CN101173724A - 生命线工程管线阀门智能地震安全控制系统 - Google Patents

Abstract

一种生命线工程管线阀门智能地震安全控制系统。本发明涉及一种地震安全控制装置，涉及地震动监测节点监测的地震参数通过无线方式发送至监控中心，监控中心的控制信号通过无线方式发送到指定的阀门受控节点，受控节点根据控制信号的指令控制该节点关闭或开启阀门，实现地震安全自动控制，地震动监测节点由三分向加速度传感器a1、信号调整电路a2、数据采集电路a3、信号处理与分析判断单元a4、无线发射单元a5组成，监控中心由无线接收单元b1、监控主机b2、无线发射单元b3组成，受控节点由无线接收单元c1、控制电路c2、继电器组c3、可控阀门c4组成。本发明反应迅速、控制方便，在地震来临时以无线方式关闭网络内多个阀门，确保生命和财产的安全。

Description

生命线工程管线阀门智能地震安全控制系统

技术领域

本发明涉及一种生命线工程(石油、煤气、水、电等)管线阀门地震安全自动控制装置，特别是一种可感知地震的智能无线阀门控制系统。

背景技术

目前，随着我国经济建设的迅猛发展，生命线工程基础设施的建设与安全运行日益受到政府和社会的广泛重视。生命线工程通常包括供电、供水、供气系统和液体燃料供应系统，是经济发展的动力源和社会稳定的生命线，对社会经济发展有着举足轻重的作用。但这些系统对地震作用有极大的易损性，历史震灾调查表明，能源供应系统的震害不仅表现在其自身破坏造成实物损失和停业损失，还会给依靠其产品(电、气、油料)进行生产经营活动的相关行业带来关联损失。更为严重的是有时会引起或加重次生灾害(火灾及其蔓延、毒气泄露、爆炸等)，同时给震时应急抢险救灾和震后恢复工作造成极大障碍。

目前，公知的管线用电磁阀门是生命线传输管线自动控制系统中常用的执行元件，其工作原理是以电磁力转变为机械力，并利用管线中传输介质压力差来实现开启或关闭，以实行对管线系统中介质的自动控制。但是，在地震来临时，由于阀门自身没有感知地震的能力，而且操作人员通常也没有充分的反应时间去关闭多个阀门。从而，当地震来临时管线破裂导致其传输介质泄漏，形成次生灾害。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术中存在的不足之处，提供一种结构紧凑、设计合理、功能完备的生命线工程管线阀门智能地震安全控制系统，以避免由于地震所造成的生命线工程破坏及相应破坏而引发的次生灾害。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：地震动监测节点监测的地震信号和参数通过无线传输方式发送至监控中心，监控中心的控制信号通过无线传输方式发送到指定的阀门受控节点，阀门受控节点根据控制信号的指令控制该节点管线关闭或开启阀门机械结构动作以实现地震安全自动控制，所述地震动监测节点由三分向加速度传感器a1、信号调整电路a2、数据采集电路a3、信号处理与分析判断单元a4和无线发射单元a5组成，将信号调整电路a2、数据采集电路a3、信号处理与分析判断单元a4和无线发射单元a5集成一体为简易强震仪，所述监控中心由无线接收单元b1、监控主机b2和无线发射单元b3组成，所述受控节点由无线接收单元c1、控制电路c2、继电器组c3和可控阀门c4组成，将无线接收单元c1、控制电路c2和继电器组c3集成一体为阀门控制仪。

本发明的优点是：

结构紧凑、设计合理、功能完备、反应迅速、控制方便，在地震来临时就可以以遥控的方式立即关闭无线网络覆盖范围内的多个阀门，从而保证人们生命和财产的安全。在注重生命线工程管线安全的今天，本系统具有极大的推广价值和广泛的市场前景。

附图说明

图1是本发明系统示意图；

图2是本发明监控节点方框图；

图3是本发明监控中心示意图；

图4是本发明受控节点方框图；

图5是本发明三分向地震加速度传感器电路图；

图6是本发明简易强震仪组成方框图；

图7是本发明无线通信模块方框图；

图8是本发明受控节点阀门控制电路图；

图9是本发明阀门控制意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

由图1-图9可知，本发明是地震动监测节点监测的地震信号和参数通过无线传输方式发送至监控中心，监控中心的控制信号通过无线传输方式发送到指定的阀门受控节点，阀门受控节点根据控制信号的指令控制该节点管线关闭或开启阀门机械结构动作以实现地震安全自动控制，所述地震动监测节点由三分向加速度传感器a1、信号调整电路a2、数据采集电路a3、信号处理与分析判断单元a4和无线发射单元a5组成，将信号调整电路a2、数据采集电路a3、信号处理与分析判断单元a4和无线发射单元a5集成一体为简易强震仪，所述监控中心由无线接收单元b1、监控主机b2和无线发射单元b3组成，所述受控节点由无线接收单元c1、控制电路c2、继电器组c3和可控阀门c4组成，将无线接收单元c1、控制电路c2和继电器组c3集成一体为阀门控制仪。

监测节点处三分向地震加速度传感器a1的地震波信号直接与信号调整电路a2输入端连接，经过信号调整电路a2调整的地震波信号送入数据采集a3的输入端，触发判断分析a4通过总线与数据采集a3相连控制数据采集和读取采集数据，并且触发判断分析a4通过接口与其无线发射单元连接向监控中心发送地震动参数。

监控中心的无线接收单元b1输出端通过接口和监控主机b2输入端相连，监控主机b2输出端通过接口与其无线发送单元b3连接将控制命令发往受控节点。

受控节点处其无线接收单元c1通过接口与控制电路c2相连将监控中心发来的控制命令信号输入，控制电路c2通过控制信号线与继电器组c3相连，继电器组c3输出端接至可控阀门c4控制端，控制电路根据接收到的监控中心的控制命令种类控制继电器组的状态，使可控阀门关闭或开启机械结构动作。

三分向地震加速度传感器采用三个集成加速度传感器芯片组成X、Y、Z三个垂直正交测量方向，通过与信号调整电路的接口输出加速度信号，其中，电阻R11的一端连接到加速度传感器芯片的AOUT引脚相连，另一端与电阻R12的一端共同连接到芯片的VIN引脚，电阻R12的另一端连接到芯片IC1的UCOUT引脚，通过电阻R11和电阻R12的比值来调整芯片的最大电压输出范围，电阻R13的一端连接到芯片IC1的VIN引脚，另一端与可变电阻R14的中间引脚相连，通过电阻R13和可变电阻R14来调整加速度传感器的零输出电压值，监测节点的加速度振动信号通过芯片IC1的UCOUT输出引脚与接口1连接输入到简易强震仪的调整电路。

由信号调整电路a2、数据采集电路a3、信号处理与分析判断单元a4和无线发射单元a5集成一体的简易强震仪，其数据采集A/D转换器的转换精度为16位，32位中央处理器DSP芯片，大容量U盘存储，其中，加速度传感器测得的监测节点处地面加速度震动信号输入到调整电路d1，经过调整电路d1进行电平转换和滤波后的信号连接到16位A/D转换器d2，16位A/D转换器与转换接口d3连接，转换接口d3通过数据总线连接到DSP单片机d5，同时DSP单片机d5通过信号线与转换接口d3连接，控制A/D转换采样，DSP单片机d5与时间系统d7连接记录地震触发事件的时间，DSP单片机d5与数据存储d8连接记录地震触发事件数据，DSP单片机d5与通信接口d4连接实现现场状态检查，DSP单片机d5与无线发射d9连接向监控中心发送地震触发事件的地震动参数。

无线模块通过编码识别方式，自组织网无线通信传输协议相互传递与监控中心构成网络，无线通信模块的接收和发送是通过串行RS232接口电路与单片机连接实现的，其中，单片机e1的串行接收引脚RX与串行RS232接口e2的2脚连接，单片机e1的串行发送引脚TX与串行RS232接口e2的3脚连接，串行RS232接口e1和串行RS232接口e2的2脚和3脚分别交叉连接，无线通信模块e4的接收引脚RX与串行RS232接口e3的2脚连接，无线通信模块e4的发送引脚TX与串行RS232接口e3的3脚连接。

受控节点控制芯片采用PIC单片机，控制阀门为二位式电磁阀门，由继电器组切换的正负两种激励信号来实现阀门的开启和关闭状态，无线接收模块与PIC单片机f1连接等待监控中心的控制命令，PIC单片机f1的O0引脚和经过上拉电阻R22的正激励源+V共同连接到继电器f2的输入端，PIC单片机f1的O1引脚和经过上拉电阻R23的负激励源-V共同连接到继电器f3的输入端，继电器f2和继电器f3的输出端共同连接到电磁阀门的激励控制端，通过继电器f2和继电器f3组成的继电器组切换正负两种激励信号来实现阀门的开启和关闭状态。

由图1-图2可知，本发明是生命线工程传输管线阀门智能地震安全控制系统根据生命线工程传输管线的抗震能力分析结果，在主要站点或管道断面上布设简易强震仪组成监控节点网络，对监控节点处地震动信号进行实时拾取、分析和预警判断，以判别该处在发生破坏性地震过程中的震动是否达到或超过设防标准，在满足触发条件情况下，将通过无线传输方式立刻向远程监控中心发出预警信号；监控中心可基于地震预警信息和探测到的异常信息，采用高效的地震参数确定技术，抢在地震波到达前，采取系统化的应急控制向将受到地震影响的远程受控节点发出控制指令，提前采取应急控制措施，使系统在地震作用下具有自动控制的应急能力，以最大限度地减少地震造成的损失，防止灾情的扩大并为应急反应赢得时间。并在解除预警信息时，快速重新启动系统进入正常工作状态。

由图2可知系统包括多个采用相同机制的地震动监测节点、监控中心和多个采用相同机制的阀门受控节点。其中，地震动监测节点监测的地震信号和参数通过无线传输方式发送至监控中心，监控中心的控制信号通过无线传输方式发送到指定的阀门受控节点，阀门受控节点根据控制信号的指令控制该节点管线阀门机械结构动作(关闭或开启)以实现地震安全自动控制。所述地震动监测节点由三分向加速度传感器a1、信号调整电路a2、数据采集电路a3、信号处理与分析判断单元a4和无线发射单元a5组成。将信号调整电路a2、数据采集电路a3、信号处理与分析判断单元a4和无线发射单元a5集成一体为简易强震仪；所述监控中心由无线接收单元b1、监控主机b2和无线发射单元b3组成；所述受控节点由无线接收单元c1、控制电路c2、继电器组c3和可控阀门c4组成。将无线接收单元c1、控制电路c2和继电器组c3集成一体为阀门控制仪。其中，地震动监测节点由三分向加速度传感器a1、信号调整电路a2、数据采集电路a3、信号处理与分析判断单元a4和无线发射单元a5组成。将信号调整电路a2、数据采集电路a3、信号处理与分析判断单元a4和无线发射单元a5集成一体为简易强震仪。三分向地震加速度传感器a1的地震波信号直接与信号调整电路a2输入端连接，经过信号调整电路a2调整的地震波信号送入数据采集a3的输入端，触发判断分析a4通过总线与数据采集a3相连控制数据采集和读取采集数据，并且触发判断分析a4通过接口与其无线发射单元连接向监控中心发送地震动参数。其中，三分量地震动加速动传感器为识别垂直、东西、南北三方向地表振动的振动传感器，它将大地的振动信号转变为与振动加速度成比例的模拟电信号。图3中电阻R11的一端连接到加速度传感器芯片的AOUT引脚相连，另一端与电阻R12的一端共同连接到芯片的VIN引脚，电阻R12的另一端连接到芯片的UCOUT引脚，通过电阻R11和电阻R12的比值来调整芯片的最大电压输出范围；电阻R13的一端连接到芯片的VIN引脚，另一端与可变电阻R14的中间引脚相连，通过电阻R13和可变电阻R14来调整加速度传感器的零输出电压值。监测节点的加速度振动信号通过UCOUT输出引脚与接口1连接输入到简易强震仪的调整电路。其中，简易强震仪的信号调整部分是对传感器的模拟信号进行电平转换和0-25Hz低通滤波，以获最佳的地震波信号。简易强震仪的数据采集部分实现地震波信号的数字化过程，采集控制单片机采用32位数字信号处理DSP芯片，A/D转换器的转换精度为16位。简易强震仪的信号处理与分析判断单元是其核心部分，利用DSP单片机快速运算的优势，根据采集信号的采集参数和触发机制分析确定地震动的参数，及时向监控中心发出预警信息。其中，图4中加速度传感器测得的监测节点处地面加速度震动信号输入到调整电路d1，经过调整电路d1进行电平转换和滤波后的信号连接到16位A/D转换器d2，16位A/D转换器与转换接口d3连接，转换接口d3通过数据总线连接到DSP单片机d5，同时DSP单片机d5通过信号线与转换接口d3连接，控制A/D转换采样，DSP单片机d5与时间系统d7连接记录地震触发事件的时间，DSP单片机d5与数据存储d8连接记录地震触发事件数据，DSP单片机d5与通信接口d4连接实现现场状态检查，DSP单片机d5与无线发射d9连接向监控中心发送地震触发事件的地震动参数。

监控中心由无线接收单元b1、监控主机b2和无线发射单元b3组成。其无线接收单元b1输出端通过接口和监控主机b2输入端相连，监控主机b2输出端通过接口与其无线发送单元b3连接将控制命令发往受控节点。其中，监控中心是生命线工程传输管线工程中地震预警系统、震害快速评估和地震应急反应系统的有机结合，由监制主机无线接收单元、监控主机和无线发射单元组成，它根据监测节点网络的地震参数信息和生命线工程传输管线系统抗震能力，进行综合预警分析，评估可能的灾害程度和范围，以达到针对远程受控节点网络快速应急反应的功能。受控节点由受控节点由无线接收单元c1、控制电路c2、继电器组c3和可控阀门c4组成。将无线接收单元c1、控制电路c2和继电器组c3集成一体为阀门控制仪。控制电路根据接收到的监控中心的控制命令种类控制继电器组的状态，使受控阀门机械结构动作(关闭或开启)，主要由一个驱动能力强的PIC单片机完成控制，继电器组完成对阀门正负两种激励信号的切换，可控阀门为二位式电磁阀门，通过正负两种激励信号就可以实现阀门的打开或关闭状态，并且在掉电后，阀门保持现有状态。其中，图6中无线接收模块与PIC单片机f1连接等待监控中心的控制命令，PIC单片机f1的O0引脚和经过上拉电阻R22的正激励源+V共同连接到继电器f2的输入端，PIC单片机f1的O1引脚和经过上拉电阻R23的负激励源-V共同连接到继电器f3的输入端，继电器f2和继电器f3的输出端共同连接到电磁阀门的激励控制端，通过继电器f2和继电器f3组成的继电器组切换正负两种激励信号来实现阀门的开启和关闭状态。整个的生命线工程管线阀门地震安全自动控制系统的三个组成部分之间的数据、信息和命令都是通过无线传输方式进行的，无线通讯模块可以是无线遥控模块或无线数传模块这种自组网模块；也可以是利用公众网的GSM/GPRS/CDMA手机模块。并且所有无线通讯模块都工作在同一频段内，实现多点对一点的信号传输和一点对多点的控制。其中，无线模块通过编码识别方式，自组织网无线通信传输协议相互传递与监控中心构成网络。无线通信模块的接收和发送是通过RS232接口电路与单片机连接实现的，其中，图5中单片机e1的串行接收引脚RX与RS232接口e2的2脚连接，单片机e1的串行发送引脚TX与RS232接口e2的3脚连接，RS232接口e1和RS232接口e2的2脚和3脚分别交叉连接，无线通信模块e4的接收引脚RX与RS232接口e3的2脚连接，无线通信模块e4的发送引脚TX与RS232接口e3的3脚连接。

Claims (8)

1.一种生命线工程管线阀门智能地震安全控制系统，包括多个采用相同机制的地震动监测节点、监控中心和多个采用相同机制的阀门受控节点。其特征在于：地震动监测节点监测的地震信号和参数通过无线传输方式发送至监控中心，监控中心的控制信号通过无线传输方式发送到指定的阀门受控节点，阀门受控节点根据控制信号的指令控制该节点管线关闭或开启阀门机械结构动作以实现地震安全自动控制，所述地震动监测节点由三分向加速度传感器a1、信号调整电路a2、数据采集电路a3、信号处理与分析判断单元a4和无线发射单元a5组成，将信号调整电路a2、数据采集电路a3、信号处理与分析判断单元a4和无线发射单元a5集成一体为简易强震仪，所述监控中心由无线接收单元b1、监控主机b2和无线发射单元b3组成，所述受控节点由无线接收单元c1、控制电路c2、继电器组c3和可控阀门c4组成，将无线接收单元c1、控制电路c2和继电器组c3集成一体为阀门控制仪。

2.根据权利要求1所述的生命线工程管线阀门智能地震安全控制系统，其特征在于：所述监测节点处三分向地震加速度传感器a1的地震波信号直接与信号调整电路a2输入端连接，经过信号调整电路a2调整的地震波信号送入数据采集a3的输入端，触发判断分析a4通过总线与数据采集a3相连控制数据采集和读取采集数据，并且触发判断分析a4通过接口与其无线发射单元连接向监控中心发送地震动参数。

3.根据权利要求1所述的生命线工程管线阀门智能地震安全控制系统，其特征在于：所述监控中心的无线接收单元b1输出端通过接口和监控主机b2输入端相连，监控主机b2输出端通过接口与其无线发送单元b3连接将控制命令发往受控节点。

4.根据权利要求1所述的生命线工程管线阀门智能地震安全控制系统，其特征在于：所述受控节点处其无线接收单元c1通过接口与控制电路c2相连将监控中心发来的控制命令信号输入，控制电路c2通过控制信号线与继电器组c3相连，继电器组c3输出端接至可控阀门c4控制端，控制电路根据接收到的监控中心的控制命令种类控制继电器组的状态，使可控阀门关闭或开启机械结构动作。

5.根据权利要求1或2所述的生命线工程管线阀门智能地震安全控制系统，其特征在于：所述三分向地震加速度传感器采用三个集成加速度传感器芯片组成X、Y、Z三个垂直正交测量方向，通过与信号调整电路的接口输出加速度信号，其中，电阻R11的一端连接到加速度传感器芯片的AOUT引脚相连，另一端与电阻R12的一端共同连接到芯片的VIN引脚，电阻R12的另一端连接到芯片IC1的UCOUT引脚，通过电阻R11和电阻R12的比值来调整芯片的最大电压输出范围，电阻R13的一端连接到芯片IC1的VIN引脚，另一端与可变电阻R14的中间引脚相连，通过电阻R13和可变电阻R14来调整加速度传感器的零输出电压值，监测节点的加速度振动信号通过芯片IC1的UCOUT输出引脚与接口1连接输入到简易强震仪的调整电路。

6.根据权利要求1或2所述的生命线工程管线阀门智能地震安全控制系统，其特征在于：由信号调整电路a2、数据采集电路a3、信号处理与分析判断单元a4和无线发射单元a5集成一体的简易强震仪，其数据采集A/D转换器的转换精度为16位，32位中央处理器DSP芯片，大容量U盘存储，其中，加速度传感器测得的监测节点处地面加速度震动信号输入到调整电路d1，经过调整电路d1进行电平转换和滤波后的信号连接到16位A/D转换器d2，16位A/D转换器与转换接口d3连接，转换接口d3通过数据总线连接到DSP单片机d5，同时DSP单片机d5通过信号线与转换接口d3连接，控制A/D转换采样，DSP单片机d5与时间系统d7连接记录地震触发事件的时间，DSP单片机d5与数据存储d8连接记录地震触发事件数据，DSP单片机d5与通信接口d4连接实现现场状态检查，DSP单片机d5与无线发射d9连接向监控中心发送地震触发事件的地震动参数。

7.根据权利要求1或2、3、4所述的生命线工程管线阀门智能地震安全控制系统，其特征在于：无线模块通过编码识别方式，自组织网无线通信传输协议相互传递与监控中心构成网络，无线通信模块的接收和发送是通过串行RS232接口电路与单片机连接实现的，其中，单片机e1的串行接收引脚RX与串行RS232接口e2的2脚连接，单片机e1的串行发送引脚TX与串行RS232接口e2的3脚连接，串行RS232接口e1和串行RS232接口e2的2脚和3脚分别交叉连接，无线通信模块e4的接收引脚RX与串行RS232接口e3的2脚连接，无线通信模块e4的发送引脚TX与串行RS232接口e3的3脚连接。

8.根据权利要求1或4所述的生命线工程管线阀门智能地震安全控制系统，其特征在于：受控节点控制芯片采用PIC单片机，控制阀门为二位式电磁阀门，由继电器组切换的正负两种激励信号来实现阀门的开启和关闭状态，无线接收模块与PIC单片机f1连接等待监控中心的控制命令，PIC单片机f1的O0引脚和经过上拉电阻R22的正激励源+V共同连接到继电器f2的输入端，PIC单片机f1的O1引脚和经过上拉电阻R23的负激励源-V共同连接到继电器f3的输入端，继电器f2和继电器f3的输出端共同连接到电磁阀门的激励控制端，通过继电器f2和继电器f3组成的继电器组切换正负两种激励信号来实现阀门的开启和关闭状态。

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