隨著經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展,我國交通運輸行業(yè)得到了蓬勃發(fā)展。橋梁,作為交通運輸?shù)难屎?,其地位顯得尤為突出。橋梁結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性以及使用性成為了人們關(guān)注的焦點。橋梁監(jiān)測傳統(tǒng)的方法主要是采取人工定期檢測,這種方法局限性較多,如:工作量大、檢測的局限性及診斷的不及時等。而且現(xiàn)代橋梁的結(jié)構(gòu)及功能變得愈來愈復(fù)雜,使得對橋梁進(jìn)行傳統(tǒng)的檢測方法難以達(dá)到預(yù)期效果。所以,對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合的理論分析,并為其設(shè)計合理的健康監(jiān)測系統(tǒng)顯得極為必要。 一套合理的健康監(jiān)測系統(tǒng)能實時反映橋梁健康狀態(tài),并指導(dǎo)工作人員對橋梁進(jìn)行修護(hù)及管理,從而延長橋梁的使用壽命及避免意外事故的發(fā)生。
本文旨在通過對國內(nèi)外橋梁健康監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)狀的分析以及橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的研究,提出一種基于橋梁健康監(jiān)測的分布式測控系統(tǒng),從而彌補(bǔ)傳統(tǒng)監(jiān)測方法的不足。
1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計
一般來講,橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)該包括兩部分內(nèi)容,即系統(tǒng)前端設(shè)計和監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)的前端設(shè)計是橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ),它由傳感器模塊和數(shù)據(jù)采集模塊構(gòu)成。監(jiān)控系統(tǒng)是橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的核心,它由數(shù)據(jù)通信與傳輸模塊和遠(yuǎn)程綜合管理模塊組成。本文中,橋梁上布設(shè)的各類專用傳感器將采集的模擬信號傳輸給信號調(diào)理電路,經(jīng)過濾波、放大等信號調(diào)理,發(fā)送到PLC模擬量擴(kuò)展模塊,本文中選用的PLC模擬量擴(kuò)展模塊為EM235,經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換,進(jìn)入 PLC內(nèi)部 CPU,CPU對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存儲,工控計算機(jī)與PLC進(jìn)行雙向通訊,完成數(shù)據(jù)的收集、顯示、處理和保存等工作,遠(yuǎn)程客戶端通過訪問工控計算機(jī)數(shù)據(jù)庫,將其采集的數(shù)據(jù)直觀清楚地通過文本及圖表的形式顯示出來。系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示:
2 系統(tǒng)前端設(shè)計
2.1 前端調(diào)理電路
本文中采用了二級放大及低通濾波電路對信號進(jìn)行了前端調(diào)理。 第一級放大是利用帶有增益的緩沖器對微弱信號進(jìn)行差分放大,其放大后的電壓值約為2.5V;第二級放大是利用反向放大器及加法電路將信號轉(zhuǎn)變成0~5V的模擬信號,最后通過RC低通濾波器對信號進(jìn)行濾波,消除信號干擾,使其滿足后續(xù)設(shè)計的要求。信號的前端調(diào)理電路如圖2 所示:
2.2 數(shù)據(jù)采集部分設(shè)計
S7-200系列PLC提供三種型號的模擬量擴(kuò)展模塊供用戶使用, 它們具有A/D轉(zhuǎn)換功能,模擬信號發(fā)送給 PLC 模擬量擴(kuò)展模塊,經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)化成 PLC 內(nèi)部 CPU 能夠識別的數(shù)字信號。本文使用的是EM235 模擬量混合模塊,其輸入框圖如圖3 所示:
EM235 模擬量混合模塊為用戶提供了 4 輸入通道和 1 輸出通道,所以它可以同時接收來自四個傳感器發(fā)送過來的模擬信號。EM235 有很多輸入量程供用戶使用,如:1V、2.5V、5V、10V、0~50mA、0~500mV、0~1V、0~5V 和 0~10V 等。圖 3-3 中,放大器的作用主要是針對不滿足 EM235 輸入量程的信號進(jìn)行放大,用戶可以通過DIP開關(guān)對輸入量程進(jìn)行設(shè)置。 偏置調(diào)節(jié)和增益調(diào)節(jié)的作用主要是對輸入量程進(jìn)行校準(zhǔn), 偏置調(diào)節(jié)對0刻度進(jìn)行校準(zhǔn),增益調(diào)節(jié)則對滿刻度進(jìn)行校準(zhǔn)。以免數(shù)據(jù)傳輸速率過快影響 A/D 轉(zhuǎn)換的精度,所以在 A/D轉(zhuǎn)換前面放置一個緩存區(qū)對數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖。EM235中A/D 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)為 12 位,其轉(zhuǎn)換時間小于250s,它對于模擬量輸入的階躍響應(yīng)時間為15ms。
3 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計
3.1 PC 與 PLC通信硬件設(shè)計
PC機(jī)配有標(biāo)準(zhǔn)的 RS232 接口,PLC配有標(biāo)準(zhǔn)的 RS485 接口,要實現(xiàn)二者相連,就有必要在它們之間配置轉(zhuǎn)換器。 西門子公司為用戶提供了PC/PPI電纜帶有RS232/RS485轉(zhuǎn)換器,
能方便實現(xiàn)二者之間電平轉(zhuǎn)換,從而進(jìn)行連接。PC 與 S7-200 系列 PLC硬件連接圖如圖4所示:
3.2 PLC 通信程序設(shè)計
本系統(tǒng)中,PLC采用 STEP-Micro/WIN32編程軟件進(jìn)行編程。作為橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)中的下位機(jī),PLC 采取從站模式,PC 通過命令幀的形式向 PLC 傳達(dá)發(fā)送和接收的指令,而PLC對指令進(jìn)行及時反饋。PLC通信程序的流程如圖5 所示:
3.3 上位機(jī)通信程序設(shè)計
本文橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)采用一臺 PC 機(jī)實現(xiàn)對多臺 S7-200 系列 PLC 進(jìn)行監(jiān)控,實時反映橋梁結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)。上位機(jī)系統(tǒng)軟件采用 Delphi 高級語言編程,能夠及時準(zhǔn)確地對橋梁現(xiàn)場實行監(jiān)控。上位機(jī)PC與下位機(jī) PLC進(jìn)行串行通信,其通信程序流程圖如圖6所示:
3.4 遠(yuǎn)程客戶端設(shè)計
遠(yuǎn)程客戶端與橋梁現(xiàn)場服務(wù)器通過以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換, 遠(yuǎn)程客戶端通過訪問橋梁現(xiàn)場服務(wù)器數(shù)據(jù)庫,實時掌握橋梁健康狀態(tài),并將這些數(shù)據(jù)存儲在遠(yuǎn)程客戶端服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中,以便后續(xù)工作評估調(diào)用。
4 結(jié)論
本文設(shè)計了一種基于橋梁健康監(jiān)測的分布式測控系統(tǒng), 針對橋梁結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及環(huán)境的不穩(wěn)定性,系統(tǒng)采用了以工業(yè)現(xiàn)場中應(yīng)用廣泛的 PLC 作為下位機(jī),分布式布置在橋梁結(jié)構(gòu)現(xiàn)場,實時采集橋梁上常用傳感器的數(shù)據(jù),上位機(jī)采用工控PC機(jī),利用串口通信技術(shù),與PLC組成功能強(qiáng)大的分布式測控系統(tǒng)。