一、 系統(tǒng)背景
安裝在野外的輸電線鐵塔，雖然地基堅(jiān)固，但是由于長期受到地殼運(yùn)動(dòng)、天氣環(huán)境、人為施工（如修公路等情況下的野外爆破）等的影響，容易發(fā)生傾斜。當(dāng)傾斜達(dá)到一定程度，或者由于傾斜造成的鐵塔應(yīng)力變化，均有可能使得鐵塔發(fā)生形變，從而引發(fā)輸電線舞動(dòng)、斷裂，甚至鐵塔倒塌等生產(chǎn)和安全問題。
而對于鐵塔傾斜的早期預(yù)測，目前采用的辦法是巡線的工作人員，攜帶笨重的儀器設(shè)備，到達(dá)鐵塔附近，然后展開設(shè)備進(jìn)行測量。這樣不但效率低，而且也不準(zhǔn)確、及時(shí)，并不能從根本上解決鐵塔傾斜的早期預(yù)測，及時(shí)排除安全隱患，保證生產(chǎn)的正常進(jìn)行。
由于以上原因，目前需要有一種能夠完成鐵塔傾斜自動(dòng)檢測的辦法，同時(shí)需要將野外現(xiàn)場的檢測信號傳送到監(jiān)測中心，并且發(fā)布在安全生產(chǎn)的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)上，這樣方便有關(guān)人員實(shí)時(shí)監(jiān)測、統(tǒng)計(jì)、分析。本方案利用成熟的、低成本GPRS 技術(shù)，在保持系統(tǒng)可靠性的同時(shí)，保證了系統(tǒng)的先進(jìn)性。每個(gè)無線檢測模塊安裝靈活，無需其他線路的布線，所以也就更加安全、可靠。另外，將多個(gè)測量點(diǎn)的數(shù)據(jù)連接成網(wǎng)絡(luò)后，便于統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)管理的網(wǎng)絡(luò)化、自動(dòng)化。
二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)
本系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)分三步，首先設(shè)計(jì)無線終端采集設(shè)備，包括形變、傾斜、振動(dòng)傳感器選型、定型，采集電路及處理算法實(shí)現(xiàn)；然后根據(jù)鐵塔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)無線終端設(shè)備的安裝及系統(tǒng)工作電源設(shè)計(jì)；最后設(shè)計(jì)后端處理軟件，使得鐵塔傾斜、振動(dòng)檢測自動(dòng)化、無線化、網(wǎng)絡(luò)化和安全化。
三、系統(tǒng)的組成
本系統(tǒng)由傳感器模塊、無線檢測終端、系統(tǒng)電源、Web 服務(wù)器及其管理軟件組成。其中前三個(gè)在本系統(tǒng)中安裝在現(xiàn)場，稱為前端設(shè)備。
無線檢測終端安裝在檢測點(diǎn)附近，負(fù)責(zé)采集來自傳感器模塊的傾斜度、振動(dòng)等數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成無線信道數(shù)據(jù)發(fā)射出去；Web 服務(wù)器配備無線接收模塊一個(gè)和服務(wù)器一臺(tái)，它接收來自無線檢測終端的無線信道數(shù)據(jù)，并把它記錄在本地?cái)?shù)據(jù)庫中，使得通過認(rèn)證的用戶可以通過IE 瀏覽器訪問。無線檢測終端、傳感器模塊、系統(tǒng)電源的蓄電池安裝在一個(gè)金屬外殼的機(jī)箱里，在殼體外部固定太陽能電池，并統(tǒng)一安裝在鐵塔上。
3.1、系統(tǒng)構(gòu)成
采用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的無線檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對鐵塔傾斜度和振動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線檢測，經(jīng)過與電力系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)連接，在中心監(jiān)控室內(nèi)就可以監(jiān)視運(yùn)行狀態(tài)，真正做到了遠(yuǎn)距離遙測，當(dāng)被測點(diǎn)傾斜度或者振動(dòng)超過預(yù)先設(shè)定的閥值時(shí)，就發(fā)出報(bào)警信號及時(shí)提醒有關(guān)人員采取措施。
3.2、系統(tǒng)特點(diǎn)
實(shí)時(shí)性：實(shí)時(shí)在線監(jiān)測；
準(zhǔn)確性：測量傾斜度精度可達(dá)±0.1°；
靈活性：用戶可根據(jù)自己的需求，靈活、方便的設(shè)置參數(shù)；
安全性：不論是產(chǎn)品、還是工具及其維護(hù)，都具有系統(tǒng)安全性和可靠性；
采集方式：定時(shí)采集。
圖 1 系統(tǒng)構(gòu)成網(wǎng)路結(jié)構(gòu)圖
1）傳感器部分
傾角傳感器如下圖所示：
圖 2 傾角傳感器示意圖
振動(dòng)傳感器示意圖如下：
圖 3 振動(dòng)傳感器示意圖
2）無線檢測終端
無線檢測終端是本系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)本系統(tǒng)的傾角、振動(dòng)數(shù)據(jù)采集和GPRS數(shù)據(jù)傳輸。由于采用國外成熟的射頻發(fā)射接收集成電路，工作穩(wěn)定可靠，經(jīng)多次工程應(yīng)用測試，完全滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)。
GPRS 數(shù)據(jù)傳輸部分采用被動(dòng)傳輸?shù)霓k法，即，當(dāng)有超過門限值的振動(dòng)，才將數(shù)據(jù)上傳；或者，定時(shí)將，采集到的傾角檢測數(shù)據(jù)上傳。所以并不需要時(shí)刻將設(shè)備連接到GPRS 網(wǎng)絡(luò)上，也不需要不停的傳輸數(shù)據(jù)，所以GPRS 數(shù)據(jù)流量并不大。
假設(shè)，定時(shí)1 小時(shí)采集一次傾角數(shù)據(jù)，并上傳。每次采集到的傾角數(shù)據(jù)按照100 個(gè)字節(jié)計(jì)算，每次上傳數(shù)據(jù)所需要其他網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量400 字節(jié)，共計(jì)500 字節(jié)；每天需要的流量為12K 字節(jié)，每個(gè)月需要的流量為360K 字節(jié)。另外，如果有超過預(yù)設(shè)門限的振動(dòng)，會(huì)同時(shí)上傳數(shù)據(jù)，假設(shè)每次上傳數(shù)據(jù)量也為500 字節(jié)；每天假設(shè)有一次振動(dòng)數(shù)據(jù)上傳，則每月流量為15K 字節(jié)。共計(jì)流量375K 字節(jié)。
考慮其他未知原因，每月流量定為500K 字節(jié)。目前，中國移動(dòng)的GPRS 收費(fèi)為0.01 元/K 字節(jié)，則每月費(fèi)用為5 元。如果流量很大，則可以考慮，包月的GPRS網(wǎng)絡(luò)，一般費(fèi)用為5 元包10M 字節(jié)流量，完全夠用。因此，日常維護(hù)費(fèi)用是很低的，基本上每個(gè)點(diǎn)的月費(fèi)用在5 元以內(nèi)。
3）供電電源
根據(jù)本系統(tǒng)構(gòu)成框圖，由于無線檢測終端置于鐵塔上，即戶外，必須采用電池供電的方式；又由于無線檢測終端內(nèi)包括無線傳輸模塊和傳感器模塊。所以，系統(tǒng)供電電源采用太陽能電池，提供12V 電壓和12Ah 的電流，并配置太陽能電池專用蓄電池，以便在陰雨天氣為系統(tǒng)提供足夠的電能，在天氣較好的時(shí)候又能夠儲(chǔ)存電量。
4）數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳
1、無線網(wǎng)絡(luò)接口數(shù)據(jù)傳輸：由于采用成熟的GPRS 通訊方式，只要有移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的地方都可以將數(shù)據(jù)傳回監(jiān)控中心。
2、以太網(wǎng)方式數(shù)據(jù)發(fā)布。在具有以太網(wǎng)接口的機(jī)房，可通過10M/100M 網(wǎng)口把從無線網(wǎng)采集到的傾斜度、振動(dòng)和其他數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)娇刂浦行摹?
3.3、檢測中心的軟件
檢測中心軟件為運(yùn)行在Windows上的圖形化服務(wù)器軟件，客戶端直接通過IE瀏覽器直接訪問服務(wù)器，查詢各種形式的傾斜度、振動(dòng)數(shù)據(jù)。
1） 圖形顯示形式：可監(jiān)測到現(xiàn)場傾斜度、振動(dòng)連續(xù)變化的情況，以曲線圖的形式表現(xiàn)；也可以監(jiān)測到傾斜度、振動(dòng)離散變化的情況，以柱狀圖的形式表現(xiàn)；
2） 實(shí)現(xiàn)傾斜度、振動(dòng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理。能實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)查詢：根據(jù)用戶設(shè)定的時(shí)間段、無線檢測節(jié)點(diǎn)地址、傳感器編號進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的查詢。根據(jù)查詢結(jié)果及樣式打印報(bào)表（報(bào)表可定制）；
3） 當(dāng)傾斜度、振動(dòng)超過規(guī)定值，發(fā)出報(bào)警信息，提示操作人員對相應(yīng)刀閘進(jìn)行故障排查；
4） 本控制系統(tǒng)應(yīng)用軟件采用外掛式或嵌入式（留有接口）設(shè)計(jì)，軟件安裝容易，操作簡單，功能齊全，維護(hù)方便。在具有和機(jī)房數(shù)據(jù)通訊的條件下，管理人員可遠(yuǎn)程對每個(gè)傾斜度、振動(dòng)傳感器進(jìn)行報(bào)警值的設(shè)置，定義不同級別的報(bào)警方式。如有異?？梢约皶r(shí)通過聲音等方式通知管理人員。報(bào)警時(shí)軟件中報(bào)警項(xiàng)顯示為紅色。
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