第6章自动化监测技术

第6章自动化监测技术主要内容•概述•自动化监测系统设计•通用分布式测量控制单元（MCU）原理及应用•安全监测自动化系统设计示例6.1概述概述•自动化监测技术是20世纪60年代发展起来的一种全新的监测技术，它是随着计算机技术、网络通讯技术的发展而发展起来的。•自动化监测的三种形式：第一种是数据处理自动化，俗称“后自动化”；第二种是实现数据采集自动化，俗称“前自动化”；第三种是实现在线自动采集数据，离线资料分析，俗称“全自动化”。•自动化监测主要包括数据采集的自动化、数据传输的自动化、数据管理的自动化和数据分析的自动化等内容。一般规定（1）数据采集功能。能自动采集各类传感器的输出信号，并把模拟量转换为数字量；数据采集能适应应答式和自报式两种方式，能按设计的方式自动进行定时测量，能接收命令进行选点、巡回检测和定时检测。（2）掉电保护功能。现场的数据采集装置应有储存器和掉电保护模块，能暂存已经采集的数据，并在掉电情况下不丢失数据。系统应设有备用电源，在断电情况下，系统应能自动切换，并继续工作一段时间，具体持续工作时间应根据工程的具体要求确定，一般应在3天以上。（3）自检、自诊断功能。即对仪器自身的工作性态进行检查，对发生故障的仪器应自动报警。（4）现场网络数据通讯和远程通讯功能。现场数据通讯一般采用电缆、光纤和无线传输等形式，对于远程通讯一般采用因特网和微波方式。（5）防雷和抗干扰功能。为保证系统的安全和正常运行，防止遭受雷击和外界因素的干扰，系统应具备本功能。系统的防雷一般应进行专门的设计。（6）数据管理功能。对监测数据应采用数据库技术进行有效的管理，并编制相应的管理系统软件，对监测数据实行查询、修改、统计等操作，对数据异常及故障能进行显示和报警。另外，为保证数据的安全，系统应具有数据备份功能。（7）数据分析功能。对监测数据进行及时的分析处理是自动化监测的一个重要特征，是及时发现工程隐患的重要手段。一般的数据分析主要是判断数据的正常或异常特征，并根据其异常特性作进一步的分析。性能要求（1）采样时间应有一定的限制，具体时间可根据工程实际情况确定。通常对某个项目的巡测时应小于30分钟，对单个测点的采样时间应小于3分钟。（2）测量的周期可根据工程的实际需要调整，在特殊情况下，可实现加测、补测等。（3）自动化监测系统应建立监控室，用于对整个系统的控制和数据管理。监控室的温度一般应保持在20℃～30℃，湿度保持不大于85%。（4）系统可采用交流电作为工作电源，其工作电压为220V。（5）系统应有较高的可靠性，系统的故障率应低于5%，并能稳定可靠地工作。（6）数据采集装置的测量精度应满足有关规范和工程实际需要的要求，因此，应在精度、量程、稳定性、可靠性等方面选择合适的数据采集装置。6.2自动化监测系统设计设计原则（1）适应性根据建筑物所处的环境条件、建筑结构和运行工况的不同，在设计监测自动化系统时应有较强的针对性。对于重点监测项目和重要测点应优先纳入自动化监测系统中，技术成熟的项目优先实现自动化。（2）经济性系统建设的造价应经济、合理，采用性价比高的仪器设备；同时，应尽可能考虑整套系统采用同一厂家的产品，以提高系统的兼容性、完整性，便于管理、维护和节约经费。（3）准确性系统的测量数据应准确，精度满足相关规范的要求，在更换零部件时不影响数据的连续性。（4）可靠性监测设备选型应优先考虑选用技术先进、成熟、通过多个现场环境长期考核、质量合格的产品，设备的故障率应很低，长期稳定性好，可靠性高，具有在雷电、高温、高湿等恶劣环境下正常工作的长期可靠性，有良好的防雷、防湿、耐高温等抗干扰能力。发生故障时能及时判断、报警，并迅速排除。为保证数据的连续可靠，系统应具有备用的人工观测手段。（5）开放性和通用性系统应具有良好的开放性和兼容性。开放性是针对用户开放系统总线标准、系统数据采集单元的程控命令和数据格式，以及接入的任何种类标准信号传感器。系统应易于操作，人机界面友好。（6）统一性数据采集系统和信息管理系统应相互兼容，即使采用不同的数据采集子系统，也应能实现监测信息的统一管理。设计方案•监测系统的布置设计是安全监测设计的主要内容，由于自动化监测系统不仅测读快，测读及时，能够做到相关量同步测读，能够胜任多测点、密测次的要求，提供在时间上和空间上更为连续的信息，而且测读准确性和可靠性高，因此，应普遍使用监测自动化系统。•但是，监测自动化系统较为昂贵，对环境条件要求也比较高，因此，自动化系统的测点设置应以满足监测工程安全运行需要为主，纯粹为施工服务及为科学研究而设置的测点，原则上不纳入自动化系统。•经多年的研制和开发，自动化监测系统的布置形成三大基本形式：集中式监测系统、分布式监测系统和混合式监测系统。集中式•集中式系统是将传感器通过集线箱或直接连接到采集器的一端进行集中观测。•在这种系统中，不同类型的传感器要用不同的采集器控制测量，由一条总线连接，形成一个独立的子系统。系统中有几种传感器，就有几个子系统和几条总线。•所有采集器都集中在主机附近，由主机存储和管理各个采集器数据。采集器通过集线箱实现选点，如直接选点则可靠性较差。•集中式监测系统的高技术部件均集中在机房，工作环境好，便于管理，系统重复部件少，相对投资也较少，但系统传输的是模拟量，易受外界干扰，系统风险集中，可靠性不高，技术复杂，电缆用量大，维护不便。图6-1集中式监测系统结构示意图分布式•分布式数据采集系统通常由监测计算机、测控单元和传感器组成；•根据不同监测任务需要而埋设的各类传感器通过一定的通信介质（一般为屏蔽电缆）接入布置其附近的测控单元；•由测控单元按照采集程序的控制将监测数据转换、存储并通过数据通信网络发送至远方的监测计算机做深入分析和处理。•测控单元还可以接收来自监测计算机的控制命令，将本身的工作状况以及传感器的工作状况发送给监测计算机，由操作员做出分析判断以及时排除系统中硬件设备的故障。因此，虽然系统设备的类型与集中式无大的差别，但是由于测控单元与集中式结构中的测控单元相比有了本质的变化，且系统中数据传输多为数字量信号，使得分布式系统在诸如测量精度、速度、可靠性和可扩展性上比集中式系统有了显著提高。•分布式系统是把数据采集工作分散到靠近较多传感器的采集站(测控单元)来完成，然后将所测数据传送到主机。这种系统要求每个观测现场的测控单元应是多功能智能型仪器，能对各种类型的传感器进行控制测量。•分布式监测系统传输的是数字量，传输距离长，精度高，风险分散，可靠性高，技术简单，电缆用量小，布置灵活，观测速度快，但系统重复部件多，投资相对较大。图6-2分布式监测系统结构示意图混合式•混合式是介于集中式和分布式之间的一种采集方式。它具有分布式布置的外型，而采用集中方式进行采集的系统。•设置在仪器附近的遥控转换箱类似于MCU，汇集其周围的仪器信号，但不具有MCU的A/D转换和数据暂存功能，故其结构比MCU简单。•转换箱仅是将仪器的模拟信号汇集于一条总线之中，然后传到监控室进行集中测量和A/D转换，然后将数字量送入计算机进行存储处理。•混合式数据采集方式中转换箱只能起汇集周围仪器信号的作用，此种方式关键问题是既经济又可靠地解决了模拟量长距离传输技术；•目前国内传输距离一般在1000m～2000m内，模拟量传输距离一般不能大于2000m，与分布式比较，造价可省约1/3左右。•由于转换箱结构简单，维修方便，在恶劣气候条件下，比MCU产生的故障路率低，所以此种方式适应于大规模、测点数量多，相对集中的监控系统。网络集成式•网络集成式结构是对分布式结构在开放性和标准化的方向上做出本质改变的系统结构，它在现今的企业管理控制一体化的应用需求中已经发挥着巨大的作用。•网络集成式结构突破了分布式结构中因专用网络的封闭造成的缺陷，改变了分布式结构系统中模拟、数字信号混合，一个简单控制系统的信号传递需历经从现场到控制室，再从控制室到现场的往返专线传递过程。•随着网络信息化和安全性的提高，接入Internet的管理层可以为远方的专家和上级管理部门提供远程观测分析建筑物安全状况的手段，提高安全状况分析的效率。图6-3网络集成式监测系统结构示意图系统组成（1）电缆•监测系统的不同部位和不同仪器需要联接不同规格的电缆。•电缆选型和敷设是确保监测仪器和系统正常运行的基础，因此，必须予以足够的重视。•电缆选型要充分了解电缆结构及信号传输和工作环境对电缆的要求，并根据实际情况进行试验分析。•电缆敷设要注意对每一个环节进行严格的质量控制，避开不利的区域。（2）传感器•传感器是感应建筑物变形、渗流、应力、温度等各种物理量的仪器设备，它将测量到的模拟量、数字量、脉冲量、状态量等信号输送到采集站。•传感器种类可分为：电阻式、电感式、电容式、振弦式、调频式、压阻式、变压器式、电位器式等。•土木工程监测中常用的传感器包括渗压计、渗流量计、垂线仪、倾斜仪、测缝计、锚杆应力计、钢筋计、应变计、温度计等各种仪器。•应选择其中对监控工程安全起重要作用且人工观测又不能满足要求的关键测点纳人自动化观测系统。•所有纳入自动化系统的仪器，都应预先经过现场观测值可靠性鉴定，证明其工作性态正常。（3）采集站•采集站由测控单元组成，并根据仪器分布情况决定其布置，一般设在较集中的仪器测点附近。•采集站根据确定的观测参数、计划和顺序进行实际测量、计算和存储，并有自检、自动诊断功能和人工观测接口。•采集站除与主机通讯外，还可定期用便携式计算机读取数据。根据确定的记录条件，将观测结果及出错信息与指定监测分站或其他测控单元进行通信。•能选配不同的测量模块或板卡，以实现对各种类型传感器的信号采集。检测指定的报警条件，一旦报警状态或条件改变则通知指定的监测分站。•将所有观测结果保存在缓冲区中，直到这些信息被所有指定监测分站明确无误地接收完为止。•管理电能消耗，在断电、过电流引起重启动或正常关机时，保留所有配置设定的信息。具有防雷、抗干扰、防尘、防腐，适用于恶劣温湿度环境。•采集系统的运行方式主要分中央控制式(应答式)及自动控制式(自报式)，必要时也可采用任意控制式。（4）监测分站•一般根据建筑物规模及布置情况决定，应避免强电磁干扰。如系统规模较小，也可以不设分站。•监测分站的主要功能是启动测量系统，自动采集数据，实现数据的通讯和传输，可对监测数据检查校核，包括软硬件系统自身检查、数据可靠性和准确度检查及数学模型检查。•可进行测量数据的存储、删除、插人、记录、显示、换算、打印、查询及仪器位置、参数工作状态显示等操作，对建筑物的安全状况实行监控、预报及报警。（5）监测总站•一个工程设一个总站，即现场安全监控中心。应有足够的设备和工作空间，良好的照明、通风和温控条件。•监测总站除监测分站功能外，还应具有图像显示、工程数据库及其数据管理功能。•能将各监测分站数据和人工监测数据汇集到总站数据库内，建立安全监控数学模型，并进行影响因素分解及综合性的分析、预报和安全评价。（6）管理中心•即需要远传观测数据的上级领导单位。6.3通用分布式测量控制单元（MCU）原理及应用工作原理•MCU是分布式数据采集网络的节点装置，由密封机箱、智能控制模块CPU电路板、电源模块电路板、各测量模块电路板和加热模块电路板等构成。•电源模块由隔离变压器、电源板、蓄电池组、电源开关组等组成。它将交流电变换成直流电并进行稳压，其中的两组充电电路，分别给12V/7.2AH和24V/7.2AH两组蓄电池充电。在无交流电源或线路发生故障的情况下，蓄电池组将自动地投入工作。•模块设有休眠功能，故能降低功耗。控制模块•控制模块CPU电路板由单片微处理器80C31、时钟电路、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、看门狗电路、通讯接口电路、V/F转换电路、电源控制电路以及键盘显示接口电路等组成，是MCU的核心部分，主要完成对仪器的供电控制、数据测量、转换、预处理、存储和传输等功能。测量模块板的功能•把监测仪器（传感器）所感受到的非电量值，转换成符合一定标准的电压、电流、频率或TTL电平信号，然后经总线母板传送给控制模块C