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地铁杂散电流分布规律及腐蚀智能监测方法研究

2018-08-30 11:42:12
作者:王禹桥
来源:中国矿业大学机电学院

我国的城市轨道交通目前正处于大规模建设的高峰时期,研究地铁杂散电流分布规律并实现地铁杂散电流腐蚀监测是城市轨道交通建设和运营中的关键课题,对城市轨道交通健康发展具有重要的理论意义和实际应用价值。

 基于 WEB 的杂散电流腐蚀智能监测系统研究

 

    本章利用地铁内部网络构建杂散电流腐蚀智能监测系统,研究杂散电流腐蚀信号的采集和网络化数据传输,并通过软件的开发,重点解决腐蚀信号实时自动采集、传输、统计、处理和状态预估的问题,建立了地铁杂散电流腐蚀智能化监测系统。


   1 基于WEB的杂散电流腐蚀智能监测系统架构

 

    1.1主要监测内容及方法

 

    为了研究和预估机车运行中杂散电流的泄漏量及其可能对金属结构造成的腐蚀状况,需实时监测的表征参数有:金属结构的极化电位、钢轨电位和电阻率(包括混凝土、埋地金属管线周围土壤介质)。其中,极化电位采用近参比电极测试法进行测试;钢轨电位的测试是通过将焊接在钢轨上的信号线引入智能传感器进行;电阻率采用Wenner测量方法。具体方法详见第3章和第4章。


   1.2智能监测系统的架构杂散电流腐蚀智能监测系统

 

   采用车站(变电所)监测和车辆段供电中心或控制中心集中监测二级监测系统。全线按车站划分监测分区,每个监测分区在车站设置一台能够对杂散电流腐蚀监测相关数据进行采集和统计处理的“智能监测装置”,该装置经过信号电缆与该站及该站两端各半个区间内监测点的智能传感器相连,以现场总线的方式与相连的各智能传感器进行通信;智能传感器经测量电缆与监测点的各测量端子、参考电极相连。智能传感器可实现对该分区混凝土主体结构钢筋的极化电位、钢轨电位、埋地金属管线和结构钢筋周围的土壤电阻率、混凝土道床电阻率等进行采集,并进行数据统计和存储。智能监测装置通过通信系统提供的以太网通道接入车辆段供电车间或控制中心内的微机管理系统。系统设有服务器,通过地铁公司内部办公网可以查询相关信息,通过Internet可以实现远程访问。智能监测系统架构设计如图5-1所示。

 

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    2杂散电流腐蚀智能监测系统特点

 

    杂散电流腐蚀智能监测系统不仅要考虑是否能满足杂散电流腐蚀状态各表征参数的监测需求,同时要考虑到地铁现有的条件和资源,建立的监测系统需要具有可持续的扩容性和进一步升级的特点。因此,本章对计算机网络技术、智能传感器、嵌入式Internet技术及Windows DNA计算机模型等深入研究基础上提出了基于地铁现状的分布式网络化杂散电流监测系统。该系统具有如下特点:


    (1)将传感器等嵌入式系统与地铁局域网结合起来,完成杂散电流监测系统相关监测数据的获取,实现了现场装置的远程控制;

 

    (2)利用地铁局域网,解决了在不同站点分布的设备互连、传输介质共享、数据通信和设备互操作等问题;它的硬件适应性很强,可与各种现场测控单元互连;

 

    (3)建立在该架构基础上的杂散电流监测系统在满足现有需求的前提下,可以根据需要进行系统扩容和升级,满足了地铁线路不断延长的需求;

 

    (4)在保持现在系统基础上,可不断吸收新的技术发展成果,使系统始终处于新技术应用的前沿领域。


    3 Web服务设计

 

      杂散电流腐蚀智能监测系统具有远程监测的功能,因此在工作站上要提供Web服务,实现Internet上的数据交换。


    为了实现有效的数据共享和信息管理必需具有相应的服务器系统软件。通过Web服务器可实现动态的网页发布。当服务器工作时,处于同一局域网中的计算机通过输入IP地址的方式,可以在浏览器中访问超文本页面。目前应用较多的服务器软件主要有Apache和IIS(Internet Information Server),Apache的优势主要在于它的源代码开放、支持跨平台的应 用(可以运行在几乎所有的Unix、windows、Linux系统平台上)以及它的可移植性等方面。相对于APACHE,IIS操作和维护更加简化,在功能和安全方面两者不分伯仲。本系统采用IIS作为Web服务器软件。


    ASP.NET  AJAX是一个完整的开发框架,其服务器端编程模型相对于客户端编程模型较为简单,而且容易与现有的ASP.NET程序相结合.AJAX的交互功能更加智慧和人性化,第一次请求发回一个完整的Web页面,以后更新数据并不是将整个页面重新载入,而仅仅是将响应的内容会传。


    AJAX是Java Script、CSS、DOM、XmlHttpRequest四种技术的集合体,主要应用于异步获取后台数据和局部刷新。


    Atlas是一个新的Web技术开发包,它集成了一套非常大的客户端脚本库使得与功能丰富的、基于服务器开发平台的ASP.NET2.0结合在一起,“Atlas”能让开发的Web应用能够通过直接调用Web服务器来更新一个Web页面的数据,不需要在页面往返传送(也就是不需要多次刷新页面)。使用“Atlas”,能最大地利用ASP.NET和服务器端代码在浏览器中来做许多工作,使得有更加丰富的用户体验。


    4基于WEB的杂散电流腐蚀智能监测系统在工程中的实际应用

 

    4.1监测系统构成实际框图

 

    如图5-2所示,杂散电流腐蚀智能监测系统主要由智能传感器、智能监测装置、杂散电流分析工作站组成,智能传感器与智能监测装置通过现场总线的方式进行数据交换,智能监测装置与杂散电流分析工作站是通过网络进行数据交换。

 

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    如图5-3所示,杂散电流腐蚀智能监测系统利用以太网交换机与PSCADA共用1条物理通道,将全线各车站杂散智能监测装置直接接入到通信骨干网络中。


    复示中心的杂散电流工作站利用网络接口直接通过以太网与各车站杂散电流监测设备通信,减少在通讯过程中无效数据的传输,充分发挥杂散电流监测分析工作站的功能。


    4.2杂散电流腐蚀智能监测系统操作流程

 

    杂散电流腐蚀智能监测系统中数据查询,打印输出等常规功能通过系统主界面很容易进行操作,下面主要在对腐蚀信号处理及预估的工程实践进行说明。


    基于时频联合分析实现杂散电流原始腐蚀信号中异常信号的特征提取,由此定位腐蚀信号异常时刻机车距离牵引变电所的运行位置,存储最邻近机车的参比电极采集到的钢轨电位及混凝土道床和周围土壤介质的电阻率,混凝土道床或隧道侧壁的结构钢筋或埋地金属管线的水平净距和深度由地铁系统设计图纸可知。


    综上分析,建立腐蚀状态预估模型的输入样本集;由机车不同运行工况下杂散电流分布的分析结果可知,机车在牵引运行时牵引变电所负极回流点附近的结构钢筋和埋地金属管线容易发生杂散电流腐蚀,制动运行时在机车所在位置处的结构钢筋和埋地金属管线容易发生杂散电流腐蚀。因此,将腐蚀信号异常时刻机车所处位置和牵引变电所回流点处埋设参比电极的结构钢筋或金属管线电位偏移值作为腐蚀状态预估模型的输出样本集,基于所建立输入输出样本集,实现预估模型的训练,进而预测机车所处位置和牵引变电所回流点附近未埋设参比电极的金属管线电位偏移值,具有现实的工程意义。


    4.3杂散电流腐蚀智能监测系统功能分析

 

    杂散电流腐蚀智能监测系统主界面主要有七个功能模块,分别是实时数据采集、历史数据查询、腐蚀信号时频联合分析、腐蚀状态预估、故障报警、参数配置以及输出打印。


    (1)实时数据采集

 

    如图5-4所示,杂散电流腐蚀智能监测系统可通过安装在地铁现场所有采集点的智能传感器将采样数据经传输网络传输到工作站,进行实时数据采样,及时掌握现场的杂散电流信息。


    (2)历史数据查询

 

    监测系统可以对历史数据进行分类查询,可以按时间段查询某监测点的所有数据、所有监测点在同一时间的分布,所有监测点一天最大值的分布,所有监测点一月最大值的分布。如图5-5杂散电流腐蚀历史数据查询所示。

 

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    (3)腐蚀信号特征提取监测系统可以对测试的腐蚀信号进行时频联合分析,腐蚀信号时频联合分析如图5-6所示,此图是对地铁现场采集的腐蚀信号的分析,从分析结果可以看出中心频率所处的时刻点分别为1043点,2676点,5075点和6477点。腐蚀信号分别为52.56V,54.13V,-48.67V和-49.13V。

 

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    (4)杂散电流腐蚀预测

 

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    如图5-7所示,监测系统具有腐蚀状态预估的功能,通过“导入数据”可以将需要预测的相关数据进行导入,然后点击“腐蚀预测”在界面上就可以得到相关的预测结果。


    如图5-7所示,监测系统具有腐蚀状态预估的功能,通过“导入数据”可以将需要预测的相关数据进行导入,然后点击“腐蚀预测”在界面上就可以得到相关的预测结果。


    (5)故障和报警


    监测系统的所有设备具有自诊断的功能,同时通过采集的数据可以对传感器等设备的工作状态进行远程诊断,如果发现有设备故障和异常的情况,系统可以记录故障时间、故障情况、发出报警信息以及上传控制中心的功能。


    (6)参数配置


    监测系统可以通过杂散电流分析工作站对相关设备的参数进行远程配置,以便更好地实现设备的远程维护。


    5小结


    要实现地铁杂散电流腐蚀智能监测,需要解决的关键技术问题包括有关腐蚀信息数据的获取与传输、海量数据存储与管理、监测数据的处理与分析、腐蚀状态预估等,本章针对上述关键技术进行了研究,取得的主要成果和结论如下:


     (1)结合我国地铁内部数据交换传输网络的现状,提出了基于Web的杂散电流腐蚀智能监测系统的构建方法。


    (2)杂散电流腐蚀智能监测系统综合考虑了能够表征腐蚀特性的监测参数和数据采集方式,构建包括监测系统本身的故障诊断体系结构,并对监测系统的可靠性和后期维护进行了分析。


    (3)自主开发了以数据库为核心的数据查询与分析系统。能够准确全面地对现场信号进行采集,对采集后的数据进行系统分析,为地铁杂散电流腐蚀防护提供重要支持。在实际地铁工程中的应用实践表明,监测系统能够满足地铁杂散电流监测的需要。

 

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