本发明属于自动化探测
技术领域：
，更具体地，涉及一种基于plc的瞬变电磁仪自动控制系统及控制方法。
背景技术：
：当下高速铁路建设规模不断扩大，由于地质条件、施工技术等各方面的原因，高速铁路隧道在运营阶段容易出现各种各样的病害问题，影响列车运营安全，对国家及人民生命财产安全造成严重威胁。加之高铁隧道具有空间封闭、列车通行密度高、载流量大等特点，用于维修养护及病害检测的“天窗”时间很短，并且依照传统人工检测的办法不仅效率低、危险性高，而且很大程度上取决于人员的经验水平，因此提高高速铁路隧道病害检测的效率及精准性是亟待解决的问题。瞬变电磁法是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间利用线圈或接地电极观测地下介质中引起的二次感应涡流场，从而探测介质电阻率的一种方法。根据瞬变电磁法对低阻体反应敏感的特点，近几年将其用于煤矿井下水文勘查；瞬变电磁法是一种极具发展前景的方法，可查明含水地质如岩溶洞穴与通道、煤矿采空区、深部不规则水体等；无论是在国内亦或是国外，瞬变电磁法主要的应用领域仍是在地面布置以探测地下异常体(如煤矿、地下金属等)的位置方面，将其应用于隧道病害的鉴定与维修养护领域的资料较少，仍处于探索阶段。瞬变电磁法可有效提升隧道衬砌后方溶洞、空洞、溶槽等病害的检测效率和精准度，将其应用于高铁隧道，替代传统的人工检测方法是对当下高铁隧道病害严重问题的良好解决方案，但要实现这个目的，还需克服一项技术难题，即实现瞬变电磁探测系统的自动化；如今使用可编程控制器(plc)进行工业自动化控制的技术已经日趋成熟，本发明提出一种基于plc控制的瞬变电磁仪自动控制系统，有效地解决了上述自动化检测的问题，在未来自动化、电气化隧道检测的大潮中，有着广泛的应用前景。技术实现要素：针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于plc的瞬变电磁仪自动控制系统及控制方法，该控制系统采用瞬变电磁仪对隧道衬砌病害进行探测，并利用plc可编程控制器对瞬变电磁仪进行电气化控制，实现了瞬变电磁仪自动化检测控制。为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于plc的瞬变电磁仪自动控制系统，包括上位机、plc控制模块和距离传感器；其中，所述上位机和距离传感器均与plc控制模块建立通讯连接；所述plc控制模块与瞬变电磁仪相互通信；所述上位机用于管理和协调自动控制系统的运行；所述距离传感器用于通过向垂直隧道侧壁方向发出能量波束以测量其与隧道侧壁的垂直距离，并根据所述垂直距离判断瞬变电磁仪进入或离开隧道瞬间；并用于在瞬变电磁仪进入隧道瞬间发出启动指令，在瞬变电磁仪离开隧道瞬间发出停止指令；所述plc控制模块用于接收所述启动指令后向瞬变电磁仪发出执行指令，控制瞬变电磁仪在进入隧道的瞬间启动，并根据上位机的控制指令控制瞬变电磁仪执行具体探测工作；并用于根据所述距离传感器发出的停止指令控制瞬变电磁仪在离开隧道的瞬间停止工作；所述瞬变电磁仪执行探测工作，用于发射脉冲电流以激发瞬变磁场，并用于接收待测介质的感应电动势，将探测数据反馈给所述上位机。优选的，上述基于plc的瞬变电磁仪自动控制系统，所述距离传感器在进入隧道瞬间产生高电平信号，所述高电平信号作为启动指令传输至plc控制模块；所述距离传感器产生的电平信号在离开隧道瞬间恢复为低电平信号，所述低电平信号作为停止指令传输至plc控制模块；其下降沿产生的一定周期宽度的脉冲信号作为判断瞬变电磁仪离开隧道的依据。优选的，上述基于plc的瞬变电磁仪自动控制系统，所述plc控制模块包括开关电源、cpu单元、输入单元、输出单元和外设接口；所述开关电源、输入单元、输出单元和外设接口均与cpu单元相连；plc控制模块通过所述外设接口与上位机和距离传感器建立通讯连接；plc控制模块发出的启动和停止指令通过所述输出单元传输至瞬变电磁仪；所述cpu单元包括微处理器和存储器，所述存储器中存储有可在所述微处理器上运行的用户程序；所述用户程序用于采集距离传感器发出的启动指令，并根据所述启动指令控制plc控制模块的输出线圈输出高电平信号，所述高电平信号作为执行指令控制瞬变电磁仪启动；并用于采集距离传感器发出的停止指令，并根据所述停止指令控制plc控制模块的输出线圈输出低电平信号，所述低电平信号控制瞬变电磁仪停止工作。优选的，上述基于plc的瞬变电磁仪自动控制系统，瞬变电磁仪的工作参数设置、校零、收发射瞬变磁场操作均通过所述用户程序向plc控制模块反馈并由plc控制模块驱动。优选的，上述基于plc的瞬变电磁仪自动控制系统，所述plc控制模块还包括i/o扩展接口，i/o扩展单元通过所述i/o扩展接口与plc控制模块相连，以增加plc控制模块的输入输出通道数；所述存储器采用可电擦除可编程的存储器，包括系统程序存储器和用户程序存储器，所述用户程序为采用梯形图开发语言形成的plc梯形图程序；外部编程计算机通过所述外设接口与plc控制模块建立通讯连接，以对存储器内存储的系统程序或用户程序进行更新。优选的，上述基于plc的瞬变电磁仪自动控制系统，还包括终端pc机，所述终端pc机通过编程电缆与上位机建立通讯连接，瞬变电磁仪采集的探测数据通过上位机反馈给终端pc机作为反演分析的依据。按照本发明的另一个方面，提供了一种基于上述自动控制系统的控制方法，包括以下步骤：s1：距离传感器向垂直隧道侧壁的方向发出能量波束以测量其与隧道侧壁的垂直距离，并根据所述垂直距离判断是否进入隧道；若否，距离传感器继续执行测距操作；若是，距离传感器向plc控制模块发出启动指令，plc控制模块接收启动指令后向瞬变电磁仪发出执行指令；s2：瞬变电磁仪启动，对隧道区间内部进行探测，并将接收的探测数据反馈至上位机；s3：距离传感器测距，并判断是否离开隧道，若否，重复步骤s2；若是，距离传感器向plc控制模块发出停止指令，plc控制模块控制瞬变电磁仪停止工作。优选的，上述控制方法，当距离传感器和瞬变电磁仪进入隧道瞬间，距离传感器产生高电平信号，所述高电平信号作为启动指令发送至plc控制模块，控制plc控制模块的电路通电，plc控制模块的输出线圈输出高电平信号，所述高电平信号作为执行指令控制瞬变电磁仪启动；当距离传感器和瞬变电磁仪离开隧道，距离传感器的高电平信号恢复为低电平，所述低电平信号作为停止指令控制plc控制模块的电路失电，plc控制模块的输出线圈恢复至低电平，控制瞬变电磁仪停止工作。优选的，上述控制方法，离开隧道瞬间，距离传感器的下降沿产生一定周期宽度的脉冲信号，所述脉冲信号作为判断瞬变电磁仪离开隧道的依据。优选的，上述控制方法，所述步骤s2中还包括以下子步骤：s21：设置瞬变电磁仪的工作参数并校零，发射机产生发射电流并测试电流大小，接收机采集隧道介质的感应电动势；s22：判断接收的探测数据是否符合预期，若是，将其传输至上位机；若否，更改工作参数，执行步骤s21。优选的，上述控制方法，步骤s1之前还包括以下步骤：s01：测试plc控制模块是否存在故障，若是，plc停止并报警；若否，plc控制模块执行初始化；s02：测试瞬变电磁仪是否存在故障，若是，瞬变电磁仪停机并报警；若否，进入步骤s1。优选的，上述控制方法，还包括以下步骤：通过上位机将探测数据传输至终端pc机并保存，通过后期反演得到隧道区间的病害情况。优选的，上述控制方法，还包括plc控制模块的自锁，利用plc控制模块电路中的常开触点使输出线圈保持通电状态，当电路中的常闭触点断开时才能使输出线圈失电，起保护电路的作用。总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：(1)本发明提供的一种基于plc的瞬变电磁仪自动控制系统及控制方法，采用瞬变电磁仪对隧道进行检测，瞬变电磁仪对探测介质变化有天然敏感度，对衬砌背后的溶洞、渗漏水、空洞、矿脉等有天然探测优势；相比传统的依赖人员经验水平的人工检测，有效提高了隧道衬砌病害的检测速度和精度，避免人力操作带来的迟缓和不安全因素，节省了大量的人力检修时间；(2)本发明提供的一种基于plc的瞬变电磁仪自动控制系统及控制方法，将距离传感器的测距功能和plc可编程控制器的自动化控制功能相结合，利用距离传感器的测距功能自动判断瞬变电磁仪进入或离开隧道的瞬间，并在进入隧道瞬间向plc可编程控制器发送启动指令，触发plc可编程控制器控制瞬变电磁仪启动并执行探测工作；在离开隧道瞬间向plc可编程控制器发送停止指令，触发plc可编程控制器控制瞬变电磁仪停止工作，从而实现了对瞬变电磁仪探测工作的自动化控制；距离传感器具有高精度和稳定性，测试人员无需进入隧道，通过上位机即可完成整个探测工作，且提高了检测速度和精度；总之，相比传统的人工检测，本发明的自动控制系统在高铁隧道病害检测的过程中可以满足自动化、高精度的要求，避免人力操作带来的迟缓和不安全因素，在未来自动化、电气化隧道检测的大潮中，有着广泛的应用前景。附图说明图1为本发明提供的基于plc的瞬变电磁仪自动控制系统的结构示意图；图2为本发明提供的plc控制模块的功能框图；图3为本发明提供的基于plc的瞬变电磁仪自动控制系统的控制方法流程图；图4为本发明提供的plc控制模块控制瞬变电磁仪的工作流程图；图5为本发明提供的距离传感器下降沿信号的采集程序；图6为本发明提供的控制电机起停的程序段；图7为本发明提供的plc控制模块的主程序stl。具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。如图1所示，本发明所提供的一种基于plc的瞬变电磁仪自动控制系统，包括上位机、plc控制模块、距离传感器、瞬变电磁仪和终端pc机；其中，上位机、距离传感器和瞬变电磁仪均与plc控制模块相连，终端pc机和上位机相连，上位机通过usb/ppi编程电缆实现plc控制模块与终端pc机之间的通信。上位机作为控制系统的大脑，使用人机界面管理和协调控制系统的运行，必要时可进行人工控制，负责发送控制指令以及接收状态数据，监控系统的运行状态，建立终端pc机与plc控制模块的通信。距离传感器用于距离测量以判断瞬变电磁仪进入或离开隧道瞬间；并用于在瞬变电磁仪进入隧道瞬间发出启动指令，在瞬变电磁仪离开隧道瞬间发出停止指令。距离传感器通过向垂直于隧道侧壁的方向发出能量波束并接收返回的波信号来判断隧道壁与自身的距离，这个特定的能量波束可以是电磁波(雷达)，超声波，光线等；若距离显示为无穷大，即未接收到回波信号，说明此时系统尚未驶入隧道；若距离显示为一定值，即接收到了隧道壁反弹的回波信号，说明系统驶入隧道，此时即向plc控制模块发出启动指令。plc控制模块根据接收的启动指令控制瞬变电磁仪在进入隧道的瞬间启动，并根据上位机发出的控制指令控制瞬变电磁仪执行具体探测工作；并用于根据接收的停止指令控制瞬变电磁仪在离开隧道的瞬间停止工作。瞬变电磁仪系统是探测工作的具体执行者，包括发射机和接收机，通过发射机发射脉冲电流以激发瞬变磁场，接收机用于接收隧道衬砌的感应电动势，并将相关数据通过上位机反馈给终端pc机作为后期反演的依据进行保存。图2为本发明提供的plc控制模块的功能框图；如图2所示，plc控制模块包括开关电源、cpu单元、输入单元、输出单元、外设接口和i/o扩展接口；开关电源、输入单元、输出单元、外设接口和i/o扩展接口均与cpu单元相连；cpu单元包括微处理器和存储器，存储器采用可电擦除可编程的存储器(eeprom)，包括系统程序存储器和用户程序存储器，用户程序为采用梯形图开发语言形成的plc梯形图程序。瞬变电磁仪的工作参数设置、校零、收发射瞬变磁场等操作通过plc梯形图程序向plc控制模块反馈并由其驱动。plc控制模块的工作电源为ac220v或者dc24v，plc控制模块内置的开关电源能够为各模块提供不同电压等级的直流电。输入单元用于接收、采集硬件设备传递的数据信号，与输入单元相连的硬件配置有按钮、选择开关、限位开关和电源等；输入单元包括开关量输入模块和模拟量输入模块，开关量输入模块接收来自按钮、各类开关、继电器等传递的开关量输入信号；而模拟量输入模块则用于接收电机、变送器等连续的模拟量电压、电流信号；输出单元用于传输plc控制模块发出的控制信号，瞬变电磁仪是通过输出单元与plc控制模块相连；与输出单元相连的硬件配置有接触器、电磁阀、指示灯和电源。外设接口用于连接上位机和距离传感器，外部编程计算机也通过外设接口与plc控制模块建立通讯连接，以对存储器内存储的系统程序或用户程序进行更新；plc控制模块内还设有i/o扩展接口，i/o扩展单元通过i/o扩展接口与plc控制模块相连，以增加plc控制模块的输入输出通道数。由于cpu单元的内部电压小于输入/输出电路的工作电压，外部的尖峰电压及干扰噪声可能会损坏cpu模块中的电器元件。因此在输入输出单元中，还使用光耦合器、光敏晶闸管、小型继电器等器件来隔离plc内外部电路；在传递信号的同时，还起到了电路保护、电平转换以及隔离的效果。图3是本发明提供的基于plc的瞬变电磁仪自动控制系统的控制方法流程图，具体包括以下步骤：s1：测试plc控制模块是否存在故障；若是，plc控制模块停止运行并报警；若否，进入下一步；s2：用户程序初始化；s3：测试瞬变电磁仪是否存在故障；若是，瞬变电磁仪停机并报警；若否，进入下一步；s4：plc控制模块判断瞬变电磁仪的工作模式，若为手动操作模式，则执行手动操作；若为自动控制模式，则进入下一步；s5：距离传感器向垂直隧道侧壁方向发出能量波束以测量其与隧道侧壁的垂直距离，并根据距离判断是否进入隧道；若否，距离传感器继续执行测距操作；若是，距离传感器向plc控制模块发出启动指令；s6：plc控制模块接收启动指令后向瞬变电磁仪发出执行指令，控制发射机对发射线圈施加激发电流，产生一个瞬变的电磁场，在隧道区间内利用瞬变电磁法进行衬砌背后空洞的探测，并将接收机接收的探测数据通过上位机反馈至终端pc机进行保存；s7：距离传感器测距，并判断是否离开隧道，若否，重复步骤s6；若是，距离传感器向plc控制模块发出停止指令，plc控制模块控制瞬变电磁仪停止工作并处于待机状态，至此一个检测周期完成。s8：用户判断探测是否结束，若是，结束处理；若否，重复步骤s5至s7。图4为本发明提供的plc控制模块控制瞬变电磁仪的工作流程图；实际应用中，将距离传感器和瞬变电磁仪架设在检测小车上，启动瞬变电磁仪，可通过plc控制模块设置瞬变电磁仪的工作参数，包括同步方式和激发电流的重复频率，参数设置完成后进行校零；待发射机tx及接收机rx预热完成后启动检测小车，检测小车负载距离传感器和瞬变电磁仪驶向隧道，距离传感器开始测距，当进入隧道后，由plc控制模块控制发射机对发射线圈施加激发电流，产生一个瞬变的电磁场，通过接收机采集隧道介质的感应电动势，用户根据经验或已有资料判断探测结构数据是否准确，若是，将探测数据通过上位机传输至终端pc机作为后期反演的依据进行保存；若否，则修改瞬变电磁仪的工作参数，再次进行测试。表1是plc控制模块中i/o地址分配表，其中，i0.0为plc控制模块电路中的常开触点，为plc控制模块的启动按钮，；i0.1为plc控制模块电路中的常闭触点，为plc控制模块的停止按钮；i0.2为距离传感器的常开触点，i0.3为过载；m0.0为距离传感器下降沿中间变量，m1.0为plc控制模块停止中间变量，q0.0为电机输出线圈，控制plc控制模块的启动与停止。符号地址备注x001i0.0常开触点，启动按钮x002i0.1常闭触点，停止按钮x003i0.2常开触点，距离传感器x004i0.3过载x005m0.0传感器下降沿采集中间变量x006m1.0系统停止中间变量y001q0.0输出线圈，控制系统的启动和停止图5为本发明提供的距离传感器下降沿信号的采集程序；未进入隧道前，距离传感器i0.2处于低电平状态时，下降沿采集中间变量m0.0无电流；进入隧道后，距离传感器i0.2被激发处于高电平状态时，下降沿采集中间变量m0.0无电流；当距离传感器i0.2由高电平变为低电平时，距离传感器i0.2的下降沿|n|产生一个周期宽度的脉冲信号，下降沿|n|采集中间变量m0.0产生电流，此脉冲信号作为判定检测小车离开隧道瞬间的依据。图6为本发明提供的控制电机启动与停止的程序段；图7为本发明提供的主程序stl；当检测小车进入隧道空间，距离传感器i0.2产生高电平信号“1”，控制plc控制模块电路通电，电机输出线圈q0.0输出高电平信号，控制瞬变电磁仪启动；当检测小车离开隧道，距离传感器i0.2电平信号恢复为低电平信号“0”，距离传感器下降沿采集中间变量m0.0控制电路失电，电机输出线圈q0.0恢复至低电平，控制瞬变电磁仪停止工作。若选择瞬变电磁仪的工作模式为手动操作模式，即通过上位机进行人工控制时，按下plc控制模块的启动按钮，常开触点i0.0闭合，电机输出线圈q0.0通电，输出高电平信号，控制瞬变电磁仪启动；按下plc控制模块的停止按钮，常闭触点i0.1断开，线圈q0.0失电，恢复至低电平，控制瞬变电磁仪停止工作。程序中还引入了plc的“自锁”功能，即利用电机输出线圈q0.0自身的常开触点使线圈保持通电状态，仅当常闭触点i0.1断开时才能使q0.0失电，起到了保护电路的作用。m1.0为控制系统停止中间变量，当系统中存在程序或设备的故障时，系统将停止启动并发出错误警告；如果探测过程中发生错误(如程序错误、设备故障、发射机tx与接收机rx晶振同步失败、内存故障、电量不足等)，致使探测过程无法正常进行时，将在上位机界面提示错误并发出警报，待人员维修完成排除错误后，重新进行探测。相比于现有的人工检测，本发明提供的一种基于plc的瞬变电磁仪自动控制系统及控制方法利用plc可编程控制器和距离传感器对瞬变电磁仪进行电气化控制，有效提高了隧道衬砌病害的自动化检测速度和精度，在高铁隧道病害检测的过程中可以满足自动化、高精度的要求，避免人力操作带来的迟缓和不安全因素，节省了大量的人力检修时间，降低了人工检测成本，具有较高的社会、经济、技术效益。本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12