適用于微機電式固定測斜儀的自動化數據采集設備研發

王當強 何軍 劉佳

1.南水北調中線干線工程建設管理局，中國·北京 100038

2.中水東北勘測設計研究有限責任公司，中國·吉林 長春 130061

1 引言

南水北調中線干線工程安全監測自動化系統是“南水北調中線干線工程自動化調度與運行管理決策支持系統”一個重要的子系統。工程安全監測應用系統是一個以信息采集、通信傳輸、計算機網絡、數據庫、多媒體應用、人工智能和工程安全分析技術為基礎，采用B/S和C/S混合方式，實現不同功能需求，為中線干線工程提供服務的安全監測決策支持系統。現場采集系統是該系統重要組成部分，需要為系統提供準確及時的數據進行分析研判。南水北調沿線埋設的微機電式固定測斜儀也是目前測量位移的主要手段，但是目前已安裝的采集單元對于測量微機電式固定測斜儀準確度不高，為此我們研發了DB4000型DAU（多功能數據采集單元），該采集單元每個通道可以單獨為固定測斜儀供電，并且增加了采集每支儀器的采集響應時間，從而保證了微機電式固定測斜儀數據采集的準確性，為系統后續的分析提供了最基礎的數據保障。

2 研發需求

南水北調安全監測現場采集系統包括自動數據采集系統、供電系統、通訊系統以及防雷接地系統。其中，自動采集單元包括CR1000主機，世界最先進技術的振弦激勵測量模塊AVW200，網絡通訊模塊NL120，有線通訊模塊MD485，具備后備電池、可接入太陽能的電源管理模塊PS100，一個或兩個GK-8032多路集線器或者AM16/32集線器以及不銹鋼防水機箱等。

微機電式固定測斜儀用于長期測量大壩、邊坡等結構的變形。在進行測量時需要為儀器提供12V的直流電源，然后進行讀數，測值為電壓信號。在南水北調安全監測自動化系統中采集單元為微機電式固定測斜儀提供的電源方式分為兩種：一種是通過CR1000的SW12端口進行供電，該種方式只是在測量時給傳感器供電；另一種通過電源模塊PS100的輸出端給所有傳感器供電，該種方式給傳感器長期供電。

在系統運行維護過程中發現以上兩種供電方式自動化測值與人工測值差值較大，通過現場測試對差值較大的原因進行了分析探討。焦作管理處山門河暗渠出口測站MCU4內接入的是固定測斜儀，通過改變供電模式進行測試，一是用CR1000的SW12端口或者PS100的輸出端單獨只為一支傳感器（CH8通道傳感器）供電，二是用CR1000的SW12端口或者PS100的輸出端為接入MCU的所有傳感器同時供電。按照以上兩種供電方法對CH8通道傳感器進行了數據采集，結果是單獨只為一支傳感器供電時傳感器的自動化測值與人工測值基本一致。

通過上述測試可以看出，所有傳感器通過CR1000的SW12端口供電或者由PS100輸出端供電時驅動電流不夠，傳感器未被激活，自動化采集的數據均為噪聲，不是真實的電壓信號；而現有的采集設備不能實現為每一支傳感器單獨供電。所以，新研發的數據采集單元需要為每個通道單獨供電，且需要采集響應時間要加長，這樣才能保證微機電式固定測斜儀自動化測值的準確性[1]。另外，為每支傳感器單獨供電還可以避免因一支傳感器故障而造成所有接入MCU的傳感器無法采集到數據。

3 自動化數據采集設備

3.1 硬件設計

DB4000型DAU由主控模塊、采集子模塊、通道子模塊、連接器、接線板幾部分組成。可以對振弦式、電阻式、電壓式、差阻式等各類型傳感器進行數據采集，系統結構示意圖如圖1所示。

圖1 DAU內部結構示意圖

主控模塊：是DAU的核心部件，向上通過外部RS-485總線與上位機相連，接受上位機控制；向下通過內部RS-485總線與采集子模塊、通道子模塊相連，協調子模塊工作。當接收到采集命令時，主控模塊控制通道子模塊，將某一傳感器引線接入內部傳感器總線，控制采集子模塊采集該傳感器數據，并將數據讀回主控模塊，在主控模塊上顯示、保存觀測數據，以備上位機讀取。

主控模塊為子模塊提供電源，有現場的人機交互功能。

采集子模塊：通過內部通訊總線與主控模塊相連，接受主控模塊控制，通過內部傳感器總線與通道子模塊相連，采集通道子模塊選擇的傳感器的數據。可采集振弦式儀器、電阻式儀器、電壓式儀器、差阻式儀器等。

通道子模塊：通過內部通訊總線與主控模塊相連，接受主控模塊控制，該子模塊除了控制通道切換外還控制連接器的“連接”與“斷開”。當接收到主控模塊的控制命令后，將某通道連接的傳感器引線切換到內部傳感器總線，以供采集子模塊采集數據。

可顯示通道號，現場可人工操作切換傳感器引線到人工接口，使用常規讀數儀測讀數據。

連接器：連接器是為了防雷而設置的裝置，不觀測時連接器處于斷開狀態，所有傳感器引線與通道子模塊分開，距離約20mm，利用電氣間隙使兩者隔離，防止雷電流由此流過。觀測時連接器處于連接狀態，所有傳感器引線接入到通道子模塊，以便數據采集。連接器的連接與斷開受通道子模塊控制，由微型電機驅動。

接線板：傳感器引線進入DAU的接入點，DAU為每支傳感器提供了6個接線端子，可混合接入不同類型的傳感器。

內部傳感器總線：由6根線組成，命名為W1、W2、W3、W4、W5和W6。

接入振弦式儀器時，W1、W2線接入振弦，W3、W4線接入熱敏電阻，W5、W6未用。

接入電阻式儀器時，W1、W2線接入一支電阻，W3、W4線接入另一支電阻，W5、W6未用。

接入電壓式儀器時，W1、W2線為一路電壓，W3、W4線為另一路電壓，W5、W6線可以選擇為傳感器供電，也可以選擇不用（在通道配置時可以選擇）。

接入差阻式儀器時，W1、W2、W3、W4、W5線接入五線式差阻式傳感器，W6未用。

內部傳感器總線接入傳感器的類型由主控模塊告知采集子模塊，采集子模塊按類型進行數據采集。當接入的傳感器需要供電時可在通道切換子模塊上設置，供電控制繼電器吸荷時可為傳感器供電，如圖2所示。

圖2 內部傳感器總線示意圖

3.2 軟件設計

需要外供電的微機電式固定測斜儀，從上電到穩定輸出信號需要一個過程，所有傳感器統一供電，可以縮短采集時間，但統一供電需要電源的功率較大，并且一支傳感器有短路故障會影響其他傳感器的供電。所以，我們在電路設計上采用了為每支傳感器單獨供電，在程序設計上為每支傳感器從上電到穩定留了足夠的時間（約2s），這樣雖然采集時間要長一些，但有效地降低了對電源功率的要求，還解決了單支傳感器故障對整個DAU數據采集的影響。

4 自動化采集設備應用

自動化采集設備研發測試完成后，對衛輝管理處潞王墳試驗斷面測站、焦作管理處山門河暗渠出口觀測站、焦作測站9、鄭州管理處賈峪河出口觀測站、禹州測站2測量微機電式固定測斜儀的原采集單元進行更換測試，現場安裝情況如圖3所示，并且該設備也應用在鄭州管理處蓬式圍堰試驗項目測量電壓式位移計，并且測值穩定、可靠，為項目提供及時有效的分析數據，現場安裝圖如圖4所示。

圖3 現場安裝的新研發的采集設備圖

圖4 圍堰項目現場安裝采集設備圖

經過現場測試，更換研發的自動化采集設備后，設備工作可靠，測量的自動化數據連續穩定，典型過程曲線圖見如圖5所示。

圖5 SY0+300左右岸固定測斜儀孔口累計位移變化過程線圖

同時，對更換采集設備后采集的自動化數據與在同一時間、同一條件人工數據進行比對，比對結果滿足相關規范的要求，部分微機電式固定測斜儀人工自動化比對結果如表1所示。

表1 潞王墳試驗斷面1微機電式固定測斜儀人工自動化數據比對表

5 結語

研發的自動采集設備已經在幾個工程中進行了實踐，經過不斷地改進和發展，現已比較成熟，一些難點逐漸克服并形成了自己的特色[2]。

第一，對南水北調埋設有微機電式固定測斜儀的安全監測站內的采集設備更換為新研發的DB4000，經長期測試，采集設備穩定性良好，采集的自動化數據與人工數據比對滿足《大壩安全監測自動化技術規范（DL/T5211—2005）》的技術要求。

第二，功能齊備，不僅適用于微機電式固定測斜儀的測量，也適用于其他各類傳感器的測量工作，并且每個接線板可以混合接入不同類型的傳感器，便于現場自動化系統配置及集成工作的開展。

第三，該數據采集單元帶有液晶屏顯示及操作按鍵，可現場顯示工作狀態、控制信息、采集的觀測數據[3]，還可現場設置通道參數等。同時，設有人工觀測接口使得現場操作人員隨時可以進行半自動化人工測量，更加快捷方便。