倪冠華 于師建 程衛(wèi)民 周剛 劉震

基于LabVIEW程序設計的

摘 要：“安全監(jiān)測與監(jiān)控”是安全工程專業(yè)的一門專業(yè)課。為了提高教學質(zhì)量，本文通過對“安全監(jiān)測與監(jiān)控”課程特點及存在問題的分析，提出基于LabVIEW程序設計的“安全監(jiān)測與監(jiān)控”課程改革與實踐，根據(jù)煤礦瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的硬件組成，在LabVIEW環(huán)境下開發(fā)設計整個虛擬過程，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。課堂教學效果表明：基于LabVIEW虛擬儀器的程序設計是“安全監(jiān)測與監(jiān)控”的另一種更加快速、有效的“課堂實驗教學”?！罢n堂實驗教學”演示在教學過程中提高了學生的學習興趣，學生可以根據(jù)不同的實驗要求，編寫相應的控制程序，提高了學生的編程能力和創(chuàng)新思維能力，大幅度提高了學習效果。

關(guān)鍵詞：安全監(jiān)測與監(jiān)控；LabVIEW程序設計；實驗教學；課堂效果

作者簡介：倪冠華，博士，山東科技大學礦業(yè)工程國家級實驗教學示范中心講師，研究方向為安全技術(shù)及工程；于師建，山東科技大學礦業(yè)與安全工程學院；程衛(wèi)民，山東科技大學礦業(yè)與安全工程學院；周剛，山東科技大學礦業(yè)與安全工程學院；劉震，山東科技大學礦業(yè)與安全工程學院。（山東 青島 266590）

基金項目：本文系2015年山東省普通本科高校應用型人才培養(yǎng)專業(yè)發(fā)展支持計劃“安全工程”建設項目（編號：BKYY2015）的研究成果。

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1671-0568（2018）14-0044-03

安全工程專業(yè)是在礦井通風與安全專業(yè)的基礎上發(fā)展而來的，安全監(jiān)測監(jiān)控作為安全工程專業(yè)的一門專業(yè)課[1-2]。近年來，隨著材料科學、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)測與監(jiān)控技術(shù)發(fā)展很快。在煤礦生產(chǎn)方面，自從國家煤礦安全監(jiān)督管理總局進行了全國范圍內(nèi)的煤礦瓦斯災害專項整治以來，要求國內(nèi)大中小型煤礦都需要安裝煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)[3]，主要監(jiān)測的目標有兩類：一類為礦井環(huán)境參數(shù)監(jiān)測，包括瓦斯?jié)舛?、一氧化碳濃度、礦井溫度、濕度等；另一類為工況參數(shù)監(jiān)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(jiān)測監(jiān)控的廣泛和深入的應用，逐步凸顯了“安全監(jiān)測與監(jiān)控”課程的重要性。但是，根據(jù)筆者3年來的授課經(jīng)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(jiān)測與監(jiān)控”的教學方式主要以講授為主，對于包括計算機技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)和電子技術(shù)為一體的安全監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)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(jiān)測與監(jiān)控”課程成為亟待解決的關(guān)鍵性問題，而基于Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench（LabVIEW）虛擬儀器[4-5]的程序設計正是對“安全監(jiān)測與監(jiān)控”這一課程進行的改革與實踐。

一、安全監(jiān)測與監(jiān)控課程概述及特點

安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)是包括計算機技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)、通信技術(shù)和電子技術(shù)為一體的綜合自動化產(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)測監(jiān)控系統(tǒng)、樓宇火災安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、煤礦瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、交通監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)等，都以環(huán)境系統(tǒng)的安全為目標而設置的一套綜合性電子系統(tǒng)。可見，安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)是國內(nèi)外各行業(yè)都應用到的一種預防安全事故的綜合性技術(shù)產(chǎn)品，通過對環(huán)境狀態(tài)參數(shù)、安全信息的監(jiān)測與監(jiān)控，來實現(xiàn)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(jiān)測監(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、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、礦井生產(chǎn)系統(tǒng)工況參數(shù)（風門開關(guān)狀態(tài)、機電設備開停狀態(tài)、煤炭運量等）檢測三大檢測應用；然后，介紹了安全監(jiān)測數(shù)據(jù)采集（A/D轉(zhuǎn)換器、采樣保持器、信號放大器、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)多路復用）及計算機網(wǎng)絡三項關(guān)鍵技術(shù)，最后介紹了安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)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(jiān)測與監(jiān)控”課程設置有2個學時的實驗教學，實驗教學內(nèi)容為“煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)實操實驗”，實驗目的包括：熟悉礦井安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)；了解各種傳感器的原理和實際使用方式、方法。具體內(nèi)容為實施監(jiān)測監(jiān)控礦井井下各種安全參數(shù)：瓦斯?jié)舛取L速、負壓、溫度等并做記錄。因此，現(xiàn)有的“安全監(jiān)測與監(jiān)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(jiān)測與監(jiān)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(yè)學生電子電路技術(shù)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(fā)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(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)實操實驗，可以讓學生理論聯(lián)系實際，更加具體形象地了解安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的實際工作過程，讓學生在課堂學習安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)組成、傳感器的工作原理、數(shù)據(jù)采集、通信及計算機網(wǎng)絡等技術(shù)的基礎之上，使學生更加深刻地理解安全監(jiān)測監(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]，往往對于“安全監(jiān)測與監(jiān)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(xiàn)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(jiān)測與監(jiān)控”課程改革與實踐

參考當前煤礦安全監(jiān)測設備的各項技術(shù)指標，通過煤礦瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)LabVIEW虛擬儀器的設計，使學生在煤礦瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)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(fā)環(huán)境，類似于C語音和BASIC開發(fā)環(huán)境，但是LabVIEW與其他計算機語言的根本區(qū)別是：其他計算機語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言編寫程序，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言進行框圖程序的編寫，代替?zhèn)鹘y(tǒng)編程語言中的文本代碼。框圖的程序由節(jié)點、端點、圖框和連線四種元素構(gòu)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?yún)⒘亢筒榭摧敵鰠⒘浚懊姘蹇砂粹o、度數(shù)盤、開關(guān)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(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)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(xiàn)圖標之間的連接，并可以實現(xiàn)LabVIEW的層次化結(jié)構(gòu)。用戶可以把上層次的LabVIEW程序來調(diào)用以創(chuàng)建更加復雜的下一層次LabVIEW程序，且這種層次化調(diào)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(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)LabVIEW虛擬儀器的程序是根據(jù)煤礦瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的硬件組成和功能，在LabVIEW環(huán)境下開發(fā)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(shù)據(jù)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(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(xù)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(jù)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(shù)值經(jīng)過比較控件的比較，當信息大于5%時，則實現(xiàn)聲光報警功能。

（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應用程序的前面板相當于實際監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)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(guān)控件。具體設計方案如下：

LabVIEW從數(shù)據(jù)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?jié)舛?。當?shù)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(xiàn)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?jié)舛鹊娘@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。基于LabVIEW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”?！罢n堂實驗教學”的優(yōu)勢在于：①基于LabVIEW程序設計的“安全監(jiān)測與監(jiān)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(chuàng)新思維能力，學生可自定義數(shù)據(jù)流程圖、前面板和圖標連接端口，通過不同參數(shù)、不同報警值的設定，來模擬不同的安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，相當于多套傳統(tǒng)實驗教學系統(tǒng)，豐富了實驗內(nèi)容。

在具體實踐“課堂實驗教學”過程中，以基于LabVIEW程序開發(fā)的煤礦瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)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?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)行機構(gòu)，若瓦斯超限，則實現(xiàn)聲光報警功能。學生學習的效果比傳統(tǒng)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(shù)據(jù)流程圖中的各種控件實現(xiàn)編程的功能，學生容易掌握；其次，當數(shù)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(xiàn)聲光報警功能。此時，學生可以自定義報警值，可以實現(xiàn)不同瓦斯?jié)舛葪l件下的聲光報警功能，激發(fā)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(fā)其他安全監(jiān)測監(jiān)控模擬軟件，如樓宇火災監(jiān)測監(jiān)控等，可以開拓學生的創(chuàng)新思維，提高學生學習及工作能力。

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責任編輯 程 華