全自動云平臺測斜儀研制

廖彥程 劉金德 陳展壯 曾海洋 趙貴泉 李友恒 廖榜元

摘 ?要：國家強制規(guī)定地基開挖深度超過5 m需要測斜，在工程施工過程中，如果不進(jìn)行測斜，就會發(fā)生塌方、建筑傾斜等危險。為了解決以上問題，該文研制了全自動智能測斜儀，該設(shè)備由自動收放線機(jī)構(gòu)、PLC控制系統(tǒng)、智能云平臺以及太陽能電源組成，自動收放線機(jī)構(gòu)可以提高檢測的效率，PLC控制系統(tǒng)則可以編程實現(xiàn)各種深度的測斜，智能云平臺計數(shù)可以提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)降低危險發(fā)生的概率，太陽能電源可以讓設(shè)備脫離外加電源，提高設(shè)備靈活性同時也更符合國家對機(jī)器綠色環(huán)保的要求。

關(guān)鍵詞：全自動 ? 云平臺 ? 實時監(jiān)控 ? 測斜

中圖分類號：P634.3+3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-3791（2021）08（c）-0017-03

Development of Automatic Cloud Platform Inclinometer

LIAO Yancheng ?LIU Jinde ?CHEN Zhanzhuang ?ZENG Haiyang ?ZHAO Guiquan ?LI Youheng

LIAO Bangyuan

（Guangdong Polytechnic of Water Resources and Electric Engineering， Guangzhou， Guangdong Province， 510925 China）

Abstract： It is mandatory for the state to measure the inclination when the foundation excavation depth exceeds 5 m. In the process of engineering construction， if the inclination is not measured， there will be dangers such as collapse and building inclination. In order to solve the above problems， we developed the automatic intelligent inclinometer， which consists of automatic line winding mechanism， PLC control system， intelligent cloud platform and solar power supply. Automatic line winding mechanism can improve the efficiency of detection， and PLC control system can be programmed to achieve various depths of the inclinometer. Intelligent cloud platform counting can provide accurate data to reduce the probability of danger. Solar power supply can separate the equipment from external power supply， improve the flexibility of the equipment and better meet the national requirements for green machine environmental protection.

Key Words： Fully automatic; Cloud platform; Real-time monitoring; Inclinometer

中國基礎(chǔ)建設(shè)行業(yè)巨大的發(fā)展?jié)摿?，為基坑測斜儀產(chǎn)業(yè)的迅猛成長開拓了廣闊空間，在基礎(chǔ)建設(shè)中，將近90%的基建項目要用到測斜儀。隨著我國基建規(guī)模的不斷擴(kuò)大，傳統(tǒng)測斜及測斜手段已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代生產(chǎn)的需求，其主要體現(xiàn)在成本高、效率低、檢測誤差大、受環(huán)境影響大、數(shù)據(jù)安全性差、數(shù)據(jù)狀態(tài)無法實時反饋。

1 ?設(shè)計思路

該設(shè)計的目的是研發(fā)一款無人值守、遠(yuǎn)程監(jiān)控、自動收放線、自動檢測、自動整理數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)自動上傳云平臺、自動預(yù)警的測斜平臺。機(jī)器將測斜探頭自動送入測孔中，達(dá)到自動放線測量的效果;測量數(shù)據(jù)通過云平臺數(shù)據(jù)整理，可達(dá)到加強數(shù)據(jù)保密性及數(shù)據(jù)實時更新的效果;測斜數(shù)據(jù)通過遠(yuǎn)程監(jiān)控，可以數(shù)據(jù)實時監(jiān)控。

2 ?設(shè)備原理及設(shè)計

2.1 原理

在操作終端設(shè)定測量參數(shù)，然后啟動系統(tǒng)，設(shè)備便能根據(jù)所設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行工作，PLC控制伺服電機(jī)下放探頭線纜，編碼器實施采集探頭所處位置，對探頭的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并發(fā)送到遠(yuǎn)程智能終端模塊[1]。到達(dá)底部時，逆向再采集一次，回到管道頂部。步進(jìn)電機(jī)將探頭旋轉(zhuǎn)180°，重復(fù)上述數(shù)據(jù)采集行為，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)測量的無人化、自動化以及數(shù)據(jù)分析的智能化。

2.1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計

收放線機(jī)構(gòu)用來實現(xiàn)自動收放線功能;繞線機(jī)構(gòu)是將收起來的線排列整齊，使繞線不會出現(xiàn)打結(jié)的情況，降低對導(dǎo)線的外部損壞;換向機(jī)構(gòu)可以將測斜探頭旋轉(zhuǎn)180°，完成測孔正反兩面的測斜數(shù)據(jù)采集[2]。

2.1.2 收放線機(jī)構(gòu)設(shè)計

收放線機(jī)構(gòu)的功能是完成導(dǎo)線的自動收放。安裝在安裝架上的伺服電機(jī)帶動同步輪轉(zhuǎn)動，通過同步帶帶動同步輪轉(zhuǎn)動，從而帶動軸承座上的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，繞線裝置（由集線輪、繞線套筒組成）也會隨轉(zhuǎn)軸進(jìn)行繞線與放線[3];用安裝在滑臺架上的滑臺座和排線器進(jìn)行移動排線，讓纜線排的更整齊。

2.1.3 繞線機(jī)構(gòu)設(shè)計

繞線稱重機(jī)構(gòu)的功能是記錄收放線的長度，并控制探頭的升降。導(dǎo)線從相鄰的兩個導(dǎo)線輪中間穿入，環(huán)繞測線輪一圈后從另一邊相鄰的導(dǎo)線輪穿出，同時安裝在編碼器安裝架上的編碼器記錄測線輪轉(zhuǎn)動的圈數(shù)，隨著測線輪轉(zhuǎn)動的圈數(shù)不斷增加[4]，壓力梁的受力也不斷增加，同時安裝在壓力安裝板上的稱重傳感器受到的壓力也不斷增大，當(dāng)測斜探頭觸碰到底端的瞬間，稱重傳感器受到的壓力會減少，當(dāng)終端收到稱重傳感器數(shù)值減少的信號時就會停止導(dǎo)線的下放。

2.1.4 換向機(jī)構(gòu)設(shè)計

換向機(jī)構(gòu)功能是使測斜探頭精準(zhǔn)無誤地旋轉(zhuǎn)180°，測量測孔的另一面數(shù)據(jù)。以換向架導(dǎo)向頭為整體的支撐，在這個架子上方安裝一個換向架安裝板，用一個回轉(zhuǎn)職稱內(nèi)圈（固定）來固定安裝板和換向架導(dǎo)向頭，且為回轉(zhuǎn)職稱外圈支撐起一定高度，方便旋轉(zhuǎn);外圈安裝在內(nèi)圈正上方，且與換向動架通過螺釘連接在一起，形成聯(lián)動;而換向動架又與換向定位塊通過螺釘連接在一起，形成聯(lián)動;在安裝板旁邊裝一個換向電機(jī)安裝架，上方再裝一個伺服電機(jī)和一個小齒輪，小齒輪緊靠著外圈，形成聯(lián)動[5]。當(dāng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動小齒輪時，小齒輪就會帶動外圈反方向旋轉(zhuǎn)，外圈就會帶動定位塊運動，而定位塊固定著一個探管，探管里面卡位處固定著測斜探頭，工作時定位塊轉(zhuǎn)動，帶動探管跟著轉(zhuǎn)動，探管內(nèi)的探頭同時跟著探管旋轉(zhuǎn)。

2.1.5 清洗模塊設(shè)計

清洗模塊包括轉(zhuǎn)向單元和清洗套。轉(zhuǎn)向單元包括套管組件，套管組件包括上下連通的外套管和設(shè)于外套管內(nèi)部的內(nèi)套管，外套管和內(nèi)套管均為圓柱形，且表面均開設(shè)有若干圓孔。當(dāng)處于非清洗狀態(tài)時，外套管的圓孔與內(nèi)套管的圓孔不連通，反之圓孔連通。轉(zhuǎn)向單元優(yōu)選為圓柱體，且轉(zhuǎn)向單元的上表面設(shè)有通孔和注水孔，注水孔與外套管的頂部連接;通孔位于轉(zhuǎn)向單元的中心，用于放置活塞，活塞是由磁鐵材料制成的;轉(zhuǎn)向單元的下表面還設(shè)有出水孔。

清洗套的內(nèi)部兩側(cè)縱向且相對設(shè)有入水槽和出水槽，入水槽和出水槽均設(shè)有若干流水孔[6]。另外，清洗套的內(nèi)部中間橫向且相對設(shè)有若干第一連接槽和若干第二連接槽，當(dāng)對測斜儀進(jìn)行清洗時，注水后，水流從入水槽流入，經(jīng)過流水孔、第一連接槽、第二連接槽，最后從出水槽排出。

2.2 技術(shù)核心關(guān)鍵

2.2.1 電氣控制系統(tǒng)

該設(shè)備以西門子S7-1200 PLC為控制核心，通過PLC的輸入口采集按鈕開關(guān)、壓力傳感器、編碼器的數(shù)據(jù)，用于三路高速脈沖輸出的方式控制繞線機(jī)構(gòu)、收放線機(jī)構(gòu)、換線機(jī)構(gòu)的運動，同時通過CM1241的485通信模塊與高精度測斜傳感器進(jìn)行通信讀取測斜傳感器的X和Y的偏移值，并通過以太網(wǎng)接口將數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)關(guān)模塊，網(wǎng)關(guān)模塊安裝了4G的SIM卡，用以將測斜傳感器的關(guān)鍵點數(shù)據(jù)發(fā)送至工業(yè)云端，也可利用無人機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動化采集;與此同時也可以通過手機(jī)App對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操控[7]。

2.2.2 工業(yè)云平臺

云平臺采用廣州藍(lán)谷科技有限公司的LG2000型云平臺系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于阿里云開發(fā)，在自動模式下用戶可云通過智能網(wǎng)關(guān)的繼電器輸出平臺定時喚醒設(shè)備，并發(fā)出測量啟動信號。

3 ?結(jié)語

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市化水平的不斷提高，人們對地下空間的開發(fā)利用也越來越多。在地下工程的施工過程中，由于基坑開挖過程中會破壞土層原有的狀態(tài)，可能導(dǎo)致土體移動，沉降等危害，從而導(dǎo)致周圍建筑物、道路、地下管線的破壞。要預(yù)防上述可能會出現(xiàn)的危險，就必須用到測斜儀這一基建施工過程中必不可少的重要儀器。相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計我國投資在基建的資金逐年穩(wěn)定增加，所以該產(chǎn)品未來發(fā)展會更加快速。

參考文獻(xiàn)

[1] 謝長嶺，湯繼新，方寶民.自動化測斜技術(shù)在基坑監(jiān)測中的應(yīng)用[J].城市住宅，2021，28（3）：251-252.

[2] 郭林云，徐泮林，馮鵬睿.測斜儀在基坑工程中的應(yīng)用研究[J].北京測繪，2020，34（10）：1451-1454.

[3] 石永強，李雨菲，車錄鋒.基于MEMS加速度計陣列的測斜儀設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2020，39（9）：66-68，72.

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[5] 齊侃侃，董昊.測斜儀溫度特性研究[J].電子世界，2020（4）：82-84.

[6] 詹文彬.智能鉆孔測斜儀設(shè)計[D].成都：西南交通大學(xué)，2009.

[7] 李俊明，孟憲超.自動化測斜儀在基坑監(jiān)測中的應(yīng)用[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2021（20）：125-126.

作者簡介：廖彥程（1997—），男，大專，研究方向為機(jī)電一體化。