Monitorowanie obiektów budowlanych na przykładzie Stadionu Olimpijskiego w Pekinie

Testowanie oraz monitorowanie stanu struktur budowlanych jest dużym wyzwaniem dla tradycyjnych urządzeń akwizycji danych. Firma National Instruments (NI) oferuje przenośne systemy testujące oraz systemy zainstalowane na stałe, które charakteryzują się wydajnością, niezawodnością i wszechstronnością, umożliwiając inżynierom szybkie wdrażanie nowych rozwiązań.

Monitorowanie długoterminowe oraz system przenośny

Zagadnienie monitorowania struktur budowlanych można podzielić na dwa główne typy: systemy monitorowania długoterminowego oraz systemy przenośne.

System monitoringu długoterminowego pobiera parametry charakteryzujące strukturę przez miesiące lub lata, zapewniając dostęp do bieżących informacji dotyczących stanu budowli. Ponieważ system działa w sposób ciągły i bez nadzoru, bardzo często w trudno dostępnych miejscach, konieczne jest, aby był on zoptymalizowany pod względem niezawodności oraz pozwalał na kontrolowanie w sposób zdalny.

Przenośny system testujący jest instalowany tymczasowo na budowli lub konkretnym elemencie, w celu uzyskania informacji o aktualnym stanie struktury lub jej fragmentu. Przykładem mogą być tensometry zamontowane na moście w celu dobowych pomiarów naprężenia lub też system do pomiaru amplitudy
i częstotliwości drgań. Ważnymi elementami systemów przenośnych jest szybka i łatwa konfiguracja oraz sterowanie z komputera przenośnego.

NI oferuje różne produkty, które mogą wspomagać oba typy aplikacji, ten artykuł skupia się jednak na urządzeniu NI CompactRIO, będącym platformą dla aplikacji działających przez długi okres czasu oraz na kartach akwizycji danych NI Wi-Fi DAQ (Data Acquisition) stanowiących doskonałe rozwiązanie dla przenośnych systemów testujących.

Tablica 1. przedstawia porównanie platform CompactRIO oraz Wi-Fi DAQ. Głównym przeznaczeniem systemów opartych na CompactRIO jest praca w trudnodostępnych miejscach, z reguły w systemach autonomicznych, niewymagających obecności operatora. Dzięki wbudowanemu portowi Ethernet i/lub dodatkowym interfejsom komunikacyjnym firm trzecich (np. komunikacja poprzez GSM), możliwe jest nawiązanie połączenia z urządzeniem i pobranie danych lub zmiana parametrów akwizycji sygnałów.

Urządzenie Wi-Fi DAQ wymaga nawiązania komunikacji z routerem i przesłanie danych pomiarowych bezpośrednio do komputera. Dzięki niewielkim wymiarom i masie, idealnie nadaje się do przeprowadzania pomiarów w terenie.

Czujniki wykorzystywane w pomiarach parametrów struktur

Pomiary wibracji oraz naprężeń są najczęściej mierzonymi wielkościami w aplikacjach monitoringu struktur. Naprężenia mierzy się głównie przyrządami, których rezystancja mierzona w układzie pełnego, pół- lub ćwierćmostka, zmienia się zależnie od naprężenia. Wibracje natomiast mierzyć można między innymi za pomocą akcelerometrów piezoelektrycznych z wbudowanym wzmacniaczem ładunku (IEPE). Aplikacje mierzące ruchy sejsmiczne wykorzystują akcelerometry bilansu sił.

	CompactRIO	Wi-Fi DAQ
Główne przeznaczenie	Długoterminowe, ciągłe monitorowanie stanu obiektu; Długoterminowe badania naprężeń/drgań; Monitoring zmęczeniowy.	Przenośne testy struktur; Diagnozy struktur; Pomiary obciążenia; Testy krótkoterminowe.
Tryby pracy	Niezależny (wbudowane przetwarzanie i logowanie danych).	Oparte o technologię PC (przesyłanie danych do komputera PC w czasie rzeczywistym).
Możliwości komunikacji	Ethernet (opcjonalnie interfejsy komunikacyjne firm trzecich).	Wi-Fi (802.11b/g) i Ethernet.
Wejścia/wyjścia	Moduły serii C (pomiary statyczne lub dynamiczne).	Moduły serii C (pomiary statyczne lub dynamiczne).

Inne typy czujników wykorzystywanych w systemach monitoringu struktur to czujniki przemieszczeń LVDT (ang. Linear Variable Differential Transformer), potencjometry do badania przemieszczeń, czujniki przechyleń i pęknięć, termopary, rezystancyjne detektory temperatury (RTD) oraz inne czujniki do pomiarów środowiskowych, takich jak wilgotność czy też prędkość i kierunek wiatru.

Moduły serii C firmy National Instruments są niewielkimi urządzeniami do przeprowadzania pomiarów poprzez bezpośrednie dołączanie przetworników wielkości fizycznych. Moduły zawierają wbudowane układy kondycjonowania sygnałów oraz przetworniki analogowo-cyfrowe (A/C), pozwalając na podłączenie czujników bezpośrednio do urządzenia, bez potrzeby korzystania z zewnętrznych układów kondycjonujących. Urządzenia serii C wykorzystywane są na wielu platformach pomiarowych, m.in. CompactRIO, CompactDAQ, Wi-Fi DAQ oraz USB DAQ. Dzięki modułom serii C możliwy jest pomiar sygnałów dynamicznych z czujników naprężeń i przyspieszeń z prędkością do 51 200 próbek na kanał przy wykorzystaniu niskoszumnego, 24-bitowego przetwornika A/C. Możliwe jest także podłączenie praktycznie dowolnego czujnika wykorzystywanego w testach strukturalnych i monitorujących, wliczając w to czujniki przesunięć, termopary, RTD i inne. Przykładowe moduły przedstawione zostały na rys. 2.

Karty akwizycji danych wykorzystywane do przenośnego testowania struktur obiektów

W celu przeprowadzania badań krótkoterminowych w aplikacjach struktur obiektów, takich jak pomiar obciążeń i diagnostyka, ważne jest skrócenie czasu konfiguracji systemu. Brak konieczności wykorzystania kabli między przyrządem a komputerem umożliwia redukcję kosztów i czasu, potrzebnych do stworzenia aplikacji.

NI Wi-Fi DAQ pozwala wykorzystać moduły serii C w systemie opartym na standardowej technologii bezprzewodową. Wi-Fi DAQ wykorzystują standard IEEE 802.11b/g do przesyłania danych pobranych z przetworników naprężeń, drgań oraz akustycznych. Wi-Fi DAQ umożliwiają także wykorzystanie standardowego portu ethernetowego (10/100 IEEE 802.3) oraz własnych anten. Urządzenie zasilane jest napięciem 9-30VDC. Rysunek 3. przedstawia urządzenie Wi-Fi DAQ wysyłające dane do komputera przenośnego bez użycia kabli.

Wytrzymałe systemy wbudowane służące do monitorowania długoterminowego

Długoterminowe monitorowanie jest kluczowym elementem analizy struktur mostów, budynków, stadionów oraz innych dużych budowli. Aplikacje monitorujące wymagają wytrzymałych, inteligentnych systemów akwizycji danych, które mogą zostać zainstalowane w trudnodostępnych miejscach bez ograniczenia elastyczności, funkcjonalności czy dokładności pomiarów.

CompactRIO jest zaawansowanym systemem pomiarowym i sterującym, zaprojektowanym z myślą o wysokowydajnych i niezawodnych aplikacjach. Dzięki otwartej architekturze, wytrzymałości, małym wymiarom i elastyczności, inżynierowie mogą z łatwością projektować i uruchamiać systemy monitorujące strukturę budowli. Przykładowe systemy Compact RIO (bez dołączonych czujników) przedstawiono na rys. 4. Urządzenie CompactRIO programowane jest z poziomu LabVIEW oraz pozwala na dołączenie szerokiej gamy urządzeń pomiarowych serii C.

Systemy ciągłego monitorowania wymagają niezawodnego systemu, który może przez długi okres czasu pracować bez nadzoru. Wymaganie to może zostać spełnione dzięki wykorzystaniu systemu operacyjnego czasu rzeczywistego, pod kontrolą którego pracuje aplikacja pobierająca dane, zapisująca je na dysku i co zadany czas przesyłająca je do użytkownika. Możliwość pracy bez nadzoru pozwala na uniknięcie problemów spowodowanych przerwami w pracy sieci czy też komputera PC.

CompactRIO składa się z procesora, systemu operacyjnego czasu rzeczywistego oraz sprzętu, który umożliwia zapis danych, np. nieulotna pamięć flash (do 2GB), karty pamięci SD oraz pamięci USB. System programowany jest w graficznym języku programowania LabVIEW, dzięki czemu możliwa jest konfiguracja systemu do specyficznych zadań akwizycji danych, obróbki sygnałów w czasie rzeczywistym i komunikacji , wymaganych przez aplikacje monitoringu strukturalnego.

Wiele systemów akwizycji danych zostało stworzonych z myślą o środowiskach laboratoryjnych, a nie lokalizacjach takich jak mosty czy tamy. Wykorzystanie sprzętu laboratoryjnego w terenie często wymaga drogich i nieporęcznych obudów. Wytrzymały system CompactRIO pozwala na pracę w miejscach o znaczącym poziomie drgań (np. mosty) oraz w różnej temperaturze (-40 do 70 st. C).

Przykłady zastosowania przyrządów pomiarowych serii C

Jednym z systemów opartych na rozwiązaniach National Instruments jest aplikacja służąca do analizy drgań stadionu olimpijskiego w Pekinie (rys 1.). Celem projektu jest monitorowanie stanu budynku, co pomaga zwiększyć bezpieczeństwo i trwałość konstrukcji. Przykładowy system składa się z 3 obudów CompactRIO i pozwala na akwizycję danych z 64 kanałów, do których podpięto między innymi akcelerometry do pomiaru przyspieszeń. Wszystkie karty akwizycji danych zostały zsynchronizowane przy wykorzystaniu sygnału z GPS, zapewniając synchronizację między kontrolerami rzędu +/-10μs. Biorąc pod uwagę fakt, że nie wszystkie urządzenia znajdują się w miejscach, do których dociera sygnał GPS, urządzenia wyposażono w podsystem umożliwiający synchronizację z zewnętrznych komputerów [1].

Dzięki czujnikom przyspieszenia zamontowanym na konstrukcji, możliwe stało się monitorowanie drgań pochodzących zarówno z naturalnych (trzęsienia ziemi), jak i sztucznych źródeł (widownia). Sygnały zapisywane są na dysku, a dzięki zmiennym sieciowym i serwerowi WWW zostają upowszechnione w Internecie. Co więcej, system pozwala na wysłanie e-maila w przypadku wystąpienia określonego zdarzenia [1].

Środowisko projektowania aplikacji

Oprogramowanie jest kluczowym komponentem systemu monitoringu. Niezależnie od tego czy aplikacją końcową będzie przenośne urządzenie pomiarowe, czy też system monitoringu długoterminowego, należy zastanowić się, jakie są wymagania, jeśli chodzi o akwizycję i logowanie danych, przetwarzanie i sterowanie w czasie rzeczywistym, komunikację, prezentację i raportowanie oraz zarządzanie pobranymi danymi.

LabVIEW jest graficznym językiem programowania szeroko wykorzystywanym w aplikacjach przemysłowych. Jego zastosowanie pozwala skrócić czas potrzebny do tworzenia systemu dzięki przedstawieniu funkcjonalności aplikacji (kodu) w sposób graficzny. W porównaniu z tekstowymi językami programowania, graficzne podejście wykorzystane w LabVIEW oferuje zwiększoną wydajność dzięki równoległemu przetwarzaniu danych. Rys. 5. przedstawia panel czołowy aplikacji napisanej w LabVIEW, która wyświetla przebiegi sygnałów wraz z synchronizowanymi obrazami.

Aplikacja monitorująca stadion w Pekinie została napisana w środowisku LabVIEW z wykorzystaniem modułów LabVIEW Real-Time Module oraz LabVIEW FPGA Module. Dzięki takiej konfiguracji oprogramowania, możliwe stało się stworzenie systemu pracującego w sposób deterministyczny, zapewniając wykonywanie pomiarów oraz analiz w ściśle określonych chwilach czasowych [1]. Część operacji arytmetycznych może zostać przeprowadzona bezpośrednio w układzie programowalnym FPGA, bez wykorzystania systemu operacyjnego. Zastosowanie układów programowalnych umożliwia zmniejszenie wymagań co do mocy obliczeniowej procesora głównego, co z kolei pozwala znacznie obniżyć koszt sprzętu oraz zredukować zużycie energii.

Warto wspomnieć, że oprogramowanie dla każdej użytej platformy, począwszy od tradycyjnych systemów operacyjnych, poprzez systemy czasu rzeczywistego, aż do układów programowalnych FPGA, tworzone jest w języku programowania LabVIEW.

Zaawansowana analiza oraz przetwarzanie sygnałów

Oprogramowanie NI zawiera setki funkcji do przetwarzania i analizy sygnałów, które mogą okazać się niezbędne w aplikacjach monitoringu. Niektóre z funkcji do analizy danych w aplikacjach monitoringu sejsmicznego oraz strukturalnego to:

• szybka transformata Fouriera (FFT), widmo mocy, zoom FFT, odpowiedź częstotliwościowa,
• uśrednianie, filtracja, funkcje okna,
• analiza oktawowa,
• analiza rainflow,
• detekcja wierzchołków i wartości średniokwadratowej.

Przykładowa aplikacja analizująca sygnały przedstawiona została na rys. 6.

Podsumowanie

Nowoczesne technologie pomiarowe pozwalają inżynierom i architektom zapobiegać wielu potencjalnym problemom. Pomiary temperatury, przyspieszenia czy naprężeń pozwalają przewidzieć, które elementy konstrukcji mogą wymagać renowacji. Co więcej, w przypadku budowli znajdujących się na obszarach czynnych sejsmicznie, możliwa jest analiza wpływu fali sejsmicznych na stan budowli, co pozwala na zmianę sposobu spojrzenia na proces projektowania. Dzięki LabVIEW oraz modułom do akwizycji danych, inżynierowie mogą jeszcze szybciej rozpocząć pomiary, koncentrując się nie na projektowaniu systemu, ale na badaniach oraz analizie.

The mark LabWindows is used under a license from Microsoft Corporation. Windows is a registered trademark of Microsoft Corporation in the United States and other countries.

Literatura cytowana:

[1] Chris McDonald „CGM Engineering, Inc. , Performing Structural Health Monitoring of the 2008 Olympic Venues Using NI LabVIEW and CompactRIO”; sine.ni.com/cs/app/doc/p/id/cs-11279

[2] „Overview of Structural Health Monitoring Solutions”; zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/8426

Artykuł został napisany na podstawie referatu wygłoszonego podczas IX Sympozjum "Bezprzewodowy monitoring obiektów budowlanych" nt. kompleksowego zarządzania jakością w budownictwie w ITB w dniu 28 kwietnia 2009.