背景介紹:
大型橋梁是一個國家的經(jīng)濟命脈，橋梁的建造和維護是一個國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要組成部分。大型橋梁建成通車后在環(huán)境因素影響、運營荷載和特殊荷載作用下，其強度和剛度可能會降低，結(jié)構(gòu)性能發(fā)生劣化，這將影響到行車安全和橋梁的使用壽命。有必要對大橋的結(jié)構(gòu)特性和安全狀況進行監(jiān)測和評價，就需要建立一個實時的橋梁健康安全監(jiān)測系統(tǒng)，使橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生損壞之前向管理人員發(fā)出警報，使管理人員能夠及時做出反應(yīng)，從而減少相應(yīng)的損失。
如下就針對北京峪道河大橋健康檢測系統(tǒng)進行簡述。
系統(tǒng)介紹:
北京峪道河大橋概況：主橋結(jié)構(gòu)形式為預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋，橋跨布置為30+60+120+60+30米，主跨兩側(cè)采用墩、塔、梁固結(jié)體系。全橋?qū)?2.20米，布置2車道，主梁采用TT型截面，梁高1.8米。斜拉索采用雙索面體系，每個主塔設(shè)置7對斜拉索。主塔采用C50混凝土，高度15.3米(橋面瀝青混凝土以上)，側(cè)面為扇形外張變化式造型，立面為直線放射外張式。如下所示。
由于橋梁結(jié)構(gòu)體量較大，很難對橋梁各個部位進行全面的實施監(jiān)測，受投資、技術(shù)條件等限制，目前國內(nèi)大多針對主體工程通過力學(xué)分析，就關(guān)鍵部位進行監(jiān)測，再通過網(wǎng)絡(luò)傳輸進行集中監(jiān)控、形成全橋全面、系統(tǒng)的監(jiān)測。
為實現(xiàn)該大橋健康檢測系統(tǒng)，需要將經(jīng)傳感器感測的信號，如橋梁各部分結(jié)構(gòu)的溫度、應(yīng)力、位移變化、風(fēng)力、風(fēng)向等參數(shù)，進行快速和同步采集，然后通過光纖等網(wǎng)絡(luò)傳輸方式將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)綐蛄罕O(jiān)控室，由專用的數(shù)據(jù)處理設(shè)備和處理方法來對信號進行處理和分析，為這座橋梁專門設(shè)計制作的軟件進行特殊計算、顯示和存儲，最終顯示給用戶以供參考數(shù)據(jù)。
系統(tǒng)需求:
橋梁健康檢測系統(tǒng)需要將現(xiàn)場傳感器的采集的信號 高速、高精度、同步采集到中控室，實現(xiàn)橋梁的主梁線型監(jiān)控、主塔塔頂偏位監(jiān)控、主梁控制控制截面應(yīng)力監(jiān)測、主塔塔底截面應(yīng)力監(jiān)測、斜拉索索力監(jiān)控。
1、同步采集：將分散在橋梁各關(guān)鍵部位的溫度、應(yīng)力、位移變化、風(fēng)力、風(fēng)向等數(shù)據(jù)信號進行同步采集，并通過分散在橋梁各段的控制器將數(shù)據(jù)上傳到高速光纖網(wǎng)上。
2、高精度采集：每通道采集精度在16位，保證數(shù)據(jù)采集的精度和最小分辨率
3、高速采集：每通道采集速率不低于0.2K/S，保證橋梁的快速實時檢測。
4、數(shù)據(jù)采集、保存并轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)后期處理與分析。健康評估系統(tǒng)日趨完善，評估成果可以成為運營管理者的決策依據(jù)。隨著現(xiàn)代分析手段發(fā)展和理論的成熟，橋梁結(jié)構(gòu)健康采集系統(tǒng)將不僅僅限于目前的數(shù)據(jù)采集，而是通過數(shù)據(jù)處理和健康相應(yīng)評估系統(tǒng)，提供出一個可靠的評估結(jié)果，為管理者決策。
研華解決方案:
接下來主要探討數(shù)據(jù)采集器的部分,因為數(shù)據(jù)采集是這個項目中的關(guān)鍵點。
在數(shù)據(jù)采集器的選擇上，采用了研華PAC ADAM-5550KW, 在其上ADAM-5017S作為12路同步模擬量采集模塊，可將現(xiàn)場的傳感器信號一次性同步采集完畢，非常實用和方便。
1、PAC控制器ADAM-5550KW
1.1 PAC(自動化控制器)ADAM-5550KW是專門為需要工業(yè) PC 運算性能和 PLC 耐用性的控制任務(wù)而設(shè)計的一款可編程自動化控制器。采用 AMD Geode GX533 CPU，CPU具有強大的性能。并帶有豐富的控制功能如看門狗定時器、電池備份 RAM 和強大的 I/O 支持。ADAM-5550 支持WinCE 5.0操作系統(tǒng)，并支持PLC標準 IEC61131-3下的 5 種編程語言。
1.2 多任務(wù)分時操作系統(tǒng)
ADAM-5550KW 采用強大的 Multiprog KW 軟件和穩(wěn)定的 ProCon OS控制內(nèi)核，具有多任務(wù)分時操作系統(tǒng)，它可以將整個工程分成數(shù)個分別具有不同優(yōu)先權(quán)高的任務(wù)等級，有著較短的巡回掃描周期，而且每個任務(wù)可關(guān)聯(lián)多個程序，在這些任務(wù)中間可再細分優(yōu)先權(quán)的高低。這樣整個控制系統(tǒng)便得了優(yōu)化，具有較好的實時性。這對要求響應(yīng)快的閉環(huán)控制系統(tǒng)是一個有力的工具。
1.3 編程語言高級化
支持IEC61131-3下的 5 種編程語言，梯形圖和功能塊圖這兩種編程方式是比較常見和傳統(tǒng)的。除此以外，STD語言采用類Pascal編程語言的語法，屬于高級語言，方便進行算法運算以及復(fù)雜程序的實現(xiàn)。這樣一來，編程效率提高，程序容易移植。
1.4 較大的程序存儲空間
能較高的系統(tǒng)分析計算能力當然要求有足夠的程序存儲空間，同時足夠的存儲空間是系統(tǒng)具備較強的數(shù)據(jù)處理能力的先決條件。應(yīng)用程序存儲空間的大小在某種意義說明了其硬件系統(tǒng)的先進程度。研華PAC有足夠的程序存儲空間供用戶下載任務(wù)程序。并支持下載源程序，方便在現(xiàn)場進行程序的調(diào)試。同時，源程序可以進行多重加密。
2、12路同步模擬量采集模塊
ADAM-5017S為 12通道同步采樣，并自動通道掃描，內(nèi)部具備FIFO，保證采樣信號連續(xù)采集不丟失，每通道均可達到不低于3KHZ的采集速度，很好的保證了數(shù)據(jù)采集的連續(xù)、實時性，這在橋梁檢測中非常實用，滿足了需求。
2、EKI-2541S 以太網(wǎng)光纖轉(zhuǎn)換器
EKI-2541S以太網(wǎng)光纖轉(zhuǎn)換器將采集器ADAM-5550KW的以太網(wǎng)信號轉(zhuǎn)換為光纖傳輸，利用光纖寬大、防電磁干擾及傳輸距離遠的優(yōu)勢，將大橋關(guān)鍵部位的數(shù)據(jù)采集進行光纖傳輸后集中監(jiān)控。EKI-2541S支持MDI/MDIX自動檢測，同時其內(nèi)置的交換控制器能夠自適應(yīng)10/100Mbps的傳輸速度。設(shè)備的以太網(wǎng)口及光纖口都有自己的緩存，支持“存儲轉(zhuǎn)發(fā)”機制，能夠確保數(shù)據(jù)的完整傳輸。
結(jié)論:
隨著社會經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，造橋技術(shù)不斷進步，橋梁結(jié)構(gòu)逐步向輕巧、纖細方面發(fā)展。與此同時橋梁的載重、跨徑和橋面寬度不斷增長，結(jié)構(gòu)形式不斷變化。傳統(tǒng)的變形監(jiān)測手段越來越不能滿足變形監(jiān)測需要，這就迫切需要性能更可靠的設(shè)備來監(jiān)測大橋的形變。
研華PAC控制器ADAM-5550KW和同步數(shù)據(jù)采集模塊ADAM-5017S實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、保存，能夠滿足大橋健康檢測的性能指標，并通過EKI-2541S 以太網(wǎng)光纖轉(zhuǎn)換器將各關(guān)鍵部位的采集數(shù)據(jù)經(jīng)光纖傳輸后進行集中監(jiān)控，轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)后期處理與分析，從而實現(xiàn)大橋的實時健康檢測。
通過現(xiàn)場的實際運行，這個大橋健康檢測系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠，從而為實現(xiàn)低成本高性能的新一代的橋梁健康檢測系統(tǒng)做出了具體的實踐。
