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基于组态软件与光纤光栅传感手艺的监测系统在铁路上的应用

宣布时间:2010年12月27日 19:12    宣布者:designer
要害词: 光纤 , 光栅传感 , 监测系统 , 铁路 , 组态软件
近年来,高速铁路在我国取得了蓬勃生长。高速铁路的特点是行车密度年夜,是以假定产生事故其组成的效果也会异常严重。保证运转列车的安然成为日趋凸显的主要研究内容。

1 光纤光栅手艺与组态软件的剖析

光纤光栅是应用紫外暴光手艺在光纤芯中惹起折射的周期性变换而组成的。光纤光栅中折射率漫衍的周期性结构,招致某一特定波长光的反射,从而组成光纤光栅的反射谱。反射光的波长对温度、应力和应变敏感,当情形温度、应力或应变发生变换时,光纤光栅反射光的峰值波长漂移,经由历程对波长漂移量的怀抱便可以完成对温度、应力和应变的感测。

组态软件为“组态式监控软件”。“组态”(Configure)的寄义是“装备”、“设定”、“设置”,指用户经由历程类似“搭积木”的简双要领来完资自己所须要的软件功效,而不须要编写盘算机法式模范模范,即所谓的“组态”。“监控”(Supervisory Control)指经由历程盘算机旌旗暗记对自动化装备或历程阻拦监视、控制和治理。

1.1 现实基础

光纤光栅的周期在几百纳米数目级。当某一宽带光源的光入射到光纤光栅中时,折射率漫衍的周期性结构招致某一特定波长光的反射,反射光的波长(即谐振波长)由Bragg公式一定:







光纤光栅应力传感器通常是将光纤光栅附着在某一弹性体上,同时阻拦掩护封装。当弹性体遭到压力时,光纤光栅与弹性体一起发生应变,招致光纤光栅的谐振波长漂移,漂移量由式(2)给出:














从式(3)可以看出,假定已知光纤光栅谐振波长的漂移量和其使命温度的改变量,便可以盘算出光纤光栅的应变。

1.2 物理逻辑模子

光纤光栅感应输入的是波长改变量,必须接纳公用的波长解调装备阻拦波长识别,然后送入盘算机阻拦剖析处置赏罚赏罚和报警。

图1给出了光纤光栅应力传感器与波长解调仪组成的应力丈量系统。




该应力丈量系统主要由宽带光源、光纤光栅应力传感器、基于可调F-P滤波器的波长解调仪和盘算机及软件剖析处置赏罚赏罚系统四部门组成。图中给出等距离漫衍的多个光纤光栅应力传感器,这些光纤光栅通常要阻拦串接。由宽带光源收回的宽带光旌旗暗记经由隔离器和3 dB耦合器传输到串接的传感光栅上,经由这些光纤光栅的波长选择后,一组不合波长的窄带光被反射,反射光再次经由3 dB耦合器由波长解调仪吸收,经由波长解调仪对这些波长阻拦识别,取得一组应力传感信息。当检测传感器外部应力发生变换时,经由历程光栅解调器监测出波长的变换即应力变换以后,输入到盘算机阻拦数据剖析处置赏罚赏罚,最后取得传感器受压漫衍状态,从而断定能否会发生塌方、位移等风险影响,起到报警作用。

波长解调仪由可调F-P滤波器、锯齿波扫描电压发生器、哆嗦旌旗暗记发生器、旌旗暗记混淆器和LP低通滤波器五部门组成。波长解调仪的使命原理是:波长编码的压力传感旌旗暗记输入到可调谐F-P滤波器,当锯齿波驱动F-P滤波器使其透射波峰与光纤光栅反射峰重应时,便可凭证此时的F-P滤波器驱动电压与透射波长关系测得光纤光栅反射峰职位。但由于F-P滤波器输入的透射谱是光栅反射谱与F-P滤波器透射谱的卷积,会使带宽增添,分辨率降低。以是,在扫描电压上加一小的哆嗦电压,其输入经混频和低通滤波器,丈量哆嗦频率,在旌旗暗记为零时,所测得数据即为光栅的反射峰值波长。

1.3 组态软件


组态软件(Configuration)为模块化随便任性组合,软件网罗系统组态软件平台和应用软件平台两部门。操作系统可随便任性选用Window NT、Linux、Unix等。群集传输统一接纳TCP/IP协定。在系统软件的基础上培植应用软件的支持平台,即漫衍式实时运转情形。网罗漫衍式系统治理与监视、基于内存的实时数据库、实时数据库组态工具、基于OPENGL的三维图形组态工具、多条理多协定群集通讯结构等。在组态平台之上二次开发应用软件平台周全培植在开放的国际工业尺度基础上,须要具有优胜的开放性。推敲系统的开发性,接纳商业数据库,而且应用系统的开放性设计需具有多条理特点,为多方位、多条理一连拓展系统功效供应坚实的基础。

组态软件平台的条理结构分为操作系统(可选Windows、Linux、Unix等)、实时运转情形(网罗实时数据库、实时数据库组态工具、关系数据库、多条理/多协定群集接口三部门)、图形组态和数据库掩护和SCADA应用功效四部门。

2 系兼顾划

2.1 系统逻辑功效

铁路在线监测系统网罗数据丈量系统和数据治理与剖析两年夜子系统。其中,数据丈量系统由传感器子系统和数据搜集与传输子系统无机地组成;数据治理与剖析系统网罗监测数据治理子系统和数据剖析处置赏罚赏罚子系统。系统逻辑功效如图2所示。





传感器子系统由漫衍在现场的传感器组成,主要网罗光纤温度、应变、压力、位移、振动传感器,光纤传感剖析仪凭证现场监测点的若干可以装备不合通道的仪器。传感看主要漫衍在牵引变电站的电力开关柜、电缆谈论辩说、变压器、互感器等输变电装备上,用来在线测温及自动报警,尚有漫衍在桥梁、铁路轨道、铁路隧道等土木匠程结构里,用来应力变形结构的安然监测。

数据搜集子系统由光纤光栅剖析仪完成,将光纤光栅剖析仪接入现场的传感器,仪器剖析光纤光栅中折射率漫衍的周期性结构,招致某一特定波长光的反射,从而组成光纤光栅的反射谱。反射光的波长对温度、应力和应变敏感,当情形温度、应力或应变发生变换时,光纤光栅反射光的峰值波长漂移,经由历程对波长漂移量的怀抱便可以完成对温度、应力和应变的感测。感测的数据经由历程数据传输系统传输给数据处置赏罚赏罚和控制系统。

数据传输系统是光纤光栅剖析仪与监控系统的通讯通道,在具有有线传输的场所可以推敲光纤(例如在牵引变或分区所),通道稳固可靠;在不具有条件的场所(例如隧道、桥梁等),可以接纳无线要领,虽然通道的质量会差一些,但对在线监测系统照样可以知足需求。

数据处置赏罚赏罚与控制系统,为了保证系统的实时性、稳固性接纳组态软件,系统具有实时数据搜集、数据越限处置赏罚赏罚、历史数据接纳、事故采样、事故追想等功效,在实时系统之上配有决议妄图支持系统,赞助调剂职员对现场情形迅速、准确地做出断定。

2.2 系统结构

整系一切结构如图3所示。



(1)在每个被检测装备的外部装配若干个光纤光栅传感器,搜集现场信息;

(2)在相对集中的监测现场设置主控室或主控箱体,用来安置光纤光栅剖析仪和通讯装备,对温度、应力和应变的感测信息数据阻拦剖析、预警申报及数据传输;

(3)主站调剂系统经由历程不合的传输通道(光纤、微波、载波、GPRS等)凭证一定的传输协定搜集漫衍在各个现场(铁轨、铁路桥梁、铁路隧道、铁路牵引变电站等)的光纤光栅剖析仪的数据,由调剂系统对实时现场数据阻拦告警、采样等处置赏罚赏罚,由决议妄图支持系统协助调剂职员提出预知妄图。

2.3 牵引变测温系统

以牵引变测温系统为例对系统物理结构及现场装配情形阻拦详细形貌,如图4所示。




系统各部门的功效形貌:

(1)光纤光栅温度传感器:部署在高压开关柜内,搜集温度旌旗暗记;

(2)传输系统:将温度传感器旌旗暗记传到控制室内的光纤光栅解调仪;

(3)光纤光栅旌旗暗记解调系统:对温度旌旗暗记阻拦解调,供应现场温度的实时信息;

(4)系统软件:给所有系统的运转供应软件支持。

综上所述,光纤光栅传感手艺在铁路安然防护上具有很高的应用价值,现实证着实线监测系统比以往传统的铁路安然巡检更安然、快捷,会带来更年夜的经济效益和更好的社会效应。特殊接纳了多种通讯手艺和应用了组态软件与决议妄图支持系统,为调剂员的决议妄图供应了安然保证。
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