大型橋梁是一個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)命脈，橋梁的建造和維護(hù)是一個(gè)國(guó)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(chē)后在環(huán)境因素影響、運(yùn)營(yíng)荷載和特殊荷載作用下，其強(qiáng)度和剛度可能會(huì)降低，結(jié)構(gòu)性能發(fā)生劣化，這將影響到行車(chē)安全和橋梁的使用壽命。有必要對(duì)大橋的結(jié)構(gòu)特性和安全狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)，就需要建立一個(gè)實(shí)時(shí)的橋梁健康安全監(jiān)測(cè)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(bào)，使管理人員能夠及時(shí)做出反應(yīng)，從而減少相應(yīng)的損失。
如下就針對(duì)北京峪道河大橋健康檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)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(chē)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(gè)主塔設(shè)置7對(duì)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。
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(chē)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(gè)主塔設(shè)置7對(duì)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(duì)橋梁各個(gè)部位進(jìn)行全面的實(shí)施監(jiān)測(cè)，受投資、技術(shù)條件等限制，目前國(guó)內(nèi)大多針對(duì)主體工程通過(guò)力學(xué)分析，就關(guān)鍵部位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸進(jìn)行集中監(jiān)控、形成全橋全面、系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)。
為實(shí)現(xiàn)該大橋健康檢測(cè)系統(tǒng)，需要將經(jīng)傳感器感測(cè)的信號(hào)，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(jìn)行快速和同步采集，然后通過(guò)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(zhuān)用的數(shù)據(jù)處理設(shè)備和處理方法來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理和分析，為這座橋梁專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)制作的軟件進(jìn)行特殊計(jì)算、顯示和存儲(chǔ)，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(cè)系統(tǒng)需要將現(xiàn)場(chǎng)傳感器的采集的信號(hào) 高速、高精度、同步采集到中控室，實(shí)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(cè)、主塔塔底截面應(yīng)力監(jiān)測(cè)、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(hào)進(jìn)行同步采集，并通過(guò)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(shí)時(shí)檢測(cè)。
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(píng)估系統(tǒng)日趨完善，評(píng)估成果可以成為運(yùn)營(yíng)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(guò)數(shù)據(jù)處理和健康相應(yīng)評(píng)估系統(tǒng)，提供出一個(gè)可靠的評(píng)估結(jié)果，為管理者決策。
研華解決方案:
接下來(lái)主要探討數(shù)據(jù)采集器的部分,因?yàn)閿?shù)據(jù)采集是這個(gè)項(xiàng)目中的關(guān)鍵點(diǎn)。
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(chǎng)的傳感器信號(hào)一次性同步采集完畢，非常實(shí)用和方便。
1、PAC控制器ADAM-5550KW
1.1 PAC（自動(dòng)化控制器）ADAM-5550KW是專(zhuān)門(mén)為需要工業(yè) PC 運(yùn)算性能和 PLC 耐用性的控制任務(wù)而設(shè)計(jì)的一款可編程自動(dòng)化控制器。采用 AMD Geode GX533 CPU，CPU具有強(qiáng)大的性能。并帶有豐富的控制功能如看門(mén)狗定時(shí)器、電池備份 RAM 和強(qiáng)大的 I/O 支持。ADAM-5550 支持WinCE 5.0操作系統(tǒng)，并支持PLC標(biāo)準(zhǔn) IEC61131-3下的 5 種編程語(yǔ)言。
1.2 多任務(wù)分時(shí)操作系統(tǒng)
ADAM-5550KW 采用強(qiáng)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(shí)操作系統(tǒng)，它可以將整個(gè)工程分成數(shù)個(gè)分別具有不同優(yōu)先權(quán)高的任務(wù)等級(jí)，有著較短的巡回掃描周期，而且每個(gè)任務(wù)可關(guān)聯(lián)多個(gè)程序，在這些任務(wù)中間可再細(xì)分優(yōu)先權(quán)的高低。這樣整個(gè)控制系統(tǒng)便得了優(yōu)化，具有較好的實(shí)時(shí)性。這對(duì)要求響應(yīng)快的閉環(huán)控制系統(tǒng)是一個(gè)有力的工具。
1.3 編程語(yǔ)言高級(jí)化
支持IEC61131-3下的 5 種編程語(yǔ)言，梯形圖和功能塊圖這兩種編程方式是比較常見(jiàn)和傳統(tǒng)的。除此以外，STD語(yǔ)言采用類(lèi)Pascal編程語(yǔ)言的語(yǔ)法，屬于高級(jí)語(yǔ)言，方便進(jìn)行算法運(yùn)算以及復(fù)雜程序的實(shí)現(xiàn)。這樣一來(lái)，編程效率提高，程序容易移植。
1.4 較大的程序存儲(chǔ)空間
能較高的系統(tǒng)分析計(jì)算能力當(dāng)然要求有足夠的程序存儲(chǔ)空間，同時(shí)足夠的存儲(chǔ)空間是系統(tǒng)具備較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力的先決條件。應(yīng)用程序存儲(chǔ)空間的大小在某種意義說(shuō)明了其硬件系統(tǒng)的先進(jìn)程度。研華PAC有足夠的程序存儲(chǔ)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(chǎng)進(jìn)行程序的調(diào)試。同時(shí)，源程序可以進(jìn)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(dòng)通道掃描，內(nèi)部具備FIFO，保證采樣信號(hào)連續(xù)采集不丟失，每通道均可達(dá)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(shí)時(shí)性，這在橋梁檢測(cè)中非常實(shí)用，滿足了需求。
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(hào)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(yuǎn)的優(yōu)勢(shì)，將大橋關(guān)鍵部位的數(shù)據(jù)采集進(jìn)行光纖傳輸后集中監(jiān)控。EKI-2541S支持MDI/MDIX自動(dòng)檢測(cè)，同時(shí)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(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)”機(jī)制，能夠確保數(shù)據(jù)的完整傳輸。
3、結(jié)論
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，造橋技術(shù)不斷進(jìn)步，橋梁結(jié)構(gòu)逐步向輕巧、纖細(xì)方面發(fā)展。與此同時(shí)橋梁的載重、跨徑和橋面寬度不斷增長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)形式不斷變化。傳統(tǒng)的變形監(jiān)測(cè)手段越來(lái)越不能滿足變形監(jiān)測(cè)需要，這就迫切需要性能更可靠的設(shè)備來(lái)監(jiān)測(cè)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(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、保存，能夠滿足大橋健康檢測(cè)的性能指標(biāo)，并通過(guò)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(jìn)行集中監(jiān)控，轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)后期處理與分析，從而實(shí)現(xiàn)大橋的實(shí)時(shí)健康檢測(cè)。
通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際運(yùn)行，這個(gè)大橋健康檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，從而為實(shí)現(xiàn)低成本高性能的新一代的橋梁健康檢測(cè)系統(tǒng)做出了具體的實(shí)踐。
