基于LABVIEW的箱梁养护模拟监测系统设计

李敏，周先飞，胡飞，夏跃武

(芜湖职业技术学院 信息工程学院，安徽 芜湖 241006)

0 引 言

箱梁养护是保证桥梁质量的重要环节,通过设置箱梁各面的喷水和停喷时间，开展桥梁养护工作.以前，养护工作要求操作人员到现场，现场环境较差，箱梁数较多，且各梁箱均采用单独控制, 要求技术人员到现场逐个启动设备,并定时观察养护情况,由于箱梁养护时间较长,因此检查人员十分辛苦,给检查工作带来诸多不便，同时现场环境又很难布设网线，并考虑到箱梁生产企业在工程施工后便于拆卸箱梁控制器,设计独立箱梁控制器作为无线节点,由控制中心的无线终端作为主节点,与其他节点进行数据通信.综上所述，采用无线传输方式，由控制中心计算机通过MODBUS总线将数据传至无线终端,无线终端将数据通过无线方式传至各箱梁节点，实时控制各节点水泵和电磁阀动作，为保证有效喷水，在出水管处安装流量传感器，以检测设备是否正常喷水,如驱动信号已发出,而水泵不工作，通过水泵后端的流量传感器信号反馈,判断水泵是否损坏,若水泵正常工作,而连接到各工作面的流量传感器未检测到水流信号，则表示后端电磁阀损坏，同时节点将检测信息传输至控制中心, 提示操作人员尽快到现场查看，观察电机或电磁阀损坏情况,及时维修更换.该系统在PC端通过LABVIEW软件设计友好人机界面，并使用支持LABVIEW的DSC模块中的OPC Servers，使用共享变量对无线设备数据进行读写，从而实现外部设备的控制和数据信号的采集[1].根据上述工程要求,在实验室搭建了模拟桥梁箱梁的环境，设计了基于无线传输的箱梁养护系统.

1 养护模拟系统总体设计

从经济性考虑,该系统由直流电源,无线终端发送模块、数字量接收模块、PC机、水泵、流量计、电磁阀等构成，由于一般养护现场具有多个工作站，因此，需设置多个无线数字量接收模块.在该模拟系统中，将12 V直流供电的无线终端模块通过MODBUS总线接入到PC机，PC端采用LABVIEW软件设计监控界面，发送相应数据至各接收端，通过驱动电路控制各工作站水泵和电磁阀工作，实施对箱梁各面喷水；同时将流量计采集的开关量信号接入到24 V供电的无线传输模块发送至终端，如果出现电机、电磁阀损坏或其它原因导致不能实时喷水，则在PC机上报警并提醒用户到现场检查设备情况，系统总体架构见图1.

图1 箱梁养护监测系统架构图

2 监测系统软硬件配置

该模拟系统硬件采用深圳市大为智通科技有限公司开发的无线收发模块，该无线终端模块支持MODBUS总线协议，可直接与计算机通信.由于整个系统中输入输出信号均采用开关量，因此接收模块选择开关量模块DW-J01-4，终端模块选用DW-MC1-232无线RTU，终端模块可与多个DW-J01-4进行一对多点的双向无线传输[2].该系统采用MODBUS RTU传输格式，应用modscan32中软件解析数据包，其包括一个字节地址位、一个字节功能号、两个字节数据地址、两个字节数据位、两个字节 CRC校验位[3].在实验室进行了模拟系统的硬件搭建和配置，包含两个DW-J01-4模块和1个DW-MC1-232终端模块，控制两个工作站，每个工作站配置一个水泵、3个电磁阀和4个流量计，系统使用开关量类型的流量计，水泵和电磁阀采用220 V交流供电，流量计采用5 V直流供电，接收模块采用24 V供电.根据无线收发模块参考手册，将接收和终端模块设在同一组[3]，通过NI OPC Servers软件配置两个DW-J01-4模块，并设置与无线终端通信的相关参数，包括波特率、数据位数等[4]，一个模块输出通道基地址设为000257，输入通道的基地址设为100257，另一个模块输出通道基地址设为000513，输入通道的基地址设为100513，并设置采样周期为100 ms，由于该模块的输出继电器触电承载电流达5 A[5]，直接将DW-J01-4模块的4路线圈输出通道O1、O2、O3、04和C1公共端分别控制一个水泵和3个电磁阀，4路信号输入通道I1、I2、I3、I4和C1公共端分别接4个流量计的输出信号.

图2 NI OPC Serves配置

3 监测系统LABVIEW设计

图3 系统设计流程图

根据箱梁养护的质量要求，需设置箱梁的养护周期和各面的喷水和停喷时间，在模拟系统中，我们设置侧面喷水1 min，停喷30 min，其他面喷水3 min，停喷30 min.由于LABVIEW平台的第三方模块NI OPC SERVER支持MODBUS协议，而且开发简单，快捷，因此采用LABVIEW软件设计监测界面，界面如图5所示.界面上可操控的工作站数量是2个，工作站都具备电磁阀和水泵的启停按键控制和流量计指示，并可设置工作站自动喷水和停喷时间以及箱梁的养护总时间，对工作站操作前，先设置箱梁各面的喷水、停喷时间和养护总时间，当养护时间达到设置值时提醒用户.此外，在界面上设置无线收发设备通信测试菜单，如果发生设备连接出错则提示并返回，LABVIEW软件设计如图4所示.程序流程如图3所示，本程序结构采用LABVIEW的标准状态机结构，分为4个状态，分别为初始化状态，开始工作状态，等待状态，结束状态；首先是系统初始化，包括各面喷水和停喷时间设置以及总运行时间，等待开始按键按下，如按下进入开始工作状态，图4为LABVIEW的实现程序框图，其基于modbus总线原理，采用定时循环结构，周期100 ms采样数据，通过OPC Servers对远程工作站设备的开启并获取设备状态，当设定工作时间达到设定值，进入等待状态，此时关闭所有工作站设备，当等待时间到达后，将当前时间与初始化设定停止时间比较，若超过设定时间，则系统进入结束状态，程序运行结束，否则，继续进入开始工作状态.

图4 开始工作状态LABVIEW软件设计框图

图5 箱梁监测系统界面

4 结 语

该系统采用无线收发模块和PC机，基于NI opc server平台，应用MODBUS通信实现箱梁模拟监测系统设计，通过LABVIEW平台设计监测界面，并可无线控制电磁阀和水泵的工作，流量传感器则可将出水情况反馈至控制室.该系统在实验室进行了调试，可用于LABVIEW虚拟仪器教学实训项目，也可将该系统进一步完善，包括功能添加以及通过模块转发功能提高无线传输距离，同时需对该系统进行耐久性测试，以便实际用于桥梁箱梁生产企业的养护环节.