中交路橋科技是從事工程檢測監(jiān)測、城市安全監(jiān)測預(yù)警與評(píng)價(jià)、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復(fù)合型高新技術(shù)集團(tuán)企業(yè)。
隨著經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，我國交通運(yùn)輸行業(yè)得到了蓬勃發(fā)展。橋梁，作為交通運(yùn)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(diǎn)。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(shí)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(duì)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(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合的理論分析，并為其設(shè)計(jì)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(shí)時(shí)反映橋梁健康狀態(tài)，并指導(dǎo)工作人員對(duì)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(duì)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(jì)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(jì)
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(jì)和監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)的前端設(shè)計(jì)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(hào)傳輸給信號(hào)調(diào)理電路，經(jīng)過濾波、放大等信號(hào)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(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存儲(chǔ)，工控計(jì)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(jì)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(jì)
2.1 前端調(diào)理電路
本文中采用了二級(jí)放大及低通濾波電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行了前端調(diào)理。 第一級(jí)放大是利用帶有增益的緩沖器對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行差分放大，其放大后的電壓值約為2.5V；第二級(jí)放大是利用反向放大器及加法電路將信號(hào)轉(zhuǎn)變成0~5V的模擬信號(hào)，最后通過RC低通濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，消除信號(hào)干擾，使其滿足后續(xù)設(shè)計(jì)的要求。信號(hào)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(jì)
S7-200系列PLC提供三種型號(hào)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(hào)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(shí)別的數(shù)字信號(hào)。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(shí)接收來自四個(gè)傳感器發(fā)送過來的模擬信號(hào)。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(duì)不滿足 EM235 輸入量程的信號(hào)進(jìn)行放大，用戶可以通過DIP開關(guān)對(duì)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(duì)輸入量程進(jìn)行校準(zhǔn)， 偏置調(diào)節(jié)對(duì)0刻度進(jìn)行校準(zhǔn)，增益調(diào)節(jié)則對(duì)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(gè)緩存區(qū)對(duì)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(shí)間小于250s，它對(duì)于模擬量輸入的階躍響應(yīng)時(shí)間為15ms。
3 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 PC 與 PLC通信硬件設(shè)計(jì)
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(shí)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(shí)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(jì)
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(duì)指令進(jìn)行及時(shí)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(jì)
本文橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)采用一臺(tái) PC 機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)多臺(tái) S7-200 系列 PLC 進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)時(shí)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(jí)語言編程，能夠及時(shí)準(zhǔn)確地對(duì)橋梁現(xiàn)場實(shí)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(jì)
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(shí)時(shí)掌握橋梁健康狀態(tài)，并將這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(píng)估調(diào)用。
4 結(jié)論
本文設(shè)計(jì)了一種基于橋梁健康監(jiān)測的分布式測控系統(tǒng)， 針對(duì)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(shí)時(shí)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)。
