中交路橋科技是從事工程檢測監(jiān)測、城市安全監(jiān)測預警與評價、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復合型高新技術集團企業(yè)。
隨著經(jīng)濟和科學技術的高速發(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。橋梁結構的安全性、耐久性以及使用性成為了人們關注的焦點。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)代橋梁的結構及功能變得愈來愈復雜，使得對橋梁進行傳統(tǒng)的檢測方法難以達到預期效果。所以，對橋梁結構進行綜合的理論分析，并為其設計合理的健康監(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)，并指導工作人員對橋梁進行修護及管理，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)測技術現(xiàn)狀的分析以及橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)設計的研究，提出一種基于橋梁健康監(jiān)測的分布式測控系統(tǒng)，從而彌補傳統(tǒng)監(jiān)測方法的不足。
1 系統(tǒng)總體方案設計
一般來講，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)應該包括兩部分內(nèi)容，即系統(tǒng)前端設計和監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)的前端設計是橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的基礎，它由傳感器模塊和數(shù)據(jù)采集模塊構成。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程綜合管理模塊組成。本文中，橋梁上布設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模擬量擴展模塊，本文中選用的PLC模擬量擴展模塊為EM235，經(jīng)過A/D 轉換，進入 PLC內(nèi)部 CPU，CPU對這些數(shù)據(jù)進行處理和存儲，工控計算機與PLC進行雙向通訊，完成數(shù)據(jù)的收集、顯示、處理和保存等工作，遠程客戶端通過訪問工控計算機數(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變成0~5V的模擬信號，最后通過RC低通濾波器對信號進行濾波，消除信號干擾，使其滿足后續(xù)設計的要求。信號的前端調(diào)理電路如圖2 所示：
2.2 數(shù)據(jù)采集部分設計
S7-200系列PLC提供三種型號的模擬量擴展模塊供用戶使用， 它們具有A/D轉換功能，模擬信號發(fā)送給 PLC 模擬量擴展模塊，經(jīng)過 A/D 轉換，轉化成 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 輸入量程的信號進行放大，用戶可以通過DIP開關對輸入量程進行設置。 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行校準， 偏置調(diào)節(jié)對0刻度進行校準，增益調(diào)節(jié)則對滿刻度進行校準。以免數(shù)據(jù)傳輸速率過快影響 A/D 轉換的精度，所以在 A/D轉換前面放置一個緩存區(qū)對數(shù)據(jù)進行緩沖。EM235中A/D 轉換器的位數(shù)為 12 位，其轉換時間小于250s，它對于模擬量輸入的階躍響應時間為15ms。
3 監(jiān)控系統(tǒng)設計
3.1 PC 與 PLC通信硬件設計
PC機配有標準的 RS232 接口，PLC配有標準的 RS485 接口，要實現(xiàn)二者相連，就有必要在它們之間配置轉換器。 西門子公司為用戶提供了PC/PPI電纜帶有RS232/RS485轉換器,
能方便實現(xiàn)二者之間電平轉換，從而進行連接。PC 與 S7-200 系列 PLC硬件連接圖如圖4所示：
3.2 PLC 通信程序設計
本系統(tǒng)中，PLC采用 STEP-Micro/WIN32編程軟件進行編程。作為橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)中的下位機，PLC 采取從站模式，PC 通過命令幀的形式向 PLC 傳達發(fā)送和接收的指令，而PLC對指令進行及時反饋。PLC通信程序的流程如圖5 所示：
3.3 上位機通信程序設計
本文橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)采用一臺 PC 機實現(xiàn)對多臺 S7-200 系列 PLC 進行監(jiān)控，實時反映橋梁結構健康狀態(tài)。上位機系統(tǒng)軟件采用 Delphi 高級語言編程，能夠及時準確地對橋梁現(xiàn)場實行監(jiān)控。上位機PC與下位機 PLC進行串行通信，其通信程序流程圖如圖6所示：
3.4 遠程客戶端設計
遠程客戶端與橋梁現(xiàn)場服務器通過以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)交換， 遠程客戶端通過訪問橋梁現(xiàn)場服務器數(shù)據(jù)庫，實時掌握橋梁健康狀態(tài)，并將這些數(shù)據(jù)存儲在遠程客戶端服務器數(shù)據(jù)庫中，以便后續(xù)工作評估調(diào)用。
4 結論
本文設計了一種基于橋梁健康監(jiān)測的分布式測控系統(tǒng)， 針對橋梁結構的復雜性以及環(huán)境的不穩(wěn)定性，系統(tǒng)采用了以工業(yè)現(xiàn)場中應用廣泛的 PLC 作為下位機，分布式布置在橋梁結構現(xiàn)場，實時采集橋梁上常用傳感器的數(shù)據(jù)，上位機采用工控PC機，利用串口通信技術，與PLC組成功能強大的分布式測控系統(tǒng)。
