拟信号转换为数字信号后 , 通过 R S485 总线将数据传输至监测分站 ,监测分站再将数据汇总后送至井上监测主机 。 系统结构图参见图 1。原理制成 ,象普通锚杆一样锚固在岩层中 ,当锚杆受力变形时 ,植入杆体内的应变片与杆体同步变形 ,其 电阻值发生微小变化 ,从而测量当前锚杆的受力 。( 3 )支架压力变送器 。用于监测工作面液压支 架工作面压力大小 ,也可用于其它金属矿山或隧道工程液压系统中的压力检测 。采用德国进口压阻式 陶瓷压力传感器 , 具 有 优良 的线 性 度 、较高 的灵 敏 度 、低温飘特性和高抗腐蚀性 。2 矿山压力监测系统的功能实现井下监控分站上电后 ,启动自检程序 ,依次巡检8个 R S485 通道 ,查找当前分站挂接的各种变送器 并确认当前变送器工作是否正常 ;自检完成后 ,即进入正常工作方式 。井上系统采用主辅双计算机同时工作 ,分别工 作于主机 、辅机 2 种状态 。主机和辅机同时接收井 下分站上传的实时数据 ,并同时进行实时数据的本地数据库存储 、实时数据列表显示 、历史曲线回放等 数据处理 。由主机将实时数据写入数据库服务器中 的实时数据库中 。主机通 过 R S232 端 口定 时发 出 轮询 ( Po lling)信号 ,辅机定时监听主机发出的轮询 信号 ,如果缺省时间 (缺省 15 s)内没有监听到主机发出的轮询信号 , 辅 机 自动 切换 为 主机 工作 方 式 。 主辅机的切换操作通过控制与 R S232 端口连接的 信号转换器切换完成 。主辅机软件启动初始化时 , 首先监听是否有 主 机发 出的 轮 询信 号 。缺 省时 间 (缺省 10 s)内如果监听到轮询信号 ,则将该机设定为辅机工作方式 ;如果未能听到轮询信号 ,则将该机 设定为主机工作方式 。为提高系统的安全可靠性 ,井上计算机采用工 业控制计算机 ,以保证计算机在恶劣工况下的正常 工作 。同时启动工控机的看门狗 (wa tch dog)功能 ,当监测软件正常工作时 ,定期给看门狗发送信号 ,在 设定的时间内 ,如果看门狗未能收到信号 ,则重启计 算机 ,自动启动监测软件重新开始工作 ,从而避免了 由于软硬件死机造成的实时数据丢失 。监测主辅机采用 W indow s Se rve r 2003 作为操作系统平台 ,能够提供 较 高的 易用 性 、安 全性 和可 靠 性 。采用 W indow s SQL Se rve r 2005企业版作为数据 库服务器平台 ,可有效管理系统长期不间断运行产 生的大量实时数据 。3 矿山压力监测系统软件设计矿山压力监测是对各种矿山压力检测区的环境状态和各点的压力数据的实时采集 、报警和记录分图 1 系统结构1. 2 系统组成硬件部分设计 硬件组成部分主要包括井下监控分站 、各类型变送器 (传感器 ) 3 及井上计算机 。下面主要介绍自行研发的监控分站和变送器 。1. 2. 1 井下监控分站监控分站采用高性能嵌入式 MCU ,通过自身的8 路 R S485通道接收变送器采集到的实时数据 ,并 将数据传输至井上计算机系统 。监控分站使用液晶 显示器 ,提供了直观的显示界面以方便井下工作人员及时了解当前数据信息 。1. 2. 2 各类型变送器( 1 )位移变送器 。用于监测煤矿巷道顶板的位 移变化的大小 ,也可用于其它金属矿山或隧道工程 的围岩的离层监测 。位移变送器将顶板离层的位移 变化转换成数字信号后传输至监控分站 。( 2 )锚索测力变送器 。测力锚杆根据电阻应变124戴明利等 :矿山压力在线实时监测系统设计与实现2010 年第 6期析的计算机系统 。系统的主要功能模块包括 : 用户权限管理子 系统 ; 实时数据监控子系统 ; 历史数据管理子系 统 ; 工作参数设定子系统 ; 定位子系统 ; W EB 浏览服务子系统等 。3. 1 用户权限管理子系统 用户权限管理子系统用于设定不同用户的操作权限和登录密码 。3. 2 实时数据监控子系统 该子系统用于接收井下监控分站传送的实时数据 ,显示指定设备的 实 时数 据 、设备 状态 和 数据 曲线 ,并将实时数据存入数据库 。如果设置数据库服 务器 ,则主机负责将 实时 数 据写 入数 据 库服 务器 。 实时数据曲线根据系统预先设定的阈值 ,判断并显 示预警和报警信息 ,并分别用不同的颜色表示 。3. 3 历史数据管理子系统历史数据管理子系统根据用户设定的条件 ,如 时间点和设备点等 ,将某个设备某个时间段内的实 时数据以曲线或列表的方式显示并打印 ,并可生成 各种形式的报表 。3. 4 工作参数设定子系统工作参数设定子系统 ,只允许系统管理员进行 操作 。主要功能 :( 1 )根据实际生产经验 , 设定各设备监测点的 预警阈值和报警阈值 。( 2 )根据实际需要 ,设定系统巡检周期 。3. 5 定位子系统一旦设备出现故障或出现报警后 ,为便于用户 及时了解设备点的安装位置 ,提供了图形定位显示 图 。此功能需在设计安装完成后将位置信息输入监 控计算机 。3. 6 W EB浏览服务子系统 实时数据更新到当地服务器后 , 通过 W EB 网页浏览器为远程用户提供 : 浏览指定监测点实时数 据和曲线 ,查询监测点历史数据信息并提供报表打 印 ,查询设备当前工作状态和定位信息等功能 。4 矿山压力监测系统软件实现矿山压力监测系统需要同时满足可靠性 、实时性 、大数据量处理和经济性的全面要求 。因此 ,在软 件开发时 ,采用了成熟而先进的 . N ET技术和 C #语 言编程 5 。在数据处理和查询方面采用了 L INQ 技术和 V STO 技术 。1N ET技术是微软开发的一套先进的软件开发技 术 平 台 , 发 展 迅 速 并 得 到 越 来 越 广 泛 的 应 用 。. N ET技术融合了当代最新的软件开发的理念和技 术 ,是面向未来计算的先进模型 。. N ET框架 (. N ET F ram ewo rk)是托管软件运行的支持平台 ,包含一个. N ET公 共 语 言 运 行 时 库 ( Common L anguage R un t2im e, CLR ) ,它负责 . N ET应用程序的执行 。 CLR 的 内存垃圾自动回收机制避免了由于内存泄漏而导致 的运行崩溃 ,从而从根本上保证了监测系统软件常 年连续正常运行的健壮性 。 C #语言是微软专门为. N ET设计的的当前最先进的面向对象程序设计语 言 。用 C #开发应用程序 ,能充分利用 . N ET框架提供的 功 能 强 大 的 类 库 。. N ET L INQ ( L anguage In te2 gra ted Q ue ry)技术是在 . N ET语言 (如 C #)中使用类 似 SQL 的数据查询语言 (L am bda 表达式 )对所有数 据源 (如关系型数据库 、内存中的对象集合和 XML 文件 )进行数据查询 。监控 系统 软 件采 用 C #结 合L INQ 技术来处理实时数据存储和查询事务 ,能够根 据需要对采集的海量实时数据进行压缩处理后存入 数据库 。采用复合条件查询历史数据 ,并在内存中 利用数据对象对查询结果进行处理 ,提高了处理的 灵活性和处理速度 。利用 . N ET的 V STO 技术将各种查询和统计结果输出为 Exce l电子表格 , 为历史 数据的后期处理和分析提供了便利 。5 结 语本文介绍的矿山压力监测系统的结构设计和开发过程中所采用的软硬件技术 ,在可靠性 、健壮性 、 经济性和易用性等方面均得到了验证 ,系统整体已通过相关国家安全标准检测 ,并投放市场 。系统体系结构具有的开放性能够在将来根据市场需要增加 监测的内容 ,如温度 、湿度和瓦斯浓度等 。系统长期 积累的大量的矿山压力实时数据也可为矿山压力与地质环境关联分析和灾害预报提供数据 。参 考 文 献 1 钱鸣高 ,刘听成. 矿山压力及其控制 : 修订本 M . 北京 :