（机械电子工程专业论文）智能灌浆数据记录系统研究.pdf

摘要y6 8 0 1 1 8灌浆自动记录仪用以记录灌浆施工中重要技术参数的数据和曲线，并提供一定的智能控制功能，以确保工程的质量和安全。本文根据我国的灌浆施工方式和规范要求，并借鉴国际上较为通用的技术方案，围绕硬件架构和软件设计，提出了一种新型灌浆记录仪的设计方法。在提出硬件模型后，建构了以工控机、分布式数据采集网络、传感器为主体的硬件系统。软件系统的研究和设计是本课题的重点。分功能模块讨论了记录仪软件系统的基本工作原理和设计实现，并给出了关键控制部分的流程图。在分析了软件系统的主要技术难点后，提出了可行的解决方案。鉴于用户界面的重要性，在广泛查阅、听取意见的基础上，设计了友好、简单、易于操作的人机界面。最后，总结了灌浆记录仪的研制工作，并提出了今后的主要研究方向。全文共分六章。第一章，概述了灌浆技术的基本工作原理，及其在水利水电工程中的应用。讨论了灌浆记录仪的应用背景，国内、外的研究现状和技术进展，提出了选题的背景和意义，并简单介绍了本课题的总体方案及主要研究内容。第二章，提出了灌浆记录系统的硬件模型。按照功能模块，并结合灌浆施工的特点，建构了以工控机、远程数据采集网络和传感器为主体的硬件系统。第三章，提出了灌浆记录系统的软件模型，主要分系统设置、压水试验、常规压力法灌浆和g i n 法灌浆等四个功能模块讨论了软件系统的基本工作原理和设计方案，并给出了关键控制部分的流程图。第四章，分析了软件系统实现过程中的几个主要技术难点：多线程设计，精确定时，数据采集，图文打印的实现等等，并提出了相应的解决方案。第五章，分功能模块设计了软件系统的用户界面。第六章，对系统测试分析，总结了研究经验，提出了今后研究的方向。关键词：灌浆记录仪，分布式数据采集网络，压水实验，g i n 法灌浆a b s t r a c tg r o u t i n ga u t o m a t i cr e c o r d e rc a r tr e c o r d e rt h ei m p o r t a n td a t aa n dc u r v e si ng r o u t i n gw o r k s ，w h i c ha l s op r o v i d e ss o m ec o n t r o lt oi n s u r et h es a f e t ya n dq u a l i t yo fp r o j e c t s a c c o r d i n gt ot e c h n i c sa n ds p e c i f i c a t i o no fc h i n a , r e f e r r i n gt og e n e r a li n t e r n a t i o n a lt e c h n o l o g yp r o j e c t ，t h i st h e s i sp r o p o s e sad e s i g nm e t h o do fan e wt y p eg r o u t i n ga u t o m a t i cr e c o r d e ri nh a r d w a r ea n ds o f t w a r e r e f e r r i n gt oh a r d w a r em o d e l ，h a r d w a r es y s t e mi sc o m p o s e do fi n d u s t r yp c ，d i s t r i b u t e dd a t aa c q u i s i t i o nn e t w o r k , s e n s o rm a i n l y t os t u d ya n dd e s i g no nt h es o f t w a r ei st h ec o r eo ft h i sp a d e r i td i s c u s s e st h ef u n d a m e n t a lm e c h a n i s ma n dr e a l i z a t i o no ft h eg r o u t i n ga u t o m a t i cr e c o r d e r ss o f t w a r e w h a t sm o r e ，i tg i v e ss o m ei m p o r t a n tf l o w c h a r t so fc o n t r 0 1 i ta l s op r o v i d e sas o l u t i o nf o rs o m et e c h n o l o g yp r o b l e m s u s e ri n t e r f a c ei sv e r yi m p o r t a n tt ot h es o f t w a r eo fg r o u t i n ga u t o m a t i cr e c o r d er id e s i g n e ds o m ef r i e n d l y , s i m p l eu s e ri n t e r f a c ea f t e rr e f e r r i n gt os o m ei n f o r m a t i o na n ds o m ew o r k e r s a d v i c e f i n a l l y , as u m m a r yo f t h i st h e s i si sg i v e n ，a n df u r t h e rr e s e a r c hi n t e r e s t sa r ea l s op r o s p e c t e d t h i st h e s i sc o n s i s t so fs i xs e c t i o n s c h a p t e ro n et e l l st h ef u n d a m e n t a lm e c h a n i s ma n da p p l i c a t i o ni nw a t e rw o r ko fg r o u t i n gt e c h n o l o g y as u r v e yo fa p p l i e db a c k g r o u n da n dc u r r e n td e v e l o p m e n to fg r o u t i n ga u t o m a t i cr e c o r d e ri sg i v e n f o r w a r d ，t h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a t i o no ft h i sr e s e a r c hp r o j e c ti sp r e s e n t e d i to f f e r st h em a i nc o n t e n t so ft h i sr e s e a r c hp r o j e c ta n dt h em a i nd e s i g ns c h e m e c h a p t e rt w ob r i n g so u tt h eh a r d w a r em o d e lo fg r o u t i n gr e c o r ds y s t e m i tc o n s t r u c t st h eh a r d w a r es y s t e mw i t hi n d u s t r yp c ，r e m o t ed a t aa c q u i s i t i o nn e t w o r ka n ds e n s o r sm a i n l y , a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o n a lm o d u l e sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fg r o u t i n gw o r k c h a p t e rt h r e ei sc o n c e n t r a t e do nt h ed e s i g no fs o t b v v a r e i td i s c u s s e st h ef u n d a m e n t a lm e c h a n i s ma n dr e a l i z a t i o no ft h eg r o u t i n ga u t o m a t i cr e c o r d e r ss o f t w a r e ，w h i c hi n c l u d e sf o u rf u n c t i o n a lm o d u l e s ，p a r a m e t e r ss e t t i n g ，w a t e rp r e s s u r et e s t s ，c o m m o np r e s s u r em e t h o dg r o u t i n ga n dg i nm e t h o dg r o u t i n g w h a t sm o r e ，i tg i v e ss o m ec f i t i c a lf l o w c h a r t so f c o n t r 0 1 c h a p t e rf o u ri sc o n c e m e dw i t hs o m et e c h n o l o g yp r o b l e m si nr e a l i z a t i o no fd e s i g ns c h e m e ，w h i c hi n c l u d em u l t i - t h r e a d ，t i m es e t ，d a t aa c q u i s i t i o n , p r i n t i n gi m a g ea n dl e t t e r st o g e t h e r a l s oi tp r o v i d e sr e l e v a n ts o l u t i o n s c h a p t e rf i v ei n v o l v e sm o s tu s e ri n t e r f a c eo f t h es o f t w a r e i nc h a p t e rs i x ，at e s tr e p o r to fg r o u t i n ga u t o m a t i cr e c o r d e ri sp r e s e n t e d as u m m a r yo f t h i st h e s i si sg i v e n ，a n df a r t h e rr e s e a r c hi n t e r e s t sa r ea l s op r o s p e c t e d k e yw o r d s ：g r o u t i n ga u t o m a t i cr e c o r d e r ；d i s t r i b u t e da c q u i s i t i o nn e t w o r k ；w a t e rp r e s s u r et e s t s ；g i nm e t h o dg r o u t i n g第一章绪论【摘要】首先，简述了灌浆的定义，介绍了其主要应用和发展历史。接着，阐述了灌浆的基本作用原理，灌浆技术在水利水电工程中的应用，以及一般的灌浆工艺流程。随后，讨论了灌浆记录系统的应用背景，国内、外的研究现状和技术进展。在分析了国内、外灌浆记录仪现有产品的优缺点后，提出了选题的背景和意义。在上述的基础上，简单介绍了本课题的总体方案及主要研究内容。1 1 灌浆技术概述灌浆就是用制浆搅拌机将由一定水灰比的水泥、粘土、膨润土或化学处理剂等合成的浆液均匀地搅拌后，用灌浆泵注入孔内的基础处理方法。其目的是改善地基的天然条件，对建筑物的基础进行处理，可以达到防渗和加固的要求。灌浆技术的应用领域随着科技的不断进步在不断地扩大，在水利、矿山、铁道与公路、海港码头、城市建筑、危房处理、地下油库建筑、环境保护与地质灾害处理等领域都有不同程度的灌浆要求和任务。灌浆在水利水电工程基础防渗与加固、岩土工程基础止水及补强施工中得到最为广泛的应用。与其它建筑物不同，坝的建设除要考虑地基强度和变形等一般性问题以外，还要特别考虑水的渗漏问题。坝基的渗漏带来的不仅仅是一定的经济损失，更严重的是，它会对坝的安全造成影响。水的物理特性是粘度低、几乎没有抗剪切强度，流动性强。因此，水在压力作用下能够透过很小的孔隙或裂隙，并施加以巨大的力量，常易引起岸坡和地基的破坏。而灌浆是水工建筑物地基( 围岩) 防渗和加固处理的主要方法之一，可提高坝基的强度和坝体的整体稳定性，这对保证水利枢纽工程的安全，延长其使用寿命和提高水资源利用率等具有重要意义。【2 】【3 灌浆技术经过近2 0 0 年的发展历史，根据不同的地层情况，己形成各种不同的灌浆工艺和灌浆材料。目前国内常用的是常规低压灌浆方法，在微细裂隙地层一般采用超细粒的湿露水泥灌浆或化学灌浆方法，国际上先进的g i n 灌浆法已在国内一些勘测设计院推广应用，并在小浪底部分帷幕灌浆等施工中取得了良好的效果。1 2 1 灌浆的作用原理1 2 灌浆方法综述通过钻孔或置入的孔管，向底层或构筑物中的孔隙灌入一种或几种浆液，这种浆液最终能形成具有一定强度和阻水性能的“结石”，这样的工程施工称为灌浆。灌浆主要起到四种作用。1 充填作用：浆液凝成的结石将地层空充填起来，可以阻止水流通过，提高地层的密实性。2 压密作用：在浆液被压入的过程中，将对地层产生挤压，从而使那些无法进入浆液的细小裂隙和孔隙受到压缩或挤密，使地层密实性和力学性能都得到提高。3 粘合作用：某些浆液的胶凝性质可以使已经脱开的岩块、建筑物裂缝等充填并粘合在一起，使其联合承载能力得到改善。4 固化作用：某些浆材可与地层中的粘土等松软物质发生化学反应，将其凝固成坚固的“类岩体”。上述几种作用的大小，将随被灌岩体的性状、灌浆材料的类型、灌浆压力大小和施工工艺而定。以往的实践经验表明：灌浆在制止较大的漏水方面，效果极为显著；在提高岩土的抗压强度方面，效果较好。【2 j1 2 2 灌浆在水利水电工程中的应用灌浆技术的应用领域非常广泛，本文主要讨论灌浆在水利水电工程中的应用。根据目的不同，主要可分以下几种应用：1 坝基固结灌浆。以加固破碎岩石，提高强度，减小变形，求得坝基均一性为主要目的的灌浆。此外，它还能有效地减小沿坝基底面的渗流量，避免其对土石坝体造成冲刷破坏。2 坝基帷幕灌浆。以减小坝基和两岸岩土中的渗流量、降低渗漏损失、保持渗透稳定为主要目的的灌浆。一般在坝基前缘和两岸所有可能产生较大漏水的、长而深的条带状的地基内进行。3 坝基接触灌浆。泛指所有需要加强表面基岩和坝与基岩结合为目的的灌浆。其他应用还有，基坑防渗灌浆、坝体接缝灌浆、坝体补强灌浆、隧洞开挖超前灌浆、隧洞衬砌回填灌浆、隧洞围岩固结灌浆、钢结构与混凝土之间的接触灌浆、局部堵漏灌浆等等。 2 】本文涉及的灌浆主要是前两种应用。1 2 3 灌浆施工的一般工艺灌浆施工主要工艺流程为：钻孔一冲孔一压水试验一灌浆一封孑l 。在检验灌浆效果和作验收合格标准时，后续工艺为：检查孔钻孔取岩芯一压水试验一封孔。各部分简单介绍如下：钻孑l ：使用钻孔机械，如回转式钻机、回转冲击式钻机等，按设计规定的位置和方向把灌浆孔钻到规定深度。冲孔：为了提高灌浆效果和质量，把钻完的灌浆孔内的岩粉、碎屑、泥沙等松软充填物冲出孔外。根据不同的地质条件和灌浆用途，主要有：压水冲洗法、风水联合冲洗法、液态洗井法和高压喷射冲洗法等几种方法。压水试验：在基础上钻孔，通过测量在给定时间内被吸收的水的量得到透水率。压水试验可以测定岩体或混凝土的透水性。压水试验在灌浆施工中具有十分重要的意义。在灌浆前，可以摸清地层的透水性，以作为确定灌浆方案的重要依据；在灌浆后，可用作检验灌浆效果和验收合格的标准。压水试验是灌浆施工中很重要的一环。灌浆：用压力驱使能固化的浆液注入各种土介质，扩展、产生和充填各种孔隙，并通过胶结、压缩、挤密等作用，以达到改善土的物理力学性质的灌浆工法。h 1 一般分常规压力法灌浆和g i n 法灌浆两种。常规压力法灌浆是在灌浆进程中规定一个最大灌浆压力，并采用由稀到浓逐级变换水灰比的水泥浆，这种方法在我国应用最为广泛。g i n 法灌浆：以g i n 曲线作为控制灌浆过程的依据的一种方法，该方法简化了灌浆工序，利用预先制定的g i n 曲线可用计算机控制，提高了灌浆的自动化控制水平。封孔：在灌浆结束后，依照一定的方法，将灌浆孔封填密实。1 3 灌浆自动记录仪的应用背景和研究现状1 3 1 灌浆自动记录仪的应用背景灌浆施工是地下隐蔽工程，传统的人工观测、记录、制表的方法，不仅施工安全得不到保障，质量受到影响，灌浆技术的科学性也受到了限制。为了实现灌浆施工技术自动化，确保重大水利枢纽工程的质量和安全，施工过程中必须对各主要参数进行实时监控和记录。灌浆自动记录仪可以准确地记录灌浆施工中的灌注压力、瞬时流量、累积流量和水灰比等重要物理量的值，动态地显示这些参数的趋时曲线，并提供一定的智能控制功能，使得原本隐蔽的地下灌浆工程可视化，为合理控制灌浆施工过程和正确评定工程质量提供了可靠的依据，确保了灌浆施工的安全和质量，并实现了灌浆施工的自动化。 5 1从建设业的发展看，对灌浆过程中技术参数进行自动采集记录势在必行，这样才能更科学地进行灌浆施工。我国的( ( s l 6 2 - - 9 4 水工建筑物水泥灌浆施工技术规范规定：为有利于我国灌浆记录技术水平的发展，提高在国际投标工程中的竞争能力，规定在灌浆工程中宜使用自动记录仪。目前，在我国的重大水利工程的施工中已经普遍使用灌浆自动记录仪。1 3 2 国内外的技术现状和研究进展运用电子计算机对灌浆过程的技术参数进行自动采集和记录，以及按设定程序对灌浆过程进行自动控制的技术，七、八十年代在国外一些工程中已经开始应用。早在7 0 年代，日本开始把计算机技术引入灌浆施工中，在高1 0 2 m 、帷幕灌浆量为1 0 万m 3 的大内坝灌浆工程中，使用了由计算机管理的包括自动记录和自动控制的全自动化灌浆系统。到了8 0 年代，灌浆自动记录仪的应用在国外逐渐普及，一些重要工程的国际招标，甚至规定不使用灌浆记录仪的承包商没有投标资格。1 6 在欧美和日本，除特别情况外，采用的灌浆工艺流程多是纯压式灌浆法，只有一条进浆管进入灌浆孔中，而国内多数采用循环式。国外多采用g i n 灌浆法或高稳定性浆液灌浆法，所以使用的浆液比级较少，有的工程自始至终就使用一种水灰比。与此相适应，国外的灌浆记录仪大都记录两个参数。如日本的f r 一1 2 0 - - 2 f c 型、瑞典的c f p l 0 1 1 型以及德国的产品等，一般用两支记录笔分别连续描绘灌浆过程中的压力和流量曲线。其优点是永久性的连续记录，设备也较简单，但需要用人工逐段取样算出累计灌浆量，整理资料较为烦琐。美国的产品自动化程度很高，费用也很高。法国产品优点是体积小，但防潮性能差。由于以上种种原因，国外的记录仪产品并不适用于国内的灌浆施工。【7 】 8 】为了实现我国灌浆施工技术自动化，赶超世界先进水平，并确保重大水利工程基础灌浆施工的一流质量，国内于八十年代中期开始自发研制灌浆自动记录仪。在我国，最早进行灌浆自动化研究的是中国水利水电基础工程局科学研究所和天津大学电力及自动化工程系。他们于1 9 8 5 年开始研究灌浆自动记录仪，1 9 8 7年我国第一台灌浆记录仪j 1 0 智能灌浆记录仪通过技术成果鉴定，1 9 9 1 年我国第一台灌浆自动控制装置k 1 0 灌浆自动控制装置通过技术成果鉴定。他们的最新产品是j 3 1 d 多路灌浆检测系统。1 9 9 1 年长江科学院仪器及自动化所联合长委施工研究所、江峡基础工程部共同研制灌浆自动记录仪。三个月后，成功地研制出样机。经隔河岩、观音阁工程帐幕灌浆试用和不断改进完善，继推出g j y - i型之后现已更新到g j y _ 型灌浆自动记录仪。【9 j 【lo j1 4 选题的背景和意义国外的灌浆记录仪大都只记录两个参数，压力和流量，其优点是永久性的连续记录，设备也较简单，但要用人工逐段取样算出累计灌浆量，整理资料较为烦琐；国外采用的灌浆工艺流程多为纯压式，而国内多数采用循环式：国外的产品大都价格昂贵；1 7 j 此外，国内、外的灌浆施工在工艺流程、规范标准上存在不小的差异。由于以上种种原因，国外的记录仪产品并不适用于国内的灌浆施工中。1 9 8 7 年1 2 月中国水利水电基础工程局和天津大学合作，研制出我国第一台灌浆自动记录仪。历经十多年的工程应用，灌浆记录仪不断完善和发展。但国内开发的灌浆记录仪往往在以下几方面存在不足：1 系统的稳定性和可靠性有待提高。尤其是软件方面，不少厂家开发的系统存在频繁出错，死机等现象，严重影响了作为灌浆施工监控的可靠性和权威性；2 大多数产品，一台记录仪只监控一个灌浆孔，多路灌浆监测系统尚不成熟；3 一般不支持水灰比的自动测试；4 系统的各项参数的设置方面不够灵活、方便，不少设置都是固定不可更改的，软件系统的适应性很差；5 软件用户界面不够友好。多数软件的设计未仔细考虑实际施工工艺流程和工人操作习惯，给实际用户带来操作种种不便；6 系统的功能比较单一，缺少能对普通灌浆法和g i n 灌浆法等不同灌浆法都能监控的系统：7 系统的扩展性很差，一般不支持数据采集模块的扩容或改动。用户如想增加一台灌浆记录仪的监控孔的个数，必须购置新仪器。本课题是杭州钻探机械制造厂委托本所研制和开发的应用于灌浆施工的灌浆自动记录仪一智能灌浆数据记录系统。基本要求如下：1 该系统能适用于我国灌浆工艺流程，即包括纯压式灌浆法和循环式灌浆法等等；2 符合我国的灌浆施工的基本规范、标准和一般的操作习惯：3 能应用于压水试验、普通法灌浆和g i n 法灌浆等多种工作模式下的单个或多个灌浆孔的工况监测和重要数据的自动记录；4 具有通讯检测，异常报警，数据图形打印等较为完善的辅助功能；5 有一定的扩展性，硬件模块增加，软件能自动检测，并正常工作；6 工作界面友好，操作简单、方便，性能稳定可靠等等。1 5 本课题的总体方案简介及主要研究内容1 5 1 总体方案简介灌浆记录仪是一种自动记录灌浆过程重要技术参数( 流量、压力、水灰比等)的仪器。硬件系统主要由工业控制机、微型汉字打印机、信号调理电路、压力传感器、流量传感器、水灰比传感器、通讯屏蔽电缆和a d 转换部分等组成。流量、压力和水灰比等传感器布置在灌浆孔的特定位置，将检测到的物理量信号转换成电流信号。数据采集模块将电流信号进行a d 转换，经通讯转换模块送到计算机串口。监控软件将采集到的信号采用一定的算法进行数据处理，在显示器上以文字和曲线的形式显示灌浆过程的各个重要信号量，对灌浆过程进行实时的监控，记录、保存重要的灌浆数据，灌浆结束后打印灌浆数据和曲线。1 5 2 本课题的研究内容课题围绕智能灌浆数据记录系统的研制和开发，展开为以下一些主要内容：1 硬件系统构建和主要元件选型。了解灌浆施工的原理，工艺流程，国内外关于灌浆记录仪的发展现状和主要存在的问题。借鉴国内一般灌浆记录仪的硬件组成和软件设计，技术指标，主要功能，实际使用的效果等等，选取符合要求的传感器，数据采集模块，通讯模块，工控机等等硬件以搭建硬件系统。2 软件功能模块划分和设计。这是课题研究的重点。根据我国灌浆旌工的基本工艺流程和施工规范，将软件系统按照功能划分成几个模块。运用面向对象的软件设计思想，设计各个模块的主要功能，绘制流程图，给出算法实现。3 分析并解决软件系统实现中的主要技术难点。分析得到软件设计中的各个主要技术难点，并探讨可行的解决方案。4 针对软件使用对象的特点，遵循我国灌浆施工定的规范和一般流程，在借鉴了国、内外同类产品的优缺点，并听取施工人员的意见的基础上，设计出友好、简洁、易于操作的用户界面。5 在实际施工现场使用后，与人工记录的优缺点的分析和比较，针对用户的意见和建议，改进记录系统，以更好地应用于灌浆工程。6 对相关技术进行展望，提出下一代灌浆记录仪的一些设计构想。其中，软件系统设计和实现是智能灌浆数据记录系统研究的核心内容，也是本文的重点。第二章灌浆记录仪的硬件搭建和功能模块的分析【摘要】论文提出了灌浆记录仪的硬件模型，并按照功能模块展开讨论。先说明了各个传感器在灌浆管路中的布置：然后分流量传感器、压力传感器和水灰比传感器简单介绍了各自的工作原理、基本特性，并结合灌浆施工的具体情况对各传感器做了一一选型。数据采集环节是整个硬件系统的核心，作者对远程数据采集网络与数据采集卡两种方案做了比较和选择，并简单介绍了远程数据采集网络的工作机制。最后，对工控机和微型汉字打印机做了选型。2 0 ! 系统硬件模型的描述灌浆记录仪的硬件系统主体框架如图一所示，基本工作原理为：传感器检测被测物理量，输出为电流信号。电流信号经过调理后，通过a d 转换被送至工控机。工控机的软件系统对采集得到的信号采用一定的算法进行数据处理，然后在显示器上以文字和曲线的形式显示灌浆过程的各个重要信号量，以实现对灌浆过程进行实时的监控，记录、保存重要的灌浆数据，灌浆结束后打印灌浆数据和曲线。黧 圉圆j 圈勺工控轨和数据记录软件图2 】灌浆记录仪的硬件系统主体框架以下结合灌浆施工的工艺流程，主要分传感器、a d 转换、通讯模块和工控机等几部分，详细讨论各硬件的主要功能，性能要求，并作一一选型，从而搭建硬件系统。2 2 硬件系统各环节的分析和选型2 2 1 传感器环节在灌浆施工作业中，需要记录的重要的物理量主要有压力、流量、水灰比、注入量等等，其中需要传感器测量的主要是压力、流量和水灰比。在灌浆施工中，按照浆液在孔中的流动路线，可区分为纯压式灌浆与循环式灌浆两种方式。其中，循环式灌浆又可分为大循环和小循环两种。图2 2 ，2 3 ，2 4 分别是这三种灌浆方式的灌浆管路连接简图，各个传感器在管路中的布置位置见图。图2 2 纯压式灌浆管路简图襄裳轧鬈蒙乳图2 3 小循环式灌浆管路简图鬻荣轧图2 4 大循环式灌浆管路简图2 2 1 1 流量传感器流量测量方法和仪表的种类繁多，目前可供工业用的流量仪表种类达6 0 种之多。品种如此之多的原因就在于至今还没找到一种对任何流体、任何量程、任何流动状态以及任何使用条件都适用的流量仪表。按照目前最流行、最广泛的分类法，可分为：容积式流量计、差压式流量计、浮子流量计、涡轮流量计、电磁流量计、涡街流量计、质量流量计和插入式流量计等等l 。考虑到每种流量计都有其适用范围、优点，也都有其局限性，所以在选择仪表时，一定要熟悉仪表和被测对象两方面的情况，并兼顾考虑其它因素，这样测量才会准确，并符合设计的精度要求。灌浆中流体主要是液、固二相流体，所以存在流速较慢，容易阻塞管道，化学灌浆中的浆液有一定的腐蚀性等等特性。根据浆液的以上特性和灌浆工况，并考虑各种流量仪的优、缺点之后，本系统决定选用电磁流量计。电磁流量计是根据法拉第电磁感应定律制成的一种测量导电性液体体积流量的仪表。5 0 年代初实现了工业化应用，近年来世界范围产量约占工业流量仪表台数的5 6 5 。7 0 年代以来出现键控低频矩形波激磁方式，逐渐替代早期应用的工频交流激磁方式，仪表性能有了很大提高。得到更为广泛的应用。【l 副电磁流量计主要有以下优良特性，可以解决其它流量计不易应用的问题。1 其测量通道是一段无阻流检测件的光滑直管，因此无附加压力损失。且不易阻塞，适用于测量含有固体颗粒或纤维的液、固二相流体，如泥浆、纸浆、煤水浆、矿浆和污水等。2 所测得的体积流量，实际上与流体密度、粘度、温度、压力和电导率( 只要不小于最低电导率) 等物理参数无关，所以测量精度高，工作可靠。3 可测正反双向流量，也可测脉动流量，只要脉动频率低于激磁频率很多，传感器信号是一个与平均流速成精确线性关系的电压。4 只有管道衬里和电极与被测液体接触，因此只要合理选择电极及衬里，机壳即可达到耐腐蚀、耐磨损的要求。所以，易于选择与流体接触件的材料品种，可应用于腐蚀性流体。而采用化学灌浆时，必须考虑仪器的抗腐蚀性。5 测量范围度大，口径范围宽。圳尽管，它也有诸如：不能测量电导率很低的液体，不能测量气体、蒸汽和含有较大气泡的液体，不能用于较高温度等缺点，但在浆液的测量中无需考虑这些因素。本系统选用的是上海光华爱而美特仪器有限公司生产的k 3 0 0 - - 4 0 一体型电磁流量变送器。它采用不锈钢标准电极，衬里材料是聚四氟乙烯。基本指标如表2 一l 所示。9测量精度：满度量程流速v 0 5 m s在2 0 1 0 0 流量之间在0 2 0 流量之间满度量程流速v 0 5 m s在流速0 1 0 5 m s在流速o o 1 m s为测量值的士1 为满量程的0 2 为测量值的士1 为士0 0 01 m sf 2 0 j表2 - 1k 3 0 0 - - 4 0 电磁流量变送器的基本参数参数值电导率2 0 l as c m工作电压2 2 0 v5 0 h z工作压力4 m p a测量范围0 1 5 0 l m i n输出信号4 2 0 m ad c功耗2 0 温度影响量o 2 1 0 再现性满量程的士0 2 电源电压影响量 o 1 1 0 2 2 1 2 压力传感器灌浆效果取决于很多因素，其中灌浆压力是很重要的一环。为将浆液输送到预定范围的地层空隙里，就必须给以一定的压力。这压力通常是由灌浆泵活塞运动的驱使而产生，并通过连续前进的浆液本身传递；有时也可以借助于抬高浆液源的位势来达到。压力的一部分首先是用来克服浆液本身的粘聚力和内摩擦力( 浆液越稠，这两种力越大) 来驱使其流动；另一部分则用来克服浆液沿管路、钻孔及裂隙或孔隙壁面的流动摩阻力。1 2 】灌浆压力越大，浆液在一定裂缝或孔隙系统里的运动距离就会越大。因此，采用高一些的压力，可以期望达到减少钻孑l 工程量，降低造价的目的。此外，高压灌浆还有其它种种优点。但是，过高的压力会造成水力劈裂，浆液浪费，甚至引起地面抬升，影响其上的建筑物等严重后果。所以，必须对灌浆压力进行实时监控。也因此，需要采用压力传感器实时检测灌浆压力。灌浆设备中多采用柱塞式管浆泵，它产生的压力是脉动的，摆动范围一般不大于灌浆压力的2 0 ；为了保证压力传感器的安全，这就要求采用可耐冲击压力的压力传感器，其最大标值宜为最大灌浆压力的2 o 2 5 倍。此外，在化学灌浆中，考虑到介质有一定的腐蚀性，因此选用的传感器必须有一定的抗腐蚀性。考虑到以上原因，结合性价比，并根据系统精度的需要，本系统采用上海望源测控仪表设备有限公司生产的型号为w p 4 0 1 a 的压力变送器。它采用不锈钢隔离模片，可测量腐蚀性介质，可耐冲击压力为3 倍满量程。采用进口组件，自身配有特殊的耐磨损、寿命长的油灰隔离装置，以保护压力传感器。可直接装于管道，安装方便，易于清洗。部分性能指标如表2 2 所示。表2 - 2w p 4 0 1 a 型压力变送器的基本参数参数值测量范围o 1 0 m p a供桥电压2 4 vd c破坏压力3 0 0 计量精度o 2 5 f s输出信号4 2 0 m a _ d c2 2 1 3 水灰比传感器在普通灌浆中，灌浆浆液的浓度一般由稀到浓，逐级变换。帷幕灌浆浆液水灰比可采用5 ：1 、3 ：1 、2 ：1 、1 ：1 、0 8 ：1 、0 6 1 、0 5 ：1 等七个比级，开灌水灰比可采用5 ：l 。 1 】显然水灰比是分等级的，无法根据水灰比直接计算得到累积灌浆量。水灰比与浆液密度之间有一定的换算关系，故测得灰浆密度可计算得到累积灌浆量和水灰比。因此，这里的水灰比传感器其实是灰浆密度传感器。目前，尚没有专用的灰浆密度传感器，系统采用了称重传感器，根据一定的测量原理即可以得到浆液密度，再进一步得到水灰比。水灰比测量原理简述如下：称重传感器安装在浆桶( 以下称：容器) 的底下。容器中尚未装入浆液时，即可测得容器的重量，g 。把浆液倒入容器后，即可测得浆液和容器的总重量，即g 。g = g 浆+ g 窖( 2 1 )由称重传感器的特性得：g = k - a( 2 2 )其中，a 为称重传感器测得的输出信号值，k 1 为被重量值与传感器输出信号的对应系统数。由2 1 ，2 2 可得进而得到g 浆= k l a g 窑g 容2 k 1 a 容g 浆= k i ( a a 窖)( 2 3 )( 2 4 )( 2 5 )又由g 浆= m 浆g = 9 紫v 浆g ，其中p 装一浆液密度，v 浆一浆液体积，得p 浆= k 1 ( a a 窖) v 浆g( 2 6 )令k = k i v 凝g ( 2 7 ) ，可得到i f 浆= k ( a a 容)( 2 8 )这就是浆液密度和传感器输出信号值之间的关系。由2 2 2 7 可得k = p a( 2 9 )即密度传感器的斜率，根据传感器标定方法，得到k = ( 9 l - - p 小) ( a 大一a 十)( 2 1 0 )如此，测得浆液密度值，再通过查找浆液密度与水灰比的对应参考关系表，即可得到相应的水灰比。系统选用的是杭州传感器总厂生产的c l y b 一1 1 a 型负荷传感器，主要技术指标如下：表2 - 3c l y b 一11 a 型负荷传感器的基本参数参数值测量范围0 5 k g供桥电压2 4 vd c过载能力5 0 0 输出信号4 2 0 m ad c非线性0 1 f s滞后误差o 1 f s重复性误差0 1 f s使用温度一1 0 + 5 0 2 2 2 数据采集模块环节系统中的a d 转换部分可以有两种方案：一是采用远程数据采集模块和通讯模块的组成的远程数据采集网络，另一种是采用数据采集板卡。两种方案有各自的特点，以下就两种方案作一简单介绍，并针对灌浆施工的特点作选择。2 2 2 1 远程数据采集模块方案随着微处理器技术的发展，在工业集散监测监控系统中，智能型远程数据采集模块得到日益广泛的应用。不同的功能模块通过r s - - 4 8 5 网络连接，并通过通讯转换模块与实时监控的工控机( 上位机) 相连，实现对工业生产过程的实时监测与控制。a d l i n k ( 凌华科技) 公司推出的一系列以n u d a m 命名的数据采集模块，提供了一个完接的数据采集网络和控制系统的解决方案。理论上，只需要一台工控机通过串口即可控制最多具有2 5 6 个数据采集模块的r s 4 8 5 网络( 超过1 2 9个模块或4 ，0 0 0 英尺需要中继器) 。n u d a m 模块可以与范围宽广的传感器和平台相连，用于信号测量，线性化，转换等，其中包括温度，压力，流量，电压，电流等模拟信号以及其他各种类型的数字信号。该系统的优点具有以下优点：一采用工业标准网络( r s 一4 8 5 通讯协议) ，具有很高的通讯速率和较长的通讯距离；二模块间传送数据采用两线，系统具有良好的灵活性，且易于安装连接；三高传输速率，最高可达11 5 2 k b p s 的数据命令传送速率；四简单的命令响应协议；五工业化的设计；六高隔离电压，模块采用光隔离，能确保数据获得回路与通讯口之间的高隔离电压，所以致命的电冲击不会通过，可避免破坏网络上的所有模块。七噪音隔离，模块提供了强大的噪音隔离能力，可以减小电一磁干扰和嗓音影响。1 1 4 1远程数据采集模块一般内置微处理器，变送器，具有信号调理，电压隔离，量程调整，a d 转换等功能。a d l i n k ( 凌华科技) 公司的产品n u d 气m 一6 0 1 7即具有以上基本功能。一个或多个远程数据采集模块需要通过通讯模块才能与工控机串口，即r s 2 3 2 至r s 4 2 2 r s 4 8 5 通讯转换器。这能很好地满足分布式监控系统的要求，具有优良的模块可扩展性。所有的模块传送和接受都采用r s 一4 8 5通讯协议，具有高速，远距离等等优点。1 1 4 j2 2 2 2 数据采集卡方案数据采集系统中，数据采集卡( d a q ) 是最常用的接口形式，通过它将现场数据采集到计算机中进行处理，分析，计算。插入式数据采集卡( d a q ) 发展迅速，随着a d 、d a 转换技术，仪器放大器，抗混叠滤波器和信号波形处理技术的不断改进，d a q 采样速率最高可以达到1 g b s ，精度最高达2 4 位，通道数最高达6 4 个，并能任意结合数字i o ，模拟输出和计数器定时器通道。使基于工控机的自动测试系统能更加充分利用工控机资源，并大大增加了测试系统的灵活性和扩展性。【i 刈数据采集卡一般直接与工控机的i s a 或p c i 总线相连。现在的工控机一般采用e i s a 总线( e x t e n d e di s a ) ，它支持3 2 位3 8 6 d x 和4 8 6 c p u ，最高的数据传输率最高为3 3 m b s 。p c i 总线，支持p e n t i u m 及以上c p u ，标准p c i 总线为3 2位，可扩充至6 4 位，总线时钟频率固定为3 3 m h z ，3 2 位的p c i 总线最大数据传输率是1 3 3m b s ，6 4 位的p c i 总线最大数据传输率是2 6 4m b s 。p c i 总线上的外围设备可与c p u 并发工作，从而提高了计算机的整体性能，以p c i 总线为基础的数据采集系统大大提高了数据采集率。相比与计算机串口的数据传输速率( 1 5 5 0 g ( 1 1 m s ) 可选抗振动： 0 1 5 m m 驱动振幅( 5 5 8 h z ) 可选2 g ( 5 8 1 5 0 h z ) 可选附件主要是微型汉字打印机。每次灌浆结束后，需要打印灌浆数据和曲线以作为项目监理的凭据，所以需要配置打印机。由于工业现场环境条件的限制，粉尘、潮湿等影响，普通的打印机无法正常工作。而且普通的热敏打印机的打印结果在潮湿、高温的环境下无法长久保存。微型汉字打印机由于体积小巧，全封闭式的设计，可以有效地避免粉尘进入，使用更为持久，且打印结果可以长久保存。本系统选用的是炜煌公司生产的型号为w h 4 0 0 8 a 的微型汉字打印机。该打印机体积紧凑，采用全封闭式设计，可以有效地避免外部的粉尘进入。打印输出的是宽度为6 9 毫米的窄带纸，一行可打印4 0 个英文字符( 2 0 个中文字符) 。其打印效果清晰并可长久保存，还支持简单的图文打印，能很好地满足系统要求。【17 j1 6第三章灌浆记录仪的软件功能模块划分和分析【摘要】软件系统的设计和实现是本课题的主要工作内容，也是论文研究的重点。本章依据我国的灌浆施工的规范要求和实际情况，借鉴国际上较为通用的技术方案，提出了典型灌浆记录仪软件系统的一种设计方法。结合灌浆施工的基本原理和工艺流程，主要分系统设置、压水试验、普通法灌浆和g i n 法灌浆等四个功能模块讨论了本记录仪软件系统的基本工作原理和设计方案，并给出了关键控制部分的流程图。3 1 软件模型概述灌浆自动记录仪用以记录灌浆施工中重要技术参数的数据及曲线，并提供一定的智能控制功能，以确保工程的质量和安全。本章依据我国的灌浆施工的规范要求和实际情况，借鉴国际上较为通用的技术方案，提出了典型灌浆记录仪软件系统的一种设计方法。软件系统设计是灌浆自动记录仪研制的核心内容，要求适用于我国采用的灌浆方式，即循环式灌浆和纯压式灌浆，主要用于压水试验、普通法灌浆和g i n法灌浆等工作模式下的工况监测和重要数据的自动记录，具有通讯检测、异常报警以及数据、图形打印等较为完善的辅助功能，工作界面友好，性能稳定可靠。软件系统根据功能划分，主要由系统设置、压水试验、普通法灌浆和g i n 法灌浆等四个模块组成。软件系统分层模型如图3 1 所示。以下，主要分系统设置、压水试验、普通法灌浆和g i n 法灌浆等四个功能模智能灌浆数据记录系统系统设置模块il 压水试验模块ll 普通法淮浆模块l1g i n 法淮浆模块堋疆il 黧0 瓣li 蕤i 醛1 1 禚 1 篓iii 囊il 蒺图3 1 软件系统分层模型块讨论了该记录仪软件系统的基本工作原理和设计实现，并给出了关键控制部分的流程图。3 2 系统设置模块系统参数设置模块主要包括：通讯检测、传感器标定和参数设置三部分，下面结合灌浆技术和施工规范对各部分展开分析。3 2 1 通讯检测在正式开始灌浆记录前，应该保证n u d a m 数据采集网络能正确地工作，即成功地采集到传感器的输出信号。可以通过向各个模块的各个通道发送模块支持的命令，根据传回的响应来检测各通讯插口、传感器接口是否正确连接，以及传感器、a d 转换部分与计算机串口之间通讯是否正常，一般用于故障诊断。n u d a m 数据采集模块支持动态库、d d e 、o c x 、o p c 、i c l 等多种技术进行数据采集。本系统采用动态库方式，因为通过这种方式是从最低层对模块直接进行操作，故控制能力最为强大且可以完全根据用户的需要来设计采集方案。支持n u d a m 模块的d l l ( 动态库) 中有封装了对模块发送标准命令、初始化模快参数、读通道状态、读通道信号值等等为数众多的操作函数，可以通过动态库方式直接调用这些函数。根据函数的返回值即可监测模块的状态。本系统通讯检测主要分两步：1 通过串口向模块发送一系列模块支持的命令；2 读取指定模块所有通道的信号值。调用n d s e n d c o m m a n d 函数就可以通过串口向模块发送一系列模块支持的命令，并接收模块对命令的响应。调用n dr e a d c h a n a l 函数就可以读取指定模块指定通道的信号值。两函数的返回值有n oe r r o r ，c o m m 【n i c a t l 0 n e r r o r ，c o m m u n i c a t i o n _ t i m e o u t ，c h e c k s u m e r r o r ，i n v a l i d等，其含义如表31所示。_command表3 - 1 模块对发送命令的响应的含义返回值含义n oe r r o r响应正确，并可得到响应时间i n v a l i d _ c o m m a n d表示无效的命令c o m m u n i c a t i o - n e r r o r表不通讯错误c o m m u n i c a t i o n _ t i m e o u t表示通讯超时c h e c k s u me r r o r表示校验错误根据这些返回值，就可以判断数据采集网络是否存在故障。一般情况下，较为常见的故障主要有：数据采集模块未上电，模块供电电压不在1 0 3 0 v d c 范围内，模块参数设定错误，连线错误等等。有了通讯检测模块，操作员可以简单地诊断数据采集网络的通讯状况。3