Izvajanje nadzora z okoljem NI LabVIEW in platformo CompactRIO

Sistemi za nadzor zdravja zgradb na osnovi okolja LabVIEW in platforme CompactRIO nadzorujejo Pekinški nacionalni stadion, glavno prizorišče Olimpijskih iger 2008, glede stabilnosti, zanesljivosti in udobja.

Izvajanje nadzora zdravja zgradb (SHM) ugotavlja stabilnost, zanesljivost in udobje za več velikih zgradb na Kitajskem, vključno z novimi olimpijskimi prizorišči v Pekingu.

Uporaba grafičnega programskega okolja NI LabVIEW in strojne platforme NI CompactRIO za načrtovanje izredno točnega sistema SHM s časovno sinhronizacijo s sistemom GPS, ki omogoča nadzor kritičnih točk zgradb.

“Izvedli smo ugnezdeni sistem nadzora z doslej nedosegljivo kombinacijo točnosti, cene in prilagodljivosti, tako da smo ga zgradili na podlagi okolja LabVIEW ter platforme CompactRIO.”

Smrtne žrtve in materialna škoda zaradi katastrof, kot so potresi, orkani, požari ali bombne eksplozije, se običajno zgodijo zaradi poškodovanja ali zrušenja zgradb. Zaradi tega poskušajo načrtovalci po vsem svetu nenehno vrednotiti modele zgradb in prilagajati zasnove zgradb, da bi zmanjšali tragedije, ki nastanejo zaradi omenjenih dogodkov.

Leta 2004 je Kitajska administracija za potrese (CEA), vladno telo, ki upravlja priprave na potrese in ukrepa ob katastrofah v državi, izbrala sedem novih mega zgradb za preizkušanje tehnologije nadzora zdravja zgradb (SHM). Med te izredne zgradbe spadajo prizorišča Olimpijskih iger 2008 v Pekingu (vključno s Pekinškim nacionalnim stadionom in Pekinškim nacionalnim centrom za vodne športe), 104-nadstropni World Trade Center v Šanghaju, 66-nadstropni kompleks Park Hyatt Hotel v Pekingu, 240-metrski betonski ločni jez v Ertanu, 8.266-metrski viseči most v Šantuju ter od tal izolirani podatkovni center CEA v Pekingu.

Glavni cilj tega velikega gradbenega projekta je razvoj sodobnih rešitev za nadzor značilnosti zdravja zgradb, vključno s stabilnostjo, zanesljivostjo in udobjem, v realnem času s sodobno računalniško ter komunikacijsko tehnologijo in tipali.

CGM Engineering Inc., je podjetje iz Kalifornije, ZDA, in del programa National Instruments Alliance Partner, je zmagalo na mednarodnem natečaju za razvoj rešitve za ta projekt z demonstracijo na daljavo. Med to demonstracijo so uradniki na Kitajskem opazovali odjemalsko aplikacijo, ki deluje v realnem času in je zaznala tresljaje, ki so nastali zaradi padca sponke za papir na mizo. Po tem smo zasnovali devet 64-kanalnih in dva 36-kanalna ugnezdena sistema za nadzor, ki uporabljajo ugnezdene krmilnike CompactRIO ter omogočajo nadzor in konfiguracijo na daljavo preko omrežja ter so namenjeni za uporabo s strani CEA.

Izvedba neprekinjenega nadzora zdravja zgradb v realnem času

Naši sistemi temeljijo na okolju LabVIEW in platformi CompactRIO ter so zasnovani za zajemanje značilnih tresljajev zgradb, kar omogoča zaznavanje nenadnih sprememb v lastnosti zgradbe. Zaznani tresljaji lahko nastanejo zaradi različnih vrst vzbujanja, od naravnih geotehničnih valov do obiskovalcev dogodkov. Podobno kot kardiologi, ki diagnosticirajo bolezni človeškega srca z merjenjem utripa in krvnega tlaka, lahko načrtovalci zgradb ovrednotijo delovanje zgradbe s stalnim nadzorom naravne frekvence, razmerja dušenja in histereznega diagrama, ki jih pridobijo iz zgodovine pospeškov, ki jih merijo merilniki pospeška. Če se na primer bistveni sestavni deli visoke poslovne zgradbe, kot so stebri in nosilci, trajno deformirajo zaradi potresa, se bo verjetno zmanjšala naravna frekvenca zgradbe (odvisna je od togosti in mase zgradbe).

Sistem je imel dve bistveni zahtevi: neprekinjen nadzor zgradbe in nadzor v realnem času. Ker se večina katastrof zgodi nenadno in nepredvidljivo, je treba ukrepati na podlagi takojšnjih informacij o delovanju zgradbe med in takoj po škodljivih vplivih. Ker se zdravje zgradb sčasoma slabša, lahko načrtovalci s stalnim nadzorom in zajemanjem zgodnjih znakov slabšanja zdravja primerjajo glavne kazalnike zdravja s prej zajetimi vrednostmi.

Razvoj sistemov za nadzor zdravja zgradb v okolju LabVIEW na platformi CompactRIO

S platformo NI smo razvili dva različna prilagojena sistema, s katerimi smo zadovoljili zahteve, ki jih je CEA postavila za sisteme SHM. Devet 64-kanalnih in dva 32-kanalna sistema deluje v arhitekturi odjemalec-strežnik, vgrajeni pa so v robustnih ohišjih NEMA (s katerimi lahko sistemi delujejo v okoljih z visoko vlažnostjo in pri temperaturah od –40 do 70 °C) na kritičnih točkah šestih izbranih mest vgradnje po celotni Kitajski.

Vsako od devetih 64-kanalnih enot sestavljajo po trije sistemi CompactRIO, 32-kanalne naprave pa po dva. Vsaka naprava vključuje tudi več merilnikov pospeška za meritve tresljajev in sprejemnik GPS za sinhronizacijo v realnem času. Za sinhronizacijo med ohišji v realnem času uporabljamo paket LabVIEW FPGA Module in ure z uravnavanjem GPS, kar omogoča doseganje odstopanj pod ±10 µs. Na področjih, kjer signali GPS niso razpoložljivi, lahko načrtovalci sisteme sinhronizirajo z računalniško uro. Poleg tega uporabljamo paket LabVIEW Real-Time Module, s katerim izvajamo uporabniško nastavljivo filtriranje, ki izboljša točnost nizkofrekvenčnih meritev sistema in odpravlja neželeni šum.

Pridobljeni podatki so shranjeni v ugnezdenih računalnikih na tiskanem vezju (SBC) v vsakem sistemu. V sistemski programski arhitekturi uporabljamo mehanizem LabVIEW za souporabo spremenljivk, s katerim lahko zajete podatke iz ugnezdenega SBC hkrati in v realnem času uporablja ter analizira več uporabnikov. Sisteme lahko z uporabo enojne ali večdelne arhitekture konfiguriramo tudi tako, da prijavljene uporabnike obvesti o novih dogodkih.

Prednosti sistema, ki temelji na strojni in programski opremi družbe NI

CEA je našo rešitev na osnovi okolja LabVIEW med konkurenti izbrala iz več razlogov. Dva ključna dejavnika sta bila izredno točna sinhronizacija GPS v realnem času in možnost daljinskega dostopa do podatkov iz vsega sveta. Naš sistem poleg tega ponuja največjo gostoto kanalov za najmanjšo ceno. Ker smo sistem zasnovali na platformi CompactRIO in modularni V/I-strojni opremi NI C Series, lahko sestavimo poljubno število kanalov, do 128, za povprečno ceno približno 500 USD na kanal za 16-bitne sisteme in 800 USD za 24-bitne sisteme (brez tipal), večja števila kanalov pa je mogoče izvesti s sinhronizacijo GPS. Dodatna prednost našega sistema je preprosta priprava že sestavljene naprave z različnimi predpripravljenimi vrstami dodatne V/I-opreme, ki jo je mogoče hitro in zlahka prilagoditi spreminjanju sistemskih zahtev.

S programsko in strojno opremo National Instruments smo zasnovali, izdelali prototip ter začeli uporabljati sistem SHM z velikim številom kanalov in sinhronizacijo GPS v manj kot enem letu. Izvedli smo ugnezdeni sistem nadzora z doslej nedosegljivo kombinacijo točnosti, cene in prilagodljivosti, tako da smo ga zgradili na podlagi okolja LabVIEW ter platforme CompactRIO. S to kombinacijo smo lahko CEA ponudili sistem, ki je 10-krat točnejši od prvih ocen in ponuja najnižje stroške na sistem.

Prihodnost nadzora zdravja zgradb na Kitajskem

Svetovna banka predvideva, da bo leta 2015 polovica novih zgradb sveta zgrajena na Kitajskem. Ker je bila večina velikih zgradb v državah, kot so ZDA, zgrajenih pred razvojem izpopolnjenih nadzornih sistemov, se s tem pojavlja priložnost za nadzor zgradb in opravljanje razvoja, ki bo na koncu pomagal izboljšati varnost zgradb v prihodnosti ter zmanjšal število žrtev v primeru katastrof.

National Instruments Alliance Partner je pravna oseba, neodvisna od družbe National Instruments, in ki z družbo National Instrument ni skupno podjetje oziroma v agencijskem ali partnerskem odnosu.