分布式监测诊断系统（共10篇）
分布式监测诊断系统 篇1
摘要：讨论了在设备监测诊断系统中应用Web技术的优越性, 分析了其应用系统的组成和特点, 并提出了以web服务器、数据库服务器、浏览器为基础的分布式设备监测诊断系统构成模型, 讨论了实现的关键技术——web服务器和数据库的接口问题。
关键词：监测诊断系统,Web服务器,数据库
1、引言
随着Internet的发展, 时间和空间的距离大大缩短, 为企业网络与集成自动化的发展提供了可能, 也为状态监测与故障诊断的网络化发展提供了新的机遇。本文简单介绍了web应用系统, 进而提出了一种建立基于Web的分布式设备监测诊断系统构成模型。
2、基于Web的应用系统
Web服务系统由客户机/服务器模式上扩充而成, 主要包括:用户界面的重心由Windows转为Browers;网络通讯规程被统一为TCP/IP;分布式计算机结构由单一的两个层次扩展到由客户、数据库服务器、应用服务器组成的三个层次, 并由浏览器及Web服务器的加入进一步扩展为N个层次。Web服务系统由四个要素构成, 包括Web服务器、服务器组件、数据库服务器和浏览器。其新型的、以服务器为中心的结构体系使企业摆脱了以往那种需要密集人力、高成本的操作及管理方式, 把注意力集中到如何建立高效灵活的应用系统上。它立足于数据库服务器的能力、可管理性以及提供必需数据的灵活性。
2.1 Web服务器
Web服务器是Web环境的主角。过去主要用于存储及管理公众的网站, 现在正成为一种独立应用系统的开发及安装环境, 管理和控制其中的网站和组件, 并产生应用服务器 (主要承担运行应用系统的任务) 。这一变化把复杂的“胖”PC客户环境改造为“瘦”客户端, 把复杂的应用程序移到服务器上。
2.2 组件
组件是一种可重复调用的软件块, 它把维护及操作某一类信息的程序集中在一起独立成块。应用系统通过预先定义好的界面来调用执行组件, 调用时无须用到它的源代码。组件可以简单如单一的类 (Class) , 也可以复杂如完整的应用服务处理。组件与调用它的应用程序一起构成Container系统, 它提供了一种执行服务器组件的运行环境, 如IBM的Component Broker。该系统把传统实时业务处理的稳定性和分布式组件的灵活、可重复调用性结合在一起。
3、数据库服务器
数据库服务器是大型数据库系统, 除具有数据库一般特征外, 还具有如下优越之处:
(1) 完善的并发控制; (2) 完备的故障恢复; (3) 可靠的安全性; (4) 可移植性强; (5) 高效率; (6) 良好的数据库程序接口。
4、设备监测诊断系统的结构
基于web的分布式设备监测诊断系统由一台远程诊断服务器、至少一台数据库服务器、一台后备数据库服务器、设备信息采集系统、若干台信号采集监测站、一台工程师站、一台远程工程师站、一台系统观察站、许多台远程用户终端和计算机局域网组成。
计算机局域网一般采用树状星型拓扑结构, 可在任一星型接点上添加一台计算机或添加一个子计算机网络系统, 实行系统硬件功能扩展。可使用的网络方案很多, 如100 Base─T高速LAN, 10 Base─T低速LAN, FDDI光纤网, 或简单通过电话网连接。
远程诊断服务器安放在诊断分析中心, 它一面与现场诊断网相连, 一面通过调制解调器或专用网与Internet连接, 可断续运行。其任务一方面为设置数据库的镜象, 为远程用户终端提供数据访问服务, 为远程浏览器用户提供内嵌在主页中的Java Applet和Active x诊断分析程序。另一方面, 接收远程用户传送的各种信息。
5、技术问题讨论
基于We}, 的分布式设备监测诊断系统实现的关键技术就是服务器和数据库的接口。目前, web与数据库的接口主要有三大形式:
5.1 基于服务器应用程序的方法
这一方式是在服务器端编写应用程序, 实现用户与Web的交互及web与数据的交互。典型的就是公共网关接口CGI (Common Gateway Interface!) 程序。其工作原理:WWW客户机<一一>WWW服务器<一一>CGI程序<一一>应用程序。
5.2 基于服务器的变通方法
带CGI的HTTP是一种速度较慢、难以使用的无状态的协议, 它并不适于编写最新的客户/服务器应用软件。它们都采取了一些内存驻留的变通方法, 如进程问DLL、服务器组件等, 但仍需要HTTP和web服务器作为中介, 来协调服务器和客户机对象之间的通讯。一个客户机对象无法直接调用服务器对象, 客户机和服务器之间交互的基本形式仍然是HTTP表格。对于复杂的应用, 其组件间的信息流量相当大, 要求高度的可缩放性。
5.3 基于客户端应用程序的方法
这是最有希望、最有前途的一种。客户连上web后, 从web下载一个Java小程序, 小程序通过JDBC与后端数据库交互。JDBC是一个标准SQL数据库接口, 它给Java程序设计人员提供了与多种关系数据库的统一接口。迄今为止, JDBC已得到了业界的广泛支持, 许多厂商如IBM。、oracle、Sysbase、Informix、Borland、SCO等公司都已声明支持。其调用原理如下:调用JDBC API建立与数据源的连接, JDBC驱动程序管理器根据请求的数据源的类型调用相应的驱动程序, 实现对数据源的访问。
6、结语
将Web技术应用到故障诊断系统中, 建立以Web服务器、数据库服务器、浏览器为基础的分布式设备检测诊断系统的基本结构, 有如下优势之处: (1) 客户端统一为浏览器, 简单易学、操作方便, 充分体现“瘦”型客户端, 使系统成本降低。 (2) 监测诊断系统易于改动、更新、采用基于数据表的组态技术, 可通过添加运行的服务器程序的方式扩展系统软件功能。 (3) 规模伸缩性很大, 可在任一星形接点上添加一台计算机或再添加一个子计算机网络系统, 实现系统硬件功能扩展。 (4) 运行效率高, 该系统立足于数据库服务器的能力、可管理性以及向应用程序提供必需数据的灵活性。
参考文献
[1]张秀云.状态检测故障诊断与现代设计技术.机械工程, 20078 (2) .
分布式监测诊断系统 篇2
北半球阻塞高压实时监测诊断业务系统
利用国家气象信息中心实时气象数据库的逐日500hPa高度场资料,确定了适合业务使用的北半球及关键区阻塞高压监测诊断方法.通过建立阻塞高压指数实现了对北半球中高纬地区任意经度上的阻塞形势的实时监测,同时在鄂霍次克海、贝加尔湖和乌拉尔山这三个对我国夏季降水有较大影响的`地区选取关键区进行阻高实时监测.此外,还通过对北半球逐日和5天滑动平均500hPa环流场的监测,从而初步建立了北半球阻塞高压实时监测诊断业务系统.通过对阻塞高压实时监测产品的诊断分析表明,监测到的北半球阻塞高压的出现位置和强度与实况相符,监测结果对于我国的夏季降水预报具有参考意义.
作 者：李威 王启档 王小玲 Li Wei Wang Qiyi Wang Xiaoling 作者单位：李威,Li Wei(北京大学物理学院,北京,100871;国家气候中心)王启档,王小玲,Wang Qiyi,Wang Xiaoling(国家气候中心)
刊 名：气象 ISTIC PKU英文刊名：METEOROLOGICAL 年，卷(期)： 33(4) 分类号：P4 关键词：阻塞高压 监测 诊断 业务系统分布式监测诊断系统 篇3
关键词：监测系统；网络终端；温湿度传感器
中图分类号： TP274；S126文献标志码： A文章编号：1002-1302（2016）06-0416-03
收稿日期：2015-04-27
基金项目：院士工作站资助项目（编号：fckt201503）；陕西省教育厅产业化培育项目（编号：14JF004）；陕西理工学院科研基金（编号：SLGKY14-06、SLGKY15-25）。
作者简介：韩团军（1981—），男，陕西乾县人，硕士，讲师，主要从事集成电路设计与分析相关研究。E-mail：htjzyh@163.com。随着汉中茶园种植朝着产业化、标准化种植方向发展，茶园环境的信息化管理水平对其质量和产量有着很大影响。因此，生产过程中实时掌握种植环境参数有着重要意义。传统的监控设备数据不能实时在网络上进行显示，用户不可以随时随地查看信息进行控制[1-3]。随着农业的迅速发展，远程实时监控农作物生长环境显得更加重要。为了达到实时监控空气质量的目的，并且能方便、快捷、高效、直观地查看监控的结果，本研究提出了基于GPRS和WEB的远程网络分布式茶园环境污染检测系统。相比传统的监控设备，该系统是将数据发送到网络上进行显示，用户可以随时随地查看信息，进行控制。
1检测系统的设计方案
该系统是通过各个气体传感器将模拟当地空气浓度模拟信号传到AD转换芯片将模拟信号转换为数字信号，单片机接收数字信号，分析、处理再加密数据后传给GPRS，GPRS使用3G网络，使用TCP/IP协议，将加密后的数据发送到服务器端，服务器端接收大量数据并提取转换实际有效的数据，写入到数据库。服务器端是基于多线程网路数据库的后台程序，同时可以支持上千客户访问的连接，处理并写入到数据库。数据库存储海量数据，为WEB前台提供接口，WEB前台调用指定数据库的数据并进行直观显示。具体硬件框图如图1所示。
2硬件接口设计
2.1传感器选择
传感器对于监测系统来说就如同生物的眼睛一样重要，它决定着该系统数据的稳定性、真实性。因此，就数据的真实性﹑稳定性和价格合理性选择了技术先进、性能稳定、灵敏度
高、性价比高的MQ系列气体传感器和Sensirion公司生产的单片全校准数字式相对湿度和温度传感器SHT11[4-6]。气体传感器原理是其输出电压和气体的浓度有一定的比例，输出为模拟电压值，利用ADC7888将模拟信号数字化。温湿度传感器是一个将放大和调理为一体的器件，而且输出为数字信号，避免了芯片之间转化而使信号产生误差。经过长时间的测试和厂家提供的传感器技术资料，得出这为后期的数据处理提供了优越的先天条件，而且为系统数据的稳定性、真实性提供有力的保障。
2.2GSM通信模块电路
SIM9000A模块是一个双频GPRS/GSM模块，TCP/IP协议在其内部嵌入。控制模块利用它的串口控制其工作实现该模块的收据收发。电路如图2所示。
2.3电源模块电路
电源电路要为整个系统供电，由于单片机、传感器和GPRS模块所需电流不同，系统用双电源进行供电。GPRS模块供电用MP2307设计，该器件工作电流可达3A，集成可调MOSFET，电流模式控制快速瞬态响应和逐周期电流限制。采用78M05、LM2940稳压芯片分别为传感器和AD芯片及各部分电路供电。GPRS供电具体电路如图3所示。
2.4控制电路
控制电路采用STC12C5A60S2完成傳感器数据的采集和线性处理，控制GSM模块完成信息的无线传输，最后在终端
显示实时参数（图4）。
3系统的软件设计
3.1系统的流程
系统主要由控制芯片完成环境的数据采集、分析、处理，再加密数据后传给GPRS，GPRS使用3G网络，使用TCP/IP协议，将加密后的数据发送到服务器端，服务器端接收大量数据并提取转换实际有效的数据，写入到数据库，服务器端是基于多线程网路数据库的后台程序，同时可以支持上千客户访问的连接，处理并写入到数据库。数据库存储海量数据，为WEB前台提供接口，WEB前台调用指定数据库的数据并进行直观显示。具体流程如图5所示。
3.2WEB服务器的设计
空气质量远程监测软件的WEB服务器最终决定使用 Apache 公司的一款免费开源的Web 应用服务器TomCat作为B/S结构的WEB服务器。ApacheTomcat服务器接收用户发来的请求并送至数据逻辑处理部分的Servlet进行处理，Servlet 则根据需要，调用JavaBean中的方法，通过JDBC技术获得数据库的数据，最后将所得到的数据再经由Tomcat、Apache 服务器和Jsp、HTML页面呈现给用户。
4实现与应用
通过硬件和软件设计，系统可以正常地监测分散地域的环境相关参量，可以很好地在用户页面上展示数据，系统稳定，页面美观大方。用户页面如图6所示，最终的设计终端如图7所示。
5结论
针对汉中茶园种植的特点，设计了基于GPRS和WEB的远程网络分布式茶园环境污染检测系统，实现了对当地空气质量数据的实时采集，并全自动发送至网络，通过自建的服务器收到后并响应，用户可以很方便的访问和查询，该系统测量精确抗干扰能力强、性价比高，支持7×24 h不间断为用户提供信息服务，具有一定的农业应用价值。
参考文献：
[1]梅志坚，马娅婕，肖凡男. 基于 ZigBee 和 GPRS 的大气污染监测系统设计[J]. 武汉科技大学学报：自然科学版，2015（1）：63-66.
[2]郑争兵. 基于GSM网络的蔬菜大棚环境参数监测系统[J]. 广东农业科学，2012，39（1）：158-159.
[3]李震，洪添胜，文韬，等. 基于物联网的果园实蝇监测系统的设计与实现[J]. 湖南农业大学学报：自然科学版，2015，41（1）：89-93.
[4]唐慧强，葛黎黎，景华. 基于无线传感器网络的接地电阻检测系统[J]. 仪表技术与传感器，2015（2）：54-56，70.
[5]董玉德，于洽，金国良，等. 基于Web的蔬菜农药残留检测网络监控系统构建[J]. 农业工程学报，2008，24（5）：178-180.
分布式频谱监测系统研究 篇4
随着技术的发展,各种用频设备充斥于社会的各个角落,空间的电磁环境日趋复杂,对抗日趋激烈。若没有有效的频谱监测设备及系统,各种用频设备必定无法正常工作,为生活和工作带来极大的不便。目前已有的频谱监测系统大多是基于C/S结构,其可实现区域无线电信号的异步监测,但无法实现对于大区域的无线电信号的实时监测,进而也就无法实时的从整体上对区域无线电使用情况进行分析。因此,如何对区域无线电信号进行实时监测与分析的研究越发显得重要。
1 频谱监测系统相关技术研究
1.1 频谱监测系统的功能
在无线电频谱监测过程中,根据监测目的、任务的不同,系统所采用的实现方式、硬件设备(接收机、天线等)都有所不同,其所实现的功能也不尽相同。
下面从监测目的、任务的不同,说明其功能。
(1) 情报侦测。
其主要的目的为电子战支援[1]。利用己方的频谱监测系统对敌方的用频信号进行捕获、分析、解调,从而获取其用频设备的技术参数,进而分析得出其设备功能类型,以及位置信息等。
(2) 频谱监测与管理。
频谱监测与管理主要用于地方各级无委部门,用以监测各种无线电信号,分析其使用情况,打击非法信号,保护合法信号的使用权不受侵害,其目的是更好地使用电磁频谱资源。
(3) 无线电通信服务信号质量保障。
本部分主要针对各无线电信号运营商而言,为了保护其合法利益不受侵害及监测其服务信号覆盖情况而进行的监测。
1.2 频谱监测系统实现模式
现有的频谱监测系统就其内部控制方式而言,主要为基于C/S结构的频谱监测系统及分布式频谱监测系统。
1.2.1 基于C/S结构的频谱监测系统
(1) 概述
基于C/S结构的多站频谱监测系统一般由中心控制站(CSS)和若干个分布于远端监测站组成,如图1所示。中心控制站用于对各个监测站的管理与控制,向各个监测站提出测试指令,同时对监测站返回的结果数据进行分析、处理,完成各种后续的操作(如:频谱显示,数据统计分析等);远端监测站由接收机、监控处理计算机及数据传输终端等组成,主要根据中心控制站下发的指令完成相应的操作,并将接收机返回的数据回传到中心控制站[2]。
(2) 系统特点
基于C/S结构的频谱监测系统一般采用多监测站模式,中心控制站向各个监测站提出服务请求,监测站为中心控制站提供相应的服务,完成各种监测任务,但同一时刻只有一个站点与中心控制站保持连接,各个站点返回的监测数据无法同时回传。
基于C/S结构的多站频谱监测系统由于采用了多个监测站(接收机),其可实现对多点的异步监测,扩展了系统的监测范围,而且在不要求实时的情况下,可通过对各个站点(接收机)返回数据的综合分析(滞后的分析),实现对某一区域无线电信号的综合分析。无线电信号是稍纵即逝的,采用C/S模式的频谱监测系统无法同时从整体上、实时地掌握各个站点所在区域的无线电信号的活动情况,进而无法从整体上实时地给出整个区域的电磁态势情况。而且由于系统只能实现各个站点轮询监测及滞后的分析,其对移动目标的测向定位的准确率较低。
1.2.2 分布式频谱监测系统
(1) 概述
为实现对移动目标的实时、准确定位以及区域电磁态势的实时显示,频谱监测系统必须具备2个基本条件:第一,系统物理组成上实现分布式布站;第二,系统各个站点(接收机)可同步、协调工作。系统若要实现区域电磁态势实时呈现的功能,则必须要求系统中各个站点(接收机)在同一时刻的监测数据能实时回传,否则电磁态势的分析便失去了实时性意义。为此,分布式频谱监测系统应运而生。
(2) 特点
分布式频谱监测系统的物理组成与基于C/S结构的频谱监测系统类似,其实现了分布式布站,只是两者的控制方式不同。分布式频谱监测系统的中心控制站可实时向多个站点提出测试请求,各个站点可实现同步的实时监测及结果数据的实时回传。
现阶段国内各科研单位、公司对分布式频谱监测系统的研究大都处于理论阶段,本文正是在此应用背景下对如何实现一套分布式频谱监测系统及如何实现控制多类型、多台接收机同时进行工作展开研究。近几年随着中间件技术的发展与成熟,为解决此问题提供了途径。
1.2.3 中间件技术
在分布式计算环境中,为了解决分布异构的问题,中间件(Middleware)的概念被提出。中间件处于操作系统和应用系统之间,为顶层应用程序提供统一的编程接口,屏蔽各种平台底层硬件、操作系统和网络通信网络协议的差异[3]。
(1) 中间件的定义
目前中间件的定义有很多,比较有代表性的有为[3]: 国际数据公司(International Data Corporation,IDC)的定义:中间件是一独立的系统软件,于客户机/服务器的操作系统之上,管理计算机资源和网络通信。
(2) 中间件的特点与分类
中间件为处于自己上层的应用软件提供运行与开发的环境,帮助用户灵活、高效地开发和集成复杂的应用程序,是系统内部和系统之间的消息传递处理、格式(协议)转换的工具,通过协议转换它可以为上层应用屏蔽异构平台的差异。分布式应用系统借助这种软件的特点实现在不同的技术之间共享资源,将不同平台上的众多应用整合在一起。
2 基于中间件的分布式电磁环境监测系统
通过上一节对中间件相关技术的分析可以看出,有了中间件,客户机和服务器都不需再关心通信细节,当客户机想要调用服务器上的一个操作时,它只用发出自己的请求,至于具体实现细节它不必关心,这一切留给中间件来处理,它们只需关注各自功能上的实现。
为此,本文提出了将中间件技术应用到分布式频谱监测系统的设计思想,利用中间件实现频谱监测系统的各个站点的实时工作,此外,利用中间件屏蔽不通类型的接收机的硬件差异,使得系统能够控制多种类型的接收机同时工作。
本文提出的频谱监测系统硬件组成如图2所示。系统主要有3类站点:主控站、操作站和侦测站。主控站和操作站功能相同,惟一区别在于主控站配有系统的数据库,其主要功能为:频谱监测工作的下发、接收并分析、显示侦测站返回数据;侦测站与以上2个站点不同,其下直接连接有接收机,是频谱监测系统的终端,其主要的功能是接收上层下发的频谱监测任务,并控制接收机进行运作,返回结果数据。
系统各个站点可灵活设置,图1为本系统3种类型站点都存在时的组成图,但在实际运行中可以通过配置模块灵活配置,实现其它的组网方式,如:三站合一的情况,即侦测站、操作站、主控站都为同一台计算机,没有网络传输。其他模式只是图2的特例,只需灵活配置站点角色即可实现。
系统的软件组成如图3所示,系统主要有配置管理子系统、数据管理子系统、任务管理子系统、中间件子系统及分析显示子系统等组成。
在系统运行时,将首先检测是否对系统进行了相关配置。若没有,则强制进入配置管理子系统,由其对系统进行各项配置,以便为其他模块的运行提供必要的配置信息(如:用户登录信息、站点角色配置信息、接收机配置信息等);若已完成对功能配置,则直接跳过进入系统主界面。
系统的任务管理模块制定各种频谱监测任务并发送给系统的中间件子模块,然后由其将频谱监测任务实时发送给侦测站,并接收其返回的数据。返回的实时数据则直接交由显示模块予以显示;非实时数据则直接存入数据库,以便其它模块的调用。
数据管理子系统主要是对本系统设计的库表、历史数据及地图进行管理,实现对数据库表的增删,历史数据的回放、删除等操作。
3 中间件模块
为了解决目前基于C/S结构的频谱监测系统无法实现大区域无线电信号的监测工作,本文提出了如图1所示的频谱监测系统。其中本文设计的中间件模块的功能结构图如图4所示。
由图4可以看出,本文设计的中间件模块有两部分功能:频谱监测任务的下发和返回的频谱监测数据的接收。
(1) 频谱监测任务的下发
用户首先根据不同的需求制定不同的频谱监测任务,然后将不同的任务通过内存传递的方式发送给中间件模块,由中间件模块根据任务地址的不同下发到各个侦测站下的接收机。
(2) 返回频谱数据的接收
侦测站下的接收机根据上层下发的频谱监测任务进行工作,并返回频谱监测数据,中间件模块接收各个侦测站下接收机返回的频谱监测数据,并进行预处理:若数据位实时数据,则直接发送到用户界面予以显示;若数据位非实时数据,则存入系统数据库。
4 结 语
本文针对目前基于C/S的频谱监测系统无法实现区域无线电信号实时监测的现状,提出了将中间件技术用于频谱监测系统的思想,设计了系统的硬件组成及拓扑结构,并详细叙述了中间件模块的实现,利用中间件可屏蔽各种接收机的硬件差异,使得同时控制不同类型的多台接收机工作成为可能,从而大大提高频谱监测的准确性。
参考文献
[1]朱庆厚.无线电监测与通信侦察[M].北京:人民邮电出版社,2005(10):7-14.
[2]耿晓飞.基于软件无线电的无线电监测技术研究[D].吉林:长春理工大学,2006.
[3]吴卿.面向谱适计算的自适应中间件模型与方法研究[D].杭州:浙江大学,2006.
[4]陶然.地市级无线电监测与测向系统的设计与应用[D].大连:大连理工大学,2007.
[5]张清理,李兵兵.无线电频谱监测与分析系统设计及实现[J].电子科技,2005(5):17-20.
[6]李欢,李彤.中间件的概念、分类与发展[J].计算机科学,2008(35):23-24.
[7]刘海岩,梁建龙.基于中间件的分布式系统开发过程的研究[J].计算机应用研究,2004(1):85-87.
[8]张慧慧.基于中间件技术应用控制平台的设计与实现[D].西安:西安电子科技大学,2006.
[9]李琪林.面向分布对象环境的可信中间件关键技术研究[D].成都:电子科技大学,2006.
分布式监测诊断系统 篇5
摘要：随着中国轨道交通线路的不断扩展和加密，站内机电设备状态对地铁运营影响日益加深。本文以地铁机电设备故障监测与智能诊断系统为研究对象，简要地阐述了针对地铁机电设备建立该系统的作用与意义，分别对系统内部的采集层、分析层和评估层这三个基本工作层的逻辑架构以及维修中心级、机电工区级和设备现场级这三个工作级的结构设计进行了详细地分析研究。希望能够在文中为地铁运营机电公司的维修人员们提供相关方面的理论参考与实践帮助。
关键词：地铁机电；机电设备；故障监测；智能诊断
近几年，中国国内各大城市都迎来了城市轨道交通的建设高峰。以首都北京为例，截止2015年，已经顺利完成了国家“一二五”规划中的发展要求。600km的地铁线路上添置和安装了大量的机电设备，光是安全屏蔽门就设有一万多套。这就给地铁运营机电公司的维修人员们增加了工作量和工作强度。为了提高运营维护的效率，需要建立起地铁机电设备的故障监测与智能诊断系统。
一、建立故障监测与智能诊断系统的必要性
（一）创新发展轨道交通科技的要求
国家“一二五”的发展规划明确提出，轨道交通装备产业隶属于装备制造业中的高端产业，应该大力开发轨道交通装备中的先进技术、节能经济、环保科技和安全性能，推动智能化机电设备的协调创新与可持续发展。地铁机电设备的故障监测与智能诊断系统，完全符合这一现代化建设的要求，对轨道交通科技的创新发展有着极为重要的意义和作用。
（二）高效管理地铁线网的必然需要
自中共在十八大会议上，提出高效推动城市化建设的要求以后，各个城市都开始加密本地的地铁线网。同时，大量机电设备投入使用，迫使地铁运营机电设备公司不得不扩大现有的维修团队，以满足地铁线网正常运营的实际需求。地铁机电设备故障监测与智能诊断系统的建立，可以在现代化信息手段和技术的辅助之下，对现有的维修管理资源进行优化升级，可以快速诊断故障点，分析故障原因，节省排除故障时间，在提高维修团队工作效率的同时，也避免了盲目投入人力资源的浪费现象。
（三）机电设备安全运行的基本保障
负责运输地铁站内乘客上下出入的电扶梯，是发生安全事故和机械故障最频繁的机电设备。很多因电扶梯引起的大型事故，都是是由于固定零件和驱动链条等设备零件年久失修或故障失察而最终导致的。另外，安全屏蔽门机电设备中的安全回路、系统接口、电气设备和门体机械等部位都很容易发生机械故障。大型风机在运转过程中的轴承振动很大，也时刻有着叶片脱落的安全风险。由此可见，地铁机电设备中的电扶梯、安全屏蔽门和大型风机等机电设备是发生机械故障几率最高的“重灾区”，预防并及时发现故障及危险源，可以避免或减少灾害发生。
地铁机电设备的故障监测与智能诊断系统，不仅可以适时判断出地铁运转系统中各个机电设备的运转状态是否正常，有没有隐藏安全隐患，还能够对可能存在的机械故障和安全风险进行警告，并针对故障风险做出与之相应的提示，为维修人员提供必要的原始数据和维修建议。这是保证地铁机电设备安全运行的基本保障，也是建设安全稳定地铁运行线路所必须的前提条件。
二、故障监测与智能诊断系统的逻辑架构
（一）数据采集层的逻辑架构
地铁机电设备故障监测与智能诊断系统中数据采集层的主要职能，是监督和采集地铁机电设备的运行状态，存储和整理机械故障的数据信息。对于系统无法提供或是掌控的信息，比如温度、湿度和振动频率等，需要在地铁机电设备的内部安装功能相符的传感器。通过传感器实现数据和模拟信息的相互转换之后，再应用采集层进行数据采集。
（二）数据分析层的逻辑架构
地铁机电设备故障监测与智能诊断系统中数据分析层的主要职能，是分析整合由采集层收集到的信息，从中提取出具有风险故障特征的数据信号，进而判断出地铁机电设备的故障根源和故障趋势。如果数据采集层报送上来的是清晰明确的数据信息，则可以直接跳过数据分析层的解析环节，直接经数据传输层送到决策评估层。
（三）决策评估层的逻辑架构
地铁机电设备故障监测与智能诊断系统中决策评估层的主要职能，是利用存储于专业数据库的历史经验数据和设备维修信息，应用状态评估算法得出机械故障与安全风险的真实数据，最后统筹评估，为现场的维修人员提供机电设备故障的原始数据、可能原因以及维修的建议与计划。当然，维修人员也可以根据故障现场的具体情况，对维修方案进行灵活调整。
三、故障监测与智能诊断系统的结构设计
（一）维修中心级的结构设计
故障监测与智能诊断系统中的维修中心级，一般会设立在地铁轨道线路车辆段的维修中心内部。维修中心级的结构设计，旨在从宏观的角度上出发，对地铁全线机电设备的工作状态进行统筹规划与管理。中心级可以在发现故障的同时发出警报，并精确地显示出机电设备故障的蔓延趋势和紧随其后的风险损失。这就要求维修人员科学合理地安排维修养护工作，对需要维修的地铁资源和机电设备进行现代化的信息管理，为故障监测与智能诊断系统提供信息存储、资料查询和维修管理等基础性的服务。维修中心级的结构设计在整个系统的建设过程中具有重量级的关键作用。
（二）机电工区级的结构设计
通常情况下，每隔4～6个地铁站，就应该设置一个集中进驻维修人员的机电工区。故障监测与智能诊断系统中机电工区级的主要作用是监事和管理区域内地铁站各个机电设备的工作状态。一旦发现安全隐患或是故障信息，能够立即调取现场所有的数据信息和列车运行状况的监控录像，并通过计算机得出机电设备安全状态的故障诊断以及随之而来的风险评估。只有这样，才能实现维修工人个体管理和系统整体管理之间的和谐统一，尽可能地在最短的时间内找出机电设备故障的根源和维修养护的建议。
（三）设备现场级的结构设计
地铁机电设备系统中的设备现场级，主要负责采集和分析机电设备的数据信息与故障原因，主要被安置在地铁轨道线路的车站内部。设备现场级的基本结构会按照地铁机电设备的不同类型，划分为具有不同诊断特性的子单元，对机电设备的各类故障进行监督测试和智能诊断。具体的现场级子单元包括屏蔽门故障的子单元、扫描仪故障的子单元、购票机故障的子单元电扶梯故障的子单元等。各个子单元之间的监测、诊断功能都较为独立，相互之间没有什么牵连关系或干涉作用。子单元的设计是为了加强智能诊断系统监测数据的准确性，提升故障监测与智能诊断系统在地铁运行过程中的工作效率。这种精细化的结构设计，使得各个机电设备的监察工作都可以独立进行。即便是脱离了全线的系统之后也能正常运转。除此之外，地铁机电设备的现场级网络支持便携式手持终端的插口接入与信息交换，方便现场的工作人员随时查阅和调用机电设备的原始数据信息，以便更加高效地找出故障原因。
结束语
针对地铁的机电设备建立故障监测与智能诊断系统，可以在机电设备的关键部位或重要装置发生故障的早期，及时发现故障的源头并尽快找出原因，有效规避故障的风险与威胁。同时，也能强化提升运营公司对地铁机电设备的维保效率，引领着机电设备的维修养护作业向着信息化、现代化和智能化的方向发展创新。
参考文献：
[1]秦冲，王素粉.机电设备故障诊断技术发展探析[J].机械制造与自动化，2011，06：90-92+104.
[2]周祖德，谭跃刚等.机械系统光纤光栅分布动态监测与诊断的现状与发展[J].机械工程学报，2013，19：55-69.
分布式流量监测与定位系统设计 篇6
关键词：分布式,流量,监测,定位
0引言
我国石油生产技术手段和工艺水平都比较落后,尤其是石油产量的监测技术显得更为突出,为了对生产进行实时监控,油田采取的方法是由人工记录产量和检测水温或采用IC卡的方式。无论哪一种方法都需要井组的工作人员亲临每一口油井进行实地测量。原始的人工操作方法,一方面使工作人员劳动强度大大增加 ;另一方面,由于工作环境恶劣及工作人员责任心不强,频频出现用以往数据冒充当前数据上报的弄虚作假现象,致使油田管理部门无法准确掌握现场的生产情况。为此,国内各大油田迫切需要一种自动化的、全天候分布式油井参数自动监测系统,以解决实际生产问题,有线网络技术成熟是解决问题的一种备选方案。
1 油井定位系统原理及结构功能
1.1 定位系统原理
分布式流量计定位原理流程 :首先要在Visual Studio 2008中加载标准 .gst格式的地理信息地图,然后通过Map X的API接口对地图控件进行操作(地图初始化,定位地理信息,显示地理位置名称等),最终实现各个油井在地图中的定位。
随着GIS(地理信息系统)的发展与完善,它的开发工具也日趋成熟。Map Info公司顺应这发展潮流,开发了Map Info以及Map X控件,可以实现复杂的GIS系统设计。Map X为开发人员提供了一个快速、易用、功能强大的地图化组件。在主流的可视化程序开发环境如Visual Basic、Visual C++ 等,在设计阶段只需将Map X控件放入到窗体中,并进行编程、设置属性、调用方法和事件,就可以轻松实现地理空间数据的可视化,完成空间查询、地理编码等丰富的地图信息系统功能。图1为分布式流量计监测与定位的总体路线图。
1.2 系统结构及功能
流量计监测与定位系统由以下几个部分组成 :管理站,操作站,流量计。其中管理站是主机电脑,其功能主要是收集处理各个分布式油井传输上来的数据,操作站是可以进行网络传输的GPRS模块。分布式油井流量监测与定位系统的总体结构如图2所示 :
整个系统的实现过程是GPRS模块通过网络将流量计的信息传输给操作站的主机电脑,电脑结合地图信息实现流量的监测和定位。
整个系统主要分为两层 :管理站,操作站。流量计与操作站通过USB链接,管理站与操作站通过网络链接。管理站主要用于集中显示分布式油井流量计的地理位置、流量信心等工作状态。另外,为了方便对油井的管理,管理站建有油井及相应流量计的数据库,如油井的深度、油井的经纬度,抽油机型号、电动机型号及功率参数等。管理站可通过网络对操作站的信息进行存储查询,管理站对流量的定位显示则是通过对数据库中的信息的操作显示在管理站的软件界面上,实现分布式油井的定位及实时流量的显示,这样能实现整个油区的科学管理。
2 分布式流量监测与定位系统的设计及实现
2.1 分布式流量计监测系统实现
分布式流量监测系统的实现主要包括人机交互良好的编程界面,无线传输模块GPRS的配置,以及无连接的传输层协议UDP实现。图3为分布式流量监测系统实现的总体流程图 :
分布式流量计监测系统的实现主要在计算机上实现,首先编程软件VisualStudio编写的地图信息,历史数据等界面。然后VS通过UDP网络将接从无线模块GPRS中接收数据,并将数据存放到Access数据库中,储存流量计的所有信息,主要包括 :流量计编号,流量的接收时间,流量,流量计经纬度,井深,电机的型号等。
2.2 分布式油井定位系统的实现
分布式油井定位系统的实现如图4 :
Mapinfo为绘制地图软件,绘制出分布式油井的地理分布图,最终生成可以被Vs调用的地图,通过Mapx控件被Vs调用显示在界面上。Mapinfo中分了好几个层,用来存放不同的地图信息。Vs通过编程加载Mapx控件,通过调用Access数据库的经纬度来定位各个油井的具体位置。
本系统的实现是通过编程软件VisualStudio 2008编程环境下、利用Vc++ 编程语言对Map X控件进行二次开发结合各个软件之间的调用实现定位各个油井在地图上的具体位置。
3 测试
3.1 地图监测与定位信息
打开主软件界面,主软件中地图信息加载的是Mapx中的中国地图,界面的右上部分是接收源码显示,这样可以通过对比接收的源码和终端发送的源码来检查发送的数据是否正确。界面的下半部分是将源码信息通过转换后显示的实时信息,可以直观方便的了解数据信息。
图5是测试了两个点分别为西安和重庆的两个点的经纬度,流量等的一个测试图,分别显示了这两点的名称,经纬度,流量接收时间等。
3.2 历史数据
历史数据界面中主要分四部分 :油井条件选择、数据图表、流量平均值、历史数据表。油井条件选择,有时间的起始和结束、流量的上下限、油井标号,通过油井条件选择出数据库中适合条件的数据,并画图如右下角的数据曲线图。界面右上半部分有流量平均值,显示的是选择条件下各个油井的平均值。右下角的历史数据表显示的是复合条件的的各个油井的数据信息。图6显示的是测试的实例。
4 结束语
井下分布式无线应力监测系统设计 篇7
煤矿井下 复杂的工 况环境存 在诸多如 顶板断裂 、 支架变形 、 巷道底鼓 、 顶板离层 等安全隐 患[1]。 为安全生 产 , 我国已有 部分煤矿 建立了煤 矿巷道安 全监测系 统 , 但早期集 中式控制 的矿山压 力监控系 统 , 其控制任 务过于集 中 , 易造成主 机负荷重 , 系统不稳 定 , 实时性差 , 而且大多 采用电缆 连接监测 设备 , 致使井下 布线繁杂 , 移动不便 , 系统成本 高[2]。 一旦串联 的通信电 缆发生故 障 , 监测系统 就会瘫痪 。 因此 , 本文提出 分布式控 制无线网 络整体架 构 , 采用新型 集成无线 射频模块 组成分布 式传感器 网络 , 形成无线 分布式控 制的井下 应力监测 系统 , 实现井下 支护设备 应力监测 的全面性 、实时性 。
1分布式控制系统结构
分布式控 制系统 (Distributed Control System , DCS) 是应用计 算机技术 对生产过 程进行分 散控制 、集中管理 的一种综 合型计算 机网络系 统 , 一般分为 现场层 、控制层 、 监控层和 管理层四 层[3]。 每个层级 都有对应 的功能 , 层级之间 可以相互 通信实现 数据传输 。
分布式无 线控制应 力监测系 统分为井 上和井下 两个部分 , 井上为监 控中心层 , 井下为集 中控制层 和采集节 点层 , 系统结构 如图1所示 。
采集节点 层即终端 节点 , 是构成监 测系统的 基本单元 , 安装在井 下顶板 、 液压支架 、 锚固设备 上 , 负责压力 数据采集 、存储 , 并将数据 传到集中 控制层的 协调器中 。 路由节点 是无线通 信的中继 器 , 负责数据 和命令的 自动中继 传输 , 以扩大分 布式无线 网络的通 信范围 。 集中控制 层的协调 器负责无 线网络的 建立与维 护 , 实现无线 通信和有 线通信的 协议转换 , 通过CAN总线上行 传送压力 数据 , 下行传送 上位机指 令 。
监控中心 层的传输 接口在井 上通过CAN总线下达 命令 , 汇总若干 通信分站 的数据 , 将数据上 传至中央 处理平台 。 监测管理 人员可以 通过上位 机软件读 取实时压 力数据 、 绘制实时 曲线 、 查询历史 数据 、 打印报表 等 , 也可发送 控制命令 , 方便对井 下压力情 况的分析 和预测 。
2采集节点硬件设计
监控系统 设计要求 数据采集 、 通信的稳 定性 , 也要考虑 到无线传 输距离 、器件的防 爆性能 。 终端节点 硬件组成 如图2, 供电模块 为整个终 端节点提 供电源 , 是其他功 能实现的 前提 ;传感器模 块负责采 集压力计 数据和数 据A/D转换并将 处理的二 进制数通 过GPIO端口传送 给主芯片 ;主芯片负 责数据的 存储和终 端节点本 身采集的 数据 ;Zig Bee模块要实 现命令的 接收和数 据的发送 , 与路由节 点或协调 器进行通 信 。
主芯片选 用STM32F103中等容量 增强型 , 工作电压 是1.8~3.6 V, 其低功耗 适用于电 池供电的 无线传感 器节点设 计 。 存储模块 选用M25P16, 容量2 MB, 与主芯片 之间采用SPI通信 。 时钟芯片 选用DS1302, 其与主芯 片通过3根信号线 连接 , 采用电源3.3 V和纽扣电 池供电 , 两种供电 方式不同 时供电 , 纽扣电池 作为备用 电源 , 当设备断 电时时钟 模块正常 工作 。 无线模块 选用增强 型Zig Bee , 用户通过AT指令集来 进行各种 操作 。 传感器采 用CLY型压力传 感器 , 其内置阻 抗大 , 功耗低 , 监测范围 宽 , 稳定性好 , 性价比高 。
2.1传感器信号调理电路
传感器数 据采集是 整个监测 系统的核 心 , 传感器的 测量精度 和稳定性 取决于信 号的采集 和调理 。 应力信号 转换为电 压信号 , 为提高采 样精度 , 要通过调 理电路放 大微弱的电压信号[4]。 设计采用低功耗的AD623芯片, 其工作电压范 围宽, 共模输入范围可扩 展到地电平150 m V以下 , 能够测量 较低或没 有共模部 分的小差 分信号 , 更适合电 池供电的 低功耗设 备 。
AD623在单电源3 . 3 V供电下 , 提供满电 源幅度的 输出 , 输出电压 公式为V0= ( 1 + 100K / R ) Vin+ Vref, 由单个增 益设置电 阻进行增 益编程 , 因此能够 得到很好 的灵活性 。 A/D转换电路 如图3, 其中电容 、电阻构成 滤波电路 防止射频 干扰 。 CLY型传感器 由模拟3.3 V隔离供电 , 压力传感 器信号接 入AD623输入端 , 经过运放 处理输出 的放大信 号接入CPU, 最大工作 电流小于10 m A, 功率小于1/3 W。
2.2供电模块
系统正常 运行需要 为终端节 点 、 路由节点 、 协调器提 供所需能 量 , 系统供电 如图4。 井下电路 的本质安 全设计依 据GB3836爆炸性环 境系列标 准[5], 终端采集 节点为保 证低功耗 , 除主芯片 模块和Flash模块常供 电外 , 各模块供 电通过MOS管控制 , 在需要实 现模块功 能时 , 主芯片IO端口控制MOS管导通供 电 , 功能完成 后关断以 降低功耗 。
矿下常用127 V交流电 , 直接使用 本安隔爆 电源转直 流12 V, 再通过LM7805转5 V, 采用两级 降压的方 法能够防 止一级电 源电压波 动造成干 扰 , 为接口和 协调器节 点提供稳 定的电压 源 。 电源输入 端正负极 短接TVS管用以过 压保护 , 同时正极 输入端接2个低压降 低阻抗的 二极管 , 为短路防 反接提供 双重保护[6]。 电源正端 串接PTC热敏电阻 进行过流 过载电路 保护 , 短路时PTC发热呈现 高阻态使 电路处于 相对 “断开 ”状态 , 保护电路 不受破坏 。 故障排除 后 , PTC自动恢复 至低阻态 , 电路恢复 正常工作 。
终端节点 采用4节1.5 V的1号串联电 池组供电 , 应尽可能 降低功耗 以延长使 用寿命 。 为满足本 安要求 , 电池组串 接一个常 温标称阻 值为1 Ω 的PTC提供短路 保护 。 防爆试验 中 , 电池组短 路电流不 大于5 A, 短路发热 最高温94 ℃, 无漏液现 象 , 适用于井 下环境 。
3系统软件设计
井下巷道 的分布大 都呈线型 结构 , 工作面上 的支护设 备 、 液压支架 等分布距 离较小 , 考虑设备 的特殊布 局和节点能耗不等的问题, 系统采用Zig Bee网状网络结构。
路由节点 初始化后 , 自动加入 协调器已 经建立好 的通信网 络并建立 路由表[7]。 其无线模 块供电后 , 能够实现 数据的中 转功能 , 将采集节 点发来的 数据汇总 后转发给 协调器 , 接收协调 器发过来 的指令信 息后转发 给目的终 端节点 。 终端节点 数据格式 和上位机 指令格式 见表1、表2。 其中上位 机功能码 有4个 :0X01读取传输 接口数据 ;0X02广播更改 终端节点 的时间 ;0X03更改协调 器编号 ;0X04设置安装 终端节点 , 以方便在 协调器节 点上的液 晶屏显示 通信状态 。
3.1协调器
协调器作 为无线网 络传输的 汇聚中心 , 是整个分 布式控制 无线网络 的核心[8]。 每个分布 式Zig Bee网络只能 有一个协 调器节点 , 协调器节 点程序流 程如图5。 在节点中 各模块初 始化完成 后需要建 立Zig Bee网络 , 路由节点 、 终端节点 搜索信道 后申请加 入 , 协调器自 动筛选申 请加入的 节点并分 配地址建 立列表 。
协调器通 过CAN控制器ADM3053把接收到 的子节点 的Zig Bee协议数据 转换为CAN协议数据 , 然后通过CAN总线 、USB数据线将数据送至上位机。 此外, 下行通信可以向下传送主机的命令指令, 通过协议转换把数据包发送给分布式网络的所有节点。
3.2终端节点
终端采集 节点上载 有3个通道压 力传感器 , 负责数据 的采集 、存储和上 传 , 是系统的 关键部分 。 程序流程 如图6, 终端节点 上电后 , 无线模块 自动进行 初始化 , 然后请求 加入无线 网络 。
当协调器 接收到请 求信号后 会返回一 个包含协 调器ID和对应终 端节点ID的信号 , ID编号具有 唯一性 , 以实现点 对点通信 , 防止发生 通信冲突 。 加入网络 后 , 在满足采集 条件时采 集并保存 数据至外 部Flash防止网络 中断数据 丢失 , 然后通过 无线网络 将数据包 发送给协 调器或就 近的路由 节点后节 点休眠 , 保持低功 耗 。
数显模块 驱动采用 内部自带 键盘扫描 接口的LED驱动芯片SM1668, 可有效控 制亮度来 降低功耗 。 数码管的 显示采用 按键唤醒 , 当按下按 键时 , 数码管轮 询显示当 前终端节 点编号 、时间间隔 、实时压力 数值 。 显示时间 为3 s, 结束后自 动关闭显 示功能以 降低功耗 。
4系统测试与分析
井下巷道 中节点呈 链状分布 , 为验证系 统设计的 可行性 , 选取长宽 高分别为120 m、2 m、3.6 m的走廊模 拟巷道 , 将若干终 端节点和 路由节点 悬挂于墙 壁上 。 协调器节 点与传输 接口之间 通过CAN总线连接 , 中间接上10 km双绞线距 离仿真板 。 走廊内的 终端节点 外接电位 计模拟压力传感器 打压 , 用示波器测得数据波形 如图7, 相邻一组 收发数据 时间间隔 为150 ms, 系统模拟16台采集节 点 , 巡检周期2.4 s。 采集节点 连续运行 一周后 , 其中一个 模拟传感 器的实时 压力值部 分曲线如 图8。
井上工作人员 可以设定 压力上限 、下限报警 值 , 方便直观 地对测点 进行监控 、及时掌握 情况并采 取相应措 施保证生 产安全 。 同时可以 在Access数据库中 导出Excel历史数据 表 , 如图9, 方便技术 人员分析 测点数据 , 制定合理的生 产计划 。
经连续运 行模拟测 试 , 上位机实 时记录压 力数据并 绘制曲线 , 在压力值 不变的情 况下监测 的数据基 本维持一 条水平直 线 , 调节电位 计 , 压力值曲 线也随之 改变并保 存历史数 据 , 未出现丢 包的情况 , 验证了数 据采集具 有良好的 稳定性 , 能够满足 井下的使 用需求 。
5结语
井下分布 式控制的 无线监测 系统解决 了集中式 控制系统 布线复杂 、 维护困难 的问题 , 各采集节 点相互独 立 , 可靠性高 。 经实验验 证 , 系统满载 时分布式 控制通信 网络系统 巡检周期 为2.4 s, 数据稳定 可靠 , 可实现压 力变化的 实时监测 , 提升了矿 井顶板塌 方灾害的 感知能力 , 促进了安 全生产 。 但系统只 是通过模 拟测试 , 通信的稳 定性和数 据冲突等 问题还有 待实际使 用验证 。
摘要：为解决煤矿下现有集中式控制应力监测系统可靠性差、施工困难的问题, 基于分布式控制无线传感器网络, 设计了适用于煤矿下复杂环境的分布式应力监测通信系统, 详细介绍了系统总体结构、硬件电路及软件设计。以分布式无线Zig Bee为核心设计无线终端采集节点, 实时获取井下支护设备应力。协调器节点数据通过CAN总线上传至上位机后进行数据处理。实验测试表明, 系统实时性好, 可靠性强, 能够满足实际监测需求。
关键词：煤矿,分布式控制,应力监测,无线传感网络,通信系统
参考文献
[1]张雷.我国煤矿事故原因分析及预防对策[J].内蒙古煤炭经济, 2014 (4) :56-58.
[2]江敏, 王振罛.基于Zig Bee的矿井压力智能采集装置设计[J].工矿自动化, 2012, 38 (10) :77-78.
[3]李海燕.基于LABVIEW的分布式控制系统研究[D].南京:南京邮电大学, 2011.
[4]张仕明, 陈伟民, 章鹏, 等.高精度无线应变测量系统硬件设计[J].传感器与微系统, 2012, 31 (12) :87-90.
[5]兴自中, 杨宝祥.本安电路设计的基本原则与方法[J].电气防爆, 2009 (4) :8-15.
[6]中煤科工集团上海研究院检测中心编.煤矿电气防爆技术基础[M].徐州:中国矿业大学出版社, 2012.
[7]樊健, 何小刚.基于Zig Bee技术的顶板离层仪网络研究[J].煤炭工程, 2014, 46 (6) :144-146.
分布式数字电视综合监测系统 篇8
数字电视监测作为保障网络安全运行、保障节目安全播出的重要手段越来越受到人们的重视。由于有线电视网络采用树型分支分配结构, 若前一级网络出现故障, 所引发的后果将会直接影响到后面每一个网络终端用户。组建分布式的数字电视综合监测系统, 可以加强有线数字电视网络的安全管理, 实现对有线电视网络中各个节点播出信号的实时监测及时了解网络运行情况, 及时准确地报告事故地点、故障类型, 以便进行有效的紧急处理, 将事故影响降低到最低, 确保有线数字电视播出质量和传输安全。下面我们介绍一下“分布式数字电视综合监测系统”, 它是2006年浙江省第一批重大科技专项重点项目, 2009年3月项目通过验收。
1实施方案
1.1系统框图
系统框图如图1所示。
1.分布式数字电视综合监测系统的远端监测设备可以根据需要设置在市、县、小区、乡镇、村等各个监测点。射频端口接入需要监测的数字电视信号。测试数据经以太网接口连接局域网或者经GPRS接口接入电信网络。监听监看信号经光口接入光纤网络。
2.经RJ-45端口传送的数字电视测试数据, 通过当地局域网 (以太网) 接入监测中心的网管系统。
3.经GPRS端口传送的数字电视测试数据, 通过电信系统的通信网络连接到监测中心外网的服务器, 进入本地局域网, 接入监测中心的网管系统。
4.经光接口传输的数字电视信号连接到监测中心前端监测设备的光接口, 经该设备光解调, ASI切换、QAM调制变频器后输出RF信号, RF输出信号的频率与当前网管系统选择的监测点接收频率一致。
5.网管系统通过串口控制前端监测设备内的ASI信号切换功能模块和QAM调制变频模块。
6.数字机顶盒接收来自前端监测设备的RF信号, 输出AV信号接入大屏幕显示器。
1.2系统硬件
系统硬件由远端监测设备、前端监测设备、数字电视机顶盒、大屏幕显示器、VGA信号分频器、监测系统服务器等组成。
1.远端监测设备主要由测试功能模块、以太网接口功能模块、GPRS接口功能模块、TS流转换模块等组成。
1) 测试功能模块:主要由预放、多路衰减、切换、变频、滤波、检波等电路构成。根据输入RF信号的幅度大小, 控制电路切换到相应的衰减器。变频输出的IF信号经过中频组合衰减器、窄带滤波器、变频检波器以及相关隔离、温控等处理电路后, 送至测试功能模块控制器。
2) 以太网接口功能模块。实现串口与以太网接口信号的转换。
3) GPRS接口功能模块。实现串口与GPRS接口信号的转换。
4) TS流转换模块。从远端监测设备中解调出并行TS流信号 (D0—D7) , 以及DVALID、PSYNC、CLK信号, 把并行TS流信号经变换电路转换成符合DVB标准的DVB-ASI串行信号, 再将ASI信号进行光调制, 根据传输距离配置不同的光模块。
2.前端监测设备、数字电视机顶盒、大屏幕显示器、VGA信号分频器、监测系统服务器等组成系统局端监测设备。
1) 前端监测设备主要由光接收转换功能模块、ASI信号切换功能模块、QAM调制变频功能模块等组成。
光接收切换功能模块:接收各个监测点回传的ASI光信号, 经转换电路还原成ASI的电信号。
ASI信号切换功能模块:N×1的ASI切换电路用于选择当前需要监测的信号, 切换功能模块通过串口连接串口集线器。
QAM调制变频功能模块:将选中的ASI信号接入具有ASI信号接口的QAM调制及变频电路, 输出RF信号, 模块通过串口连接到串口集线器。
前端监测设备内的串口集线器一端分别连接ASI信号切换功能模块和QAM调制变频功能模块等, 另一端连接监测系统服务器串口, 由控制软件进行控制。
2) 数字电视机顶盒:采用监测点当地的数字电视机顶盒。
3) 大屏幕显示器:具有AV接口与VGA接口, 可根据需要分别显示回传图像信号与监测数据。
4) VGA信号分频器:将电脑上显示的VGA信号分配输出, 其中一路送大屏幕显示器显示。
1.3系统软件
系统软件由监测系统服务器应用软件、监测系统服务器服务软件、远端监测设备控制软件、局域网服务器配置软件四部分组成。
1.监测系统服务器应用软件主要任务是完成人机交互界面, 采用资源管理器设计方案, 分五层应用界面。
1) 第一层界面:该层为软件主界面。以服务器图标为中心, 显示有线电视前端、有线以太网监测点、无线以太网 (如移动GPRS) 监测点、有线专用网 (如光纤网) 监测点, 动态显示监测服务器与各监测点之间的数据联络状态。在该界面上可配置各监测点目录下的远端监测设备及相关参数, 不同颜色显示该监测点的工作状态。在该界面状态下, 系统仅查询各监测点的状态信息, 链路通信数据量非常小。该界面如图2所示。
2) 第二层界面:该层为设备类型界面。该界面以拓扑图的方式显示该类型监测点下的所有监测设备图标, 实时显示所有监测设备的状态, 用不同颜色显示连接状态、工作状态等信息。如图3所示, 当设备参数正常时, 设备图标显示为绿色, 当设备参数出错时, 设备图标显示为红色, 当设备参数读取超时时, 设备图标为黄色。
3) 第三层界面:该层为设备轮询界面。该界面通过以条型图的方式用二组坐标实时显示有线电视前端输出信号的频道频谱与被选中监测设备测试到的频道频谱信号, 从二组频谱的动态显示比较, 可直观反映系统的传输质量。在第三层界面上, 可选择频道监听监看等功能。如图4所示, 在图中上方显示的为有线电视前端输出信号的频道频谱, 下方为被选中远端监测设备测试到的频道频谱信号, 其中蓝色条形图为模拟频道图像电平, 绿色为伴音电平, 黄色为数字频道电平信号, 紫色为调频电平信号, 两条虚线为电平正常范围值, 可以通过右键左边树结构设备节点进行设置, 当某频道电平值超出正常范围时, 将会显示为红色条型图。
4) 第四层:该层为设备监听监看界面。该界面主要作用为锁定某设备数字频道, 并轮询测量该频道的MER和BER值。设备频道被锁定后, 将能回传相关频道图像到监视器上进行监听监看。如图5所示, 在界面上方选择频道类型和频道号, 然后输入符号率, 点击查看确认, 如果查看成功, 将锁定设备该频道, 并进入轮询测量MER和BER。如图5就是已成功锁定数字增补29频道, 并获取了MER和BER的测量参数。
5) 第五层:该层为设备测量界面。该界面包括三个子界面, 分别为频道/频率参数测量界面, 斜率测量界面, 频谱测量界面。
频道/频率参数测量界面用于测量某一频道的相关参数。如图6所示, 选择某一频道或频率, 即可读取相关参数。选择模拟频道时, 显示返回的是图像载波电平、伴音载波电平、噪声载波电平, V/A、C/N。选择数字频道时, 显示返回的是功率电平、MER、BER值。选择频率时, 显示返回的是该频率的信号电平。
斜率测量界面主要用于测量多个频道的电平参数, 可直观进行互相比对。如图7所示, 在界面上选择4~12个频道或频率, 然后点击“斜率测量”按钮, 测量成功将会显示返回电平柱状图, 并在界面上方显示最大电平, 最小电平, 和最大最小的差值。点击某柱体还可显示该频道的频道号, 频率和电平。
频谱测量界面主要用于测量一段频道或频率之间的信号情况。如图8所示, 可选择频道扫描或频率扫描2种方式, 频道扫描需双击选择开始频道和结束频道, 频率扫描则在界面上输入开始频率和结束频率以及步进频率。选择完毕后, 单击“扫描”按钮, 即以线型图的方式显示选择范围的电平情况。
监测系统服务器应用软件围绕人机交互界面程序为中心, 由一系列功能模块程序来支持, 这些功能模块大致可分为: (1) 配置模块:主要任务是监测点的监测设备配置、频道表配置、参数有效范围配置、管理员权限配置等。 (2) 报警模块:主要功能是报警信号的处理与保存, 包括短信发送、接收模块、声光报警、处理记录传递等。 (3) 监听监看模块:主要任务是处理QAM调制器的输出频道、机顶盒频道选择、ASI码流切换器控制、视音频切换器控制等。 (4) 日志管理模块。
2.监测系统服务器服务软件 (底层软件) 。该软件的主要任务是完成应用软件与监测设备或上级管理部门的通信联络, 实现数据的编码、解码、打包拆包等工作。
3.远端监测设备控制软件。由主程序、自动调试模块程序、通信模块程序三大部分组成。实现远端监测设备的控制、生产调试、通信联络。
4.局域网服务器配置软件为外来软件, 主要用于监测设备IP的设置和对应服务器IP的设置。
2系统的主要特点
1.采用数字频率锁相、信道射频接收、基带解调解码、计算机控制、自动测量、软件补偿等技术, 实现有线电视网络中任意节点数字电视信号的分布式监测。
2.传统的数字电视监测系统一般都设置在前端机房或分机房, 只监测机房前端的播出信号, 价格昂贵, 很难广泛使用。分布式数字电视综合监测系统成本低廉, 可以同时监测多个需要监测的网络点, 由监测前端设备通过远端监测点对有线数字电视信号技术指标进行全天24小时的自动监测、对数字电视信号进行实时监听监看。监测设备可以把监测参数进行保存, 以便监测中心对有关数据进行后期分析统计和历史数据查询。系统能够自动检测监测点的运行状态, 在监测过程中一旦发现某些指标超过预设定阈值, 能进行声、光报警。其中“数字电视信号远程实时监听监看技术方案”获国家专利。
3.分布式数字电视综合监测系统能自动识别有线电视网络中的数字和模拟电视信号, 并分别测量数字电视信号和模拟电视信号的技术指标。该功能也获国家专利。
4.分布式数字电视综合监测系统把监测前端设计成具有数字电视信号监测报警、数字电视信号质量监测等多种功能模块。数据回传接口、监测系统软件同样实现了模块化设计支持监测点的自由安装/卸载, 可以根据监测系统功能要求进行组合, 为今后的监测系统扩展预留接口。
5.远程监测采用免维护设计, 可无人值守, 所有设置由监测中心完成。监测前端一方面执行固定监测任务, 另一方面也随时接受监测中心的指令执行临时监测任务。系统采用多种网络接口方式, 监测中心与监测点之间的通信线路能够根据实际情况灵活选用, 只要有以太网络或者GPRS网络覆盖的地方, 监测人员都可以通过本系统软件对每一个监测点进行监测。
6.数字电视信号的监测参数存储在各监测点的监测设备里, 平时可以不占用通信线路资源, 需要时才调用。运行成本低, 数据安全性好。
7.监测点状态参数采集采用TCP/IP协议, 开放型的数据库和网络结构能方便地与其它系统 (如各级行政管理部门) 进行数据交换。
8.有严格的客户端操作员权限管理和维护, 完善的日志记录和查询。
3结束语
“分布式数字电视综合监测系统”在2008年10月“第十六届国际传输与覆盖技术研讨会 (ICTC2008) ”上成功展示并已在余杭数字电视公司、萧山数字电视公司进行实际网络运行, 实时监测数字电视的重要技术指标, 并对监测点数字电视信号进行实时监听监看。随着数字电视网络监测和维护的需求不断扩大, 分布式数字电视综合监测系统将会得到越来越广泛的应用。
摘要：本文较为详尽地阐述了分布式数字电视综合监测系统的组成及工作原理, 介绍了监测系统的主要特点和网络管理软件。
分布式直流监测系统的设计与实现 篇9
作为变电站继电保护、自动化等二次设备的运行电源,直流系统的安全运行是变电站保护及控制系统正常工作的基础,其重要性不言而喻。长期以来,直流系统中主要有两个重大隐患:直流接地和寄生回路。直流接地和寄生回路的发生,轻则使设备运行处于不正常工作状态,为运行人员提供错误信息,从而对正常运行操作和故障处理带来困难;重则引起继电保护误动或拒动,酿成大面积停电事故甚至设备损坏。在继电保护工作中,直流接地和寄生回路的查找较为困难,为此,本文研发了直流监测端子Dog,直流监测端子Dog可以通过检测支路差流及系统网络拓扑结构的变化及时发现直流接地或寄生回路。
直流监测端子Dog用以监测变电站直流系统负载侧,当有直流接地和寄生回路发生,Dog就会提示,基于此装置的分布式直流监测系统在220 kV、110 kV、35 kV等各等级变电站的应用中都产生了良好的效果。本文主要介绍基于直流端子Dog的分布式直流监测系统在变电站中的应用。
1 分布式的直流系统
如图1所示为典型的变电站直流系统,分为电源侧和负载侧,中间配置一个集中式的直流报警系统用以监视负载侧的直流对地绝缘状况。从图1中可以看到,负载通过直流母线引出,形成一个配电网式的多级树形结构。直流电源从电源侧引出是先上一条小母线;通过小母线再到负载或次一级的小母线;而次一级小母线可以继续向下到负载或再次一级小母线;以此类推,所以直流系统是一个分布式的系统。
直流端子Dog安装在任意空气开关的下侧,用以监测空气开关下的负载侧。由于直流系统的分布式结构,直流端子Dog也相应分布式的安装于直流系统的各个位置。相对于现有的集中式的直流报警装置,基于Dog的检测系统被称之为分布式直流监测系统。
2 直流监测端子Dog的工作原理
直流端子Dog是通过捕捉正负极间差流及网络拓扑改变来实现对直流接地和寄生回路的检测。正负极间的差流检测主要基于基尔霍夫电流定律。如图2所示,当异常发生时,相当于在负载或线路与接地网之间多出一条支路,会有电流通过地网和接地电阻流回电源,从而使得电源正负极出线流进电流与流出电流不相等,即有:
通过差流的检测即可识别异常。与此同时,由于支路的存在,直流回路的网络拓扑发生变化,从接地一侧的电源端看出去阻抗发生了变化。
以直流接地故障为例,如图2所示,i1,i2是流过端子的反相电流。当直流系统没有接地正常运行时(即设图中A点没有接地),△i=0,i1+i2=0,不存在差流,直流监测端子Dog不会报警。当直流系统中有接地故障发生时,如图所示,A点接地,就会产生差流Δi,使得i1+i2=△i;此时由于接地,直流回路的网络也发生变化,此时直流监测端子Dog就能检测出拓扑变化的存在,红灯常亮发出报警,工作人员就能知道直流系统内发生了直流接地故障。
对于寄生回路的检测也是相同,当两路直流系统之间出现了寄生回路,寄生回路上就会产生差流,并且整个网络拓扑也发生了变化,两边直流监测端子Dog会同时报警,就能及时发现寄生回路的存在。
3 分布式直流监测系统
3.1 全分布监测系统
直流监测端子Dog可分布于整个直流系统中任意一个点,为了完整的监测整个直流系统,在系统中每一个空气开关下侧都安装上直流端子,这样的分布方式称之为全分布监测系统。
图3所示为一个简化的全分布直流系统图。为了方便对全分布监测系统的描述,对系统中安排的直流端子Dog进行了编号。下面举例说明全分布直流监测系统的工作情况。
3.1.1 直流接地
如果图3所示的直流系统中负载1发生直流接地故障,那么毫无疑问,总的直流报警装置会报警,提示直流系统故障。此时,直流端子的情况,从高级到低级,依次Dog1,Dog1.1,Dog1.1.1都会发出报警信号。工作人员可以通过逐层查找,最后把接地的范围确定在负载1的区域。同样地,如果负载5区域发生直流接地,那么Dog1,Dog1.3就会报警,以提示接地点发生的最小范围。
当然也可能不是最底层负载接地,而是线缆或小母线接地,相应地也可以确定最小范围。例如Dog1.1和Dog1.1.1之间的线缆发生接地,此时Dog1,Dog1.1会报警,而Dog1.1.1,Dog1.1.2都会报警,这样,就可以把范围缩小到Dog1.1之下,Dog1.1.1,Dog1.1.2之上。
目前的变电站直流系统的配置中,当发生直流接地时,总报警装置会报警,但要查找到具体的接地点,需要耗费大量的时间和精力,不利于系统的运行。全分布监测系统能把接地范围确定到一个很小的区域内,能使工作量大大减少,大幅提高工作效率。
3.1.2 直流寄生回路
如图3所示,当负载1和负载2之间存在寄生回路时,Dog1.1.1,Dog1.1.2报警,而其他直流端子都不报警;当负载1和负载3之间存在寄生回路时,Dog1.1,Dog1.1.1,Dog1.2,Dog1.2.1会报警,其他直流端子不报警;如果负载1和负载5之间存在寄生回路,Dog1.1,Dog1.1.1,Dog1.3会报警,其他直流端子不报警。根据上述分析,可以简单地判别出寄生回路发生的支路。
综合上述直流接地与寄生回路的情况,可以总结为:
a)从第一层直流端子到N层X直流端子,均发出报警,可以知道,在X端子下侧负载以下,N+1层端子以上发生了直流接地;如果某层有两个直流端子发出报警,而他们的上一层端子没有发出报警,那么可以确认,这两个端子的下侧负载之间存在了寄生回路。
b)如果两个直流系统之间发生寄生回路时,无法确认是存在寄生回路还是两个系统都存在直流接地,那么可以采用拉掉其中一个回路的方法;如果存在寄生回路,两个系统中直流端子的报警都会消失;如果是直流接地,那么另一路的直流端子报警仍会存在。
3.2 底层分布监测系统
所谓底层分布监测系统,即指整个分布式系统中,直流监测端子Dog只安装在最底层负载之上。比之全分布系统,这样做可以使成本大幅度降低,而直流系统中,在小母线和线缆上发生直流接地和寄生回路的概率很小,大部分故障发生在控制回路、保护、信号回路等负载侧。所以这是一种不完全但性价比较高的分布方式。
图4所示为一个简化的底层分布直流系统。由于Dog只安装在最底层负载区域之上,它将只能监测负载区域,它是全分布系统的一个简化版。
底层分布系统不具有全分布系统那么多层次,它只有一层。每一个直流端子都只监测其下的一个负载区域,其对故障的判断也相对简单:当某个直流端子发出故障报警,即意味着其下侧的负载区域发生了直流接地或与其他负载之间存在寄生回路。
3.3 按需配置的分布式监测系统
以上两种分布方式是较为常用的两种分布方式,然而并不是一定要按这两种方式来配置直流端子在系统中的分布,完全可以根据现场需求来对分布式系统做出调整。
从直流监测端子Dog的工作原理可以知道,即使系统中只安装一个直流端子,它也能够对其下侧的直流负载区域起到监测作用。当然单个的直流端子会使我们对其故障原因(直流接地或寄生回路)的判断发生困难。
因此,完全可以根据实际的需要,在直流系统中必要的位置安装直流监测端子,而在不重要或不必要的部分不进行安装。这样,分布式监测系统能获得最大的性价比和效率。
3.4 依据端子颜色判断端子位置
当采用了分布式的直流监测系统后,在现场有更简单的判断方式,那就是根据端子的颜色。
直流监测端子的外壳具有不同的颜色,利用这一点在设计分布式监测系统时可以根据端子所在的不同层次和不同回路使用不同颜色的端子。这样,在现场打开一个保护屏时,可以很容易地在一排直流端子中判断出哪个端子是用于哪个回路的。
例如,在一个35 kV线路保护屏,直流回路一般有保护回路、控制回路和信号回路,假设分别使用黑色、白色和绿色的端子对应不同的回路。如果发生接地,检查保护屏,会发现白色的端子告警,那么就知道是控制回路发生直流接地,方便检查。
4 结束语
基于直流监测端子Dog的分布式直流监测系统是现有的集中式直流报警系统的良好补充,其具有如下优点:
a)直流端子Dog能够发现寄生回路的存在,这是现有的直流报警系统所不具备的功能。
b)直流接地故障发生时,能够将可能故障区域确定在一个更小的范围内,方便工作人员的查找及维护。现有直流报警系统只能确定直流接地的存在,但不能发现直流接地的具体位置。
c)可按需配置的分布式监测系统。基于Dog的特点,使得这个分布式系统的配置完全可以取决于需要,既能够采用全分布的方式以使监测系统的功能达到最强,也可以采用底层分布方式或自配置方式以减低成本,提高性价比和效率。
综上所述,采用基于直流监测端子Dog的分布式监测系统对变电站直流系统的保护更完善、更高效、更安全。
参考文献
[1]邹森元.谈谈防止直流寄生回路及一点接地问题[J].继电器,1996,14(3):52-57.ZOU Sen-yuan.Discussion on preventing DC parasitic circuit and one-point-earthing[J].Relay,1996,14(3):52-57.
[2]甘景福.直流系统间的寄生回路造成的直流接地假象[J].华东电力技术,2004(2):.41-42,47.GAN Jing-fu.DC unreal grounding caused by parasitic circuit between DC systems[J].North China Electric Power,2004(2):41-42,47.
[3]Tanenbaum A S,van Steen Maarten.Distributed systems:principles and paradigms[M].Pearson:Prentice Hall,2004.
[4]Webb A C,Webb M.Automated testing of power system protection relays[J].Power Engineering Journal,1988,11:143-146.
[5]毛锦庆,等.电力系统继电保护规定汇编[M].北京:中国电力出版社,2000.
分布式监测诊断系统 篇10
在矿井冻结工程施工过程中, 为了实时掌握冻结壁的发展情况, 需要设置温度监测系统。目前, 冻结壁温度监测常采用多线制测量及一线总线式测量[1]方式。多线制测量方式布线困难、成本高;一线总线式测量方式布线简单、测温点可任意布置, 但任意一点的损坏将导致整个测温总线失效[2]。这2种方式都是通过获得离散点温度信息推断冻结壁的发展情况, 很难全面掌握冻结壁的全部温度信息。因此, 笔者采用光纤技术设计了一种分布式光纤测温系统。该系统主要依据光时域反射技术和后向拉曼散射温度效应实现温度测量, 近于连续分布的测温点使以往孤立点的温度监测发展为沿缆线的温度监测, 使得系统能够测量整个冻结壁的温度梯度, 克服了传统测温方式依靠检测离散点温度信息推断整个温度场分布特征的弊端, 消除了离散点测量带来的不安全因素[3]。同时, 光纤本身的抗电气干扰、耐腐蚀的性能大大提高了系统的稳定性。
1 系统设计
1.1 系统工作原理
分布式光纤测温系统的工作原理如图1所示。
该系统采用后向散射探测方法, 由半导体激光器 (LD) 产生很窄的泵浦光脉冲, 经光纤放大器 (EDFA) 提升功率后, 通过光纤分路器耦合进传感光纤, 在传感光纤中将产生后向散射光, 回来的后向散射光再经光纤分路器耦合进光滤波器进行滤波和分离, 从而得到携带温度信号的后向反斯托克斯拉曼散射光和作为参考信号的后向瑞利散射光, 自此便完成了信号的采集工作;从光滤波器分离出来的后向反斯托克斯拉曼散射光和后向瑞利散射光再分别进入光电探测器PD1、PD2进行光电转换及前级放大, 完成信号的光电转换工作;转换后的电平信号分别进入放大器1和放大器2进行放大, 然后分别由2片A/D卡 (A/D1和A/D2) 进行模数转换, 得到数字信号, 经FIFO数据缓存后进入计算机进行信号处理和分析计算, 最终得到对应点的温度信息。因此, 发出光脉冲后, 对后向拉曼散射光信号进行高速的多点采样, 就可获得沿光纤轴向的温度场分布, 实现分布式温度测量。
1.2 系统最佳波长的确定
分布式光纤测温系统的温度灵敏度可表示为
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式中:R (T) 为反斯托克斯光强比值;T为温度值;λ0为系统波长;Δγ为偏移波数;h为普朗克常量;c为光速;K为玻尔兹曼常量。
由式 (1) 可知, 系统的温度灵敏度随所选激光器中心波长的增加而提高[4]。但随着激光器工作时间的增加, 其中心波长会因管芯发热而向长波长方向漂移, 相应的后向拉曼散射光信号的中心波长也会随之发生变化, 从而影响整个系统的稳定性。尽管激光器的中心波长漂移量很小, 但也会给系统带来明显的不利影响。根据大量试验得出:系统的中心波长越短, 对系统的稳定性越有利[5,6]。
由上述可知, 从灵敏度角度看, 系统中心波长越长越好;从工作稳定性角度看, 系统中心波长越短越好。在选取系统中心波长时, 应着重考虑信号强度, 兼顾系统的温度灵敏度和稳定性。根据实验和研究, 得出分布式光纤测温系统的测量距离与激光器中心波长的关系[7]如图2所示。因此, 该系统选取激光器中心波长为1 550 nm。
2 系统的温度解调方案
分布式光纤测温系统利用后向反斯托克斯拉曼散射光功率曲线解调后向瑞利散射光功率曲线, 其实现过程:先测出整段光纤在T=T0 (T0为参考温度) 时的后向反斯托克斯拉曼散射光功率曲线和后向瑞利散射光功率曲线, 然后将两者相比得到基线;测出光纤在任意温度T时的后向反斯托克斯拉曼散射光功率曲线和后向瑞利散射光功率曲线, 将两者相比得到一条新曲线并与基线相比, 从而得到温度关系式。具体推导如下:
T=T0时, 后向反斯托克斯拉曼散射光功率Pas (T0) 和后向瑞利散射光功率PR (T0) 分别为
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式中:n1为光纤折射率;E0为激光器光脉冲能量;Δv为光纤的拉曼频移量;Γas、ΓR分别为单位长度光纤中后向反斯托克斯拉曼散射光和后向瑞利散射光的散射系数;α0、αas分别为激光器中心波长和后向反斯托克斯散射光波长处光纤的损耗;L为光纤长度。
式 (2) 除以式 (3) 得到基线表达式:
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系统在温度T时的后向反斯托克斯拉曼散射光功率和后向瑞利散射光功率分别为
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式 (5) 除以式 (6) 得:
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式 (7) 除以式 (4) 得:
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因此, 系统的温度解调表达式可表示为
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该温度解调方案可抑制温漂噪声积累和后向瑞利散射光子窜扰后向反斯托克斯散射光子, 使测量精度保持较高水平;同时也可用后向瑞利散射光信号的电脉冲触发高速信号采集卡与累加器同步工作, 省去同速同步触发电源, 可进一步提高系统的安全性, 降低系统成本。
3 性能测试
3.1 室内实验
将分布式光纤测温系统调试好后, 将全部传感光纤置于-45 ℃的环境中, 运行自主研发的测温软件包程序, 得到的拉曼曲线、瑞利曲线、温度曲线如图3所示。
将全部传感光纤置于-15 ℃的环境中, 得到分布式光纤测温系统的拉曼曲线、瑞利曲线、温度曲线如图4所示。
从图3、图4可看出, 分布式光纤测温系统能比较真实地反映光纤沿线的温度, 所测得的温度曲线比较平滑, 系统测量精度可达1 ℃。
3.2 现场试验
将分布式传感光纤与一线总线式测温电缆同时下放到测温孔中, 并在一线总线式测温点处固定一个传感光纤环, 使传感光纤环与一线总线式测温系统的测温点相对应。开启一线总线式测温系统与分布式光纤测温系统, 测得的地层原始地温曲线如图5所示。
冷冻站运转一段时间后, 地层温度开始下降, 由一线总线式测温系统与分布式光纤测温系统测得的2组冻结孔内温度曲线如图6所示。
通过多次测量并对比测量结果发现:分布式光纤测温系统与一线总线式测温系统的测量结果存在误差, 误差曲线如图7所示。
从图7可看出, 分布式光纤测温系统与一线总线式测温系统的最大测温误差为0.69 ℃, 平均误差为0.5 ℃。一线总线式测温系统经计量研究院检测后, 系统最大测量误差小于0.2 ℃, 因此, 本文设计的分布式光纤测温系统的测温误差不超过1 ℃, 满足冻结工程的测温要求。
4 结语
通过室内实验可知:欲提高测量精度, 关键是提高信噪比, 提高有用信号强度;欲提高系统空间分辨率, 要求信号处理部分具有较宽的带宽, 但无限制地提高系统空间分辨率将会导致系统采集大量数据, 增加数据处理任务量, 使温度测量时间廷长, 最后可能导致系统实时性变得很差, 不能很好地满足工程需要或无法使用。
通过现场试验可知:将分布式光纤测温系统应用于冻结施工中, 可测量整个冻结壁温度场的分布情况, 及时发现温度异常点, 正确指导冻结施工, 满足信息化施工的要求。
摘要：文章根据冻结工程信息化施工的要求, 将分布测量理论和光纤传感技术引入到冻结监测中, 并结合某矿井冻结工程的实际情况, 对分布式光纤测温系统的工作原理、性能指标温度解调方案进行了详细的分析与研究, 成功设计出一套满足冻结施工要求的分布式光纤测温系统。该系统依据光时域反射技术和后向拉曼散射温度效应实现温度测量, 提高了测量精度和稳定性, 降低了系统成本。室内实验及现场试验验证了该系统的测量精度性与可靠性, 为冻结温度监测提供了一种新的监测手段。
关键词：矿井,冻结监测,温度监测,分布式光纤,温度解调
参考文献
[1]刘招伟, 赵运臣.城市地下工程施工监测与信息反馈技术[M].北京:科学出版社, 2006.
[2]翟延忠.地层冻结监测中超长距离一线总线驱动技术的研究[J].建井技术, 2004, 25 (6) :20~23.
[3]赵怀固, 沈华军, 潘存银.冻结温度监测仪引进与应用研究[J].西部探矿工程, 2005, 105 (2) :131~132.
[4]杨士娟, 李缓.拉曼散射光谱及应用[J].中国现代教育装备, 2006 (8) :56~58.
[5]常程.基于后向拉曼散射分布式光纤测温系统及其关键技术研究[D].北京:北京航空航天大学, 2000.
[6]刘德明.光纤传感系统的信号处理的研究[R].武汉:华中科技大学, 1999.