远程光纤监测系统

远程光纤监测系统（精选十篇）

远程光纤监测系统 篇1

一、系统结构设想

光纤自动检测系统是一套智能型的无源光网络集中式监测系统, 整个系统包括硬件和软件部分, 光纤自动检测系统的系统架构上, 主要有三个子系统, 分别为:监测采集机;监控中央处理主机;管理终端机 (客户操维主机) 。

二、子系统功能设想

2.1光信号监测采集单元技术要求

光信号监测方法通常分为两种:在线监测和离线监测, 在线监测就是监测工作纤中的光信号, 需要用到分光器、波分复用器、滤波器、垮接设备等;离线监测就是监测备纤中的光信号, 需要增加激光光源, 给备纤提供光信号;还可以通过通信设备的接口收集通信设备给出的有关信息。

功能要求:精确测量多路路光功率 (建议采用轮巡方式) ;当收到告警信号时, 立即启动OTDR卡对该条光纤进行测试;接收主站的指令, 针对光路进行各种功能性、光学性测试等;可选择如下波长:1550nm、1310nm、1300nm、850nm、1625nm

2.2多路采集监控中央处理单元

监测中心与采集站之间的通讯可以采用多种方式, 监测中心与采集站不在同一地点, 一般采用广域网的组网方式, 如在通讯中经常用到的DCN、DDN、E1等。监测中心与采集站在同一地点一般采用以太网的通讯方式。

功能要求:收集光路监控单元的信号, 并进行分析和处理和本地告警;具有多级告警, 自动发送越限告警信号;提供以太网RJ45/RS232等通信接口;将监测数据实时上传送给上位机 (PC操维数据库) ;接受上位机 (PC操维数据库) 对监控中央处理单元的命令, 实现对光信号监测采集单元进行控制。

2.3管理终端机 (PC操维数据库)

主要是通过基于地理信息系统以图形方式 (光缆线路拓扑图、分布图) 对所管辖的所有监测站之下的所有光缆单元、系统设备进行实时监测, 并对他们进行实时告警及故障处理流程 (声光及E-MAIL、手机短信等联动形式) , 通过相关的对话窗口, 可以对光缆故障进行确认、清除处理, 进行查询、统计、分析, 发布测试命令。

维护管理的功能主要是完成对各采集站的维护管理, 建立系统运行的静态数据, 掌握监测点的运行状况;设置光缆线路的监测参数, 如光功率监测单元的告警门限、OTDR测试参数、监测光纤的监测门限;对已存储于数据库服务器中的光缆线路监测数据进行统计分析, 制作报表和曲线, 描述光缆单元的现行状态和性能变化趋势, 以及查询光缆单元的情态资料, 如生产厂商、施工日期、单位、技术参数以及维护责任人;维修维护管理和相关联系统及设备管理等信息。

三、综述

光纤自动监测系统的应用不仅可以及时准确地报告突发性光缆故障, 有效缩短故障历时, 而且能够通过对多重门限和数据库资料的分析, 及时发现隐含的、尚未但将会造成通信阻断的潜在故障, 并进行准确的预告, 从而做到提前维护, 并减少光缆阻断次数。

参考文献

[1]高炜烈.《光纤通信》.北京:人民邮电出版社, 1999

远程环境在线监测系统的设计与应用 篇2

2012-03-17f关键字： 在线监测 上位机 无线服务

环保数据监测系统是环境保护中的重要环节，传统的环境监测是人工采集数据，监管效果差。针对这一问题设计了一种无线远程环境在线监测系统，下位机采用西门子S7-200 PLC(可编程控制器)采集、存储现场数据，通过GPRS(通用分组无线服务)DTU(数据传输单元)主动向数据中心发送采集到的实时数据，并能够在指定的时间段内接收上位机指令，进行历史数据查询;上位机利用VB 6.0的Winsock控件接收多台数据采集终端的数据，并进行分析处理。该系统已经在佛山市南海区运行，有效地提高了环境监管的效率。

传统的环境监测，大多是环保局工作人员到污染源现场采集数据，手工记录工厂的污染治理情况。由于要监测的厂家众多，且厂家地理位置分散，工厂偷排现象十分普遍，即使花费了大量的人力和物力也无法完整地采集到污染源的相关数据。可见，传统的人工环境监测手段已无法满足环境监测的需要，针对这些问题，设计一个远程环境在线监测系统，系统要求：①实时监测生产设备和治污设备的运行状态;②能够存储一周内的数据，进行历史数据的查询和补足;③以动画形式实时显示设备状态，以曲线形式进行对比分析，为污染源监管提供客观科学依据，提高环保执法现代化水平。

现场数据的采集、远程传送、上位机可靠接收数据是一个成功的远程监控系统的关键所在。本系统采用西门子PLC(programmable logic controllerr，可编程控制器)采集生产设备和治污设备的开关量信息;使用工业级GPRS(general packet radio service，通用分组无线服务)DTU(data terminal unit，数据传输单元)传送数据;利用2个基于TCP/IP(transmission control protocol/internet protocol，传输控制协议/网际协议)协议的应用程序之间相互通信的套接字(Socket)技术接收数据。数据中心服务器将接收到的数据存储到数据库中，并以动画、曲线等形式显示。1 系统架构 系统的总体结构如图1所示。系统主要由3部分组成：西门子S7—200CPU 224XP CN采集实时数据部分、GPRS DTU数据传输部分、环保局数据中心部分。、图1系统总体结构 1.1 PLC实时数据采集

PLC实时读取输入寄存器IW0的值，将时钟信息和设备状态信息数据打包后，通过串行口RS 485每隔30S将数据发送到GPRS DTU通信模块，然后再传送到中心服务器，供实时的动画和曲线等显示使用，PLC每隔5 min存储一条记录到历史数据表中，历史数据表可在指定的时间段内接受数据中心服务器发送来的数据杏询/数据补足等命令，完成相应的历史数据查询功能和某天的数据补足功能。1.2 GPRS无线数据传输

GPRS是在现有GSM(global system for mobilecommunication，泛欧式数位行动电话系统)网络的基础上叠加了一个新的网络形成的逻辑实体而发展出来的新的分组数据承载业务。GPRS的理论带宽可达171.2 kbit.S-1，实际使用带宽大约在10～70kbit.S-1，底层支持TCP/IP协议，使得GPRS能够与Internet实现无缝连接，GPRS无线网络具有接入速度快、永远在线、覆盖面广、运营成本低廉、组网灵活、系统扩容方便等特点。

GPRS DTU是GPRS网络的数据终端，GPRSDTU提供了RS232/RS485接口，可以跟PLC等串口设备连接起来进行数据交互，在GPRS DTU模块上配置了串口设备的波特率、数据位、校验位、数据中心的IP地址、端口等信息后，就可以透明地将PLC发往串口的数据通过GPRS网络传送到Internet网络，然后再通过局域网将数据传送到数据中心服务器。1.3数据中心服务器 数据中心服务器接收并保存数据到SQL(structured query language，结构化查询语言)数据库中，然后对数据进行相应的操作，最终将数据以动画、曲线等形式显示，为科学执法提供数据支持，数据的接收采用VB 6.0的Winsock控件来实现，是本系统的关键之一。在数据传输过程中，要求数据中心服务器的IP地址与GPRS DTU中的IP地址一致。系统运行时，启动Socket监听，与远程数据采集终端建立通信连接之后，就可以进行正常的数据接收。2 PLC的程序设计 2.1 PLC通信方式

选择合适的通信方式，是实现高效数据传输的关键。西门子S7—200系列CPU224XP_CN的通信方式有4种。

2.1.1点对点(point to point interface，PPI)方式

用于和西门子编程软件或西门子的人机接口产品通信，是一种主从应答式通信模式。这种通信方式需要专用的PPI电缆。

2.1.2多点接口协议(multipoint interface，MPI)方式

用于在西门子的产品之间建立小型的通信网络，允许多主通信和主从式通信。2.1.3 DP(decentralized periphery，分散外设)方式

用于实现与分布式I/O(远程I/O)的高速通讯。可以使用不同厂家的PROFIBUS(process field bus，过程现场总线)设备，但是需要专门的接口卡。2.1.4 自由端口通信方式

这种通信方式允许用户根据自己的实际情况定义通信协议，在多种智能设备之间进行通信。PLC通过串口将数据上传至GPRS DTU，再由GPRS DTU通过无线网络将数据发送到数据中心服务器。自由端口通信协议可以通过程序灵活控制PLC串口的通信方式，通过程序控制，在大部分时间内使PLC作为主机，主动上传实时数据，在指定的时间段内又可使PLC为从机，接受上位机的查询命令，进行历史数据的查询，这样可以最大限度地降低系统数据流量，降低运营成本。2.2 PLC程序

PLC程序的流程如图2所示，采用模块化编程。主要程序为串口初始化子程序，实时数据发送子程序，历史数据存储子程序，历史数据查询中断程序。2.2.1 串口初始化子程序 S7-200系列CPU224XP_CN提供了2个标准的RS485端口Port0和Port1，选用Port0进行自由端口通信。串口初始化主要是设置一些标志寄存器的值，让其按照指定的方式通信，比如，通过改变特殊标志位寄存器SMB30的值，就可以改变通信的波特率、奇偶校验位、停止位等信息。这些设定必须与GPRS DTU的相关参数值相一致。串口初始化子程序只在每次PLC重启时运行一次。

图2 PLC程序流程图 2.2.2实时数据发送子程序

S7-200系列PLC有专用的发送指令XMT，其格式为XMT_TABLE_PORT。接收指令为RCV，其格式为RCV_TABLE_PORT，其中PORT为通信端口，本系统设为端口0，TABLE为发送(接收)数据的数据缓冲区，其第1个字节为发送字符的个数，最大为255字节。在本系统中，监测的设备都是比较大型的设备，不会频繁启停，也就是说监控对象的状态不会频繁地发生变化，每隔30 s发送一次实时数据到数据中心，已经可以满足系统的实时性要求。

2.2.3历史数据存储子程序

系统将采集到的生产设备和治污设备的开关量信息(2字节)，隔5 min存储一次到历史数据表中。考虑到要进行历史数据补足查询，每8 h(192字节)数据作为一个数据存储单元，再加上数据头和数据尾等信息，一个数据区200个字节。历史数据保存7 d需要4 200字节，在PLC内存中就可以存储最近7 d内的历史数据。PLC程序使用时钟信息确定每个数据具体的存储位置。

2.2.4历史数据查询子程序

PLC利用时钟信号控制自由端口通信，让PLC在每天指定的时间段内，允许数据中心服务器对下位机进行历史数据查询。当进行数据补足时，就将缺失数据所在的数据区的数据(200字节)全部发送到数据中心服务器，确保数据库历史数据的完整。查询结束后，自动返回到PLC主动发送实时数据模式。3 上位机程序设计 3.1 Winsock控件原理

对数据进行可靠的接收是整个系统的关键。Socket流式套接字是一种针对TCP的面向连接的套接字。直接采用Socket技术来实现数据中心服务器和远程数据终端通信比较复杂。因此，采用集成了Socket技术的Winsock控件。

Winsock控件是微软Windows提供的网络编程接口，提供了基于TCP/IP协议的接口实现方法。它把与网络通信相关的Windows Sockets API(application programming interface，应用程序接口)函数封装成为一个整体。将网络编程要用的函数作为控件的属性和方法。通过对控件相关属性的设置和方法的调用就可以实现稳定的网络通信功能。该控件为用户提供了访问TCP和UDP(user datagramprotocol，用户数据包协议)网络的极其方便的途径，并且适用于Microsoft Access，Visual Basic，VisualC++和Visual FoxPro等多种可视化编程环境。本系统有多台数据终端，要为每台数据终端建立一个线程，负责实时高效的接收和发送数据。Visual Basic 6.0的Winsock控件数组可以很方便地实现这一功能，因此采用Visual Basic 6.0开发上位机程序。

图3表示单台数据终端与服务器数据中心进行数据交互的过程。当有多台数据终端时，数据终端与服务器建立连接进行数据交互的过程相同，只需要增加新的Winsock控件实例，这里使用控件数组。具体方法是：在窗体中加入Winsock控件，命名为Listener，将它的Index属性设置为0。作为Winsock控件数组的第一个元素。然后在窗体的Load事件中声明一个模块级的变量Count，把Count设置为0，数组中的第一个控件的Local port属性设置为1011(与GPRS DTU一致)，接着调用控件的Listen方法。然后在连接请求时，代码将检测Index是否为0，如果为0，监听控件将增加Count的值，并使用该号码来创建新的控件实例，然后使用新的控件实例接受新的连接请求。这样就可以完成多台终端与服务器数据中心通信程序的设计。

图3单台数据终端与服务器通信工作流程 3.2数据中心服务器接收数据

数据中心服务器接收PLC实时数据的界面如图4所示。可以看出，接收的实时数据有12个字节，以16进制显示。在实时数据框中，00 04表示机器码，09 12 02 09 33 02 00 04，表示09年12月02日09点33分02秒，00系统保留位，04表示星期三，8D CF表示设备的开关信息。在历史数据框中，可以看到每隔30 s接收到的PLC的实时数据，1表示设备开，0表示设备关。在下位机补足数据框中，是数据中心服务器检测到数据库中某个时间段的数据有缺失时，进行数据补足查询，得到的一段历史数据。

图4上位机接收的数据画面

图5实时状态图

服务器将收到的数据存储到SQL数据库中，然后在服务器的人机界面中，将数据以动画、曲线等形式显示出来，生动地展示污染源生产设备和治污设施的开关情况，为科学监管厂家的治污情况提供了数据支持。4 结语

远程光纤监测系统 篇3

关键词： 光纤传感器； 拉曼散射； 电力电缆； 载流量/温度

中图分类号： TP 212文献标识码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2013.01.015

引言 随着经济社会的发展，对电的需求量越来越大，水电、火电、可再生发电系统、城市变电的大规模建立，电缆输电任务随之加大，如何来保证电缆的安全正常有效的运营，保障电缆资产价值，成为一种迫切需要解决的问题。电缆运行不安全因素主要为电缆在运行时电缆发热，导致电缆温度过高致使电缆发生火灾。光纤传感技术是伴随着光导纤维和光纤通信技术发展而另辟新径的一种崭新的传感技术。光纤传感具有抗电磁干扰、灵敏度高、安全可靠、耐腐蚀、可进行分布式测量、便于组网等诸多优点。目前国内外研究机构用光纤传感监测技术对电力电缆在线测温及载流量[1]的安全监测的研发和应用大多还处于初期研究阶段，应用也基本停留在对个别设备和某个部件的监测上。比如Micron Optics公司推出的光纤点式测温系统实现对风力发电机组的温度检测。基于拉曼分布式光纤温度传感技术的分布式光纤载流量/温度安全监测系统，不仅具有普通光纤传感器的优点，而且还具有对光纤沿线各点的载流量/温度的分布式传感能力。利用这种特点可以连续实时测量光纤沿线几十公里内各点的温度。定位精度≤1 m，测温精度可达1 ℃，非常适用于高压电力电缆的载流量/温度传感监测的应用场合。1系统工作原理分布式光纤载流量/温度安全监测系统由拉曼分布式光纤测温传感器、感温光缆、载流量软件以及电流记录仪组成。拉曼分布式光纤测温传感器[24]能对电力电缆全线温度进行周期性实时在线监测，对极易出现故障的电缆接头进行重点监测。该项技术利用光纤作为传感器，将光纤直接敷设在被测物体表面，在一定条件下被测物体各个位置的温度信号会以光波的形式回传到光纤端部，最终被提取并显示出来。这种技术只需一根或几根光纤就可以监测长达数十公里的线型设备或点式设备。光纤的拉曼散射与温度有着密切的关系。依据光时域反射测定法[5]，将短促的激光脉冲按精确的时间间隔注入光纤之中。在同一根光纤中，散射光的强度随时间呈现出指数衰减。如果知道光在光纤中的传播速度，就能计算出距离。从该指数衰减的偏差就能得出温度。光纤既是该信号的生成器，又是该信号的渠道。反射光被分流到传感器中来加以解码。在光纤测温系统连接的监控屏上能同时显示距离和温度数据。利用此技术把光纤与被测高压电缆采用接触方式安装，测出高压电缆表面温度，根据表面温度，电缆结构，辐射环境等因素，精确计算出电缆的线芯温度，通过线芯温度计算出通过线芯的载流量，并给出电缆对应分区的最高温度，电缆的运行温度和电缆的负荷水平，对温度异常点进行报警。光学仪器第35卷

第1期杨斌，等：分布式光纤载流量/温度安全监测系统的研究

拉曼光强差和温度为：Pa/Ps∝exp（-h·c·Δν/kT）（1）式（1）中，Pa表示为拉曼散射反斯托克斯光Antistokes功率，Ps为 拉曼散射斯托克斯光（stokes）功率，h为普朗克常数，c为光速，Δν为拉曼频移量，T为温度。温度探测距离为 z=tV/2（2）其中，t表示两倍定点距离光传播时间，V为光纤中光速。2系统的结构与功能设计分布式光纤载流量/温度安全监测系统：系统由中控室、分布式光纤温度传感器、数据采集器（PLC）、光纤（缆）等设备组成。系统结构图如图1所示。分布式光纤载流量/温度安全监测系统可以通过电缆温度的监测计算得到电缆载流量变化情况。同时在电缆隧道中实现高温危险报警。主要功能包括：（1）分布式光纤温度传感器准确实时测量整条电缆的温度分布。它的探测范围：30 km，温度精度：1 ℃，定位精度：1 m；图1系统结构图

光纤在线监测系统应用研究 篇4

系统硬件主要由主控制计算机、光时域反射仪(OTDR)、光功率计、光开关、分光器、波分复用器(WDM)、光滤波器及通信模块等组成。主控制计算机内部ISA总线与OTDR相连。主控制计算机与光开关、光功率计之间的连接可以是直接连接，或是通过TCP/IP连接。OTDR与光开关之间需要通过尾纤连接，系统与外部所有通信由单一的接口通过网络进行。

系统硬件主要功能：1)控制计算机。用于光路自动转接控制，根据告警信息，自动控制OTDR和光开关，使之对告警的光缆段的光纤进行故障定位监测。2)光时域反射仪(OTDR)。监测光缆线路中传输信号的衰减与变化，并对测试数据进行存储分析，定位故障点。拟采用插卡式。3)光开关：控制多路被测光纤之间的自动转换。拟采用1*8接口方案。4)波分复用器(WDM)：用于通信波长与监测波长的分合，按照目前通信网情况，采用1.31μm工作波长应用情况，选用市面上成熟1.31μm、1.55μm隔离度为30dВ的二次波分复用器。5)光滤波器：阻止监测光进入接收信道端机，为此选择1.31μm带通滤波器。6)分光器：按照一定的分光比分配光功率，大部分的通信光进入光端机，少量的通信光送至光功率采集单元的监测端口。在该系统中，我们选用分光比为97∶3的分光器件。7)光功率监测单元：设置于监测站监测中心。自动监测各个光端机接收到的光功率值的变化，通过光功率监测控制单元对收光功率变化超过门限告警，立即传送到主控制计算机。8)通信模块：在远端光缆跨接站设置光功率监测单元模块，以监测跨接站周围光缆光端机的收光功率，并通过公共通信网向监测站回传收光功率告警数据，使监测站依据告警信号，可以迅速启动OTDR对告警的跨接光缆段进行故障定位监测。

2 系统工作基本原理

光功率监测单元直接串入光纤通信网中，分光器在确保不影响正常通信的前提下，分出一定的主干光信号，在该方案中，OTDR的工作波长为λ2，通信用波长为λ1(λ1≠λ2)。如：对PDH系统我们可选用1550nm的监测波长，而对于SDH系统可选用1625nm的监测波长。利用波分复用技术，可使用OTDR在不间断通信业务的情况下，对光缆传输系统进行在线监测，对数据进行采集，并记录每路光信号的光功率衰减值，然后进行分析处理(一般情况下，光端机附近的分光比发射端为99∶1，接收端为97∶3)，如发现达到设定的光功率衰减门限值就报警，测试单元软件自动快速地启动RTU中的光开关和OTDR进行测试，采集保存事件曲线数据文件，对光传输通道进行故障定位。

3 系统的功能特点

1)告警监测功能：监测站中的OTDR与光开关都有寿命限制。为延长监测设备的寿命，节省资金和有效地充分发挥监测系统的作用，设置了告警监测功能。其功能为：光功率单元每30秒为周期，连续不断对网外线通信光纤的监收光功率进行采集分析，掌握光缆特性变化情况，预防光缆故障，OTDR和光开关根据光功率报警信号，快速准确地对故障光缆进行定位测试，压缩故障历时。2)周期监测功能：光缆对于外界复杂环境每天都可能发生危险变化，这种危险不一定是阻断，大多数情况下可能是光缆受外力严重压迫、小半径弯曲或接头盒浸水，引起光缆光纤传输衰减台阶，当台阶增高，累加到一定程度时即造成阻断。因此，监测中心需要每隔段时间了解光缆传输衰减的变化情况，以便及时排除衰减台阶的潜在故障，从而预防和避免发生光缆全阻断或阻断。3)点名测试功能：当操作人员需要对某光缆中某一芯立即测试并将测试曲线回传时，随时通过人机操作选择任意光缆进行即时点名测试，并给出传输损耗分布特性。4)监测数据分析功能：通过对监测数据分析，找出数据异常的原因，采用正确的维修方法，配合装有光缆埋设的地形图的地理信息管理系统(GIS)软件，快速确定故障点位置。

4 监测系统对传输性能的影响分析

在线监测系统作为光纤通信网可靠运行的保障手段，当它介入被监测系统时，必须不影响光传输系统的传输性能。即不能对系统的误码率或信噪比产生影响，使其低于光传输系统的设计标准。经过分析，发现有两类因素会对光传输系统的传输性能产生较大影响：1)分光器、波分复用器、光滤波器等引入插入损耗。2) OTDR的检测光进入光接收机，引入噪声。

光纤通信系统的接收灵敏度是在保证其误码率或信噪比要求的最小平均接收光功率。由于分光器、波分复用器、光滤波器增加信号光的链路衰减，可能导致信号光功率低于接收灵敏度，使误码率上升或信噪比下降，从而影响传输性能，但光传输系统设计时一般留有余量，因此在引入监测系统时，必须满足损耗准则：

α滤<α余

α滤：引入的插入损耗总和

α余：系统的损耗余度

在光接收机前设有光滤波器，阻止OTDR检测光进入光接收机，由于光滤波器不可能完全滤掉OTDR检测光，总是有一部分的OTDR检测光进入光接收机，形成信道干扰。使系统的信噪比下降或是使眼图的张开程度受到影响，引起误码率上升。而透过的光功率量与光滤波器的反射率有关。因此在OTDR光功率与光滤波器的反射率之间应存在一种制约关系，即是：

当光滤波器的反射率R一定时，OTDR的光功率应受到限制，以保证系统的信噪比。

Pr

Pr：实际的OTDR的光功率值，通常是滤波器前接收到的OTDR的光功率值。

Pa：光传输系统能接受的OTDR的光功率值，它根据光滤波器的反射率R和系统对信噪比的要求来确定。

当OTDR的光功率值一定时，光滤波器的反射率应受到限制，降低OTDR探测光的透过率，以保证系统的信噪比。

R>Rc, R：实际的光滤波器的反射率，Rc：保证系统信噪比或误码率的光滤波器应具有的反射率

因此，在引入监测系统时，要考虑这两种系统因素的限制，保证系统的传输性能。

5 结束语

引入该监测系统能够做到实时监测光纤性能变化情况，快速进行故障定位，缩短故障历时时间，保障光纤通信网的安全稳定运行，并且可以有效提高光缆维护的主动性。

参考文献

[1]阳华, 张湘英, 李苏.光缆线路安全监测[J].光通信技术, 2008.

煤矿绞车远程监测系统的设计与实现 篇5

关键词：OTC；煤矿绞车；远程监测

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）15-0026-02

煤矿绞车作为其主副井提升的关键设施，是矿井生产运输有效运转所不可或缺的必要保障，其运行的安全与否对于矿井安全至关重要。但鉴于绞车运行环境的恶劣多变、操作运行方式的各异、设备维护人员水平的不一等实际问题，使得绞车运行管理不仅任务繁重且困难重重，这就对绞车运行的监测系统提出了极为严格的要求。过去，煤矿对于井筒绞车运行的监测多是采取直线管理网络，不仅方法单一，且缺乏有效的管理功能，所使用的监测系统也多缺乏通用性，往往是所使用的绞车一经更换就需要对整个系统进行重新布设，为矿井生产造成阻碍的同时亦增加了矿井运营成本。因此，研发一套高效且通用的低成本绞车远程监测系统，成为矿井发展的必然需求。

1 远程监测的原理与选择

矿井绞车的远程监测是指将绞车运行的实时数据采集后，通过电子网络传输到远处的服务器终端上，并通过服务器对所采集的数据加以运算处理后，获得能够真实反映绞车运行状态的信息参数，从而对绞车整体状况的良好与否加以判定。

在数据的搜集上，远程监测系统同现场运行监测系统的方式是基本相仿的。这也就意味着两者在系统的硬件构成上基本一致，不过鉴于远程监测系统需对所搜集的信息实施远程的传输，这就需要对数据输出量的大小加以考量，并对其他相关的网络问题进行分析和研究，如宽带设置、网速设定、网络堵塞的处理等，而这就要求必须创建一个有效的远程数据通信方式。

通常而言，完善的绞车运行系统其在不同的控制时期，多会配置各不相同的低层控制系统，诸如DCS、PLC、FCS等，这些控制系统不仅网络接口各有差异同时通信协议也不一致，这使得其彼此间数据的出书难以实现有效的衔接，必须借助第三方的机制对其进行相互的协调，从而实现对控制操作细节的屏蔽。而OPC技术正好可以有效满足这一需求，因此文章最终选定通过OPC技术达成远程监控所需的数据远程通讯。

2 绞车远程监测系统方案设计

2.1 系统框架构成

综合化的矿井绞车远程监测系统应当是对电子信息技术、网络通信技术、自控技术、传感技术、人工智能技术等诸多现代高新技术的科学化综合运用。一般而言，其多以网络通信技术与电子信息技术为核心内容，为绞车各组成部件的运行提供远程的实时监控及维护等功能，在有效确保矿井生产正常进行的同时实现对设备运行可靠性的最大优化。绞车远程监测系统系统框架构成如图1所示。

2.2 现场硬件构成

现代化的绞车系统多是由数个相互衔接配合的模块所构成，系统通过不同的模块完成不同的动作命令以实现其功能的发挥。而为有效获取装备运行时的实时状态，绞车各个主要构成硬件中均装设有传感设施，借助其获得所需的数据信息。一般情况下，设备控制器内的数据包括状态信号、控制器信号等。其现场硬件的构成如图2所示。

2.3 软件系统构成

上世纪90年代以来，计算机系统的发展出现两种较为主流的趋势，其分别为封闭式系统向开放式系统的转变；集中式系统向分布式系统的转变。其各自的代表模式分别为B/S模式与C/S模式。两者各有自己的优势亦有独自的不足，所以在本次绞车远程监控系统的设计中选用B/S模式与C/S模式相互结合的混合式软件系统。

2.4 网络系统构成

一个完善的绞车远程监测系统由监测总服务器和数个现场PLC系统共同构成，运作时每个PLC系统负责对一台绞车的运行进行操控。整个系统最为关键的核心是监测总服务器，借助其可实现对多个绞车运行数据的实时监测。现场的PLC系统则是整个系统的基础所在，其借由工业以太网将自己采集的数据信息远程传输给监测总服务器，服务器对数据进行处理后获得每台绞车运行的实时信息，并将所获得数据存储至数据库以备调用。现场PLC系统和监测总服务器两者相互协调构成一个完善的分布式监测系统，其构成如图3所示。

3 绞车远程监测系统功能模块

3.1 远程通讯模块

远程通讯模块共包含两个组成部分，其分别为数据通信服务器与数据通信客户端。其中前者主要功能为对客户端的现场数据进行搜集，并依据具体需求针对性的发送客户端程序。客户端与服务器之间借助OPC技术实现数据的传输通讯。

一般情况下，服务器的数据采集均是依据客户端实际需求进行，非需求数据服务器不予收集，同时服务器还会对所搜集的数据进行实时监控，一旦发现数据的变动，服务器会对数据进行重新采集并将其发送给客户端；后者可让使用者借由其实现对所需现场数据的动态搜集，这种方式有利于实现系统资源的优化利用。

3.2 系统管理模块

整个系统的管理功能划分为三种，分别为数据库管理、用户权限管理、用户管理。

3.2.1 数据库管理

远程监测系统在运行时，会在数据库中储存数量众多运行数据。为避免由于病毒感染、使用者误操作等原因而导致数据的丢失，在使用时必须对数据库中的信息进行及时的备份，以便在发生数据丢失现象时可以对数据进行还原。通常情况下，数据备份应在系统运行不忙碌时，依靠人工操作完成，备份的数据即可存储在数据库硬盘中，亦可依据使用者需求刻录到光盘或移动硬盘上。

3.2.2 用户权限管理

鉴于远程监测系统使用者在企业中所处职位的不同，系统可针对性的赋予系统用户各异的使用权限。譬如有的用户仅仅是进行设备运行状况的查阅、有的则需对系统软件进行编辑和维护等。借助灵活的权限管理能够在有针对性的满足不同使用者不同需求的同时最大限度的确保系统运行的安全、可靠，避免非法使用者的恶意登录。

3.2.3 用户管理

借助该功能可对远程监测系统的使用者及管理者进行自由的删减和增添。

3.3 报警模块

整个远程监测系统借由分布于各个设备组件上的传感器可实现对设备运行状态的实时监控，一旦发现数据异常情况，监测总服务器可立即向工作人员发出警报并对故障的位置及原因进行准确定位，并给出相应的解决意见，以便维修人员可以尽快地实现对故障的排除和修复，最大限度的确保矿井生产的正常进行。此外，该模块还会实时将相关故障信息存储到数据库中，对故障进行综合分析，避免相似事故的再次出现。

3.4 信息实时显示模块

远程监测系统可将采集到的绞车运行的实时信息借由表格、曲线图等多种形式予以显示。通常情况下实时信息包含有实时的数据显示和实时曲线绘图显示两部分。

3.5 Web信息发布模块

绞车远程监测系统可借助Web分布系统，将经由系统检测后的各类设备运行信息、报警信息、故障信息等实时信息或历史数据对外发布，使用者通过计算互联网即可实现对信息的远程查阅。

4 结 语

通过文中所述可知，将远程监测系统作为煤矿绞车操控的核心手段对于实现矿井生产的自动化建设有着极为显著的推进作用，特别是在我国能源市场竞争日益残酷的今天，矿井生产自动化程度的高低一定程度上决定了企业能否实现自身的长久和可持续发展。作为一名矿山机电技术人员，我们理应全力投入到远程监测系统在矿井绞车控制中的应用推广，为实现企业生产效率与生产成本的双丰收提供助力。

参考文献：

[1] 李维刚.煤矿绞车远程监测系统的研究与应用[D].西安：西安工业大学，2011.

[2] 白广利，秦旭元.矿用绞车远程监控系统[J].自动化技术与应用，2010，（8）.

[3] 张玉峰，于德阳.煤矿绞车电控系统的PLC变频改造设计[J].煤矿机械，2009，（7）.

远程光纤监测系统 篇6

大型氯碱化工企业除乙炔、合成、聚合、干燥大量用水外, 自备电站发电用水也十分巨大, 仅靠厂区地下水资源远远不够, 须从较远处的江、河取其地表渗水来满足生产用水。而以光纤支持的远程PLC自动控制系统自动化程度高、成本低、运行可靠、维护量小、无人值守, 在工业控制领域得到了广泛的应用。

2 系统组成

2.1 系统工艺流程

公司在无定河下游建设有四口水源井, 竖井和河床内廊道充分利用河道的自然压差使渗水量远远大于水泵运行时的抽水量, 河水经过滤层渗入井中, 再用深井潜水泵抽水加压, 送入生产输水总管进入蓄水池, 分配到各个生产用水环节。每个井装有三台潜水泵, 每泵出水量为200 m3/h, 操作员可根据生产用水需求从系统操作站发出停、启指令, 四个水源井12台潜水泵运行方式灵活, 确保全公司生产、生活用水。控制系统结构如图1所示。

2.2 PLC控制系统拓扑结构与系统配置

上位机操作系统采用Windows平台, 控制系统采用OMRON SYSMAC-200CY可编程控制器, 通讯模块CP443-1A, 拓展模块 ET 200M , 模拟量输入、输出模块CMDI, 组态软件为MCGS全中文工程组态软件, 显示器为三星214T液晶显示器。PLC站和操作站通过以太网连接, 此系统投入运行十分可靠, 故障率很低, 其硬件布置图如图 2所示。

3 系统控制功能实现

系统功能实现主要通过MCGS工控软件对系统进行编程组态实现:主控画面四张, 每个水源井一张, 用鼠标双击画面上1#、2#、3#泵实现对泵的停、启控制。各个泵的控制方式为:

(1) 程控方式:启泵在就地控制盘上把切换开关打到“程控”位置, 用鼠标双击画面上的“程控启”按钮, 按钮变红并闪烁, 该泵通过软启动器切换到带正常负荷, 按钮停止闪烁, 泵本身变成红色, 同时联动该泵出口电动门开, 开到位也变成红色, 画面上管道中有水流状态显示, 则表示该泵启动成功;停泵:用鼠标双击画面上的“程控停” 按钮, 按钮变绿并闪烁, 联动关该泵出口电动门, 泵停、门关到位泵变绿色、门变绿色, 管道中水流状态中止, 表示该泵停泵成功。若停、启失败则回报故障报警信号, 需要检修介入处理。

(2) 就地方式:启泵、停泵均在就地控制盘上把切换开关打到“就地”位置, 操作就地启泵、停泵按钮 (红开绿关) 即可。这对泵检修完毕投运试转非常有利。

(3) 趋势与记录:对每个井各个泵在线监测, 运行流量曲线、趋势图、流量日报表、月报表、年报表、各个泵故障报警表等等。

4 系统维护

4.1 水源井供电电源及维护

水在生产中的地位至关重要, 各个水源井均采用10 kV高压双回路从1段、2段母线供电, 并设有电流速断、过载、过负荷等保护。电缆和控制光缆通过永久性电缆沟分层敷设到每个水源井的变压器由10 kV降压到380 V, 再送到低压控制盘上供潜水泵电动机运行, 维护量很小。

4.2 控制光缆的局端和远端维护

局端是指装设在系统操作站内的光端机, 负责汇总从四个水源井光端机上传的控制信号, 六个串口均设为RS-232, 四个水源井的光端机为远端, 设置和局端一致, 通过光纤传输把各井的信号上传给局端, 局端采用标准RS232接口和上位机进行通讯, 完成对水源井各泵停、启操作和运行参数的监控。光端机发光为AT、BT;收光为AR、BR, 光缆布置构成一个双环网, 双向通讯, 网上任何一点中断, 系统照常运行, 减轻了运行压力、赢得了检修时间, 系统的可靠性大大提高, 维护量很小。

4.3 控制光缆的维护

不管局端还是远端绿灯闪烁表示通讯正常, 红灯闪烁则通讯中断。

(1) 光缆故障大部分为黄色尾纤因灰尘引起收光不通, 造成红灯闪。处理方法:小心卸开接头, 用药棉沾工业酒精清洁尾纤后复装即可。

(2) 每一根光缆有四芯, 只用二芯, 另二芯备用。用备用芯时在光端机的两端倒换对应编号的接头即可。注意:黄色尾纤在光端机连接的金属接头有定位槽, 对准后进行弹性连接。

(3) 若意外使光缆断裂, 则需专业技术人员用光缆测试仪对光缆进行精确测试, 测出光缆断点的具体位置误差不大于1 m, 再用光缆焊接机对断点进行焊接修复即可。

4.4 水源井水位的测量和维护

作为泵联动保护的条件之一, 采用投入式液位计, 测量范围是0～15 m, 供电为24 VDC, 输出标准4～20 mA直流信号, 通过光缆上传到上位机, 高水位才允许启泵, 低水位自动停泵。维护:投入式液位变送器每六个月校验一次。

4.5 泵出口流量的测量和维护

作为泵联动保护的条件之一, 采用先进的超声波流量计, 即超声波束在液体中传播时, 液体的流动使传播时间产生微小的变化, 此变化和流体的流量成正比关系。流量测量精度1%, 供电为220 VAC, 输出标准4～20 mA直流信号通过光缆上传到上位机进行流量监控和显示。若此泵在运行中, 流量突然急剧下降到下限流量, 报警并自动停泵。此流量计运行稳定, 基本不需维护。

4.6 流量计传感器的安装维护

(1) 上、下游传感器沿管道轴线对称安装并均匀涂抹耦合剂, 管道安装点要除锈、打磨, 使传感器和管壁无空气缝隙紧密接触, 安装直管段上游10D, 下游5D (D:管道直径) 。

(2) 安装距离一定要准确, 信号电缆的屏蔽网在仪表盘单端可靠接地。

注: Q∝KD×ΔT/ (Vup-Vdown) 式中:Q——流体流量;K——流量系数;D——管道直径;ΔT——声波在顺流、逆流时产生的时间差, ΔT=Tup-Tdown;Vup、Tup——声波在顺流传播速度和时间;Vdown、Tdown:声波在逆流传播中的速度和时间。

4.7 潜水泵的检修维护

(1) 潜水泵安装在水源井的竖井中, 检修工作量很小, 但电机保护必须精确。采用韩国进口的EOCR-3DM电动机智能综合保护器, 根据泵运行时负载电流是否平衡以实测A、B、C三相电流的1.2倍作为该泵电流的整定值, 并进行动态跳闸试验后投入运行。

(2) EOCR-3DM电动机智能综合保护器配外接200/5电流互感器, 实现对潜水泵电机过电流、过负荷、欠电流、缺相、反相、堵转进行保护, 只要任一故障出现, 接点95-96断开、97-98断开, 启动保护回路断开潜水泵电源并发故障回报信号, 有效地防止各类电动机事故发生, 提高了潜水泵的运行效率, 如图4所示。

(3) 综保器对所有潜水泵的运行时间可以预先设定, 达到这个运行时间后自动发出报警信号, 以便更换泵轴承、电机加油等定期工作, 记录此泵最后一次跳闸的原因, 复现故障进行分析, 及时排除故障。

(4) 潜水泵在装配时应注意泵轴的进水节应突出12～15 mm, 单边轴框为20丝为佳。泵体和电动机装配完毕后要有5～10 mm的“串量”, 使推力盘和支撑点受力平衡, 防止电机过载使轴承“偏磨”损坏潜水泵。

5 结束语

以光纤支持的远程PLC自动控制系统最大的优点是:自动化程度高、运行可靠、无人职守、维护量小。系统投运后, 从控制室CRT工艺流程画面上就可以对水源井各泵的运行水位、流量、电流进行在线监控, 一旦遇到紧急状况保护动作自动停泵。意外事故则把操作开关打到“就地”位置, 现场进行操作不影响生产供水。检修只需进行定期巡检, 从而大大减轻了工人的劳动强度。系统应用广泛, 具有很强的实用性。

摘要：以光纤支持的远程PLC自动控制系统自动化程度高, 运行可靠、无人职守、发展潜力大, 应用广泛。本文通过对此系统的多年运行经验, 详细介绍了系统的构成、工艺流程、控制过程和系统维护方法, 举一反三对其他的控制系统也有一定的借鉴。

远程光纤监测系统 篇7

关键词：隧道,健康监测,布拉格光纤光栅

0 引言

我国隧道工程建设方兴未艾, 由于其交通运输的枢纽作用, 其安全对于铁路、公路的正常运营起着至关重要的作用。在复杂的工作环境中, 由于受到设计荷载的作用以及各种突发性外在因素的影响, 隧道结构受到损伤累积, 结构安全受到威胁。因此, 重要的隧道工程安全监测与健康评定显得越来越重要。

新近发展起来的布拉格光纤光栅传感技术通过栅格反射波长的移动来感应外界物理量的微小变化, 具有线性程度高、重复性好, 可对结构的应力、应变高精度地进行绝对、准分布式数字测量的优点;同时也可集合成阵列式分布传感系统, 通过波分和时分复用技术来测量外界应力场作用下大量待测目标的空间与时间特征。光纤光栅传感技术由于具有很多传统检测技术所不具备的优点而被认为是未来隧道结构健康监测的首选传感形式, 这一尖端技术在隧道应变监测和健康诊断中具有广阔的应用前景。

本文主要介绍布拉格光纤光栅传感技术在隧道工程安全监测中的应用。

1 隧道结构健康监测

结构健康监测是新发展的技术, 目前比较流行的定义是:利用现场的无损传感技术, 通过包括结构响应在内的结构系统特性分析, 达到检测结构损伤或退化的目的。

由于结构健康监测在大型基础工程中的广阔应用前景, 各国都已经在积极开展该项技术的应用研究。在世界各国政府的支持和研究机构的努力下, 结构健康监测正逐渐成熟起来, 并在航空航天、桥梁、建筑物等各领域取得了阶段性的成功, 部分成果已经应用在了工程实践当中。

隧道的构成体系, 尤其是以新奥法为代表的现代隧道构成体系, 并不是单纯的钢筋混凝土结构, 围岩在隧道结构健康中扮演了极为重要的角色, 这也正是隧道结构健康监测区别于其他如桥梁结构健康监测的一个本质特征。隧道在本质上是围岩和支护结构的综合体。在通常情况下, 围岩是主要的承载单元, 而支护结构是辅助性的, 但也是不可缺少的, 在某些特殊情况下, 支护结构也是主要的承载单元。支护结构的基本作用在于:保持坑道断面的使用净空;防止围岩质量的进一步恶化;承受可能出现的各种荷载;使隧道支护体系有足够的安全度[1]。

因此, 在进行隧道结构健康监测时, 要综合考虑围岩与支护结构的变形以及相互作用, 这是隧道结构健康监测的主要对象, 而判断隧道结构健康的标准便是隧道的稳定性。所谓“隧道稳定”一般是指坑道周边变形速率呈递减趋势并逐渐趋近于零, 其最终位移不侵入限界, 支护结构不出现影响正常使用的裂缝和破损, 更不能发生大范围的坍塌。

根据上述隧道支护系统的特点以及隧道结构健康的标准, 可将隧道结构健康监测定义为“利用现场的无损传感技术, 通过隧道系统的特征分析, 检测隧道支护系统损伤 (或退化) , 分析发生损伤 (或退化) 的地点、程度和原因, 并对隧道整体的健康状态作出评价”。按照这个定义, 一个完整的隧道结构健康监测系统就应当由监测、诊断和状态评价三个部分组成。

2 光纤布拉格光栅原理及其在隧道监测中的应用

2.1 光纤布拉格光栅原理

光纤是光导纤维的简称。它是工作在光波波段的一种介质波导, 通常是圆柱形。它把以光的形式出现的电磁波能量利用全反射的原理约束在其界面内, 并引导光波沿着光纤轴线的方向前进。光纤的基本结构是两层圆柱状媒质, 内层为纤芯, 外层为包层;纤芯的折射率n1比包层的折射率n2稍大, 当满足一定的入射条件时, 光波就能沿着纤芯向前传播。光纤光栅传感的原理见图1。

光纤光栅传感的原理是:当带宽光源照射光纤光栅时, 满足布拉格条件的光将发生反射, 即:

其中, λB为光纤光栅的中心反射波长;neff为纤芯的有效折射率;Λ为光栅的周期。从式 (1) 可以看出, 任何能够改变光栅有效折射率或光栅周期的物理量都能改变光栅中心波长。应变 (或应力) 和温度是最能直接显著改变Bragg光栅波长的物理量。其引起的光纤光栅Bragg波长的漂移可表示为:

其中, ε为光纤布拉格光栅轴向应变;ΔT为温度变化量;pe为有效弹光系数;ζ, α分别为光纤布拉格光栅的热光系数和热膨胀系数。当Bragg光栅受到外界应变 (或应力) 作用时, 光栅周期会发生变化, 同时光弹效应会导致光栅有效折射率变化;当Bragg光栅受到外界温度影响时, 热膨胀会使光栅周期发生变化, 同时热敏效应会导致光栅的有效折射率变化。目前已有的基于光纤Bragg光栅的各种传感器基本上都是直接或间接地利用应变或温度改变光栅中心波长, 达到测试被测物理量的目的。鉴于此, 充分研究光纤Bragg光栅的应变与温度传感特性、灵敏度误差、应变传感的温度补偿技术以及应变与温度的耦合效应是研究开发光纤光栅传感器的基础

2.2光纤光栅传感器在隧道健康监测中的布设

光纤光栅传感器是结构健康监测及诊断系统的重要组成部分, 主要指铺设在结构物表面或者埋设在内部的光纤, 这部分光纤既是应变传感器, 又是传播媒介。由于隧道已经建成, 这些传感器全部布置在隧道拱圈内壁和边墙上[2]。根据测量的需要, 主要采用以下三种传感器:1) 分布式传感器。2) 定点传感器。3) 温度传感器。

根据测量的实际需要, 还可以设计其他类型的传感器。从上述光纤传感技术的原理和应用可以看到, 光纤传感技术具有许多传统隧道监测手段所不具备的优势。光纤既是传感介质也是传输介质。作为传感介质的光纤, 具有测量敏感性高、性能稳定的优点;而作为传输介质的光纤, 在传输过程中不受电磁干扰、信号损失量小, 传感光纤可以直接通过光缆连到控制监测中心, 这样就可以实现远程分布式监测。因此, 光纤传感技术比传统方法更适合于在恶劣的隧道环境下工作, 进行长距离的远程监测[3]。

3结语

隧道结构健康监测既要监测隧道的支护结构系统, 还要对隧道围岩的应力、应变状态和工程性质进行监测, 从这一意义上说, 隧道结构健康监测系统实际上是地质工程健康监测系统。由于监测技术方面的困难, 目前该系统在发展程度上还落后于桥梁等结构物的结构健康监测, 在相当程度上还停留于施工监测的阶段。随着光纤光栅传感技术在隧道监测中的应用, 可以预计, 隧道结构健康监测与安全评价系统将在隧道管理中发挥越来越大的作用, 一个隧道数字化时代正在来临。

参考文献

[1]丁勇.隧道结构健康监测系统与光纤传感技术[J].防灾减灾工程学报, 2002, 25 (4) :5-6.

[2]厉呈伟.隧道结构健康监测及诊断系统应用研究[J].山东交通学院学报, 2005, 15 (4) :8-9.

[3]徐玉桂.浅谈光纤传感技术在隧道结构健康监测中的运用[J].南京市政, 2006 (2) :11-12.

远程光纤监测系统 篇8

3.0T以上磁共振及64排以上CT扫描不适用于佩戴有金属物质的患者, 需要利用非金属物质的监测系统对这些患者进行监测。

光纤光栅 (Fiber Bragg Grating, FBG) 传感器具有结构简单、体积小巧等优点, 在医学领域已经展现了重要的应用价值[1]。FBG传感器是由非金属物质构成的检测终端, 利用光纤材料的特殊光敏性, 通过紫外线曝光的方法将相干图样 (均等分) 写入纤芯, 在光纤内部沿纤芯轴向产生周期性变化的折射率, 从而形成永久性空间的相位光栅, 其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的 (透射或反射) 滤波器或反射镜。

医用FBG传感器的主要工作原理是FBG根据被测量物周围的温度和应力的变化发生形变, 使光栅被拉伸或者弯曲导致反射光的波长漂移, 再根据漂移量来计算变化量, 通过计算使变化量转变为测量所需要的数值[2,3,4,5]。

我院利用FBG制作了一套呼吸频率监测系统, 针对性地应用在一些禁止金属干扰的检测设备上, 作为辅助检测仪器来确定患者的生命体征是否平稳。

1 FBG呼吸频率监测系统

该系统主要由自制的解调仪、自制封装的FBG探头、自主设计的数据分析软件以及显示终端构成。监视系统框图, 见图1。其工作原理是以高速CPU为计算控制中心, 控制高速波长扫描激光的波长变化。4个光纤传感光路通过光纤分路器被注入了变化的激光, 定义每个光路为1个医用传感仪, 通过测量, 每个光路的波长范围可达80 nm, 可最大限度的接入40个及以上的FBG传感器 (可同时接入40个监测点) 。4个通道可以进行无时间延迟的同步采集。采集结果再通过计算机转换成方便医疗工作者判断患者生命体征的医用数据。

2 FBG传感探头

FBG传感器是在系统终端直接测量患者生命体征的传感原件, 不同的测量方式对其封装材料的品质、软硬程度有着严格要求。本实验采用的FBG探头是我院自主研制封装的, 1550 nm中心波长的FBG是购买的。

根据人体呼吸所产生的压力试验数据, 设计了一款由特殊树脂封装的FBG传感探头, 见图2。封装用树脂软硬适当, 经过大量实验证明其符合呼吸压力检测指标的要求。

3 FBG呼吸频率监测系统测试

实验测试包括2个方面的内容:对设备强磁、强辐射的干扰及自身输出的干扰情况的测试;系统设备的数据输出情况的测试。

从腹部的周期性波动出发, 将封装好的FBG粘贴到固定在腹部的束带内侧, 这样腹部的周期性跳动都会转换成周期性的压力传递到FBG上。腹部跳动的快慢以及幅度大小对应着施加在FBG上的压力变化快慢以及压力大小, 不同的压力大小对应着不同的光纤布拉格反射波长, 压力的持续变化也会造成反射波长的持续变化, 可从FBG解调仪上来观察从光栅返回的布拉格波长的变化波形曲线。最终可以通过波长的变化、大小来对应测定呼吸频率。FBG压力传感器在此种情况下感受到的压力信号非常微弱。这时可以在信号检测部分将由光信号转换成的电信号进行放大。通过对放大后的电信号的检测便可轻松地完成对呼吸频率信号的检测[6]。FBG解调仪, 见图3。

4 测试结果分析

本次实验在核磁工作室内进行, 首先观察实验数据在3.0T强核磁下的工作波动情况:在核磁启动情况下, 核磁设备未检测到金属物质, 没有警报, 且核磁工作磁场没有受到干扰;呼吸频率检测设备布置在外部的工作台上, 数据平缓输出、无波动干扰;可对人的呼吸频率和紧张程度进行实时监测, 而传统监测设备只能在核磁室外进行监测。

实验中波长变化曲线图, 见图4。在正常呼吸状态下得到的一组波长变化曲线图, 见图5。急速呼吸状态下得到的波长变化曲线图, 见图6。其中纵轴代表的是波长变化, 单位为nm;横轴代表时间, 单位为s。

对比上述图片, 正常呼吸的波形变化比较缓慢, 大约是每2 s发生1次周期变化, 波峰也不是很陡峭。而在急速呼吸时, 波形变化比较快速, 大约每0.5 s就发生1次周期变化, 波峰较为陡峭。这反映了正常呼吸与急速呼吸时腹部跳动的频率程度, 可达到分析呼吸频率的目的。

5 结论与展望

本文阐述了FBG呼吸频率检测系统的主要结构与测试结果, 表明把FBG传感解调系统应用于医学领域是可行的。该系统采用光纤布拉格光栅, 当外界某些因素作用在光栅上时, 中心反射波长会发生变化, 通过观察波长的变化来察觉作用在FBG上的物理量的变化。其中, 温度和应变是引起光栅中心反射波长变化的最基本的物理量, 其他物理量都是基于温度和应变衍生出来的, 由此可以设计多种类型的FBG传感器。本论文中的FBG呼吸频率监测系统也存在着一些问题, 如光栅周围所处环境温度变化较大, 故不能准确得出输出反射波长与温度、应变的响应曲线;系统灵敏性也有待于进一步完善。

摘要：本文阐述了自主设计的光纤光栅 (FBG) 呼吸频率监测系统在强磁环境中的应用。系统由自制的解调仪、树脂封装的FBG探头、软件系统及显示终端组成, 人体模拟实验 (MIST) 表明, 在强磁的医疗环境下, FBG呼吸频率监测系统数据输出平缓、数值准确、灵敏度高, 无波动干扰, 表明FBG可用于监测人体呼吸频率。

关键词：光纤光栅,树脂封装,呼吸频率,解调仪

参考文献

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[2]戚仕涛, 汤黎明, 刘铁兵, 等.基于光纤光栅的超声传感器实验研究[J].北京生物医学工程, 2006, 25 (4) :410-411, 414.

[3]王惠文.光纤传感技术与应用[M].北京:国防工业出版社, 1999.

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[5]姜德生, 何伟.光纤光栅传感器的应用概况[J].光电子激光, 2002, 13 (4) :420-430.

远程光纤监测系统 篇9

1 模拟信号转换为数字信号的方法

信号要通过光纤传输,必须把模拟信号转换成数字信号,转换的方法可以采取多种方法进行。下面介绍常用的两种方法。

1.1 压频转换方法

压频转换是一种输出频率与输入信号成正比的电路,它是把模拟信号通过V/F变换变换为频率信号,用这个频率信号驱动发光二极管发光。它可以以频率的形式传输模拟信号,能通过光电隔离器,光纤链路,双绞线或同轴电缆和无线电链路传输频率信号使其不受干扰。由于高低压侧需要绝缘,决定用光纤传输,但压频转换的方法当用频率传输信号时在光耦合的时候会出现大的线性误差,影响精度。所以V/F变换的性能会直接影响到精度。

1.2 模数转换的方法

由于压频转换的方法把模拟信号变成数字信号具有速度比较慢的缺点,为了提高转换速度通常用模数转换的方法。常用的速度比较快的模数转换器是逐次逼近式的A/D转换器。对于A/D转换器的要求如下[1]:

功耗小 由于高压侧的信号处理板所需要的电源在高压侧,所以尽量减少电路所需的功耗是一个很重要的问题;

采样率足够高 为了保证信号采样的分辨率,所选用的芯片要有足够高的分辨率;

信号要能串行输入 这是因为高压侧的信号要通过光纤传输,为了减少光纤所用的数量,要减少所用的传输通道,所以用有串行输入口的芯片能简化系统结构,提高系统的可靠性;

电压输入范围应该是双极性的 由于信号输入是双极性信号,就要求模数转换芯片的允许输入信号最好也是双极性的,这样可以避免转换时再对输入信号进行极性转换,从而简化整个电路设计,同时也能提高整个系统工作的可靠性;

保证系统的分辨率 为了保证整个系统的分辨率应该采用高位数的转换芯片。

综合以上的性能要求,系统选用了AD789410芯片。

AD789410可以工作在自动休眠模式和高速采样模式,高速采样模式的时序如图1所示。

在高速采样模式下,在一个最小持续时间为40 ns的低电平CONVST的下降沿到来时,开始转换,与此同时,转换指示信号BUSY变成高电平,转换结束后BUSY转为低电平,BUSY的最低持续时间为5 μs,当转换结束后BUSY由高变低后紧接着在16个串行时钟脉冲SCLK的下降沿的作用下,依次输出16位补码形式的数字信号,其中前两位是数据引导位两个0,后面是14位补码形式的数字,在第16个SCLK的下降沿和下一个转换周期开始,也就是下一个CONVST的下降沿到来时的时间间隔要不能少于250 ns[1]。

在这种模式下,当CONVST的下降沿到来后开始转换[3],同时BUSY变高,这时要保证在CONVST的上升沿到来与BUSY的下降沿之间的间隔为最小10 ns,一旦转换结束就进入休眠状态,这种状态的保持是通过转换结束后保持CONVST为低电平来实现的,在CONVST的上升沿唤醒,在休眠时,当CONVST在低电平的时候仍然可以在SCLK的下降沿的作用下输出16位串行有效数字。采用高速采样模式,因此要保证能生成高速采样模式的时序。

当转换结束后,在16个SCLK的下降沿的作用下,依次读出16位数字,其中最前面是两位0,然后是符号位,后面是数字。理想的编码如表1所示。

其中,FSR是指输入电压范围,这里对于AD789410来说是20 V;

由表1可以看出它的输出是完全补码形式的,其中最高位是符号位,0表示是正数,1表示是负数,然后是13位数字位,一共14位。

2 光纤传输

经过A/D转换后的串行数字信号由于是在高压侧处理的,所以要通过一定的方式传输到低压侧,进行信号数据的处理,并进而恢复成模拟信号,综合考虑到安全和信号传输两个方面的问题,信号传输的通道要起到两个方面的作用。一方面要能顺利地把数字信号从高压侧传到低压侧,实现高低压侧的高速数据通信,另一方面要把高压侧和低压侧进行绝缘,本论文用光纤作为传输通道。

2.1 光纤传输链路的组成

光纤传输链路的各个模块包括光纤传输介质,光源光检测器及其相关的接收机,还有用来连接光缆,光源和光检测器的连接器[4,4]。所在光纤信号传输系统一共由三个部分组成,包括发射驱动器、光纤和接收驱动器三个部分。

光发射器应该包括两部分,一部分是电发送机,它把需要传输的信号变成电信号;另一部分是光源,它把电信号转变成光信号,称为E/O 。

数字光纤通信系统对光源的线性要求不是太高,其光发射器件可以使用线性度较好的半导体发光二极管(LED),也可以使用线性程度较差的半导体激光二极管(LD)。

但是,由于对于标准光纤来说,一般LD的入射光功率在1 mW以上,而LED的入纤光功率只有0.1 mW左右,再加上LD的开关调制速度比LED高许多,这使得LD器件适合使用在长距离、大容量的数字光纤通信系统中,LED器件一般使用在中短距离中小容量的光纤通信系统。

一般情况下的光纤通信系统,它的光源驱动电路和偏置电路应该满足这样的技术要求:

(1) 当温度变化或者是随着使用时间的延长而导致光源器件老化的时候,光器件输出的光脉冲幅度应该保持恒定。

(2) 为了保证一定的接收灵敏度,光发射器件的输出光脉冲的消光比应该有EXT≥10。这里的消光比可能有两种定义方法,第一种方法是定义为光脉冲的“1”、“0”中的幅度之比;第二种定义方法是定义为“1”、“0”的平均功率之比。

(3) 为了使光脉冲信号能准确地重现输入电脉冲信号,光源加上驱动电流脉冲后,光源发射的延迟时间必须小于每位码元的时间。

(4) 光发射驱动电路应该能对光脉冲张驰振荡有阻尼作用。

(5) 光发射器件的可靠性要高,寿命要长。

选用的光发送器件是由奥雷光电有限公司生产的光电收发一体化模块ATR-X5XXL中的光发送部分来完成的。它采用单+5 V供电,输入输出是TTL电平,允许输入的最高低电平是+0.8 V,输入的最低高电平为+2 V,输出的最低高电平是+2.4 V,最高低电平是+0.4 V。这个电平范围是很宽松的,它的封装采用标准的工业9针连接,使用的连接器可以用SC或者是FC,选用数据传输的最高速率为2 Mb/s,最长可以传输20 km的光收发一体化模块。

对于光纤连接器的要求主要有:低耦合损耗、具有互换性、易于装配、低的环境敏感性,同时要求它具有较低的成本和可靠的结构,更重要的是它要连接使用方便,可重复插拔性要好。

ATR-X5XXL光电收发一体化模块可以选用SC或者FC连接器,这里选用FC光纤连接器来完成光纤之间的连接,它的插拔性好,连接可靠。本文采用洛阳航空电器厂光通信器件分厂生产的一种光纤连接器,它的插入损耗是0.12 dB,回波损耗是47 dB,直径是3 mm。

光纤是介质波导结构的传输介质[3]。它的结构是高折射率的纤芯被低折射率的包层所包围,且要求光以大于临界角的角度在光纤的芯包界面处发生全内反射。

2.2 光纤的作用和选择

光纤的主要作用是为光提供一个传输通道,它的正确选择是保证系统长期正常工作的重要保证。当以特征角入射的光线轨迹传播到光纤端面时,光在空气中呈现的角度是进入光纤的光线的最大几何接收角。用数值孔径来表示。通常纤芯和数值孔径越大所得到的耦合效率越高,所以要求纤芯和数值孔径之间要匹配,否则光纤之间的耦合是很困难的,并会产生附加损耗。选择光纤的时候要注意,纤芯的数值孔径要和跳线的数值孔径相匹配。

2.3 所用光纤长度的计算

如图2为光纤连接示意图。

光纤长度的计算要考虑整个系统的光纤通道的损耗,主要有耦合损耗,也就是插入损耗,光纤的传输损耗,和光接收器对驱动光功率的要求。在我们这个光连接系统中如果传输速率超过2 MHz的话,光在其中传输就会发生色散,发生色散的原因和光源的波长及光纤的长度有关,在这个系统中,不需要很高的传输速率,只有不超过5 kHz的速率,这在传输长度不太长的情况下,不超过20 km,色散作用会很小,所以在计算光的传输损耗时,可以不考虑这个损耗,只需要考虑计算光的固有损耗(Power Budget)就行了。

通过分析对所使用的光收发一体化模块的光学和电学特性的分析,可以用式(1)来计算所使用的光纤长度:

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式中:l(max)为可以选择的最大的光纤长度(m);PRL,min为光接收器允许的最小光功率(mW);PT(min)为LED耦合进入光纤的最小耦合功率(mW);OPM为光功率裕度(mW),应该考虑LED老化和供电电压波动等原因;α(min)为最大光纤损耗(dB/m)。这里允许使用的最长距离为20 km。

同时要考虑接收器的动态范围,所谓动态范围是指接收器能敏感的最小光功率和接收器所能承受的最大光功率之差分别用PRL,min和PRL,max来表示。其中,光纤在传输光的过程中所允许使用的最短距离由PRL,max决定,这个最短距离可用式(2)来表示:

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式中,l(min)为可用的最短光纤长度(m);PT(max)为发射管耦合进入光纤的最大光功率(mW);PRL,max为接收管可以承受的最大光功率输入(mW);α(min)为光纤的最小衰减系数(dB/m);本系统允许使用的最短光纤长度为0.5 m。

3 光接收信号处理

光接收部分由光检测器,放大器和信号处理电路组成。它把光纤中传来的光信号转换为电信号,并将其放大。它有数字光接收和模拟光接收两种模式,选用的光接收器件是ATR-X5XXL光收发一体化模块中的接收部分,通过光接收器,可以直接得到一个数字输出电压了。这个数字输出电压也是TTL电平信号。它的高电平的范围为最低高电平为2.4 V,最大可以达到电源电压。低电平的范围为最高允许的低电平为0.4 V,最低为0 V。

为了再现输入的模拟信号波形,需要把这个数字信号通过信号处理变成模拟信号。这个过程是由数模转换器即D/A转换器来完成的。由于A/D789410的十四位输出是完全补码形式的,为了简化电路,同时也防止在操作过程中出现不必要的错误,要求所选用的D/A转换器是能以完全补码串行输入的。与此同时,它的工作时序和工作速度应该和A/D789410相匹配。本文采用AD7840作为D/A转换芯片。

AD7840是十六位补码输入,电压输出方式,满幅度输出电压的范围为±3 V,双电源±5 V供电,外接+3 V的参考输入电压。可以工作在串行和并行模式,它的串行最高工作时钟频率可允许达到6 MHz,典型功耗为70 mW,它的逻辑控制方便,能用简单的数字电路设计工作时序。它采用24引脚双列直插式封装,使用简单。

它的方式控制及读时序如表2所示。

任意输入数字量和模拟电压量之间的关系计算方法如下式所示:

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其中:-8 192≤N≤8 191,VREFIN为AD7840的参考输入,大小为+3 V。

AD7840的最小分辨电压是1LSB=FS/16 384=6/16 384=366 μV,其中6表示它的输出电压的峰-峰值为6 V,16 384是它的最大的可能输入编码。

当AD7840的外围和时序得到了满足后,它就把数字信号转换成模拟信号了。

4 处理结果及分析

4.1 处理结果

4.1.1 万用表测量结果

把光纤传来的数字信号送到它的输入端,用万用表测量的结果如表3所示,最后用双踪示波器得到的结果如图3所示。

4.1.2 示波器观察结果

示波器观察结果如图3所示。

4.2 结果分析

系统分别对信号进行数模和模数转换处理,采用光信号传输,用光纤作为传输信号通道。所设计的系统体积小,重量轻,性能良好,实时性强,可以远距离办公,能实现程序控制,监测手段安全可靠。经过这样的处理和传输后在一定的速率范围内可以达到相对准确的程度,通过示波观察后发现信号基本得到了再现。实践证明这种方法经济实用,且电压越高,经济效益越好。

参考文献

[1]毕然,徐雁,朱明钧,等.用于高压直流的光电电流互感器研究[J].高压电器,2004,40(5):342-344.

[4]Gerd Keiser.光纤通信[M].3版.李玉权,崔敏,蒲涛,等译.北京:电子工业出版社,2002.

[3]陈波.新型光电式电流互感器的研究[D].北京:华北电力大学,2002.

远程光纤监测系统 篇10

关键词:汽轮机组;实时监测;振动分析;故障诊断

中图分类号:TV 734.2+1 文献标志码:A文章编号:1671-7953(2009)04-0095-03

On-line Monitoring and Long-Distance Analysis System for Steam Turbine Generator Sets

QIN Jianming FAN Xin2

(1.School of Electrical Engineering , Henan University of Technology,Zhengzhou 450007,China;2.Henan Electric Power Research Institute,Zhengzhou 450052,China)

Abstract: In order to ensure the safety running of the turbine generator sets, realize online condition monitoring and fault diagnosis of running generator sets and develops a ser of online condition monitoring and fault diagnosis system based Internet. The system is composed of real-time monitoring, data communication, long-distance analysis and the on-line monitoring of the vibration developing process can be realized. Consequently good basis and reliable information for the maintenance and operation of Steam Turbine are provided.

Key words: steam turbine generator sets;real-time monitoring;vibration analysis;fault diagnosis

大型汽轮发电机组已成为我国电网的主力机组,其复杂的结构和特殊的运行环境,导致故障时有发生,尤其是振动问题。尽管一般大型机组都会安装振动监测保护仪表(TSI),但该设备功能相对简单,对于振动异常问题,并不能提供强有力的有效分析手段,因此,安装振动在线监测与分析系统对于机组安全运行有着重要的现实意义。

1 系统总体设计

本系统网络服务站、数据采集站和分析诊断站等部分组成。系统通过能数据采集站连续在线采集现场设备振动波形数据,分别在本地监测诊断节点站和远程诊断中心站进行设备振动状态监测、故障诊断和设备的管理与控制。系统通过局域网、通讯微机、MODEM和电话网,把现场数据传送到远程诊断中心站作进一步的分析诊断,也可把远程中心的分析结果传送到现场。

系统总体结构由三部分构成(如图1):本地监测系统;数据通信系统;远程分析系统。

系统可连续在线采集现场设备振动波形数据、分别在本地监测诊断节点站和远程诊断中心站进行设备振动运行状态监测、故障诊断。根据需要系统可通过通讯微机、MODEM或Internet网,把现场数据传送到远程诊断中心站作进一步的分析判断,也可把远程中心分析结果传送到现场。

2 本地监测系统

该系统基本配置包括传感器、数据采集站、工程师站和数据库服务器等。系统采用分布式模式构建,分为设备层、通讯层和功能层三层结构。传感器和数据采集站组成了设备层,工程师站和数据库服务器组成了功能层。

2.1 设备层

设备层也是系统的硬件部分,直接面向机组设备,以数据采集为核心,通过采样驱动程序,完成各通道的数据采集,并与功能层监测系统进行双向通讯,上传采样数据,为上层系统提供可靠的实时信息。

传感器群负责现场原始信号的拾取、传送,既包括了各轴振、瓦振信号,又包括了与振动相关的一些过程量(如差胀、轴向位移等)。对于装有机组振动监测保护系统(TSI)的机组无须安装振动传感器。

数据采集站实现机组数据采集功能,采集站由前置信号处理器和数据采集工控机组成。前置信号处理器从传感器群接入现场信号,对来自现场传感器群的振动和相关过程信号进行隔离、滤波、抗混滤波、积分、衰减/放大、整形等调理,使得这些信号变为数据采集板能直接采集的标准信号。数据采集工控机选用DAQ2205A/D板作为数据采集板。该采集板为一款基于32位PCI总线的高性能、功能强大的采集板,允许信号64路单端输入或32路双端输入方式;采集板输入端子为两个SCSIV68接口,上面接口为振动量和过程量信号输入口,下面接口为键相、转速信号输入口;采集板具有成组触发采样功能,能很好的实现同步整周期方式采样。数据采集工控机接受前置信号处理器输出的标准信号,完成数据采集,对各信号进行初步处理,并定时将采集数据上传。前置信号处理器的所有振动信号以及部分过程量信号来自电厂BENTLYY3500系统,其余的过程量信号则为来自现场DCS系统变送器输出的1-5V或4-20mA的标准信号。

数据采集站功能主要分成四部分:实时数据采集、数据双向通讯、振动实时显示和实时启停机。

2.2 功能层

功能层对采集信息进行分析处理,主要完成数据处理、数据存储管理、状态分析、故障诊断等功能,是系统的关键部分。

工程师站为厂局域网内任一台机组,可运行振动在线监测与分析软件,具有丰富的图形显示和较强的分析处理功能。软件采用Borland C++ Builder6.0为开发工具,综合应用了汇编语言、动态链接库、多线程、图形处理、数据库等技术。在底层控制软件上应用了汇编语言和调用动态链接库与底层交换信息;上层软件既要实现数据采集又要实现实时显示和处理数据,需要多线程来控制,即启动主线程之后启动辅助线程。程序中创建了一个新线程文件CollectionThread.cpp来实现数据采集功能。软件安装后供运行人员在线监控机组振动情况,软件功能主要有:系统设置、实时监测与分析、启停机记录分析、故障记录分析、报表与统计。系统参数配置关系到数据的采集以及系统的正常运行,设置时一定要慎重。当系统硬件已经安装完毕,则参数的配置一定要与硬件配置保持一致,否则系统不能正常工作。实时监测部分包括实时振动棒图、振动波形图(图2)、振动趋势分析、振动报警监视、频谱分析、轴心轨迹(图3)、相关分析等。

数据库服务器用于存储全厂所有机组的振动数据和相关过程参数,包括实时数据和历史数据。其上运行振动在线监测与分析软件与故障诊断软件。此外,与设备层的通讯以及与其他系统(如MIS系统等)的通讯也在其上完成。

3 数据通信系统

数据通信系统中,本地监测诊断系统中工作站与服务器间距离短的用网卡组成局域网系统,距离长的用MODEM组成局域远程登录系统或通过Internet组成广域监控诊断系统。而与诊断中心服务器的互连采用基于Internet的连接,使得本系统具有很强的开放性和扩展性。

数据通讯接口实现设备层与功能层间的正常通讯,通过以太局域网,将数据采集站所采集的实时数据上传到数据库服务器并保存,同时将系统组态信息动态下载到数据采集站,决定采集站的采集状态和采集方式;实现本系统与厂MIS系统和DCS系统间的数据交流,达到数据共享目的。

4 远程分析系统

远程诊断中心是一个小局域网,由几台PC机组成了网络系统和智能诊断专家系统。它通过Internet与生产现场的监测系统连接,可同时在线监测分析多台机组的运行状态,提供丰富的振动分析软件和故障诊断知识库,并利用功能强大的数据库管理软件,对各种原始数据和分析结果进行存储、备份管理。

系统提供了多种时域、频域以及趋势信号分析算法,对数据库里的历史数据和启停机数据等进行分析,并以直观的分析图表显示,以掌握设备当前状态和变化趋势。

5 结束语

本系统是集数据采集、性能分析、故障诊断、人工智能等技术于一体综合信息处理系统,实现了对大型汽轮发电机组运行状态监测和故障诊断。通过与Internet 的连接,实现了远程监测和诊断。可提高实时处理效率和分析诊断的准确性,为运行人员和设备管理工程师提供了设备运行状况的科学依据,以便及时发现异常情况,保证设备安全可靠经济运行。该系统界面友好,使用简单方便。

参考文献

[1] 蒋东翔,倪维斗,于文虎,等.大型汽轮发电机组远程在线振动监测分析与诊断网络系统[J].动力工程,1999,19(1):49-52.

[2] 李富才,訾艳阳,何正嘉,等.旋转机组分布式在线监测诊断系统[C].2000年全国振动(诊断、模态、噪声)技术及工程应用学术会议论文集,2000.