CN202443315U - 多通道在线式混凝土冷却通水数据自动采集装置 - Google Patents

Abstract

一种多通道在线式混凝土冷却通水数据自动采集装置，包括电源模块，温度采集模块，数据采集模块，主控模块，接线端子板；电源模块连接温度采集模块、主控模块、数据采集模块；主控模块连接温度采集模块、数据采集模块；所述主控模块设有以太网接口模块。本实用新型提供一种多通道在线式混凝土冷却通水数据自动采集装置，对混凝土冷却通水的流量和水温进行在线实时采集和传输，解决人工采集记录需要耗费大量人工、信息反馈慢的缺点，达到省时省力且反馈迅速，能及时反映大坝整体冷却通水的状态，为制定混凝土温控措施提供有力依据，避免混凝土裂缝、保证工程质量和进度。

Description

多通道在线式混凝土冷却通水数据自动采集装置

技术领域

本实用新型涉及一种多通道在线式混凝土冷却通水数据自动采集装置，用于混凝土冷却通水的水温、混凝土温度和流量的自动采集和传输，可实现冷却通水数据的自动实时监测。

背景技术

水电工程大体积混凝土的通水冷却降温，是解决水电工程大坝混凝土水化热引起的温度应力和达到设计要求的封拱灌浆温度必须采取的技术措施。水电工程通水冷却技术复杂，为工程建设设计与研究重要内容。目前通水冷却的监测主要有两种方式，一种是全手动工记录方式，另一种是半自动的采集装置。 

混凝土冷却通水数据主要有进出水温度和通水流量，进出水温度通常采用玻璃温度计、电子温度计直接在水中量测，这种测量需人工在现场打开水管进行测量，并进行现场记录，也有采用激光红外测温仪进行非接触式测量，这种测量方式虽然省事，但由于是测量的管壁温度，与水温有一定差距，尤其是在日光照射的情况下误差很大；而通水流量通常采用移动式水表或容积法测量，这种测量方式需要在现场打开水管进行测量，也有采用超声波流量计进行测量，这种测量不需要打开水管，但流量计的安装方式以及测量耦合都会影响测试精度。总之，目前人工测试和记录数据的采集方式，测试手段落后，费工费时，且测量精度受到外界条件影响而发生波动。另外，目前有极少部分水电工程中采用了半自动采集装置，他们在数据的采集和处理方面实现了半自动化，即数据的记录和传送不需要人工干预，采集的数据准确性也有很大的提高，但是其仍然采用了点对点的采集方法，没有将传感器连接成网络，采集过程需要人工携带采集仪到现场进行逐组采集，因此数据采集过程仍然存在较大延迟，不能达到较高的实时监测效果。

发明内容

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种多通道在线式混凝土冷却通水数据自动采集装置，对混凝土冷却通水的流量和水温进行在线实时采集和传输，解决人工采集记录需要耗费大量人工、信息反馈慢的缺点，达到省时省力且反馈迅速，能及时反映大坝整体冷却通水的状态，为制定混凝土温控措施提供有力依据，避免混凝土裂缝、保证工程质量和进度。

本实用新型的上述目的是通过这样的技术方案来实现的：一种多通道在线式混凝土冷却通水数据自动采集装置，包括电源模块，温度采集模块，数据采集模块，主控模块，接线端子板；电源模块连接温度采集模块、主控模块、数据采集模块；主控模块连接温度采集模块、数据采集模块；所述主控模块设有以太网接口模块。

以太网接口模块连接WIFI模块。

所述温度采集模块、数据采集模块设有完整的命令集，并通过RS-232与主控模块连接。所述主控模块设有内置数据存储装置。

所述温度采集模块为多路单总线温度采集模块，所述温度采集模块中每三个单总线测温元件组成一测温单元，其中第一测温元件监测冷却通水进口水温，第二测温元件监测大坝坝体温度，第二测温元件监测冷却通水出口水温。

所述数据采集模块为多路流量数据采集模块，分为前后两数据采集部分，每路流量数据采集单元均设有独立的CPU，每32路组成一个电路板。

所述电源模块、温度采集模块、数据采集模块均设有指示灯。

所述以太网接口模块采用服务器模式和TCP传输协议。

所述采集装置设有铝合金机壳。

本实用新型一种多通道在线式混凝土冷却通水数据自动采集装置，有益效果如下：

解决了超大规模的传感器联网问题，现场需要联网的传感器通道数可达4000个，每通道包含了进水温度、出水温度、混凝土温度和流量。实现了设备的安全和可靠性，具有较长的无故障工作时间。同时能适应严酷环境，如：现场存在振动、碰撞、水淋、电磁干扰严重、市电电压波动大等情况。

本实用新型装置采用铝合金高强防水机壳设计，全电磁屏蔽，抗电磁干扰能力强。电路板插卡设计，安装较牢靠。在每个单独功能模块中采用了定时自检和硬件看门狗电路来增强模块的可靠性。所有传感器接口进行防雷处理。装置采用TCP服务器模式，增加传输的可靠性，可在上位机主动发起连接，实现自动重连接等功能。

所述以太网接口模块连接WIFI模块，可通过以太网或WIFI两种方式传输数据。

主控模块通过RS-232与温度采集模块、数据采集模块连接，非常容易使用计算机来连接和调试，容易对各个模块分别调试，有利与开发。

主控模块设有内置数据存储装置，可循环存储最近多次的数据。

本实用新型装置用于混凝土冷却通水的水温、混凝土温度和流量的自动采集和传输，可实现冷却通水数据的实时监测。本实用新型采用了多CPU协调处理技术和以太网服务器模式通信技术，解决了大规模传感器联网的问题，采用了分模块分板设计达到了安全可靠性要求。本实用新型解决了人工采集记录需要耗费大量人工、信息反馈慢的缺点，达到节省人力、快速准确测试和快速反馈的目的，比人工采集更精确更快速，相比半自动采集的实时性更好，可节约人工成本，能及时反映大坝整体冷却通水的状态，为制定混凝土温控措施提供有力依据，避免混凝土裂缝、保证工程质量和进度。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明：

图1为本实用新型装置模块结构示意图；

图2为本实用新型装置结构示意图；

图3为本实用新型装置接口面板结构图。

具体实施方式

如图1所示，一种多通道在线式混凝土冷却通水数据自动采集装置，包括电源模块4，温度采集模块1，数据采集模块2，主控模块3，接线端子板6；电源模块4连接温度采集模块1、主控模块3、数据采集模块2；主控模块3连接温度采集模块1、数据采集模块2；主控模块3设有以太网接口模块7。以太网接口模块7连接WIFI模块5。

所述主控模块3通过RS-232与温度采集模块1、数据采集模块2连接，各模块都有完整的命令子集。

所述主控模块3设有内置数据存储装置。

本实用新型需要合理分配采集装置的通道数和现场总线负载，如果采集装置的通道数较少就要相应增加现场总线的主机数，反之增加测控装置的通道数可减少现场总线的主机数。

装置通道数的增加对装置的体积和功耗以及传感器连线方式等带来问题。现场总线主机数受现场总线类型的限制，不能随意增加，并且也要考虑到总线的传输速率和总线长度等的影响。因此，最后确定采用56路流量数据采集模块和以太网接口模块7作为现场总线，既可以满足采集装置的连线要求也可以充分利用以太网的速度、廉价和灵活性以及在有线和WIFI方式可方便转换的优点。在高采样频率的情况下，如每秒钟采样一次，网络的数据传输率要求达到 768Kbps/s，采用以太网加上WIFI的模式可以满足要求。

针对装置的通道数较多，要求更高的可靠性，采用了分模块分板多CPU的设计，每个模块为一个独立的PCB板，每个模块都有独立的数据传输界面，即通讯命令集合，这样可以使得模块之间完全隔离，方便各单独模块的可靠性设计，以此达到整个系统过的可靠性。

在安全性和可靠性设计方面，设备采用24V直流安全电压供电，防止现场高湿度的情况下漏电伤人。

实施例：

本实用新型一种多通道在线式混凝土冷却通水数据自动采集装置，由下列部分组成：

温度采集模块1为168路单总线温度采集模块，所连接的温度传感器为单总线式数字温度传感器；

数据采集模块2为56路流量数据采集模块，所连接的流量传感器为脉冲信号式流量传感器；

主控模块3；

以太网接口模块7；

电源模块4；

WIFI模块5；

接线端子板6。 

除了电源模块4外，上述每一部分都是一个独立的功能单元，分别负责一项特定的任务。两个采集模块：168路单总线温度采集模块、56路流量数据采集模块都有一个独立的RS232输入接口，都有一个命令子集。这个命令子集在每个功能单元系统独立工作时使用。整机工作另有一个命令集，在整机命令集中可能包含某个功能单元系统命令子集中的某些子命令。168路单总线温度采集模块中采用每一个1-WIRE通道负载一个单总线温度测量元件。省掉了输入和匹配单总线器件特有的64 BIT ROM码的繁复工作，使整机使用简单化，1-WIRE负载能力大幅度提高。

168路单总线温度采集模块：

该功能单元模块负责采集168路单总线测温元件DS18B20的温度。每三个单总线测温元件DS18B20组成一个测温单元。在这个单元中：一个DS18B20监测冷却通水进口水温，第二个DS18B20监测大坝坝体温度，第三个DS18B20监测冷却通水出口水温。这三个温度参数再加上冷却通水流量参数共同为大坝坝体温度自动控制提供依据。据此，168路单总线测温元件分为56个测温单元，每个测温单元采集三个温度值，记为单元N温度①，单元N温度②和单元N温度③。

单元N温度①是冷却通水进口水温。

单元N温度②是大坝坝体温度。

单元N温度③是冷却通水出口水温。

168路单总线温度采集模块选用DS2482-800作为单总线驱动器。这个驱动器具有八个独立的1-WIRE通道。DS2482-800有三个位地址输入引脚，控制CPU通过三条I/O线与DS2482-800的三位地址相连接，可分别选择八个DS2482-800驱动器。一个控制CPU最多可以驱动64路1-WIRE通道。本实用新型中，将168个1-WIRE通道分为三组，每组由一个控制CPU驱动56个1-WIRE通道。以实现168个1WIRE通道的目的。在每个1-WIRE通道上只连接一个DS18B20单总线测温元件，因此可以省掉匹配ROM码的繁复工作，节省了测试单总线测温元件DS18B20 64位ROM码的工作，节省了向系统输入大量ROM码的繁重工作。另一方面，由于每个1-WIRE通道仅仅负载一个DS18B20，负载能力得到加强。如DS18B20工作在窃电方式下，网络半径可达150M。如DS18B20使用在有源的情况下，网络半径可达更远的距离。

56路流量数据采集模块：

分为前后两数据采集部分，每路流量数据采集单元均设有独立的CPU，每32路组成一个电路板。在本实用新型中，采用的流量计是脉冲式流量计，输出的脉冲为方波，占空比为50%。最高输出频率为100HZ。如果采用微处理器计数器方式计量脉冲，不可避免的每秒钟内将会丢失一个或两个脉冲。本系统采用10秒钟定时，丢失脉冲最大值可达20个。这是不能接受的。所以本实用新型采用软件倍频方式，来提高计数精度。在本实用新型中，仔细调整定时精度，已达到10秒钟误差不大于3微秒。在精准10秒定时情况下本系统计数误差小56路流量数据采集模块由两块电路板组成：一块用于采集前32路流量数据，另一块负责采集后24路流量数据。每路流量数据采集使用一个独立的CPU。56个CPU在系统精准10秒定时控制下同时计数，10秒定时一旦结束，立即停止计数。由一个负责管理数据和定时的CPU逐个与56个采样的CPU通信，将56路采集到的流量数据集中起来，并存入铁电存储器。当上位计算机发布要求数据命令的时后，就由负责数据通信的CPU将数据发送给上位计算机。

设有以太网接口模块7或者WIFI模块5的主控模块3：

该模块由4个CPU控制电路组成，采用多CPU内部通讯协调处理技术，接收从以太网发来的各种命令，解析和执行命令，或实施控制功能或通过以太网或WIFI无线网将各种采样数据传送到上位计算机。

该模块具有手动和自动两种工作状态。由自动和手动命令切换。手动状态用于使用手动命令启动168路单总线温度采集模块、56路流量数据采集模块。并使用手动命令将168路单总线温度采集模块、56路流量采集模块的数据传送到上位计算机。设制手动状态的目的，在于方便整机调试和在线检查各子系统的工作情况，不易在整机正常运行中多次使用。在自动状态下无需上位机的命令，各个子系统数据的采集、存储和传送以每分钟为周期自动进行。

接线端子板6：

接线端子板6的主要功能是将各个功能模块的传感器接口统一排列在其上，达到标识清晰、方便接线、防止连接错误的目的，这对于具有224个传感器接口的设备尤其重要。并且在该接口板上对所有信号都进行了防雷处理，增强了设备的抗干扰能力。

指示灯信号输出：

1）、电源模块4的指示灯，为红色，通电时点亮。

2）、手动/自动指示灯，为黄色，当以太网接口模块7处于手动状态时点亮，处于自动状态时熄灭。

3）、56路流量数据采集模块指示灯，为兰色，流量数据采集和内部数据传送时点亮。其余时间熄灭。

4）、单总线温度采集模块指示灯，为绿色，单总线数据采集处于自动状态时闪亮，处于手动状态时长亮。

本实用新型装置接口面板8示意图，如图3所示，

1）、上四排航空插头为1-56路单总线输入和流量电源输出，流量值输入插头。

2）、电源指示灯：红色，接通电源亮，整机复位约1秒钟，然后常亮。

3）、手动/自动指示灯，黄色，在以太网接口模块7设为自动时亮，转手动后熄灭，重开机后进入自动状态又点亮。

4）、56路流量数据采集模块指示灯，为兰色，在采样时间内亮，采样完成后熄灭，采样时间约32秒，周期为1分钟。

5）、单总线温度采集模块指示灯，绿色，在168路单总线温度采集模块采样周期完成熄灭，大约6秒熄灭半秒钟，闪动。

本实用新型装置性能指标：

供电电压： 24V DC ，额定功率  40W。

流量测量精确度：±（0.03+5%）m3/h ，范围 （0～10）m3/h ，分辨率0.01 m3/h。

温度测量精确度：±0.5℃ ，范围（－10～85）℃，分辨率0.1℃。

流量传感器连接距离：≥100m。

温度传感器连接距离：≥150m。

数据存储深度：每1h存储一次，可存储24h。

最小采样周期：1S。

以太网通信距离： ≥120m。

无线距离： ≥200m。

Claims (9)

1.一种多通道在线式混凝土冷却通水数据自动采集装置，包括电源模块（4），温度采集模块（1），数据采集模块（2），主控模块（3），接线端子板（6）；

电源模块（4）连接温度采集模块（1）、主控模块（3）、数据采集模块（2）；

主控模块（3）连接温度采集模块（1）、数据采集模块（2）；

其特征在于：所述主控模块（3）设有以太网接口模块（7）。

2.根据权利要求1所述一种多通道在线式混凝土冷却通水数据自动采集装置，其特征在于：所述以太网接口模块（7）连接WIFI模块（5）。

3.根据权利要求1所述一种多通道在线式混凝土冷却通水数据自动采集装置，其特征在于：所述温度采集模块（1）、数据采集模块（2）设有完整的命令集，并通过RS-232与主控模块（3）连接。

4.根据权利要求1或3所述一种多通道在线式混凝土冷却通水数据自动采集装置，其特征在于：所述主控模块（3）设有内置数据存储装置。

5.根据权利要求1所述一种多通道在线式混凝土冷却通水数据自动采集装置，其特征在于：所述温度采集模块（1）为多路单总线温度采集模块，所述温度采集模块中每三个单总线测温元件组成一测温单元，其中第一测温元件监测冷却通水进口水温，第二测温元件监测大坝坝体温度，第二测温元件监测冷却通水出口水温。

6.根据权利要求1所述一种多通道在线式混凝土冷却通水数据自动采集装置，其特征在于：所述数据采集模块（2）为多路流量数据采集模块，分为前后两数据采集部分，每路流量数据采集单元均设有独立的CPU，每32路组成一个电路板。

7.根据权利要求1所述一种多通道在线式混凝土冷却通水数据自动采集装置，其特征在于：所述电源模块（4）、温度采集模块（1）、数据采集模块（2）均设有指示灯。

8.根据权利要求1或2所述一种多通道在线式混凝土冷却通水数据自动采集装置，其特征在于：所述以太网接口模块（7）采用服务器模式和TCP传输协议。

9.根据权利要求1所述一种多通道在线式混凝土冷却通水数据自动采集装置，其特征在于：所述采集装置设有铝合金机壳。

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