在LabVIEW基础上的超高水充填管道在线监测系统的构建和实现
第 1 章 绪论
1.1 研究背景及意义
管道运输在煤矿、石油、天然气等行业都发挥着不可忽视的作用。随着管线的增多，管龄的增长，以及不可避免的腐蚀和自然或人为损坏等原因，管道事故频频发生。例如，汛期降雨频率增加，管道堵塞直接影响城市排水能力，严重时会对居民生命和财产安全造成威胁；中原油田六个采油厂每年因管线泄漏问题造成原油损失 1000 多吨[1]；西南油气田分公司因天然气管道压力过大导致管道爆炸[2]。所以管道安全问题不容忽视。
我国能源需求的 67%[3]来源于煤炭，煤炭资源的主要来源是三下一上;[4]开采，即建筑物下、铁路下、水体下和承压水体上。随着人们需求量的增加，许多煤矿企业一味追求利益通过扩产、滥采实现增产、超产，从而更多的因顶板塌方、自然体系崩溃、瓦斯爆炸等因素导致的煤矿事故相继发生。根据官方资料[5]统计，2021 年中国矿难事故 1403 起，死亡人数 2433 人，2021 年 1201起，实际死亡人数 1973 人。相对美国这一数据却高出了 10 倍[6]，这不得不给我们敲响了警钟。依据当前面临的实际问题，中国矿业大学[7]提出了一种超高水采空区充填技术，该技术有效解决了三下;压煤现象，提高了采煤率，保证了矿区生态环境不被破坏。超高水材料[8]是一种新型的充填材料，充填过程中，在井上按照一定严格比例完成充填材料的配置，经长距离输送管道运输到井下待充区，直至采空区充填工作完成为止，由此看出，采空区充填是一个间歇性工作过程。超高水充填系统的安全、高效运行在煤矿安全生产中充当着十分重要的角色，由充填工作原理可知，充填工作的顺利进行，不仅需要超高水材料的严格配制，还需要运输管道的通畅、快速的输送。在充填过程中，由于该充填材料的特殊性和流体沉淀淤积、管道清理不彻底、管道弯度坡度布局复杂以及运输材料、环境成分的腐蚀等因素，会造成管道的堵塞和泄漏。目前，针对解决管道故障问题，我国有些煤矿企业仍在采用人工巡线的方法，这样不仅不能提高故障检测的效率，还浪费了人力资源，降低了工作效率，违背了节能降耗;[9]原则。
随着计算机技术的飞速发展和广泛应用，计算机技术与机器的有机结合已成为工业发展的趋势，产生了新的仪器即虚拟仪器。虚拟仪器技术的出现对测量与控制领域的发展带来不可估量的影响。在当前先进技术的平台上，设计出一套管道在线监测系统，实现充填系统的智能化势在必行。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 采空区充填技术的研究现状
煤炭资源的不断需求，引起矿山不断的开采，将延伸到居民住所、建筑物、公路、铁路等地面下，长时间的开采会造成地表沉陷，环境污染，人身安全等问题，为解决这种现状，充填采矿法得到人们的重视，自上世纪初至今，国内外对采空区充填技术进行不断的创新与发展。
⑴国外研究现状
充填采矿在国外应用的更早一些且应用范围较广。在 20 世纪 30 年代开始，加拿大地下矿山充填技术多数应用冲击砂进行采空区充填，到 50 年代中期，劳动强度大且灵活性差的方框支架采矿法[10]被分层水砂充填法[11]所替代。1985 至1991 年，加拿大在充填材料、充填工艺方面有突出贡献，相继采用块石胶结充填、高浓度管道输送充填、膏体充填等，提高了矿山生产效率，降低了成本。在德国具有代表性的充填方法有，拉梅尔斯贝格铅锌矿采用了下向分层胶结充填采矿法[12]结合风力充填，采用了碎石和高炉炉渣水泥的混合物做充填料，通过风力充填站，经管道输送到各采空区。梅根铅锌矿[13]根据矿体各部分的情况不同，采用了不同的采矿方法，主要是分层充填法和巷道充填法。格隆德铅锌矿在 20 世纪 60~70 年代，采用分段充填采矿法[14]完成充填采矿工作。在 20 世纪 80 年代，是南非充填工艺发展最快的时期，主要有废石胶结充填[15]、脱泥尾砂胶结充填[16]等，并开始进行高浓度管道充填和膏体充填的研究和应用。1997年，澳大利亚新建的一座充填站坎宁顿矿膏体充填站[17]利用膏体的重力作用在钻孔中形成负压，借此将充填料输送到井下采场。同时该方法被广泛应用于更多的国家，如美国、俄罗斯、瑞士等。
⑵国内研究现状
我国三下;压煤现象比较严重，压煤量约 140 亿吨，为解决此现象并保证煤矿安全生产，充填开采是最符合绿色开采[18]、资源可持续发展观念的方法。我国的充填技术经历了从干式充填到水力充填，从分级尾砂、全尾砂、高水固化胶结充填到膏体泵送胶结充填的发展过程。相继应用于山东省新汶集团的盛泉、翟镇和泉沟矿，河北省邢台的邢东矿，肥城矿业集团曹庄煤矿，淄博矿业集团岱庄煤矿等各地大大小小的煤矿企业。我国矿山数量多，开发与应用的充填工艺与技术类型多，尤其是近十余年来，在新的充填技术的研究开发和推广应用方面，均取得了长足的进步。
尤其是 20 世纪 90 年代以来，中国矿业大学研制出一种新型材料-高水速凝充填材料[19]（又称高水材料）。该充填材料主料[20]是尾矿（铁矿、矸石、金矿）、粉煤灰、赤泥（氧化铝工业生产的废料），配料[21]是石膏、石灰、水泥、铝氧熟料、膨胀剂、胶凝材料。将主料和配料与水混合，水含量达到 50%，搅拌加工成为自流输送的材料，在重力作用下固结，并达到一定的强度。该充填材料最早在山东淄博矿业集团王庄矿[22]得到应用，煤矿开采完成计划的 120%，随后得到多个矿区的一致认可。在 2008 年，邯矿集团和中国矿业大学合作在高水材料的基础中研制了一种充填效益更高的材料超高水材料。该材料由 A、B 两种主料与 AA、BB 辅料组成，A 料[23]以铝土矿、石膏等独立炼制而成，B 料[24]为石膏、石灰等混磨成主料，AA 料[25]为复合缓凝分散剂，BB 料[27]为复合速凝剂。固体状 A、B 材料分别与水按一定比例混合，当水体积达到 95%-97%时，形成超高水材料，该材料 A、B 单浆液可持续 30-40 小时不凝固，一旦混合后可快速水化并凝固，而且强度可根据配置比例决定，最大强度可达 0.6-1.5MPa[28]。国内首个超高水材料充填实验室落户在邯矿集团陶一煤矿[29]，截至目前已累计开采了 6 个工作面，安全采出建下压煤 50 余万吨，取得了显著的经济效益和环境效益。此项技术获得了 2021 年中国煤炭工业科技进步一等奖，被誉为实现煤炭绿色开采的一次技术革命;[30]。
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第 2 章 系统分析
2.1 系统开发目标
该监测系统的开发旨在解决煤矿采空区充填管道因残渣沉淀、管道清理不彻底、化学腐蚀、管道布局复杂等因素造成的管道堵塞或泄露问题，能够通过计算机良好的人机界面做到模拟现场，实时监测管道的压力和流量的动态数据，可以对历史数据进行存储、查询、修改、删除等一系列操作，对设备的参数进行设置，还可以超限报警，并对报警记录进行存储，以便日后的处理。建立多用户管理，根据需求授予不同权限，同时可以将信息发布给上级管理调控部门。真正做到煤矿企业安全生产、综合信息化，具有一定的扩展性和工程实用价值。
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2.2 系统可行性分析
可行性分析又称可行性研究[38]，是每个系统开发之前必做的准备。需要开发者对要开发的系统进行全面深入的市场调研、分析、预测。明确该系统是否值得花费时间、人力、财力去开发，研究方向是否正确，研究目标在规定的时间范围内是否有达到的可能性，开发完成后是否有一定的应用价值和发展前景，从几个方面考虑后选定最合适的方案，提供给投资者并给出结论性意见，为进一步开展工作奠定基础。本文主要从技术、经济、社会三个角度进行可行性分析。
2.2.1 技术可行性
技术可行性[39]即结合当前现有和可能达到的技术资源，分析系统开发工作是否具有合适的开发平台能够顺利的开展下去，目标是否能够实现。
随着计算机技术迅速的发展，和工业仪器的不断更新，计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向[40]。将仪器装入计算机，以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能，这种技术即虚拟仪器技术。其被称为 21 世纪科学技术的三大核心技术之一[41]，代表了未来仪器产业的发展方向。在虚拟仪器技术中使用较为广泛的计算机语言是美国 NI 公司的 LabVIEW编程语言[42,43]，该语言广泛应用于汽车、航空航天、工业生产行业的测试、测量与自动化控制系统编程中。采用 LabVIEW 图形化的编程语言对系统要实现的多任务功能进行设计与编写，该语言不同于文本式编程语言（Visual C++、Visualbasic、ava、Python 等）需要繁琐的代码，采用数据流编程方式，用图标表示函数，连线表示数据流向，程序框图中节点之间的数据流向决定了程序的执行顺序，提高了系统开发效率。在系统设计中，要对管道的参数进行实时采集与分析，日后还可能对历史数据进行查询，数据量比较大，所以采用了当前开发比较成熟稳重且应用广泛的 SQL Server 数据库存储相关数据，SQL Server[44]是一个关系型数据库管理系统，具有客户机/服务器体系结构，采用了 sql 语言在客户机与服务器之间传递客户机的请求与服务器的处理结果。 SQL Server 的易用性、可伸缩性、灵活性、安全性和稳定性等优点使得它在众多数据库中获得竞争优势。而且，SQL Server 数据库通过第三方工具可以实现与 LabVIEW 之间的相互访问。本文用到的第三方工具是 LabSQL 工具包[45]，该工具包是一个基于Microsoft ADO 和 SQL 的 LabVIEW 数据库访问免费工具包，利用 LabSQL 几乎可以访问任何类型的数据库，执行各种 SQL 查询，对记录进行各种操作，用起来简易、方便。所以，从技术角度考虑，该系统是可行的。
2.2.2 经济可行性
经济可行性，顾名思义，从经济角度分析系统开发的必要性，从资源配置的角度衡量项目的价值，评价项目在实现区域经济发展目标、有效配置经济资源、增加供应、创造就业、改善环境、提高人民生活等方面的效益。一般来说，项目开发的成本小于项目实际应用后的经济收益，该项目才具有开发的价值。
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第 3 章 系统开发技术及工具............................................ 10
3.1 虚拟仪器技术 ....................................... 10
3.1.1 虚拟仪器技术介绍 ..................................... 10
3.1.2 虚拟仪器的特点 .......................................... 10
3.1.3 虚拟仪器的构成 ....................................11
3.2 LabVIEW 编程语言........................................ 12
3.2.1 LabVIEW 简介 ..................................... 12
3.2.2 LabVIEW 的特点 .................................. 13
3.3 SQL Server2008 数据库技术................................... 14
3.4 LabSQL 工具包.......................................... 15
3.4.1 LabVIEW 访问数据库的方法 ............................... 15
3.4.2 LabSQL 工具包的组成 ............................... 16
3.4.3 LabSQL 工具包的安装 ............................. 16
3.5 本章小结 ................................... 17
第 4 章 硬件系统设计...................................... 18
4.1 超高水充填技术 ........................................ 18
4.2 硬件系统总体设计 .................................... 19
4.3 详细设计 .................................... 20
4.3.1 输送管道的选型 ..................................... 20
4.3.2 传感器的选型 ................................ 21
4.3.3 监测分站的选型 ............................... 23
4.3.4 通信方式的选择 ........................ 24
4.4 本章小结 .................................... 25
第 5 章 软件系统设计................................ 26
5.1 软件系统总体设计 .......................... 26
5.2 详细设计 ...................................... 27
5.2.1 程序设计模式 ................................. 28
5.2.2 功能模块设计 ................................ 29
5.2.3 通信协议设计 .................................. 34
5.2.4 LabVIEW 访问数据库 .............................. 38
5.2.5 管道故障诊断方法的研究 ............................. 42
5.3 本章小结 ............................... 44
第 6 章 系统实现与测试
6.1 系统功能实现
6.1.1 系统界面
为了让用户更清楚的了解井下管道的实际布置情况和采集的管道实时数据，系统借助安装在 LabVIEW 中的 DSC 模块模拟超高水充填管道，作为系统首页。如图 6-1 所示。
6.1.2 登陆模块的实现
用户登陆模块是进入系统的必经途径，用户只有输入与用户数据库中的用户名和密码相符的信息，才能成功登陆系统，而且任何一名系统授权的用户都可对己有密码进行修改。模块编写程序如图 6-2 所示。
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结论与展望
随着计算机技术的迅速发展和广泛应用，虚拟;的测量和自动化系统也得到了快速的发展。本课题采用虚拟仪器技术，在 LabVIEW 软件开发平台上设计了一套完整的超高水充填管道在线监测系统。通过调研、需求分析、研读大量国内外文献，总结当前超高水充填技术和管道监测系统的发展现状，设计的管道监测系统实现的主要功能有：
⑴保证了系统的安全性，对系统用户分不同等级，授予不同权限，并根据相应权限开放不同功能。
⑵该系统在管道上设计了多个监测点，安装了多个传感器，故将其分为多个通道，系统采集模块实时采集传感器数据，并在系统界面首页的管道模型相应位置显示出来，同时，以曲线形式提供给用户，以供用户清晰、直观的查看管道参数变化趋势。
⑶将采集数据保存到 SQL Server 2008 数据库，并可对历史数据进行查询、删除、修改等操作。
⑷应用压力、流量平衡法对采集数据进行分析，当实时数据超过系统所设置的范围，将发生声光报警，并给出报警信息，供工作人员参考。
基于 LabVIEW 编程语言的管道监测系统的优点体现在：
⑴系统开发周期短、效率高。由 LabVIEW 图形化编程语言的特性决定，开发人员不需要编写繁琐的代码，研究深奥的语言，只需用 LabVIEW 软件与众不同的编程方法即使用节点、图框、连线、自带函数即可完成软件编程。
⑵系统具有较强的可扩展性。LabVIEW 具有很强的开放性和扩展性，系统采用模块化编程思想，使得系统的功能扩展和维护变得更简易。监测系统是随着煤矿需求而不断完善和更新的，例如，用户的添加删除，硬件设备的添加、修改信息。
⑶具有直观、良好的人机交互界面。监测系统的目的就是使工作人员更直接的观察井下管道的运行现实和数据，该系统便提供了这样的功能，模拟了井下管道及传感器的安装位置，并以图表和曲线的形式显示采集的数据。
⑷系统的应用提高了工作效率，避免了资源的过度浪费。使用该管道在线监测系统，工作人员能够通过系统界面以及报警模块及时获得管道运行现实和事故发生点，从而能够及时采取相应措施，提高了工作效率。改善了以往人工巡线的现象，减少了人力的投入。
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参考文献（略）