應(yīng)用技術(shù)快速構(gòu)建土木工程在線監(jiān)測系統(tǒng)解決方案樣本

應(yīng)用NI技術(shù)迅速構(gòu)建土木工程在線監(jiān)測系統(tǒng)解決方案作者：李濤職務(wù)：軟件工程師單位：清華大學深圳研究生院應(yīng)用領(lǐng)域：研究開發(fā)使用產(chǎn)品：cFP-CompactFieldPoint控制器模塊cFP-AI-110CompactFieldPoint模仿輸入模塊cFP-TC-120CompactFieldPoint熱電偶輸入模塊cFP-SG-140CompactFieldPoint應(yīng)變片輸入模塊PXI-1052PXI與SCXI復(fù)合機箱PXI-8186PXI控制器PXI-6220M系列多功能數(shù)據(jù)采集板卡SCXI-1520應(yīng)變片調(diào)理模塊SCXI-1530加速度輸入調(diào)理模塊LabVIEW7.1圖形化集成開發(fā)環(huán)境挑戰(zhàn)：將眾多采集設(shè)備集成到一種開放平臺下，統(tǒng)一進行數(shù)據(jù)采集，并需要有一便捷工具來迅速地構(gòu)建信號計算解決模型。在室外無人執(zhí)守條件下，要保證系統(tǒng)能長期穩(wěn)定運營，并需要具備一定故障自恢復(fù)能力。同步整個系統(tǒng)要具備較好靈活性以及軟硬件兼容性，老式土木工程安全監(jiān)測解決方案大多是定制方案，不利于系統(tǒng)自身擴展也不利于整個方案推廣到其他類似系統(tǒng)上。應(yīng)用方案：應(yīng)用NICompactFieldPoint、PXI硬件，以LabVIEW為軟件平臺，開發(fā)一套橋梁監(jiān)測系統(tǒng)，對深圳大學城內(nèi)某在役橋梁進行了實時安全監(jiān)測。這樣一套以虛擬儀器技術(shù)為核心方案具備較好擴展性和移植性，同步NI公司軟硬件無縫集成更為整個系統(tǒng)開發(fā)提供了很大便利，并且運營實時操作系統(tǒng)平臺提高了系統(tǒng)實時性和穩(wěn)定性。簡介：土木工程監(jiān)測具備監(jiān)測點多、分布廣、環(huán)境影響因素復(fù)雜等特點。應(yīng)用NICompactFieldPoint系列分布式測控模塊實現(xiàn)相應(yīng)變、溫度等靜態(tài)參數(shù)精準測量，詳細來說，本系統(tǒng)中使用了AI-110、TC-120、SG-140分別對鋼筋銹蝕傳感器、熱電偶、混凝土應(yīng)變信號進行采集。而對于振弦式傳感器讀數(shù)儀與光纖光柵解調(diào)儀，可以通過cFP-主控模塊提供RS232/485接口，代替PC機來控制；應(yīng)用PXI模塊化采集硬件實現(xiàn)對振動、加速度等動態(tài)參數(shù)測量，詳細設(shè)計上，采用NIPXI-1052PXI/SCXI組合機箱，將PXI-8186控制器、PXI-6220采集卡、SCXI-1520、SCXI-1530信號調(diào)理模塊集中到一種機箱里，構(gòu)成一種基于Windows測量平臺。并應(yīng)用LabVIEW信號分析解決工具對采集信號進行計算解決，作為評估構(gòu)造安全根據(jù)。正文：1系統(tǒng)綜述土木工程安全性受它自身材料特性、力學特性以及所處環(huán)境影響。土木工程安全監(jiān)測系統(tǒng)是一種實現(xiàn)涉及數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析管理、智能決策等各種功能龐大系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集是整個系統(tǒng)最基本功能。土木構(gòu)造安全監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集普通涉及靜態(tài)監(jiān)測和動態(tài)測量。靜態(tài)監(jiān)測普通是不間斷進行；動態(tài)測試周期可依照構(gòu)造實際狀況來擬定。介于以上需求，需要一種長期穩(wěn)定運營計算機系統(tǒng)對構(gòu)造數(shù)據(jù)進行采集、分析、管理，以此作為評估構(gòu)造安全性根據(jù)。為達到此規(guī)定，采集設(shè)備必要能在野外惡劣環(huán)境下長期穩(wěn)定工作，并要保證采集數(shù)據(jù)可靠性；軟件一方面能以統(tǒng)一模式管理從眾多傳感器采集來數(shù)據(jù)，另一方面要能依照不同工程需要迅速重新構(gòu)建數(shù)據(jù)采集、分析子系統(tǒng)。NICompactFieldPoint是結(jié)實和可靠平臺，其主控模塊運營RT操作系統(tǒng)，保證系統(tǒng)能長期穩(wěn)定運營；并且提供了豐富通訊接口，通過LabVIEWRT開發(fā)應(yīng)用，能控制現(xiàn)場光纖儀、振弦儀工作。PXI同樣是可運營RT系統(tǒng)牢固模塊化平臺，其精準定期和觸發(fā)功能保證了大型構(gòu)造測量時各種測點同步采樣，并且有豐富SCXI信號調(diào)理模塊供選用。本系統(tǒng)以cFP為核心構(gòu)建靜態(tài)監(jiān)測模塊，以PXI為核心構(gòu)建動態(tài)測試模塊，組合成一種橋梁安全監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)到實時數(shù)據(jù)庫。靜態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)以長期在線形式運營，重要目是獲取運營土木構(gòu)造隨時間變化狀態(tài)數(shù)據(jù)；而動態(tài)測試重要是為了在構(gòu)造浮現(xiàn)損傷后對其損傷進行辨認和鑒定。系統(tǒng)中統(tǒng)一以標簽來管理數(shù)據(jù)，將采集來原始數(shù)據(jù)和通過信號解決后計算數(shù)據(jù)分為模仿量、數(shù)字量、波(模仿量序列)進行數(shù)據(jù)庫存取。而在數(shù)據(jù)解決模塊中則使用LabVIEW開發(fā)了各種計算分析模型用于分析構(gòu)造特性。系統(tǒng)構(gòu)造請參照圖1、圖2。圖1系統(tǒng)物理構(gòu)造示意圖圖2系統(tǒng)邏輯示意圖2基于CompactFieldPoint靜態(tài)監(jiān)測在本系統(tǒng)中，靜態(tài)監(jiān)測內(nèi)容涉及混凝土滲入、鋼筋銹蝕、混凝土構(gòu)件應(yīng)力應(yīng)變及開裂狀況。用于土木工程監(jiān)測傳感器普通分三類：光纖光柵傳感器、振弦式傳感器和老式基于電信號傳感器。依照監(jiān)測位置及物理對象不同，三種傳感器均有所用，而對每種傳感器均有其專用采集儀。光纖傳感器測量精度高，抗腐蝕性強，比較合用于埋入構(gòu)造內(nèi)部，進行分布式溫度、應(yīng)變監(jiān)測；振弦傳感器抗干擾性強，可重復(fù)性好，成本相對較低，慣用在構(gòu)造監(jiān)測位移、應(yīng)變測量上；而電子傳感器則在測量動態(tài)信號時具備不可代替作用，此外大某些化學傳感器輸出也是電信號。NICompactFieldPoint提供了各種IO模塊，本系統(tǒng)中使用了AI-110、TC-120、SG-140分別對鋼筋銹蝕傳感器、熱電偶、混凝土應(yīng)變信號進行采集。而對于振弦式傳感器讀數(shù)儀與光纖光柵解調(diào)儀，可以通過cFP-主控模塊提供RS232/485接口，代替PC機來控制。cFP-上運營了RT操作系統(tǒng)，應(yīng)用LabVIEWVISA串口驅(qū)動，開發(fā)一種儀器通訊程序，如此，所有采集儀數(shù)據(jù)便匯總到cFP-主控模塊。cFP-還提供了以太網(wǎng)接口，可以很以便地將數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心計算機。cFP系統(tǒng)硬件實物圖如圖3所示。圖3運營RT系統(tǒng)CompactFieldPoint模塊LabVIEWRT中提供了各種網(wǎng)絡(luò)通訊方式，像DataSocket、TCP、UDP、SMTP，此外還可通過共享內(nèi)存方式與主機互換數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)中使了TCP方式，cFP-作為TCP客戶端，與監(jiān)控中心主機TCPServer建立連接后，將采集到數(shù)據(jù)封裝成XML文檔，通過該TCP連接發(fā)送到主機。cFP-帶有一種CompactFlash槽，可插入一塊512M存儲卡，如果由于網(wǎng)絡(luò)故障暫時不能將數(shù)據(jù)傳到主機，可將數(shù)據(jù)以文獻形式存儲在Flash上，網(wǎng)絡(luò)通訊恢復(fù)時由將其發(fā)送到主機，保證數(shù)據(jù)不丟失。cFP-內(nèi)置了看門狗，設(shè)備在發(fā)生運營故障時可自行重啟，有效提高了系統(tǒng)長期監(jiān)測可靠性。通過安裝LabVIEWRT，可在運營Windows主機上，LabVIEW環(huán)境下，運用開發(fā)Windows程序辦法，來開發(fā)cFP所需實時軟件，而不需要理解RT系統(tǒng)更多細節(jié)。如此，通過更可靠RT系統(tǒng)，實現(xiàn)了與PC機同樣靈活功能，而在軟件開發(fā)上還是相本地容易。本系統(tǒng)靜態(tài)監(jiān)測某些軟件界面如圖4所示。圖4實時監(jiān)測數(shù)據(jù)3基于PXI動態(tài)測試土木構(gòu)造動態(tài)測試目是診斷構(gòu)造損傷限度和位置。橋梁動態(tài)測試重要涉及橋跨構(gòu)造自振特性和橋跨構(gòu)造在載荷作用下逼迫振動特性測量。此外某些橋梁局部構(gòu)件也需進行自振特性測量，例如斜拉橋索，鋼梁橋鋼桁梁等。橋梁動態(tài)測試普通需要各種點同步進行，各點間相位誤差要控制在一種較小范疇內(nèi)。同步需要有相應(yīng)觸發(fā)信號控制采集儀在產(chǎn)生勉勵后開始采樣。PXI結(jié)合高速PCI總線和專為測量與自動化應(yīng)用設(shè)計完整定期和觸發(fā)功能，為構(gòu)造動態(tài)測試提供了一種高效、易用平臺。NI提供了眾多PXI模塊，來滿足顧客搭建自己PXI測試系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用NIPXI-1052PXI/SCXI組合機箱，將PXI-8186控制器、PXI-6220采集卡、SCXI-1520、SCXI-1530信號調(diào)理模塊集中到一種機箱里，構(gòu)成一種基于Windows測量平臺。PXI-6220是NI新推出M系列采集卡，由于采用了NI-STC2定期控制技術(shù)，使得多通道測量能達到一種較好同步規(guī)定，如需更高規(guī)定同步，可采用每通道配備一種ADCS系列同步數(shù)據(jù)采集卡。硬件系統(tǒng)構(gòu)成實物圖如圖5所示。圖5PXI模塊化測試儀系統(tǒng)使用了八個速度型低頻振動傳感器測量橋梁自振特性，該傳感器輸出信號為+/-10V電壓信號，測量頻率范疇0.35-50Hz，直接接到PXI-6220數(shù)據(jù)采集卡。采用脈動法，勉勵信號為隨機環(huán)境勉勵，不需要觸發(fā)，由軟件啟動，每次測試以200Hz采樣頻率采集600s波形。直接使用LabVIEWDAQAssistant生成一種采集任務(wù)。橋梁在載荷作用下逼迫振動測試需要測量橋跨動撓度和應(yīng)變，撓度測量采用位移型低頻振動傳感器，連接到PXI-6220采集卡；應(yīng)變測量采用電阻應(yīng)變橋，接到SCXI-1520應(yīng)變調(diào)理模塊。采用數(shù)字觸發(fā)方式，由紅外車輛探測器產(chǎn)生數(shù)字信號控制采集啟停。此外使用了四支MA21型加速度傳感器進行了鋼桁梁自振特性測試，MA21輸出為IEPE工業(yè)原則信號，直接接到SCXI-1530加速度輸入模塊，測試辦法與橋梁自振測試相似。采樣頻率設(shè)為200Hz。使用LabVIEW開發(fā)一種測試程序，由于有新設(shè)備驅(qū)動DAQmx和LabVIEWExpressVI支持，開發(fā)變得非常簡樸。本系統(tǒng)動態(tài)測試某些軟件設(shè)計為一種C/S構(gòu)造，運營于PXI控制器是一種測試服務(wù)程序，可以本地操作，也也許由遠程客戶端軟件控制進行測量。動態(tài)測試遠程控制端界面如圖6所示：圖6動態(tài)測試遠程控制端界面4動態(tài)信號解決橋梁構(gòu)造動態(tài)測量信號解決涉及到內(nèi)容比較廣泛，在此只作簡樸陳述。老式構(gòu)造診斷采用基于傅利葉變換頻譜分析辦法，從測得動態(tài)信號中提取構(gòu)造模態(tài)參數(shù)，如固有頻率、振型、阻尼比等等，也可以通過微積分運算獲取構(gòu)造應(yīng)力應(yīng)變參數(shù)。不同參數(shù)在鑒定構(gòu)造損傷限度有效性上有明顯差別。LabVIEW提供了數(shù)百個測量分析函數(shù)，能依照研究需要，迅速地建立相應(yīng)分析計算模型，驗證構(gòu)造診斷辦法有效性。近年來，興起了基于小波分析構(gòu)造健康診斷辦法，由于其能從時頻兩域表征信號局部特性，辨認正常信號與異常信號間細微差別，因而特別適合構(gòu)造損傷診斷。NI在SignalProcessingTool包里提供了用LabVIEW實現(xiàn)小波變換工具。5總結(jié)長期無人執(zhí)守在線監(jiān)測需要控制設(shè)備運營RT操作系統(tǒng)，CompactFieldPoint、PXI、CompactRIO均提供了RT控制器保證系統(tǒng)能可靠運營。PXI對于構(gòu)造動態(tài)測試有不可取代優(yōu)勢，特別在大型橋梁測試中，具備定期和觸發(fā)特性PXI系統(tǒng)可提供多達500