多通道在線式混凝土冷卻通水數據自動採集裝置的製作方法

2023-05-30 20:20:01 2

本發明涉及一種多通道在線式混凝土冷卻通水數據自動採集裝置，用於混凝土冷卻通水的水溫、混凝土溫度和流量的自動採集和傳輸，可實現冷卻通水數據的自動實時監測。

背景技術：
水電工程大體積混凝土的通水冷卻降溫，是解決水電工程大壩混凝土水化熱引起的溫度應力和達到設計要求的封拱灌漿溫度必須採取的技術措施。水電工程通水冷卻技術複雜，為工程建設設計與研究重要內容。目前通水冷卻的監測主要有兩種方式，一種是全手動工記錄方式，另一種是半自動的採集裝置。混凝土冷卻通水數據主要有進出水溫度和通水流量，進出水溫度通常採用玻璃溫度計、電子溫度計直接在水中量測，這種測量需人工在現場打開水管進行測量，並進行現場記錄，也有採用雷射紅外測溫儀進行非接觸式測量，這種測量方式雖然省事，但由於是測量的管壁溫度，與水溫有一定差距，尤其是在日光照射的情況下誤差很大；而通水流量通常採用移動式水錶或容積法測量，這種測量方式需要在現場打開水管進行測量，也有採用超聲波流量計進行測量，這種測量不需要打開水管，但流量計的安裝方式以及測量耦合都會影響測試精度。總之，目前人工測試和記錄數據的採集方式，測試手段落後，費工費時，且測量精度受到外界條件影響而發生波動。另外，目前有極少部分水電工程中採用了半自動採集裝置，他們在數據的採集和處理方面實現了半自動化，即數據的記錄和傳送不需要人工幹預，採集的數據準確性也有很大的提高，但是其仍然採用了點對點的採集方法，沒有將傳感器連接成網絡，採集過程需要人工攜帶採集儀到現場進行逐組採集，因此數據採集過程仍然存在較大延遲，不能達到較高的實時監測效果。

技術實現要素：
為解決上述技術問題，本發明提供一種多通道在線式混凝土冷卻通水數據自動採集裝置，對混凝土冷卻通水的流量和水溫進行在線實時採集和傳輸，解決人工採集記錄需要耗費大量人工、信息反饋慢的缺點，達到省時省力且反饋迅速，能及時反映大壩整體冷卻通水的狀態，為制定混凝土溫控措施提供有力依據，避免混凝土裂縫、保證工程質量和進度。本發明的上述目的是通過這樣的技術方案來實現的：一種多通道在線式混凝土冷卻通水數據自動採集裝置，包括電源模塊，溫度採集模塊，數據採集模塊，主控模塊，接線端子板；電源模塊連接溫度採集模塊、主控模塊、數據採集模塊；主控模塊連接溫度採集模塊、數據採集模塊；所述主控模塊設有乙太網接口模塊。乙太網接口模塊連接WIFI模塊。所述溫度採集模塊、數據採集模塊設有完整的命令集，並通過RS-232與主控模塊連接。所述主控模塊設有內置數據存儲裝置。所述溫度採集模塊為多路單總線溫度採集模塊，所述溫度採集模塊中每三個單總線測溫元件組成一測溫單元，其中第一測溫元件監測冷卻通水進口水溫，第二測溫元件監測大壩壩體溫度，第三測溫元件監測冷卻通水出口水溫。所述數據採集模塊為多路流量數據採集模塊，分為前後兩數據採集部分，每路流量數據採集單元均設有獨立的CPU，每32路組成一個電路板。所述電源模塊、溫度採集模塊、數據採集模塊均設有指示燈。所述乙太網接口模塊採用伺服器模式和TCP傳輸協議。所述採集裝置設有鋁合金機殼。本發明一種多通道在線式混凝土冷卻通水數據自動採集裝置，有益效果如下：解決了超大規模的傳感器聯網問題，現場需要聯網的傳感器通道數可達4000個，每通道包含了進水溫度、出水溫度、混凝土溫度和流量。實現了設備的安全和可靠性，具有較長的無故障工作時間。同時能適應嚴酷環境，如：現場存在振動、碰撞、水淋、電磁幹擾嚴重、市電電壓波動大等情況。本發明裝置採用鋁合金高強防水機殼設計，全電磁屏蔽，抗電磁幹擾能力強。電路板插卡設計，安裝較牢靠。在每個單獨功能模塊中採用了定時自檢和硬體看門狗電路來增強模塊的可靠性。所有傳感器接口進行防雷處理。裝置採用TCP伺服器模式，增加傳輸的可靠性，可在上位機主動發起連接，實現自動重連接等功能。所述乙太網接口模塊連接WIFI模塊，可通過乙太網或WIFI兩種方式傳輸數據。主控模塊通過RS-232與溫度採集模塊、數據採集模塊連接，非常容易使用計算機來連接和調試，容易對各個模塊分別調試，有利與開發。主控模塊設有內置數據存儲裝置，可循環存儲最近多次的數據。本發明裝置用於混凝土冷卻通水的水溫、混凝土溫度和流量的自動採集和傳輸，可實現冷卻通水數據的實時監測。本發明採用了多CPU協調處理技術和乙太網伺服器模式通信技術，解決了大規模傳感器聯網的問題，採用了分模塊分板設計達到了安全可靠性要求。本發明解決了人工採集記錄需要耗費大量人工、信息反饋慢的缺點，達到節省人力、快速準確測試和快速反饋的目的，比人工採集更精確更快速，相比半自動採集的實時性更好，可節約人工成本，能及時反映大壩整體冷卻通水的狀態，為制定混凝土溫控措施提供有力依據，避免混凝土裂縫、保證工程質量和進度。附圖說明下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明：圖1為本發明裝置模塊結構示意圖；圖2為本發明裝置結構示意圖；圖3為本發明裝置接口面板結構圖。具體實施方式如圖1所示，一種多通道在線式混凝土冷卻通水數據自動採集裝置，包括電源模塊4，溫度採集模塊1，數據採集模塊2，主控模塊3，接線端子板6；電源模塊4連接溫度採集模塊1、主控模塊3、數據採集模塊2；主控模塊3連接溫度採集模塊1、數據採集模塊2；主控模塊3設有乙太網接口模塊7。乙太網接口模塊7連接WIFI模塊5。所述主控模塊3通過RS-232與溫度採集模塊1、數據採集模塊2連接，各模塊都有完整的命令子集。所述主控模塊3設有內置數據存儲裝置。本發明需要合理分配採集裝置的通道數和現場總線負載，如果採集裝置的通道數較少就要相應增加現場總線的主機數，反之增加測控裝置的通道數可減少現場總線的主機數。裝置通道數的增加對裝置的體積和功耗以及傳感器連線方式等帶來問題。現場總線主機數受現場總線類型的限制，不能隨意增加，並且也要考慮到總線的傳輸速率和總線長度等的影響。因此，最後確定採用56路流量數據採集模塊和乙太網接口模塊7作為現場總線，既可以滿足採集裝置的連線要求也可以充分利用乙太網的速度、廉價和靈活性以及在有線和WIFI方式可方便轉換的優點。在高採樣頻率的情況下，如每秒鐘採樣一次，網絡的數據傳輸率要求達到768Kbps/s，採用乙太網加上WIFI的模式可以滿足要求。針對裝置的通道數較多，要求更高的可靠性，採用了分模塊分板多CPU的設計，每個模塊為一個獨立的PCB板，每個模塊都有獨立的數據傳輸界面，即通訊命令集合，這樣可以使得模塊之間完全隔離，方便各單獨模塊的可靠性設計，以此達到整個系統過的可靠性。在安全性和可靠性設計方面，設備採用24V直流安全電壓供電，防止現場高溼度的情況下漏電傷人。實施例：本發明一種多通道在線式混凝土冷卻通水數據自動採集裝置，由下列部分組成：溫度採集模塊1為168路單總線溫度採集模塊，所連接的溫度傳感器為單總線式數字溫度傳感器；數據採集模塊2為56路流量數據採集模塊，所連接的流量傳感器為脈衝信號式流量傳感器；主控模塊3；乙太網接口模塊7；電源模塊4；WIFI模塊5；接線端子板6。除了電源模塊4外，上述每一部分都是一個獨立的功能單元，分別負責一項特定的任務。兩個採集模塊：168路單總線溫度採集模塊、56路流量數據採集模塊都有一個獨立的RS232輸入接口，都有一個命令子集。這個命令子集在每個功能單元系統獨立工作時使用。整機工作另有一個命令集，在整機命令集中可能包含某個功能單元系統命令子集中的某些子命令。168路單總線溫度採集模塊中採用每一個1-WIRE通道負載一個單總線溫度測量元件。省掉了輸入和匹配單總線器件特有的64BITROM碼的繁複工作，使整機使用簡單化，1-WIRE負載能力大幅度提高。168路單總線溫度採集模塊：該功能單元模塊負責採集168路單總線測溫元件DS18B20的溫度。每三個單總線測溫元件DS18B20組成一個測溫單元。在這個單元中：一個DS18B20監測冷卻通水進口水溫，第二個DS18B20監測大壩壩體溫度，第三個DS18B20監測冷卻通水出口水溫。這三個溫度參數再加上冷卻通水流量參數共同為大壩壩體溫度自動控制提供依據。據此，168路單總線測溫元件分為56個測溫單元，每個測溫單元採集三個溫度值，記為單元N溫度①，單元N溫度②和單元N溫度③。單元N溫度①是冷卻通水進口水溫。單元N溫度②是大壩壩體溫度。單元N溫度③是冷卻通水出口水溫。168路單總線溫度採集模塊選用DS2482-800作為單總線驅動器。這個驅動器具有八個獨立的1-WIRE通道。DS2482-800有三個位地址輸入引腳，控制CPU通過三條I/O線與DS2482-800的三位地址相連接，可分別選擇八個DS2482-800驅動器。一個控制CPU最多可以驅動64路1-WIRE通道。本發明中，將168個1-WIRE通道分為三組，每組由一個控制CPU驅動56個1-WIRE通道。以實現168個1WIRE通道的目的。在每個1-WIRE通道上只連接一個DS18B20單總線測溫元件，因此可以省掉匹配ROM碼的繁複工作，節省了測試單總線測溫元件DS18B2064位ROM碼的工作，節省了向系統輸入大量ROM碼的繁重工作。另一方面，由於每個1-WIRE通道僅僅負載一個DS18B20，負載能力得到加強。如DS18B20工作在竊電方式下，網絡半徑可達150M。如DS18B20使用在有源的情況下，網絡半徑可達更遠的距離。56路流量數據採集模塊：分為前後兩數據採集部分，每路流量數據採集單元均設有獨立的CPU，每32路組成一個電路板。在本發明中，採用的流量計是脈衝式流量計，輸出的脈衝為方波，佔空比為50%。最高輸出頻率為100HZ。如果採用微處理器計數器方式計量脈衝，不可避免的每秒鐘內將會丟失一個或兩個脈衝。本系統採用10秒鐘定時，丟失脈衝最大值可達20個。這是不能接受的。所以本發明採用軟體倍頻方式，來提高計數精度。在本發明中，仔細調整定時精度，已達到10秒鐘誤差不大於3微秒。在精準10秒定時情況下本系統計數誤差小56路流量數據採集模塊由兩塊電路板組成：一塊用於採集前32路流量數據，另一塊負責採集後24路流量數據。每路流量數據採集使用一個獨立的CPU。56個CPU在系統精準10秒定時控制下同時計數，10秒定時一旦結束，立即停止計數。由一個負責管理數據和定時的CPU逐個與56個採樣的CPU通信，將56路採集到的流量數據集中起來，並存入鐵電存儲器。當上位計算機發布要求數據命令的時後，就由負責數據通信的CPU將數據發送給上位計算機。設有乙太網接口模塊7或者WIFI模塊5的主控模塊3：該模塊由4個CPU控制電路組成，採用多CPU內部通訊協調處理技術，接收從乙太網發來的各種命令，解析和執行命令，或實施控制功能或通過乙太網或WIFI無線網將各種採樣數據傳送到上位計算機。該模塊具有手動和自動兩種工作狀態。由自動和手動命令切換。手動狀態用於使用手動命令啟動168路單總線溫度採集模塊、56路流量數據採集模塊。並使用手動命令將168路單總線溫度採集模塊、56路流量採集模塊的數據傳送到上位計算機。設制手動狀態的目的，在於方便整機調試和在線檢查各子系統的工作情況，不易在整機正常運行中多次使用。在自動狀態下無需上位機的命令，各個子系統數據的採集、存儲和傳送以每分鐘為周期自動進行。接線端子板6：接線端子板6的主要功能是將各個功能模塊的傳感器接口統一排列在其上，達到標識清晰、方便接線、防止連接錯誤的目的，這對於具有224個傳感器接口的設備尤其重要。並且在該接口板上對所有信號都進行了防雷處理，增強了設備的抗幹擾能力。指示燈信號輸出：1）、電源模塊4的指示燈，為紅色，通電時點亮。2）、手動/自動指示燈，為黃色，當乙太網接口模塊7處於手動狀態時點亮，處於自動狀態時熄滅。3）、56路流量數據採集模塊指示燈，為蘭色，流量數據採集和內部數據傳送時點亮。其餘時間熄滅。4）、單總線溫度採集模塊指示燈，為綠色，單總線數據採集處於自動狀態時閃亮，處於手動狀態時長亮。本發明裝置的接口面板8示意圖，如圖3所示，1）、上四排航空插頭為1-56路單總線輸入和流量電源輸出，流量值輸入插頭。2）、電源指示燈：紅色，接通電源亮，整機復位約1秒鐘，然後常亮。3）、手動/自動指示燈，黃色，在乙太網接口模塊7設為自動時亮，轉手動後熄滅，重開機後進入自動狀態又點亮。4）、56路流量數據採集模塊指示燈，為蘭色，在採樣時間內亮，採樣完成後熄滅，採樣時間約32秒，周期為1分鐘。5）、單總線溫度採集模塊指示燈，綠色，在168路單總線溫度採集模塊採樣周期完成熄滅，大約6秒熄滅半秒鐘，閃動。本發明裝置性能指標：供電電壓：24VDC，額定功率40W。流量測量精確度：±（0.03+5%）m3/h，範圍（0～10）m3/h，解析度0.01m3/h。溫度測量精確度：±0.5℃，範圍（－10～85）℃，解析度0.1℃。流量傳感器連接距離：≥100m。溫度傳感器連接距離：≥150m。數據存儲深度：每1h存儲一次，可存儲24h。最小採樣周期：1S。乙太網通信距離：≥120m。無線距離：≥200m。