传感器监测技术在铁塔组立施工中的应用

胡成城 刘 波 闫 彬 李 凯

（安徽送变电工程公司 安徽合肥 230022）

传感器监测技术在铁塔组立施工中的应用

胡成城 刘 波 闫 彬 李 凯

（安徽送变电工程公司 安徽合肥 230022）

本文介绍了利用传感器技术开发的《输电线路铁塔抱杆组立动态测系统》在铁塔组立过程中应用的情况，重点讲述了系统的架构、技术原理和主要功能。

传感器；监测技术；铁塔；组立

随着国家电网建设的不断发展，电力工程建设施工任务越来越繁重，输电线路的铁塔向多回路、大荷载方向发展，铁塔越来越高、塔材越来越重，特别是在地理环境复杂，气候恶劣的施工环境下，传统的杆塔组立施工关键数据现场指挥难以掌控，铁塔组立安全风险极大。

伴随着电子技术、单片微型计算机技术的飞速发展使传感器技术得到全面发展和应用，借助于传感器监测技术，开发一套适用于架空输电线路铁塔组立施工的铁塔抱杆组立动态测系统具有十分重要意义。《输电线路铁塔抱杆组立动态测系统》就是基于传感器监测技术开发的架空输电线路铁塔组立施工动态测系统，该系统的成功开发与应用有效降低了铁塔施工作业的安全风险，使铁塔组立施工过程中的关键数据处于可控、在控、能控状态，做到科学指挥，大大提高组塔施工效率。

本文将围绕该系统的架构、技术原理和功能进行详细阐述。

1 系统简介

输电线路铁塔抱杆组立动态测系统，是利用传感器监测技术开发研制的动态监测系统。系统根据送电线路工程施工特点，对铁塔吊装施工过程中主要受力点受力状况、抱杆姿态、作业环境风速、作业环境温度、位置信息、进行动态监测。监测数据全部采用无线传输，便携数据监测终端通过数据无线传输网络对各测量点数据进行实时动态采集，便携数据监测终端将采集的数据后进行自动计算分析、显示并记录。便携数据监测终端具有到限预警、超限报警、通信故障报警等功能，在发出声音报警的同时便携数据监测终端屏幕闪烁显示相应的报警点。系统数据响应延迟时间均控制在ms级以内，完全可以满足工程施工需要。

本系统主要由便携数据监测终端、受力数据无线监测终端、抱杆倾斜状况传感器、风速监测终端组成，在便携数据监测终端内部嵌入有GPS定位和温度监测模块。

2 系统实施方案

2.1 便携数据监测终端的设计

便携数据监测终端是本系统数据采集的核心单元，该终端主要由显示单元、无线数传电台、数据中央处理器、数据存储器等单元组成。本终端采用可充电电池供电，充满电可持续工作24h以上。数据采集终端上电开机完成程序初始化后，自动搜索当前在线数据监测设备终端，搜索到设备后直接在液晶显示屏上显示测量数据及状态是否安全，如未搜索到设备或出现通信中断则在相应位置显示“--.--”，当数据监测终端有报警数据反馈时，该终端自动发出报警音，并在相应单元状态栏显示“过载”。

数据显示内容主要包括：工程名名称显示单元、实时时钟、系统运行时间显示单元、抱杆拉线受力监测系统、抱杆倾斜及方向动态模拟子窗口、风速监测、环境温度共计7组数据显示单元，7个报警显示标识，1个动态模拟显示窗口，1个参考坐标显示窗口，系统监测数据每秒自动记录一次。

2.1.1 系统软件构架设计

由于系统涉及的数据测量点较多，为保证系统数据采集的实时性，减小监测数据采集延时，系统数据采集采用点对点自动巡检采集模式，在软件构架设计过程中，根据传感器种类及数据采集理论响应时间，对系统数据巡检等待时间进行精准控制。

2.1.2 工作模式设计

接入数据监测系统采集网络的每个传感器均有自己唯一的通信地址，每一种类型的传感器均有自己的唯一的通信协议。每个共享端口子系统的各子单元数据的采集方式均以巡检应答模式进行采集。每个子单元收发等待时间设为10ms，以四子单元子系统为例最大数据延迟时间（即采集周期）为80ms。

图1 数据巡检周期理论计算方框图

接入监测系统的传感器，根据传感器测量单元，通过便携数据监测终端对各子系统的传感器地址进行编组。便携数据监测终端设置完成后，终端首先对系统数据端口进行检测，对检测到的数据端口成功初始化后，向各数据端口同时自动发送采集指令，发送采集指令后自动进入数据接收状态，监听等待各传感器回传的测量数据。便携数据监测终端后，子系统的各子单元在均能同时接收该数据，数据接收成功后各子单元自动将接收到的数据地址与自身的地址进行比较，如果所接收的数据地址与自身的数据地址相同则该子单元发送器测量数据，否则不做任何处理。

便携数据监测终端对各子单元回传的监测数据成功接收后，由便携数据监测终端自动对所接收回的数据进行解析处理，接收数据解析处理后，系统将根据系统设定的修正值及预编的运算处理公式进行修正、运算进而处理成所需要显示的监测数据。同时系统对所显示的数据与软件预设的预、报警值进行比较，当测量数据未超出预先设定的超限预警值和超限报警值时，报警提示为“安全”，测量数据超出预先设定的超限预警值时，报警提示为“过载”，同时报警提示为“安全”发出“嘀、嘀”报警声；测量数据超出预先设定的超限报警值时，报警提示为“危险”，同时由上位计算机发出急促“嘀、嘀”报警声。

图2 便携数据监测终端数据收发原理框图

系统软件具有通信故障提示功能，当上位机监测软件对同一子单元在连续3次发送采集指令后，均未成功接收到相对应的下位监测子单元发回的监测数据，则自动辨认为该下位监测子单元通信中断，并在该子单元数据显示端口显示“通信中断”文字提示。

2.2 系统监测终端的设计

2.2.1 受力监测终端的设计

受力监测终端主要对抱杆拉线系统受力大小的监测。使用时将拉力传感器串联至钢丝绳与地锚之间，通过传感器专用信号电缆线将拉力传感器输出的测量信号送入数据监测终端，经传感器数据监测终端对测量信号解析处理，利用无线数传模块接入系统无线通信网络将测量数据传至数据监测终端。

图3 S型拉力传感器

2.2.2 抱杆倾斜状况监测子单元的设计

抱杆倾斜状况监测主要对抱杆发生倾斜时其倾斜方向及抱杆顶端横、顺线路前进方向相对底端偏移的距离及抱杆顶端相对抱杆底端偏移的投影距离（如图4）。

图4 抱杆倾斜状况监测数据示意图

在抱杆回转体下方安装一只型倾角传感器为核心的抱杆倾斜状况监测终端，安装时使倾角传感器内的两坐标轴与水平面的内的参考平面直角坐标系的两坐标中重合，传感器的两坐标轴X、Y与水平面的夹角发生变化，并可将其夹角数据通过程序读取，则根据读取的数据可由下列计算公式计算出抱杆顶端横、顺线路前进方向相对底端偏移的距离X1、Y1及抱杆顶端相对抱杆底端偏移的投影距离BJ（如图5）。

图5 组装完成的倾角测量单元

2.2.3 风速监测子单元的设计

风速监测单元主要对施工现场抱杆顶端处瞬时风速进行实时动态监测。在抱杆顶端安装一台由风速传感器为核心的风速监测终端，其风速传感器测量范围为0～30m/s，启动风速为0.6m/s。

2.3 系统应用

本系统在皖电东送淮南-上海1000kV特高压交流输电线路一般线路工程（10标段）、±800kV锦苏线皖4标段、500kV文都变输电线路工程铁塔组立施工中均成功应用，得到了兄弟单位的一致好评。该系统根据铁塔组立施工工艺量身定做、具有自主知识产权，为智能监测技术在送电线路施工应用奠定了坚实的基础。

[1][美]DavidTsePramodViswanath，著.无线通信基础.人民邮电出版社，2007.

[2]曹卫彬.C/C++串口通信典型应用实例编程实践.电子工业出版社，2009.

[3]张大明，彭旭昀，尚静基.单片微机控制应用技术.机械工业出版社，2006.

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2016-1-12