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分布式桥梁健康监测系统研究

2019-07-11 10:53编辑:admin人气:


引言
随着经济和科学技术的高速发展,我国交通运输行业得到了蓬勃发展。桥梁,作为交通运输的咽喉,其地位显得尤为突出。桥梁结构的安全性、耐久性以及使用性成为了人们关注的焦点。桥梁监测传统的方法主要是采取人工定期检测,这种方法局限性较多,如:工作量大、检测的局限性及诊断的不及时等。而且现代桥梁的结构及功能变得愈来愈复杂,使得对桥梁进行传统的检测方法难以达到预期效果。所以,对桥梁结构进行综合的理论分析,并为其设计合理的健康监测系统显得极为必要。 一套合理的健康监测系统能实时反映桥梁健康状态,并指导工作人员对桥梁进行修护及管理,从而延长桥梁的使用寿命及避免意外事故的发生。
本文旨在通过对国内外桥梁健康监测技术现状的分析以及桥梁健康监测系统设计的研究,提出一种基于桥梁健康监测的分布式测控系统,从而弥补传统监测方法的不足。

1 系统总体方案设计
一般来讲,桥梁健康监测系统应该包括两部分内容,即系统前端设计和监控系统。系统的前端设计是桥梁健康监测系统的基础,它由传感器模块和数据采集模块构成。监控系统是桥梁健康监测系统的核心,它由数据通信与传输模块和远程综合管理模块组成。本文中,桥梁上布设的各类专用传感器将采集的模拟信号传输给信号调理电路,经过滤波、放大等信号调理,发送到PLC模拟量扩展模块,本文中选用的PLC模拟量扩展模块为EM235,经过A/D 转换,进入 PLC内部 CPU,CPU对这些数据进行处理和存储,工控计算机与PLC进行双向通讯,完成数据的收集、显示、处理和保存等工作,远程客户端通过访问工控计算机数据库,将其采集的数据直观清楚地通过文本及图表的形式显示出来。系统的整体框图如图1所示:


2 系统前端设计
2.1 前端调理电路
本文中采用了二级放大及低通滤波电路对信号进行了前端调理。 第一级放大是利用带有增益的缓冲器对微弱信号进行差分放大,其放大后的电压值约为2.5V;第二级放大是利用反向放大器及加法电路将信号转变成0~5V的模拟信号,最后通过RC低通滤波器对信号进行滤波,消除信号干扰,使其满足后续设计的要求。信号的前端调理电路如图2 所示:

2.2 数据采集部分设计
S7-200系列PLC提供三种型号的模拟量扩展模块供用户使用, 它们具有A/D转换功能,模拟信号发送给 PLC 模拟量扩展模块,经过 A/D 转换,转化成 PLC 内部 CPU 能够识别的数字信号。本文使用的是EM235 模拟量混合模块,其输入框图如图3 所示:

EM235 模拟量混合模块为用户提供了 4 输入通道和 1 输出通道,所以它可以同时接收来自四个传感器发送过来的模拟信号。EM235 有很多输入量程供用户使用,如:1V、2.5V、5V、10V、0~50mA、0~500mV、0~1V、0~5V 和 0~10V 等。图 3-3 中,放大器的作用主要是针对不满足 EM235 输入量程的信号进行放大,用户可以通过DIP开关对输入量程进行设置。 偏置调节和增益调节的作用主要是对输入量程进行校准, 偏置调节对0刻度进行校准,增益调节则对满刻度进行校准。以免数据传输速率过快影响 A/D 转换的精度,所以在 A/D转换前面放置一个缓存区对数据进行缓冲。EM235中A/D 转换器的位数为 12 位,其转换时间小于250s,它对于模拟量输入的阶跃响应时间为15ms。

3 监控系统设计
3.1 PC 与 PLC通信硬件设计
PC机配有标准的 RS232 接口,PLC配有标准的 RS485 接口,要实现二者相连,就有必要在它们之间配置转换器。 西门子公司为用户提供了PC/PPI电缆带有RS232/RS485转换器,
能方便实现二者之间电平转换,从而进行连接。PC 与 S7-200 系列 PLC硬件连接图如图4所示:

3.2 PLC 通信程序设计
本系统中,PLC采用 STEP-Micro/WIN32编程软件进行编程。作为桥梁健康监测系统中的下位机,PLC 采取从站模式,PC 通过命令帧的形式向 PLC 传达发送和接收的指令,而PLC对指令进行及时反馈。PLC通信程序的流程如图5 所示:

3.3 上位机通信程序设计
本文桥梁健康监测系统采用一台 PC 机实现对多台 S7-200 系列 PLC 进行监控,实时反映桥梁结构健康状态。上位机系统软件采用 Delphi 高级语言编程,能够及时准确地对桥梁现场实行监控。上位机PC与下位机 PLC进行串行通信,其通信程序流程图如图6所示:

3.4 远程客户端设计
远程客户端与桥梁现场服务器通过以太网进行数据交换, 远程客户端通过访问桥梁现场服务器数据库,实时掌握桥梁健康状态,并将这些数据存储在远程客户端服务器数据库中,以便后续工作评估调用。
4 结论
本文设计了一种基于桥梁健康监测的分布式测控系统, 针对桥梁结构的复杂性以及环境的不稳定性,系统采用了以工业现场中应用广泛的 PLC 作为下位机,分布式布置在桥梁结构现场,实时采集桥梁上常用传感器的数据,上位机采用工控PC机,利用串口通信技术,与PLC组成功能强大的分布式测控系统。

(来源:未知)

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