生命線工程管線閥門智能地震安全控制系統的製作方法

2023-07-19 19:25:56

專利名稱：生命線工程管線閥門智能地震安全控制系統的製作方法
生命線工程管線閥門智能地震安全控制系統
技術領城
本發明涉及一種生命線工程(石油、煤氣、水、電等)管線閥門地震 安全自動控制裝置，特別是一種可感知地震的智能無線閥門控制系統。
背景技術：
目前，隨著我國經濟建設的迅猛發展，生命線工程基礎設施的建設與 安全運行日益受到政府和社會的廣泛重視,，生命線工程通常包括供電、供 水、供氣系統和液體燃料供應系統，是經濟發展的動力源和社會穩定的生 命線，對社會經濟發展有著舉足輕重的作用。但這些系統對地震作用有極 大的易損性，歷史震災調查表明，能源供應系統的震害不僅表現在其自身 破壞造成實物損失和停業損失，還會給依靠其產品(電、氣、油料)進行 生產經營活動的相關行業帶來關聯損失。更為嚴重的是有時會引起或加重 次生災害(火災及其蔓延、毒氣洩露、爆炸等)，同時給震時應急搶險救 災和震後恢復工作造成極大障礙。
目前，公知的管線用電磁閥門是生命線傳輸管線自動控制系統中常用 的執行元件，其工作原理是以電磁力轉變為機械力，並利用管線中傳輸介 質壓力差來實現開啟或關閉，以實行對管線系統中介質的自動控制。但是， 在地震來臨時，由於閥門自身沒有感知地震的能力，而且操作人員通常也 沒有充分的反應時間去關閉多個閥門。從而，當地震來臨時管線破裂導致 其傳輸介質洩漏，形成次生災害。

發明內容
本發明的目的在於克服上述技術中存在的不足之處，提供一種結構緊 湊、設計合理、功能完備的生命線工程管線閥門智能地震安全控制系統， 以避免由於地震所造成的生命線工程破壞及相應破壞而引發的次生災害。
為了達到上述目的，本發明釆用的技術方案是地震動監測節點監測 的地震信號和參數通過無線傳輸方式發送至監控中心，監控中心的控制信 號通過無線傳輸方式發送到指定的閥門受控節點，閥門受控節點根據控制 信號的指令控制該節點管線關閉或開啟閥門機械結構動作以實現地震安 全自動控制，所述地震動監測節點由三分向加速度傳感器al、信號調整電 路a2、數據釆集電路a3、信號處理與分析判斷單元a4和無線發射單元a5 組成，將信號調整電路a2、數據採集電路a3、信號處理與分析判斷單元a4
和無線發射單元a5集成一體為簡易強震儀，所述監控中心由無線接收單 元bl、監控主機b2和無線發射單元b3組成，所述受控節點由無線接收單 元cl、控制電路c2、繼電器組c3和可控閥門c4組成，將無線接收單元 cl、控制電路c2和繼電器組c3集成一體為閥門控制儀。 本發明的優點是
結構緊湊、設計合理、功能完備、反應迅速、控制方便，在地震來臨 時就可以以遙控的方式立即關閉無線網絡覆蓋範圍內的多個閥門，從而保 證人們生命和財產的安全。在注重生命線工程管線安全的今天，本系統具 有極大的推廣價值和廣泛的巿場前景。 附困說明
圖l是本發明系統示意圖2是本發明監控節點方框圖3是本發明監控中心示意圖4是本發明受控節點方框圖5是本發明三分向地震加速度傳感器電路圖6是本發明簡易強震儀組成方框圖7是本發明無線通信模塊方框圖8是本發明受控節點閩門控制電路圖9是本發明閥門控制意圖；
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的實施例作進一步詳細描述。
由圖l一圖9可知，本發明是地震動監測節點監測的地震信號和參數 通過無線傳輸方式發送至監控中心，監控中心的控制信號通過無線傳輸方 式發送到指定的閥門受控節點，閥門受控節點根據控制信號的指令控制該 節點管線關閉或開啟閥門機械結構動作以實現地震安全自動控制，所述地 震動監測節點由三分向加速度傳感器al、信號調整電路a2、數據採集電 路a3、信號處理與分析判斷單元a4和無線發射單元a5組成，將信號調整 電路a2、數據採集電路a3、信號處理與分析判斷單元a4和無線發射單元 a5集成一休為簡易強震儀，所迷監控中心由無線接收單元bl、監控主機 b2和無線發射單元b3組成，所述受控節點由無線接收單元cl、控制電路 c2、繼電器組c3和可控閥門c4組成，將無線接收單元cl、控制電路c2 和繼電器組c3集成一體為閥門控制儀。
監測節點處三分向地震加速度傳感器al的地震波信號直接與信號調 整電路a2輸入端連接，經過信號調整電路a2調整的地震波信號送入數據 採集a3的輸入端，觸發判斷分析a4通過總線與數據採集a3相連控制數 據釆集和讀取釆集數據，並且觸發判斷分析a4通過接口與其無線發射單 元連接向監控中心發送地震動參數。
監控中心的無線接收單元bl輸出端通過接口和監控主機b2輸入端相 連，監控主機b2輸出端通過接口與其無線發送單元b3連接將控制命令發 往受控節點。
受控節點處其無線接收單元cl通過接口與控制電路c2相連將監控中
心發來的控制命令信號輸入，控制電路c2通過控制信號線與繼電器組c3
相連，繼電器組c3輸出端接至可控閥門c4控制端，控制電路根據接收到
的監控中心的控制命令種類控制繼電器組的狀態，使可控閩門關閉或開啟 機械結構動作。
三分向地震加速度傳感器採用三個集成加速度傳感器晶片組成X、 Y、 Z三個垂直正交測量方向，通過與信號調整電路的接口輸出加速度信號， 其中，電阻R11的一端連接到加速度傳感器晶片的A0UT引腳相連，另一 端與電阻R12的一端共同連接到晶片的VIN引腳，電阻R12的另一端連接 到晶片IC1的UC0UT引腳，通過電阻R11和電阻R12的比值來調整晶片的 最大電壓輸出範圍，電阻R13的一端連接到晶片IC1的VIN引腳，另一端 與可變電阻R14的中間引腳相連，通過電阻R13和可變電阻R14來調整加 速度傳感器的零輸出電壓值，監測節點的加速度振動信號通過晶片IC1的 UCOUT輸出引腳與接口 l連接輸入到簡易強震儀的調整電路。
由信號調整電路a2、數據採集電路a3、信號處理與分析判斷單元a4 和無線發射單元a5集成一體的簡易強震儀，其數據釆集A/D轉換器的轉 換精度為16位，32位中央處理器DSP晶片，大容量U盤存儲，其中，加 速度傳感器測得的監測節點處地面加速度震動信號輸入到調整電路dl，經 過調整電路dl進行電平轉換和濾波後的信號連接到16位A/D轉換器 d2,16位A/D轉換器與轉換接口 d3連接，轉換接口 d3通過數據總線連接
到dsp單片機d5，同時dsp單片機d5通過信號線與轉換接口 d3連接，控 制A/D轉換採樣，DSP單片機d5與時間系統d7連接記錄地震觸發事件的 時間，DSP單片機d5與數據存儲d8連接記錄地震觸發事件數據，DSP單 片機d5與通信接口 d4連接實現現場狀態檢查，dsp單片機d5與無線發射 d9連接向監控中心發送地震觸發事件的地震動參數。
無線模塊通過編碼識別方式，自組織網無線通信傳輸協議相互傳遞與 監控中心構成網絡，無線通信模塊的接收和發送是通過串行rs232接口電 路與單片機連接實現的，其中，單片機el的串行接收引腳RX與串行RS232 接口 e2的2腳連接，單片機el的串行發送引腳TX與串行RS232接口 e2 的3腳連接，串行RS232接口 el和串行RS232接口 e2的2腳和3腳分別 交叉連接，無線通信模塊e4的接收引腳RX與串行RS232接口 e3的2腳 連接，無線通信模塊e4的發送引腳TX與串行RS232接口 e3的3腳連接。
受控節點控制晶片採用pic單片機，控制閥門為二位式電磁閥門，由 繼電器組切換的正負兩種激勵信號來實現閥門的開啟和關閉狀態，無線接
收模塊與pic單片機n連接等待監控中心的控制命令，pic單片機n的
00引腳和經過上拉電阻R22的正激勵源+v共同連接到繼電器f2的輸入端， pic單片機fl的Ol引腳和經過上拉電阻R23的負激勵源-v共同連接到繼 電器f3的輸入端，繼電器f2和繼電器f3的輸出端共同連接到電磁閥門 的激勵控制端，通過繼電器f2和繼電器f3組成的繼電器組切換正負兩種 激勵信號來實現閥門的開啟和關閉狀態。
由

圖1 —圖2可知，本發明是生命線工程傳輸管線閥門智能地震安全 控制系統根據生命線工程傳輸管線的抗震能力分析結果，在主要站點或管 道斷面上布設簡易強震儀組成監控節點網絡，對監控節點處地震動信號進 行實時拾取、分析和預警判斷，以判別該處在發生破壞性地震過程中的震 動是否達到或超過設防標準，在滿足觸發條件情況下，將通過無線傳輸方 式立刻向遠程監控中心發出預警信號；監控中心可基於地震預警信息和探 測到的異常信息，釆用高效的地震參數確定技術，搶在地震波到達前，採 取系統化的應急控制向將受到地震影響的遠程受控節點發出控制指令，提
前採取應急控制措施，使系統在地震作用下具有自動控制的應急能力，以 最大限度地減少地震造成的損失，防止災情的擴大並為應急反應贏得時 間。並在解除預警信息時，快速重新啟動系統進入正常工作狀態。
由圖2可知系統包括多個採用相同機制的地震動監測節點、監控中心 和多個採用相同機制的閥門受控節點。其中，地震動監測節點監測的地震 信號和參數通過無線傳輸方式發送至監控中心，監控中心的控制信號通過 無線傳輸方式發送到指定的閥門受控節點，閥門受控節點根據控制信號的 指令控制該節點管線閥門機械結構動作(關閉或開啟)以實現地震安全自 動控制。所述地震動監測節點由三分向加速度傳感器al、信號調整電路 a2、數據釆集電路a3、信號處理與分析判斷單元a4和無線發射單元a5 組成。將信號調整電路a2、數據釆集電路a3、信號處理與分析判斷單元 a4和無線發射單元a5集成一體為簡易強震儀;所述監控中心由無線接收 單元bl、監控主機b2和無線發射單元b3組成;所述受控節點由無線接收 單元cl、控制電路c2、繼電器組c3和可控閥門c4組成。將無線接收單 元cl、控制電路c2和繼電器組c3集成一體為閥門控制儀。其中，地震動 監測節點由三分向加速度傳感器al、信號調整電路a2、數據釆集電路a3、 信號處理與分析判斷單元a4和無線發射單元a5組成。將信號調整電路a2、 數據釆集電路a3、信號處理與分析判斷單元a4和無線發射單元a5集成一 體為簡易強震儀。三分向地震加速度傳感器al的地震波信號直接與信號 調整電路a2輸入端連接，經過信號調整電路a2調整的地震波信號送入數 據釆集a3的輸入端，觸發判斷分析a4通過總線與數據採集a3相連控制 數據採集和讀取釆集數據，並且觸發判斷分析a4通過接口與其無線發射 單元連接向監控中心發送地震動參數。其中，三分量地震動加速動傳感器 為識別垂直、東西、南北三方向地表振動的振動傳感器，它將大地的振動 信號轉變為與振動加速度成比例的模擬電信號。圖3中電阻Rll的一端連 接到加速度傳感器晶片的A0UT引腳相連，另一端與電阻R12的一端共同 連接到晶片的VIN引腳，電阻R12的另一端連接到晶片的UC0UT引腳，通 過電阻Rll和電阻R12的比值來調整晶片的最大電壓輸出範圍；電阻R13 的一端連接到晶片的VIN引腳，另一端與可變電阻R14的中間引腳相連，通 過電阻R13和可變電阻R14來調整加速度傳感器的零輸出電壓值。監測節
點的加速度振動信號通過UCOUT輸出引腳與接口 1連接輸入到簡易強震儀 的調整電路。其中，簡易強震儀的信號調整部分是對傳感器的模擬信號進 行電平轉換和0-25Hz低通濾波，以獲最佳的地震波信號。簡易強震儀的 數據採集部分實現地震波信號的數位化過程，採集控制單片機採用32位 數位訊號處理DSP晶片，A/D轉換器的轉換精度為16位。簡易強震儀的信 號處理與分析判斷單元是其核心部分，利用DSP單片機快速運算的優勢， 根據釆集信號的採集參數和觸發機制分析確定地震動的參數，及時向監控 中心發出預警信息。其中，圖4中加速度傳感器測得的監測節點處地面加 速度震動信號輸入到調整電路dl，經過調整電路dl進行電平轉換和濾波 後的信號連接到16位A/D轉換器d2， 16位A/D轉換器與轉換接口 d3連接， 轉換接口 d3通過數據總線連接到DSP單片機d5,同時DSP單片機d5通過 信號線與轉換接口 d3連接，控制A/D轉換採樣，DSP單片機d5與時間系 統d7連接記錄地震觸發事件的時間，DSP單片機d5與數據存儲d8連接記 錄地震觸發事件數據，DSP單片機d5與通信接口 d4連接實現現場狀態檢 查，DSP單片機d5與無線發射d9連接向監控中心發送地震觸發事件的地 震動參數。
監控中心由無線接收單元bl、監控主機b2和無線發射單元b3組成。 其無線接收單元bl輸出端通過接口和監控主機b2輸入端相連，監控主機 b2輸出端通過接口與其無線發送單元b3連接將控制命令發往受控節點。 其中，監控中心是生命線工程傳輸管線工程中地震預警系統、震害快速評 估和地震應急反應系統的有機結合，由監製主機無線接收單元、監控主機 和無線發射單元組成，它根據監測節點網絡的地震參數信息和生命線工程 傳輸管線系統抗震能力，進行綜合預警分析，評估可能的災害程度和範圍， 以達到針對遠程受控節點網絡快速應急反應的功能。受控節點由受控節點 由無線接收單元cl、控制電路c2、繼電器組c3和可控閥門c4組成。將 無線接收單元cl、控制電路c2和繼電器組c3集成一體為閩門控制儀。控 制電路根據接收到的監控中心的控制命令種類控制繼電器組的狀態，使受 控閥門機械結構動作(關閉或開啟)，主要由一個驅動能力強的PIC單片 機完成控制，繼電器組完成對閥門正負兩種激勵信號的切換，可控閥門為 二位式電磁閥門，通過正負兩種激勵信號就可以實現閥門的打開或關閉狀
態，並且在掉電後，閥門保持現有狀態。其中，圖6中無線接收模塊與PIC 單片機fi連接等待監控中心的控制命令，Pic單片機n的oo引腳和經過
上拉電阻R22的正激勵源+V共同連接到繼電器f2的輸入端，PIC單片機 fl的01引腳和經過上拉電阻R23的負激勵源-V共同連接到繼電器f3的 輸入端，繼電器f2和繼電器f3的輸出端共同連接到電磁閥門的激勵控制 端，通過繼電器f2和繼電器f3組成的繼電器組切換正負兩種激勵信號來 實現閥門的開啟和關閉狀態。整個的生命線工程管線閥門地震安全自動控 制系統的三個組成部分之間的數據、信息和命令都是通過無線傳輸方式進 行的，無線通訊模塊可以是無線遙控模塊或無線數傳模塊這種自組網模 塊；也可以是利用公眾網的GSM/GPRS/CDMA手機模塊。並且所有無線通訊 模塊都工作在同一頻段內，實現多點對一點的信號傳輸和一點對多點的控 制。其中，無線模塊通過編碼識別方式，自組織網無線通信傳輸協議相互 傳遞與監控中心構成網絡。無線通信模塊的接收和發送是通過RS232接口 電路與單片機連接實現的，其中，圖5中單片機el的串行接收引腳RX與 RS232接口 e2的2腳連接，單片機el的串行發送引腳TX與RS232接口 e2的3腳連接，RS232接口 el和RS232接口 e2的2腳和3腳分別交叉連 接，無線通信模塊e4的接收引腳RX與RS232接口 e3的2腳連接，無線 通信模塊e4的發送引腳TX與RS232接口 e3的3腳連接。
權利要求
1.一種生命線工程管線閥門智能地震安全控制系統，包括多個採用相同機制的地震動監測節點、監控中心和多個採用相同機制的閥門受控節點。其特徵在於地震動監測節點監測的地震信號和參數通過無線傳輸方式發送至監控中心，監控中心的控制信號通過無線傳輸方式發送到指定的閥門受控節點，閥門受控節點根據控制信號的指令控制該節點管線關閉或開啟閥門機械結構動作以實現地震安全自動控制，所述地震動監測節點由三分向加速度傳感器a1、信號調整電路a2、數據採集電路a3、信號處理與分析判斷單元a4和無線發射單元a5組成，將信號調整電路a2、數據採集電路a3、信號處理與分析判斷單元a4和無線發射單元a5集成一體為簡易強震儀，所述監控中心由無線接收單元b1、監控主機b2和無線發射單元b3組成，所述受控節點由無線接收單元c1、控制電路c2、繼電器組c3和可控閥門c4組成，將無線接收單元c1、控制電路c2和繼電器組c3集成一體為閥門控制儀。
2. 根據權利要求1所述的生命線工程管線閥門智能地震安全控制系統，其 特徵在於所述監測節點處三分向地震加速度傳感器al的地震波信號直 接與信號調整電路a2輸入端連接，經過信號調整電路a2調整的地震波信 號送入數據釆集a3的輸入端，觸發判斷分析a4通過總線與數據釆集a3 相連控制數據採集和讀取採集數據，並且觸發判斷分析a4通過接口與其 無線發射單元連接向監控中心發送地震動參數。
3. 根據權利要求1所述的生命線工程管線閥門智能地震安全控制系統，其 特徵在於所述監控中心的無線接收單元bl輸出端通過接口和監控主機 b2輸入端相連，監控主機b2輸出端通過接口與其無線發送單元b3連接 將控制命令發往受控節點。 '
4. 根據權利要求1所述的生命線工程管線閥門智能地震安全控制系統，其 特徵在於所述受控節點處其無線接收單元cl通過接口與控制電路c2相 連將監控中心發來的控制命令信號輸入，控制電路c2通過控制信號線與 繼電器組c3相連，繼電器組c3輸出端接至可控閥門c4控制端，控制電路根據接收到的監控中心的控制命令種類控制繼電器組的狀態，使可控閥門關閉或開啟機械結構動作。
5. 根據權利要求1或2所述的生命線工程管線閥門智能地震安全控制系 統，其特徵在於所述三分向地震加速度傳感器釆用三個集成加速度傳感 器晶片組成X、 Y、 Z三個垂直正交測量方向，通過與信號調整電路的接口 輸出加速度信號，其中，電阻Rll的一端連接到加速度傳感器晶片的A0UT 引腳相連，另一端與電阻R12的一端共同連接到晶片的VIN引腳，電阻R12 的另一端連接到晶片IC1的UC0UT引腳，通過電阻R11和電阻R12的比值 來調整晶片的最大電壓輸出範圍，電阻R13的一端連接到晶片IC1的VIN 引腳，另一端與可變電阻R14的中間引腳相連，通過電阻R13和可變電阻 R14來調整加速度傳感器的零輸出電壓值，監測節點的加速度振動信號通 過晶片IC1的UC0UT輸出引腳與接口 l連接輸入到簡易強震儀的調整電路。
6. 根據權利要求1或2所述的生命線工程管線閥門智能地震安全控制系 統，其特徵在於由信號調整電路a2、數據採集電路a3、信號處理與分 析判斷單元a4和無線發射單元a5集成一體的簡易強震儀，其數據採集A/D 轉換器的轉換精度為16位，32位中央處理器DSP晶片，大容量U盤存儲， 其中，加速度傳感器測得的監測節點處地面加速度震動信號輸入到調整電 路dl,經過調整電路dl進行電平轉換和濾波後的信號連接到16位A/D 轉換器d2，16位A/D轉換器與轉換接口 d3連接，轉換接口 d3通過數據總 線連接到DSP單片機d5，同時DSP單片機d5通過信號線與轉換接口 d3 連接，控制A/D轉換釆樣，DSP單片機d5與時間系統d7連接記錄地震觸 發事件的時間，DSP單片機d5與數據存儲(18連接記錄地震觸發事件數據, DSP單片機d5與通信接口 d4連接實現現場狀態檢查，DSP單片機d5與無 線發射d9連接向監控中心發送地震觸發事件的地震動參數。
7. 根據權利要求1或2、 3、 4所述的生命線工程管線閥門智能地震安全控制系統，其特徵在於無線模塊通過編碼識別方式，自組織網無線通信傳 輸協議相互傳遞與監控中心構成網絡，無線通信模塊的接收和發送是通過 串行RS232接口電路與單片機連接實現的，其中，單片機el的串行接收 引腳RX與串行RS232接口 e2的2腳連接.，單片機el的串行發送引腳TX 與串行RS232接口 e2的3腳連接，串行RS232接口 el和串行RS232接口e2的2腳和3腳分別交叉連接，無線通信模塊e4的接收引腳RX與串行 RS232接口 e3的2腳連接，無線通信模塊e4的發送引腳TX與串行RS232接口 e3的3腳連接。
8.根據權利要求1或4所述的生命線工程管線閥門智能地震安全控制系 統，其特徵在於受控節點控制晶片釆用PIC單片機，控制閥門為二位式 電磁閥門，由繼電器組切換的正負兩種激勵信號來實現閥門的開啟和關閉 狀態，無線接收模塊與PIC單片機fl連接等待監控中心的控制命令，PIC 單片機fl的O0引腳和經過上拉電阻R22的正激勵源+V共同連接到繼電器 f2的輸入端，PIC單片機fl的01引腳和經過上拉電阻R23的負激勵源-V 共同連接到繼電器f3的輸入端，繼電器f2和繼電器f3的輸出端共同連 接到電磁閥門的激勵控制端，通過繼電器f'2和繼電器f3組成的繼電器組 切換正負兩種激勵信號來實現閥門的開啟和關閉狀態。
全文摘要
一種生命線工程管線閥門智能地震安全控制系統。本發明涉及一種地震安全控制裝置，涉及地震動監測節點監測的地震參數通過無線方式發送至監控中心，監控中心的控制信號通過無線方式發送到指定的閥門受控節點，受控節點根據控制信號的指令控制該節點關閉或開啟閥門，實現地震安全自動控制，地震動監測節點由三分向加速度傳感器a1、信號調整電路a2、數據採集電路a3、信號處理與分析判斷單元a4、無線發射單元a5組成，監控中心由無線接收單元b1、監控主機b2、無線發射單元b3組成，受控節點由無線接收單元c1、控制電路c2、繼電器組c3、可控閥門c4組成。本發明反應迅速、控制方便，在地震來臨時以無線方式關閉網絡內多個閥門，確保生命和財產的安全。
文檔編號F16K31/02GK101173724SQ20061015097
公開日2008年5月7日 申請日期2006年11月1日 優先權日2006年11月1日
發明者孫志遠, 楊學山, 馬樹林 申請人:中國地震局工程力學研究所;馬樹林;楊學山