鋼索預應力監測的集線器測量結構及其控制系統的設計

曾科

【摘 要】本文介紹了一種應用于鋼索預應力健康監測的測量結構，以單片機、現代通信技術為核心，運用計算機LabWindows編程技術，實現對預應力工程結構進行預應力的力值監測。

【關鍵詞】鋼索預應力監測；集線器；LabWindows

0 引言

斜拉橋的斜拉索、系桿拱橋的吊桿和系桿、懸索橋的纜索體系、預應力結構的體外索和預應力鋼筋等是工程結構的關鍵受力構件之一，素有“生命線”之稱，其服役狀況直接關系到橋梁等工程結構的安全運營與使用壽命。在對這些工程結構進行安全健康監測[1]過程中，需要在鋼索上安裝大量磁通量傳感器，再用預應力測量儀表對磁通量傳感器[2]進行操作測量各鋼索的力值。由于工程結構的鋼索力值產生變化是一個長期的過程，因此鋼索力值監測實時要求不高，每天測量2～3次就可以了。為了降低成本，減少測量儀表的數量，用一臺或少量儀表測量多個傳感器的集線器結構及其控制系統成為必要。

1 結構原理

在對預應力工程結構進行預應力的力值監測過程中，為了了解整個工程結構的安全健康情況，需要上百甚至幾百個測量點的數據為依據進行分析，為了避免傳統一臺預應力測量儀表配一個磁通量傳感器的測量結構方式，因此采用集線器、RS485通訊、總線控制、時分測量等技術，設計一集線器結構及其控制系統實現預應力的測量，其結構框圖如圖1：

圖1 結構框圖

根據一臺預應力儀表測量操作只能同時測一個磁通量傳感器的要求，測量具有唯一性。在結構框圖（圖1）中，虛線部分為傳感器集線器及控制系統，作為一個子系統，上位機通過485通訊線給預應力儀表和集線控制器發出操作指令。首先，集線控制器根據操作指令通過控制總線輸出信號控制集線器，多個集線器根據唯一性要求接通某一路通道把儀表和傳感器間的電氣連線聯通起來，并把其他的通道斷開，完成操作后對應的控制器通過485通訊線返回準備好指令；其次，上位機收到準備好指令后發出測量操作指令，預應力儀表根據操作指令開始進行測量操作，完成測量操作后返回測量數據給上位機。通過上述過程，可以完成所有磁通量傳感器的測量。

2 硬件設計

整個系統以插箱模塊化設計，包括兩種類型的模塊：控制器模塊和集線器模塊，配以一塊插槽地板。一塊控制器模塊可按需要搭配不同數量的集線器，最大可達8塊集線器模塊，每個集線器模塊可接8個磁通量傳感器，一個子系統最大可控制64個傳感器。通過485總線連接，可由多個子系統組成一個大系統。子系統插箱結構圖如圖2，以5個集線器為例。

圖2 插箱結構圖

在插箱結構圖（圖2）中，由于磁通量傳感器有3組電信號（初級高壓、次級信號、溫度傳感器信號），傳感器接頭共6根線，選用快速插拔接頭，集線控制器模塊的傳感器接頭連接磁通量脈沖儀表，集線器模塊的傳感器接頭直接接磁通量傳感器；485及電源接頭也是選用快速插拔接頭，2根線24V電源線，2根485通訊線。

2.1 控制器模塊

控制器模塊實現接收上位機指令，處理指令并通過控制總線控制集線器，并對傳感器信號作保護，其結構框圖如圖3。

圖3 控制結構圖

在控制器結構圖（圖3）中，傳感器接頭連接到儀表傳感器接口，485接頭連接到上位機，6根傳感器通路直接導通到連接器1，中間有高壓保護和浪涌保護電路，連接器1通過底板連接到集線器；485總線信號經過通訊電路模塊轉換電氣信號進入單片機系統，單片機系統處理[3]從上位機下達的指令，判斷是否是本子系統的指令，如果不是則不處理，如果是本子系統指令，根據指令內容單片機系統發出控制總線信號，經過總線驅動后，通過連接器連接到集線器，最后返回應答指令。

2.2 集線器模塊

集線器起到傳感器和儀表連線的開關作用，根據控制器發出的控制信號控制開關的開通與關斷，其結構圖如圖4：

圖4 集線器結構圖

在集線器結構圖（圖4）中，控制總線信號經連接器1進來，輸入到地址比較器和邏輯控制器，地址比較器判斷是否本集線器的開關模塊需要接通，把判斷結果信號提供給邏輯控制器，邏輯控制器根據判斷結果信號和控制總線信號得出8個開關模塊的8個控制信號，8個控制信號最多只有一個為接通開關模塊，如果不是本集線器的開關模塊需要接通，8個開關模塊全部斷開，如果是則有一個開關模塊接通，控制信號經過驅動電路后控制8個開關模塊的動作。傳感器線由連接器輸入后直接連接8個開關模塊，每個開關模塊由3組6個開關組成，其中傳感器初級信號線為100～400V電壓、最大16A電流的信號，開關模塊中控制傳感器初級信號線的2個開關為高壓大電流開關，其余4個開關為普通開關，每個開關模塊分別與8個傳感器接頭連接。

3 軟件設計

上位機軟件采用LabWindows[4]編程，構建成安裝包在工控機或普通電腦上安裝運行，軟件通過RS485通訊鏈路控制整個硬件系統的測量操作，如果RS485采用無線通訊或GPS通訊形式，可實現系統的遠程測量操作，軟件主界面如圖5：

圖5 上位機軟件主界面

上位機軟件主界面（圖5）分為3個操作區域：單傳感器測量、多傳感器測量和通訊設置。其中，單傳感器測量區域，可進行一個傳感器的測量操作，方便單個傳感器的測試操作；多傳感器測量區域，進行多個或多次傳感器循序測量的操作，可添加或刪除傳感器；通訊設置區域，設置RS485通訊的參數。

4 結束語

本文提及的集線器測量結構及控制系統具有結構簡單、易于維護、成本低等的優點，特別適用于變量緩慢變化、實時性不高的測量系統，與傳統的測量結構比較具有明顯的優勢。目前，在橋梁纜索體系的健康檢測中有多個成功應用案例。

【參考文獻】

[1]李鵬飛，吳太成.橋梁健康監測技術研究綜述[J].預應力技術，2011（1）：29-33.

[2]鄧年春，龍躍，等.磁通量傳感器及其在橋梁工程的應用[J].預應力技術，2008（2）：17-20.

[3]趙建領.51系列單片機開發寶典[M].北京：電子工業出版社，2007，4.

[4]王建新，隋美麗.LabWindows/CVI虛擬儀器測試技術及工程應用[M].北京：化工工業出版社，2011，8.

[責任編輯：湯靜]

【摘 要】本文介紹了一種應用于鋼索預應力健康監測的測量結構，以單片機、現代通信技術為核心，運用計算機LabWindows編程技術，實現對預應力工程結構進行預應力的力值監測。

【關鍵詞】鋼索預應力監測；集線器；LabWindows

0 引言

斜拉橋的斜拉索、系桿拱橋的吊桿和系桿、懸索橋的纜索體系、預應力結構的體外索和預應力鋼筋等是工程結構的關鍵受力構件之一，素有“生命線”之稱，其服役狀況直接關系到橋梁等工程結構的安全運營與使用壽命。在對這些工程結構進行安全健康監測[1]過程中，需要在鋼索上安裝大量磁通量傳感器，再用預應力測量儀表對磁通量傳感器[2]進行操作測量各鋼索的力值。由于工程結構的鋼索力值產生變化是一個長期的過程，因此鋼索力值監測實時要求不高，每天測量2～3次就可以了。為了降低成本，減少測量儀表的數量，用一臺或少量儀表測量多個傳感器的集線器結構及其控制系統成為必要。

1 結構原理

在對預應力工程結構進行預應力的力值監測過程中，為了了解整個工程結構的安全健康情況，需要上百甚至幾百個測量點的數據為依據進行分析，為了避免傳統一臺預應力測量儀表配一個磁通量傳感器的測量結構方式，因此采用集線器、RS485通訊、總線控制、時分測量等技術，設計一集線器結構及其控制系統實現預應力的測量，其結構框圖如圖1：

圖1 結構框圖

根據一臺預應力儀表測量操作只能同時測一個磁通量傳感器的要求，測量具有唯一性。在結構框圖（圖1）中，虛線部分為傳感器集線器及控制系統，作為一個子系統，上位機通過485通訊線給預應力儀表和集線控制器發出操作指令。首先，集線控制器根據操作指令通過控制總線輸出信號控制集線器，多個集線器根據唯一性要求接通某一路通道把儀表和傳感器間的電氣連線聯通起來，并把其他的通道斷開，完成操作后對應的控制器通過485通訊線返回準備好指令；其次，上位機收到準備好指令后發出測量操作指令，預應力儀表根據操作指令開始進行測量操作，完成測量操作后返回測量數據給上位機。通過上述過程，可以完成所有磁通量傳感器的測量。

2 硬件設計

整個系統以插箱模塊化設計，包括兩種類型的模塊：控制器模塊和集線器模塊，配以一塊插槽地板。一塊控制器模塊可按需要搭配不同數量的集線器，最大可達8塊集線器模塊，每個集線器模塊可接8個磁通量傳感器，一個子系統最大可控制64個傳感器。通過485總線連接，可由多個子系統組成一個大系統。子系統插箱結構圖如圖2，以5個集線器為例。

圖2 插箱結構圖

在插箱結構圖（圖2）中，由于磁通量傳感器有3組電信號（初級高壓、次級信號、溫度傳感器信號），傳感器接頭共6根線，選用快速插拔接頭，集線控制器模塊的傳感器接頭連接磁通量脈沖儀表，集線器模塊的傳感器接頭直接接磁通量傳感器；485及電源接頭也是選用快速插拔接頭，2根線24V電源線，2根485通訊線。

2.1 控制器模塊

控制器模塊實現接收上位機指令，處理指令并通過控制總線控制集線器，并對傳感器信號作保護，其結構框圖如圖3。

圖3 控制結構圖

在控制器結構圖（圖3）中，傳感器接頭連接到儀表傳感器接口，485接頭連接到上位機，6根傳感器通路直接導通到連接器1，中間有高壓保護和浪涌保護電路，連接器1通過底板連接到集線器；485總線信號經過通訊電路模塊轉換電氣信號進入單片機系統，單片機系統處理[3]從上位機下達的指令，判斷是否是本子系統的指令，如果不是則不處理，如果是本子系統指令，根據指令內容單片機系統發出控制總線信號，經過總線驅動后，通過連接器連接到集線器，最后返回應答指令。

2.2 集線器模塊

集線器起到傳感器和儀表連線的開關作用，根據控制器發出的控制信號控制開關的開通與關斷，其結構圖如圖4：

圖4 集線器結構圖

在集線器結構圖（圖4）中，控制總線信號經連接器1進來，輸入到地址比較器和邏輯控制器，地址比較器判斷是否本集線器的開關模塊需要接通，把判斷結果信號提供給邏輯控制器，邏輯控制器根據判斷結果信號和控制總線信號得出8個開關模塊的8個控制信號，8個控制信號最多只有一個為接通開關模塊，如果不是本集線器的開關模塊需要接通，8個開關模塊全部斷開，如果是則有一個開關模塊接通，控制信號經過驅動電路后控制8個開關模塊的動作。傳感器線由連接器輸入后直接連接8個開關模塊，每個開關模塊由3組6個開關組成，其中傳感器初級信號線為100～400V電壓、最大16A電流的信號，開關模塊中控制傳感器初級信號線的2個開關為高壓大電流開關，其余4個開關為普通開關，每個開關模塊分別與8個傳感器接頭連接。

3 軟件設計

上位機軟件采用LabWindows[4]編程，構建成安裝包在工控機或普通電腦上安裝運行，軟件通過RS485通訊鏈路控制整個硬件系統的測量操作，如果RS485采用無線通訊或GPS通訊形式，可實現系統的遠程測量操作，軟件主界面如圖5：

圖5 上位機軟件主界面

上位機軟件主界面（圖5）分為3個操作區域：單傳感器測量、多傳感器測量和通訊設置。其中，單傳感器測量區域，可進行一個傳感器的測量操作，方便單個傳感器的測試操作；多傳感器測量區域，進行多個或多次傳感器循序測量的操作，可添加或刪除傳感器；通訊設置區域，設置RS485通訊的參數。

4 結束語

本文提及的集線器測量結構及控制系統具有結構簡單、易于維護、成本低等的優點，特別適用于變量緩慢變化、實時性不高的測量系統，與傳統的測量結構比較具有明顯的優勢。目前，在橋梁纜索體系的健康檢測中有多個成功應用案例。

【參考文獻】

[1]李鵬飛，吳太成.橋梁健康監測技術研究綜述[J].預應力技術，2011（1）：29-33.

[2]鄧年春，龍躍，等.磁通量傳感器及其在橋梁工程的應用[J].預應力技術，2008（2）：17-20.

[3]趙建領.51系列單片機開發寶典[M].北京：電子工業出版社，2007，4.

[4]王建新，隋美麗.LabWindows/CVI虛擬儀器測試技術及工程應用[M].北京：化工工業出版社，2011，8.

[責任編輯：湯靜]

【摘 要】本文介紹了一種應用于鋼索預應力健康監測的測量結構，以單片機、現代通信技術為核心，運用計算機LabWindows編程技術，實現對預應力工程結構進行預應力的力值監測。

【關鍵詞】鋼索預應力監測；集線器；LabWindows

0 引言

斜拉橋的斜拉索、系桿拱橋的吊桿和系桿、懸索橋的纜索體系、預應力結構的體外索和預應力鋼筋等是工程結構的關鍵受力構件之一，素有“生命線”之稱，其服役狀況直接關系到橋梁等工程結構的安全運營與使用壽命。在對這些工程結構進行安全健康監測[1]過程中，需要在鋼索上安裝大量磁通量傳感器，再用預應力測量儀表對磁通量傳感器[2]進行操作測量各鋼索的力值。由于工程結構的鋼索力值產生變化是一個長期的過程，因此鋼索力值監測實時要求不高，每天測量2～3次就可以了。為了降低成本，減少測量儀表的數量，用一臺或少量儀表測量多個傳感器的集線器結構及其控制系統成為必要。

1 結構原理

在對預應力工程結構進行預應力的力值監測過程中，為了了解整個工程結構的安全健康情況，需要上百甚至幾百個測量點的數據為依據進行分析，為了避免傳統一臺預應力測量儀表配一個磁通量傳感器的測量結構方式，因此采用集線器、RS485通訊、總線控制、時分測量等技術，設計一集線器結構及其控制系統實現預應力的測量，其結構框圖如圖1：

圖1 結構框圖

根據一臺預應力儀表測量操作只能同時測一個磁通量傳感器的要求，測量具有唯一性。在結構框圖（圖1）中，虛線部分為傳感器集線器及控制系統，作為一個子系統，上位機通過485通訊線給預應力儀表和集線控制器發出操作指令。首先，集線控制器根據操作指令通過控制總線輸出信號控制集線器，多個集線器根據唯一性要求接通某一路通道把儀表和傳感器間的電氣連線聯通起來，并把其他的通道斷開，完成操作后對應的控制器通過485通訊線返回準備好指令；其次，上位機收到準備好指令后發出測量操作指令，預應力儀表根據操作指令開始進行測量操作，完成測量操作后返回測量數據給上位機。通過上述過程，可以完成所有磁通量傳感器的測量。

2 硬件設計

整個系統以插箱模塊化設計，包括兩種類型的模塊：控制器模塊和集線器模塊，配以一塊插槽地板。一塊控制器模塊可按需要搭配不同數量的集線器，最大可達8塊集線器模塊，每個集線器模塊可接8個磁通量傳感器，一個子系統最大可控制64個傳感器。通過485總線連接，可由多個子系統組成一個大系統。子系統插箱結構圖如圖2，以5個集線器為例。

圖2 插箱結構圖

在插箱結構圖（圖2）中，由于磁通量傳感器有3組電信號（初級高壓、次級信號、溫度傳感器信號），傳感器接頭共6根線，選用快速插拔接頭，集線控制器模塊的傳感器接頭連接磁通量脈沖儀表，集線器模塊的傳感器接頭直接接磁通量傳感器；485及電源接頭也是選用快速插拔接頭，2根線24V電源線，2根485通訊線。

2.1 控制器模塊

控制器模塊實現接收上位機指令，處理指令并通過控制總線控制集線器，并對傳感器信號作保護，其結構框圖如圖3。

圖3 控制結構圖

在控制器結構圖（圖3）中，傳感器接頭連接到儀表傳感器接口，485接頭連接到上位機，6根傳感器通路直接導通到連接器1，中間有高壓保護和浪涌保護電路，連接器1通過底板連接到集線器；485總線信號經過通訊電路模塊轉換電氣信號進入單片機系統，單片機系統處理[3]從上位機下達的指令，判斷是否是本子系統的指令，如果不是則不處理，如果是本子系統指令，根據指令內容單片機系統發出控制總線信號，經過總線驅動后，通過連接器連接到集線器，最后返回應答指令。

2.2 集線器模塊

集線器起到傳感器和儀表連線的開關作用，根據控制器發出的控制信號控制開關的開通與關斷，其結構圖如圖4：

圖4 集線器結構圖

在集線器結構圖（圖4）中，控制總線信號經連接器1進來，輸入到地址比較器和邏輯控制器，地址比較器判斷是否本集線器的開關模塊需要接通，把判斷結果信號提供給邏輯控制器，邏輯控制器根據判斷結果信號和控制總線信號得出8個開關模塊的8個控制信號，8個控制信號最多只有一個為接通開關模塊，如果不是本集線器的開關模塊需要接通，8個開關模塊全部斷開，如果是則有一個開關模塊接通，控制信號經過驅動電路后控制8個開關模塊的動作。傳感器線由連接器輸入后直接連接8個開關模塊，每個開關模塊由3組6個開關組成，其中傳感器初級信號線為100～400V電壓、最大16A電流的信號，開關模塊中控制傳感器初級信號線的2個開關為高壓大電流開關，其余4個開關為普通開關，每個開關模塊分別與8個傳感器接頭連接。

3 軟件設計

上位機軟件采用LabWindows[4]編程，構建成安裝包在工控機或普通電腦上安裝運行，軟件通過RS485通訊鏈路控制整個硬件系統的測量操作，如果RS485采用無線通訊或GPS通訊形式，可實現系統的遠程測量操作，軟件主界面如圖5：

圖5 上位機軟件主界面

上位機軟件主界面（圖5）分為3個操作區域：單傳感器測量、多傳感器測量和通訊設置。其中，單傳感器測量區域，可進行一個傳感器的測量操作，方便單個傳感器的測試操作；多傳感器測量區域，進行多個或多次傳感器循序測量的操作，可添加或刪除傳感器；通訊設置區域，設置RS485通訊的參數。

4 結束語

本文提及的集線器測量結構及控制系統具有結構簡單、易于維護、成本低等的優點，特別適用于變量緩慢變化、實時性不高的測量系統，與傳統的測量結構比較具有明顯的優勢。目前，在橋梁纜索體系的健康檢測中有多個成功應用案例。

【參考文獻】

[1]李鵬飛，吳太成.橋梁健康監測技術研究綜述[J].預應力技術，2011（1）：29-33.

[2]鄧年春，龍躍，等.磁通量傳感器及其在橋梁工程的應用[J].預應力技術，2008（2）：17-20.

[3]趙建領.51系列單片機開發寶典[M].北京：電子工業出版社，2007，4.

[4]王建新，隋美麗.LabWindows/CVI虛擬儀器測試技術及工程應用[M].北京：化工工業出版社，2011，8.

[責任編輯：湯靜]