基于組態(tài)軟件與光纖光柵傳感技術的監(jiān)測系統(tǒng)在鐵路上的應用

出處：peggycat 發(fā)布于：2010-09-03 15:56:40

摘要：概述了光纖光柵技術及組態(tài)軟件的基本原理；分析了光纖光柵傳感技術與組態(tài)軟件的結合在鐵路安全的運用——在線監(jiān)測系統(tǒng)。主要針對其功能做了詳細闡述，分析了鐵路安全在線監(jiān)測系統(tǒng)在實際中的應用方案以及發(fā)展前景。

　　近年來，高速鐵路在我國得到了蓬勃發(fā)展。高速鐵路的特點是行車密度大，因此如果發(fā)生事故其造成的后果也會非常嚴重。保障運行列車的安全成為日益凸顯的重要研究內容。

　　1 光纖光柵技術與組態(tài)軟件的分析

　　光纖光柵是利用紫外暴光技術在光纖芯中引起折射的周期性變化而形成的。光纖光柵中折射率分布的周期性結構，導致某一特定波長光的反射，從而形成光纖光柵的反射譜。反射光的波長對溫度、應力和應變敏感，當環(huán)境溫度、應力或應變發(fā)生變化時，光纖光柵反射光的峰值波長漂移，通過對波長漂移量的度量就可以實現(xiàn)對溫度、應力和應變的感測。

　　組態(tài)軟件為“組態(tài)式監(jiān)控軟件”?！敖M態(tài)”(Configure)的含義是“配置”、“設定”、“設置”，指用戶通過類似“搭積木”的簡單方式來完成自己所需要的軟件功能，而不需要編寫計算機程序，即所謂的“組態(tài)”?！氨O(jiān)控”（Supervisory Control）指通過計算機信號對自動化設備或過程進行監(jiān)視、控制和管理。

　　1.1 理論基礎

　　光纖光柵的周期在幾百納米數(shù)量級。當某一寬帶光源的光入射到光纖光柵中時，折射率分布的周期性結構導致某一特定波長光的反射，反射光的波長（即諧振波長）由Bragg公式確定：

　　光纖光柵應力傳感器通常是將光纖光柵附著在某一彈性體上，同時進行保護封裝。當彈性體受到壓力時，光纖光柵與彈性體一起發(fā)生應變，導致光纖光柵的諧振波長漂移，漂移量由式(2)給出：

　　從式(3)可以看出，如果已知光纖光柵諧振波長的漂移量以及其工作溫度的改變量，就可以計算出光纖光柵的應變。

　　1.2 物理邏輯模型

　　光纖光柵感應輸出的是波長改變量，必須采用專用的波長解調設備進行波長識別，然后送入計算機進行分析處理和報警。

　　圖1給出了光纖光柵應力傳感器與波長解調儀組成的應力測量系統(tǒng)。

　　該應力測量系統(tǒng)主要由寬帶光源、光纖光柵應力傳感器、基于可調F-P濾波器的波長解調儀和計算機及軟件分析處理系統(tǒng)四部分組成。圖中給出等間隔分布的多個光纖光柵應力傳感器，這些光纖光柵通常要進行串接。由寬帶光源發(fā)出的寬帶光信號經過隔離器和3 dB耦合器傳輸?shù)酱拥膫鞲泄鈻派?，經過這些光纖光柵的波長選擇后，一組不同波長的窄帶光被反射，反射光再次經過3 dB耦合器由波長解調儀接收，經過波長解調儀對這些波長進行識別，得到一組應力傳感信息。當檢測傳感器外部應力發(fā)生變化時，通過光柵解調器監(jiān)測出波長的變化即應力變化之后，輸入到計算機進行數(shù)據(jù)分析處理，得到傳感器受壓分布狀況，從而判斷是否會產生塌方、位移等危險影響，起到報警作用。

　　波長解調儀由可調F-P濾波器、鋸齒波掃描電壓發(fā)生器、抖動信號發(fā)生器、信號混合器和LP低通濾波器五部分組成。波長解調儀的工作原理是：波長編碼的壓力傳感信號輸入到可調諧F-P濾波器，當鋸齒波驅動F-P濾波器使其透射波峰與光纖光柵反射峰重合時，即可根據(jù)此時的F-P濾波器驅動電壓與透射波長關系測得光纖光柵反射峰位置。但由于F-P濾波器輸出的透射譜是光柵反射譜與F-P濾波器透射譜的卷積，會使帶寬增加，分辨率降低。所以，在掃描電壓上加一小的抖動電壓，其輸出經混頻和低通濾波器，測量抖動頻率，在信號為零時，所測得數(shù)據(jù)即為光柵的反射峰值波長。

　　1.3 組態(tài)軟件

　　組態(tài)軟件（Configuration）為模塊化任意組合，軟件包括系統(tǒng)組態(tài)軟件平臺和應用軟件平臺兩部分。操作系統(tǒng)可任意選用Window NT、Linux、Unix等。網(wǎng)絡傳輸統(tǒng)一采用TCP/IP協(xié)議。在系統(tǒng)軟件的基礎上建立應用軟件的支撐平臺，即分布式實時運行環(huán)境。包括分布式系統(tǒng)管理與監(jiān)視、基于內存的實時數(shù)據(jù)庫、實時數(shù)據(jù)庫組態(tài)工具、基于OPENGL的三維圖形組態(tài)工具、多層次多協(xié)議網(wǎng)絡通信結構等。在組態(tài)平臺之上二次開發(fā)應用軟件平臺全面建立在開放的國際工業(yè)標準基礎上，需要具有良好的開放性?？紤]系統(tǒng)的開發(fā)性，采用商業(yè)數(shù)據(jù)庫，并且應用系統(tǒng)的開放性設計需具備多層次特征，為多方位、多層次持續(xù)拓展系統(tǒng)功能提供堅實的基礎。

　　組態(tài)軟件平臺的層次結構分為操作系統(tǒng)(可選Windows、Linux、Unix等)、實時運行環(huán)境（包含實時數(shù)據(jù)庫、實時數(shù)據(jù)庫組態(tài)工具、關系數(shù)據(jù)庫、多層次/多協(xié)議網(wǎng)絡接口三部分）、圖形組態(tài)以及數(shù)據(jù)庫維護和SCADA應用功能四部分。

　　2 系統(tǒng)方案

　　2.1 系統(tǒng)邏輯功能

　　鐵路在線監(jiān)測系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理與分析兩大子系統(tǒng)。其中，數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)由傳感器子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)有機地組成；數(shù)據(jù)管理與分析系統(tǒng)包括監(jiān)測數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析處理子系統(tǒng)。系統(tǒng)邏輯功能如圖2所示。

　　傳感器子系統(tǒng)由分布在現(xiàn)場的傳感器組成，主要包括光纖溫度、應變、壓力、位移、振動傳感器，光纖傳感分析儀根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測點的多少可以配置不同通道的儀器。傳感器主要分布在牽引變電站的電力開關柜、電纜接頭、變壓器、互感器等輸變電設備上，用來在線測溫及自動報警，還有分布在橋梁、鐵路軌道、鐵路隧道等土木工程結構里，用來應力變形結構的安全監(jiān)測。

　　數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)由光纖光柵分析儀完成，將光纖光柵分析儀接入現(xiàn)場的傳感器，儀器分析光纖光柵中折射率分布的周期性結構，導致某一特定波長光的反射，從而形成光纖光柵的反射譜。反射光的波長對溫度、應力和應變敏感，當環(huán)境溫度、應力或應變發(fā)生變化時，光纖光柵反射光的峰值波長漂移，通過對波長漂移量的度量就可以實現(xiàn)對溫度、應力和應變的感測。感測的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)傳輸給數(shù)據(jù)處理和控制系統(tǒng)。

　　數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)是光纖光柵分析儀與監(jiān)控系統(tǒng)的通信通道，在具備有線傳輸?shù)膱鏊梢钥紤]光纖(例如在牽引變或分區(qū)所)，通道穩(wěn)定可靠；在不具備條件的場所(例如隧道、橋梁等)，可以采用無線方式，雖然通道的質量會差一些，但對在線監(jiān)測系統(tǒng)還是可以滿足需求。

　　數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)，為了保證系統(tǒng)的實時性、穩(wěn)定性采用組態(tài)軟件，系統(tǒng)具備實時數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)越限處理、歷史數(shù)據(jù)采用、事故采樣、事故追憶等功能，在實時系統(tǒng)之上配有決策支持系統(tǒng)，幫助調度人員對現(xiàn)場情況迅速、準確地做出判斷。

　　2.2 系統(tǒng)結構

　　整體系統(tǒng)結構如圖3所示。

　　(1)在每個被檢測設備的內部安裝若干個光纖光柵傳感器，采集現(xiàn)場信息；

　　(2)在相對集中的監(jiān)測現(xiàn)場設置主控室或主控箱體，用來安放光纖光柵分析儀和通信設備，對溫度、應力和應變的感測信息數(shù)據(jù)進行分析、預警及數(shù)據(jù)傳輸；

　　(3)主站調度系統(tǒng)通過不同的傳輸通道（光纖、微波、載波、GPRS等）按照一定的傳輸協(xié)議采集分布在各個現(xiàn)場（鐵軌、鐵路橋梁、鐵路隧道、鐵路牽引變電站等）的光纖光柵分析儀的數(shù)據(jù)，由調度系統(tǒng)對實時現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行告警、采樣等處理，由決策支持系統(tǒng)協(xié)助調度人員提出預知方案。

　　2.3 牽引變測溫系統(tǒng)

　　以牽引變測溫系統(tǒng)為例對系統(tǒng)物理結構及現(xiàn)場安裝情況進行詳細描述，如圖4所示。

　　系統(tǒng)各部分的功能描述：

　　(1)光纖光柵溫度傳感器：布置在高壓開關柜內，采集溫度信號；

　　(2)傳輸系統(tǒng)：將溫度傳感器信號傳到控制室內的光纖光柵解調儀；

　　(3)光纖光柵信號解調系統(tǒng)：對溫度信號進行解調，提供現(xiàn)場溫度的實時信息；

　　(4)系統(tǒng)軟件：給整個系統(tǒng)的運行提供軟件支持。

　　綜上所述，光纖光柵傳感技術在鐵路安全防護上具有很高的應用價值，實踐證明在線監(jiān)測系統(tǒng)比以往傳統(tǒng)的鐵路安全巡檢更安全、快捷，會帶來更大的經濟效益和更好的社會效應。尤其采用了多種通信技術以及運用了組態(tài)軟件與決策支持系統(tǒng)，為調度員的決策提供了安全保障。