胡成城 劉 波 閆 彬 李 凱

（安徽送變電工程公司 安徽合肥 230022）

傳感器監(jiān)測(cè)技術(shù)在鐵塔組立施工中的應(yīng)用

胡成城 劉 波 閆 彬 李 凱

（安徽送變電工程公司 安徽合肥 230022）

本文介紹了利用傳感器技術(shù)開(kāi)發(fā)的《輸電線路鐵塔抱桿組立動(dòng)態(tài)測(cè)系統(tǒng)》在鐵塔組立過(guò)程中應(yīng)用的情況，重點(diǎn)講述了系統(tǒng)的架構(gòu)、技術(shù)原理和主要功能。

傳感器；監(jiān)測(cè)技術(shù)；鐵塔；組立

隨著國(guó)家電網(wǎng)建設(shè)的不斷發(fā)展，電力工程建設(shè)施工任務(wù)越來(lái)越繁重，輸電線路的鐵塔向多回路、大荷載方向發(fā)展，鐵塔越來(lái)越高、塔材越來(lái)越重，特別是在地理環(huán)境復(fù)雜，氣候惡劣的施工環(huán)境下，傳統(tǒng)的桿塔組立施工關(guān)鍵數(shù)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)指揮難以掌控，鐵塔組立安全風(fēng)險(xiǎn)極大。

伴隨著電子技術(shù)、單片微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展使傳感器技術(shù)得到全面發(fā)展和應(yīng)用，借助于傳感器監(jiān)測(cè)技術(shù)，開(kāi)發(fā)一套適用于架空輸電線路鐵塔組立施工的鐵塔抱桿組立動(dòng)態(tài)測(cè)系統(tǒng)具有十分重要意義?！遁旊娋€路鐵塔抱桿組立動(dòng)態(tài)測(cè)系統(tǒng)》就是基于傳感器監(jiān)測(cè)技術(shù)開(kāi)發(fā)的架空輸電線路鐵塔組立施工動(dòng)態(tài)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的成功開(kāi)發(fā)與應(yīng)用有效降低了鐵塔施工作業(yè)的安全風(fēng)險(xiǎn)，使鐵塔組立施工過(guò)程中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)處于可控、在控、能控狀態(tài)，做到科學(xué)指揮，大大提高組塔施工效率。

本文將圍繞該系統(tǒng)的架構(gòu)、技術(shù)原理和功能進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

輸電線路鐵塔抱桿組立動(dòng)態(tài)測(cè)系統(tǒng)，是利用傳感器監(jiān)測(cè)技術(shù)開(kāi)發(fā)研制的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)根據(jù)送電線路工程施工特點(diǎn)，對(duì)鐵塔吊裝施工過(guò)程中主要受力點(diǎn)受力狀況、抱桿姿態(tài)、作業(yè)環(huán)境風(fēng)速、作業(yè)環(huán)境溫度、位置信息、進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)全部采用無(wú)線傳輸，便攜數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)終端通過(guò)數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)對(duì)各測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)采集，便攜數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)終端將采集的數(shù)據(jù)后進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算分析、顯示并記錄。便攜數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)終端具有到限預(yù)警、超限報(bào)警、通信故障報(bào)警等功能，在發(fā)出聲音報(bào)警的同時(shí)便攜數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)終端屏幕閃爍顯示相應(yīng)的報(bào)警點(diǎn)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)響應(yīng)延遲時(shí)間均控制在ms級(jí)以?xún)?nèi)，完全可以滿(mǎn)足工程施工需要。

本系統(tǒng)主要由便攜數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)終端、受力數(shù)據(jù)無(wú)線監(jiān)測(cè)終端、抱桿傾斜狀況傳感器、風(fēng)速監(jiān)測(cè)終端組成，在便攜數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)終端內(nèi)部嵌入有GPS定位和溫度監(jiān)測(cè)模塊。

2 系統(tǒng)實(shí)施方案

2.1 便攜數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)終端的設(shè)計(jì)

便攜數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)終端是本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的核心單元，該終端主要由顯示單元、無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)、數(shù)據(jù)中央處理器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器等單元組成。本終端采用可充電電池供電，充滿(mǎn)電可持續(xù)工作24h以上。數(shù)據(jù)采集終端上電開(kāi)機(jī)完成程序初始化后，自動(dòng)搜索當(dāng)前在線數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)設(shè)備終端，搜索到設(shè)備后直接在液晶顯示屏上顯示測(cè)量數(shù)據(jù)及狀態(tài)是否安全，如未搜索到設(shè)備或出現(xiàn)通信中斷則在相應(yīng)位置顯示“--.--”，當(dāng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)終端有報(bào)警數(shù)據(jù)反饋時(shí)，該終端自動(dòng)發(fā)出報(bào)警音，并在相應(yīng)單元狀態(tài)欄顯示“過(guò)載”。

數(shù)據(jù)顯示內(nèi)容主要包括：工程名名稱(chēng)顯示單元、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間顯示單元、抱桿拉線受力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、抱桿傾斜及方向動(dòng)態(tài)模擬子窗口、風(fēng)速監(jiān)測(cè)、環(huán)境溫度共計(jì)7組數(shù)據(jù)顯示單元，7個(gè)報(bào)警顯示標(biāo)識(shí)，1個(gè)動(dòng)態(tài)模擬顯示窗口，1個(gè)參考坐標(biāo)顯示窗口，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)每秒自動(dòng)記錄一次。

2.1.1 系統(tǒng)軟件構(gòu)架設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)涉及的數(shù)據(jù)測(cè)量點(diǎn)較多，為保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性，減小監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集延時(shí)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)自動(dòng)巡檢采集模式，在軟件構(gòu)架設(shè)計(jì)過(guò)程中，根據(jù)傳感器種類(lèi)及數(shù)據(jù)采集理論響應(yīng)時(shí)間，對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)巡檢等待時(shí)間進(jìn)行精準(zhǔn)控制。

2.1.2 工作模式設(shè)計(jì)

接入數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)傳感器均有自己唯一的通信地址，每一種類(lèi)型的傳感器均有自己的唯一的通信協(xié)議。每個(gè)共享端口子系統(tǒng)的各子單元數(shù)據(jù)的采集方式均以巡檢應(yīng)答模式進(jìn)行采集。每個(gè)子單元收發(fā)等待時(shí)間設(shè)為10ms，以四子單元子系統(tǒng)為例最大數(shù)據(jù)延遲時(shí)間（即采集周期）為80ms。

圖1 數(shù)據(jù)巡檢周期理論計(jì)算方框圖

接入監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的傳感器，根據(jù)傳感器測(cè)量單元，通過(guò)便攜數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)終端對(duì)各子系統(tǒng)的傳感器地址進(jìn)行編組。便攜數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)終端設(shè)置完成后，終端首先對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)端口進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)端口成功初始化后，向各數(shù)據(jù)端口同時(shí)自動(dòng)發(fā)送采集指令，發(fā)送采集指令后自動(dòng)進(jìn)入數(shù)據(jù)接收狀態(tài)，監(jiān)聽(tīng)等待各傳感器回傳的測(cè)量數(shù)據(jù)。便攜數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)終端后，子系統(tǒng)的各子單元在均能同時(shí)接收該數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)接收成功后各子單元自動(dòng)將接收到的數(shù)據(jù)地址與自身的地址進(jìn)行比較，如果所接收的數(shù)據(jù)地址與自身的數(shù)據(jù)地址相同則該子單元發(fā)送器測(cè)量數(shù)據(jù)，否則不做任何處理。

便攜數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)終端對(duì)各子單元回傳的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)成功接收后，由便攜數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)終端自動(dòng)對(duì)所接收回的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理，接收數(shù)據(jù)解析處理后，系統(tǒng)將根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的修正值及預(yù)編的運(yùn)算處理公式進(jìn)行修正、運(yùn)算進(jìn)而處理成所需要顯示的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。同時(shí)系統(tǒng)對(duì)所顯示的數(shù)據(jù)與軟件預(yù)設(shè)的預(yù)、報(bào)警值進(jìn)行比較，當(dāng)測(cè)量數(shù)據(jù)未超出預(yù)先設(shè)定的超限預(yù)警值和超限報(bào)警值時(shí)，報(bào)警提示為“安全”，測(cè)量數(shù)據(jù)超出預(yù)先設(shè)定的超限預(yù)警值時(shí)，報(bào)警提示為“過(guò)載”，同時(shí)報(bào)警提示為“安全”發(fā)出“嘀、嘀”報(bào)警聲；測(cè)量數(shù)據(jù)超出預(yù)先設(shè)定的超限報(bào)警值時(shí)，報(bào)警提示為“危險(xiǎn)”，同時(shí)由上位計(jì)算機(jī)發(fā)出急促“嘀、嘀”報(bào)警聲。

圖2 便攜數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)終端數(shù)據(jù)收發(fā)原理框圖

系統(tǒng)軟件具有通信故障提示功能，當(dāng)上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件對(duì)同一子單元在連續(xù)3次發(fā)送采集指令后，均未成功接收到相對(duì)應(yīng)的下位監(jiān)測(cè)子單元發(fā)回的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，則自動(dòng)辨認(rèn)為該下位監(jiān)測(cè)子單元通信中斷，并在該子單元數(shù)據(jù)顯示端口顯示“通信中斷”文字提示。

2.2 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)終端的設(shè)計(jì)

2.2.1 受力監(jiān)測(cè)終端的設(shè)計(jì)

受力監(jiān)測(cè)終端主要對(duì)抱桿拉線系統(tǒng)受力大小的監(jiān)測(cè)。使用時(shí)將拉力傳感器串聯(lián)至鋼絲繩與地錨之間，通過(guò)傳感器專(zhuān)用信號(hào)電纜線將拉力傳感器輸出的測(cè)量信號(hào)送入數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)終端，經(jīng)傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)終端對(duì)測(cè)量信號(hào)解析處理，利用無(wú)線數(shù)傳模塊接入系統(tǒng)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)將測(cè)量數(shù)據(jù)傳至數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)終端。

圖3 S型拉力傳感器

2.2.2 抱桿傾斜狀況監(jiān)測(cè)子單元的設(shè)計(jì)

抱桿傾斜狀況監(jiān)測(cè)主要對(duì)抱桿發(fā)生傾斜時(shí)其傾斜方向及抱桿頂端橫、順線路前進(jìn)方向相對(duì)底端偏移的距離及抱桿頂端相對(duì)抱桿底端偏移的投影距離（如圖4）。

圖4 抱桿傾斜狀況監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)示意圖

在抱桿回轉(zhuǎn)體下方安裝一只型傾角傳感器為核心的抱桿傾斜狀況監(jiān)測(cè)終端，安裝時(shí)使傾角傳感器內(nèi)的兩坐標(biāo)軸與水平面的內(nèi)的參考平面直角坐標(biāo)系的兩坐標(biāo)中重合，傳感器的兩坐標(biāo)軸X、Y與水平面的夾角發(fā)生變化，并可將其夾角數(shù)據(jù)通過(guò)程序讀取，則根據(jù)讀取的數(shù)據(jù)可由下列計(jì)算公式計(jì)算出抱桿頂端橫、順線路前進(jìn)方向相對(duì)底端偏移的距離X1、Y1及抱桿頂端相對(duì)抱桿底端偏移的投影距離BJ（如圖5）。

圖5 組裝完成的傾角測(cè)量單元

2.2.3 風(fēng)速監(jiān)測(cè)子單元的設(shè)計(jì)

風(fēng)速監(jiān)測(cè)單元主要對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)抱桿頂端處瞬時(shí)風(fēng)速進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。在抱桿頂端安裝一臺(tái)由風(fēng)速傳感器為核心的風(fēng)速監(jiān)測(cè)終端，其風(fēng)速傳感器測(cè)量范圍為0～30m/s，啟動(dòng)風(fēng)速為0.6m/s。

2.3 系統(tǒng)應(yīng)用

本系統(tǒng)在皖電東送淮南-上海1000kV特高壓交流輸電線路一般線路工程（10標(biāo)段）、±800kV錦蘇線皖4標(biāo)段、500kV文都變輸電線路工程鐵塔組立施工中均成功應(yīng)用，得到了兄弟單位的一致好評(píng)。該系統(tǒng)根據(jù)鐵塔組立施工工藝量身定做、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，為智能監(jiān)測(cè)技術(shù)在送電線路施工應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1][美]DavidTsePramodViswanath，著.無(wú)線通信基礎(chǔ).人民郵電出版社，2007.

[2]曹衛(wèi)彬.C/C++串口通信典型應(yīng)用實(shí)例編程實(shí)踐.電子工業(yè)出版社，2009.

[3]張大明，彭旭昀，尚靜基.單片微機(jī)控制應(yīng)用技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

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1004-7344（2016）03-0242-02

2016-1-12