一种新型煤炭产量监测系统的设计
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摘要：为了能够有效监测煤炭生产企业的煤炭产量，依据煤炭产量远程监测系统的需求，设计出基于C/S和B/S混合结构的软件架构。结合煤炭产量远程监控系统的功能需求，划分出具体的功能模块并设计完成了符合煤炭行业标准《MT1082-2008煤炭产量远程监测系统通用技术要求》和《MT1080-2008煤炭产量远程监测系统使用与管理规范》的新型煤炭产量监测主站和电子皮带秤。系统可实现对出煤井口皮带输煤量的计量、统计、上报与监管等功能，能够从源头上防止了瞒报产量数据的违规行为，有利于上级煤管部门对各煤矿企业监督管理。
关键词：煤炭产量；监测系统；电子皮带秤；主站；控制器局域网
中图分类号：TP274.4文献标志码：A
[WT]文章编号：1672-1098（2012）04-0010-04
项目基金：国家自然科学基金资助项目（61170060）；安徽省高校省级自然科学研究重点项目（KJ2012A077）；高等学校博士学科点专项科研基金资助项目（200802900008）
作者简介：陈辉（1973-），男，安徽庐江人，副教授，博士，从事计算机监控与通信、嵌入式系统、矿井电磁兼容等方面的教学与研究工作。
煤炭是我国的主要能源，在我国的能源需求结构中占主导地位。煤炭生产的安全问题是我国采煤业几十年发展过程中长期伴随的问题。许多煤炭生产企业只顾追求企业利益，不遵守国家相关的法律法规、行业规定以及操作规程，不顾井下工人的安危，偷采、盗采、超能力生产现象严重，将安全生产的观念抛在脑后，从而导致了许多煤矿事故的发生[1]。煤矿产量的信息采集是我国的工矿企业和各级政府的一项重要工作，而我国比较传统的信息采集方式是通过手工报表、电话报表或发送E-mail等方式。即使是煤炭产量计量系统也只是纯粹的计量煤炭产量，仅仅是为企业服务，不具备监督和控制功能，很难保证其数据的真实性。产量计量不准确，税务部门就很难掌握其真实生产情况。为了有效监测煤炭产量，保证我国煤矿企业的生产安全和国家税收，科学开发、利用和保护煤炭资源，促进煤炭工业的可持续发展，煤炭产量监测系统便应运而生[2]。
1煤炭产量监测系统总体设计
本设计要求能够解决各个煤矿企业产量精确计量和数据汇总统计的问题，具有产量数据测量精度高、数据传输率高、数据传输误码率低、传输距离远、施工简便、软件操作简单和数据库表内容统一等特点。系统的整体设计方案可划分为硬件系统设计和软件系统设计，系统结构图如图1所示。
硬件系统主要包括工控PC机、普通PC机、打印机、局域网服务器、电子皮带秤、矿用电能表、矿用摄像仪、CAN转RS232网关、光端机、本安电源、矿用隔爆兼本安型中继器、矿用一般兼本安型安全栅、避雷器等。井下有两个数据来源：一路是CAN总线网络中设备的数据，主要是各个井口的电能表和电子皮带秤数据，井下的CAN总线电缆通过井口处和室外两个避雷器串联到矿用一般兼本安型安全栅（用以将井下的本安信号与地面的非本安信号隔离开）中，再通过一个CAN转RS232网关，将CAN协议的报文转换为RS232协议的报文，最后通过串行接口与工控PC机相连；另外一路是井下的摄像仪视频数据，考虑到视频数据需要带宽大，所以在井下采用光纤网络传输，但摄像仪是电信号，这就需要在摄像仪和光纤网络之间增加一个光端机，将电信号转换成光信号，在到达地面控制室后，再使用一个光端机，将光信号转换为电信号，连接到工控PC机的视频采集卡，从而实现把视频信号传输至工控PC机。在以上两种数据中，CAN总线采用的是总线型网络拓扑结构，而光纤网络采用的是星型网络拓扑结构。
软件部分可分为主站端软件和管理中心端软件，两套软件运行于不同的平台之上，通过内部局域网将两个平台互联，使用TCP/IP协议实现报文的通信。主站端软件完成产量监测的主要工作，管理中心端软件的主要作用是上级主管单位提供可视化界面，实时了解各生产企业的生产情况。本文重点介绍主站端软件的设计开发。
2煤炭产量监测主站设计
煤炭产量监测主站软件分为三个模块：主线程模块、公共区模块和数据采集模块。主线程模块包括登录、初始化引导配置、用户管理、查询、打印、报表、柱状图、设备管理和报警等模块；公共区模块包括全矿信息结构体、数据库和设备信息链表等内容；数据采集模块包括采集配置、数据采集、数据处理、时产量入库和异常信息入库等内容[3]。
主站软件主线程模块中各功能模块划分为（1）登录模块：访问数据库查询登录信息是否正确，用户是否有权限访问系统；（2）初始化引导配置模块：初始化全矿信息结构体和设备信息链表，并将设备信息存入数据库；（3）用户管理模块：对数据库中的用户表操作，完成用户信息的添加、删除和修改等功能；（4）查询、报表、打印、柱状图模块：到数据库取出用户所需数据并显示或者打印相关信息；（5）设备管理模块：与数据库中设备信息和设备信息链表交互信息；（6）报警模块：接收数据采集线程的报警消息弹出窗口并播放报警声音；（7）采集配置模块：由设备信息链表配置采集信息；（8）数据采集模块：分为两个模块，一是根据采集配置对电子皮带秤和电能表设备进行数据采集，第二个是对视频设备数据采集；（9）数据处理模块：对采集到的报文进行数据处理，获得有用信息，同时将产量和异常信息存入数据库，在需要主线程异常报警情况下，发送消息通知主线程报警。
3电子皮带秤的设计
电子皮带秤是能够检测皮带输煤机上输送煤流累计重量的动态计量装置。当原煤在称重传感器上通过时，原煤的重量通过皮带与称重托辊作用于波纹管式称重传感器上，测量出单位重量信号，同时经交流接触器常开触点产生皮带的开停信号，并将两个信号输入电子皮带秤中加以运算而得到瞬时输煤量。对瞬时输煤量进行积分累计，获得累计输煤量。再经CAN总线电缆、避雷器、CAN总线与RS232数据转换接口送到地面工控机的主站端软件中。在电子皮带秤的LCD显示器上可实时监测瞬时输煤量、累计输煤量、皮带速度和皮带秤的当前工作状况等信息，采集信息可存储汇总，并随时查询日、月、年及总累计量。电子皮带秤通过检测相关信号，由式（1）～（3）进行运算得到皮带输送机上的煤流重量。
电子皮带秤硬件系统设计采用微处理器dsPIC30F6014a作为核心芯片，其最小系统主要由晶振电路、复位电路、供电电路和编程电路组成。电子皮带秤通信采用CAN总线方式，具有数据传输灵活方便、可靠性高等特点。
4电子皮带秤的测试与检验
系统的测试在实验室进行，受测试条件限制，本测试限于两台电子皮带秤与移动PC通信测试，测试环境如图2所示。两台电子皮带秤挂接在CAN总线上，CAN总线与移动PC之间经过了CAN转RS232和RS232转USB两个网关，最终通过USB接口连接电脑。
为单独测试电子皮带秤与电脑之间的通信，使用VB6.0开发了一个电子皮带秤CAN通信测试软件[4-5]，其界面如图3所示。在测试时，将电子皮带秤地址设置为1，在电子皮带秤CAN通信测试软件中将所要采集的电子皮带秤地址写为1，按下采集数据的按钮，软件发送采集指令“01H02H00H00H00H00H00H03H”。皮带秤接收到采集指令后返回一条91个字节的报文，报文中的流量、累计量和皮带速度等数据在软件左侧显示，报文全文在软件右侧显示。
本次测试进行了30min，共采集了50组数据，即移动PC向电子皮带秤发送了50次采集指令，共400个字节，25次对地址为1的电子皮带秤发送，另25次对地址为2的电子皮带秤发送，两台电子皮带秤接收到采集指令后分别向移动PC返回了25条数据，共4550个字节。两台电子皮带秤接收到全部的50条指令，无误码；移动PC接收到了全部50条返回数据，无误码。测试结果表明系统工作可靠。
5结论
煤炭产量监测系统是一个较为复杂的系统，需要符合相关的技术需求，本文综合运用了计算机技术、电子技术和CAN总线技术，设计了一种新型的符合《MT1082-2008煤炭产量远程监测系统通用技术要求》的稳定性高、兼容性强、数据传输率高、传输距离远、成本低、操作简便的煤炭产量监测系统。该系统可广泛应用于我国的各煤矿生产企业，防止企业超能力生产和保障国家税收。
参考文献：
[1]孙继平.煤矿安全生产理念研究[J].煤炭学报，2011，36（2）：313-316.
[2]孙继平.煤炭产量远程监测方法[J].煤矿安全，2009（S1）：113-115.
[3]孙继平.中华人民共和国煤炭行业标准MT1082-2008：煤炭产量远程监测系统通用技术要求[S].北京：煤炭工业出版社，2009：8-90.
[4]赵建周，韩庆妙.用VisualBasic实现PC机与单片机之间的串行通信[J].安阳大学学报，2003（1）：38-40.
[5]李朝青.PC机及单片机数据通信技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2000：10-200.