Система мониторинга напряженно-деформированного состояния строительных конструкций для обогатительных фабрик

АК «АЛРОСА» на сегодняшний день является крупнейшей производственной организацией республики, где сконцентрирован большой объем строительных объектов. Основными производственными объектами АК «АЛРОСА» являются обогатительные фабрики. Безопасная эксплуатация обогатительных фабрик и сопутствующих зданий и сооружений является основой успешной деятельности компании.

Проблема обеспечения безопасности эксплуатируемых объектов с каждым годом становится все более актуальной. Это связанно, с увеличением сроков эксплуатации объектов, а также с низким качеством выполнения строительно-монтажных работ и агрессивными условиями эксплуатации зданий.

Обогатительные фабрики относятся к опасным производственным объектам и согласно РД 22-01.97 «Требования к проведению оценки безопасности эксплуатации производственных зданий и сооружений поднадзорных промышленных производств и объектов» должны не реже чем раз в 5 лет проходить экспертизу промышленной безопасности. А согласно ГОСТ Р 53778-2010 «Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния» также устанавливается постоянный режим мониторинга т.к. по результатам ранее проведенных обследований подавляющая часть несущих конструкций находится в ограниченно работоспособном состоянии.

Система мониторинга должна отвечать предъявляемым требованиям, это:

- непрерывный контроль за деформациями конструкций;

- контроль крена конструкций;

- работа в условиях агрессивной среды;

- работа в условиях низких температур;

- возможность подключения дополнительного оборудования;

- возможность анализа НДС конструкций и сравнение с пороговыми значениями;

- наличие системы сигнализации (оповещения) при достижении пороговых значений;

- хранение и передача полученных данных;

- работа системы мониторинга в ручном режиме;

- выдача хранимой информации внешним потребителям.

По результатам анализа существующих систем, рассмотрим организацию мониторинга технического состояния строительных конструкций обогатительных фабрик на основе системы мониторинга фирмы ЗАО «Мониторинг центр».

Базовым датчиком, используемым в системе мониторинга, является амплитудный волоконно-оптический датчик деформаций, который наилучшим образом подходят для работы в агрессивных условиях обогатительных фабрик, а также в условиях крайнего севера (работают при температуре до -60°С). Немаловажным является и тот факт, что максимальное удаление датчика от станции составляет 1000 метров без ухудшения передаваемого сигнала, что является недостижимым результатом для датчиков другого типа. Датчик имеет несколько вариантов исполнения, позволяющих заливать его в железобетонную конструкцию или крепить на поверхности строительных элементов. Установка датчиков в максимально вероятных точках потенциального источника деструкции (большие нагрузки, моменты) регламентируется на стадии проекта. Электронный блок обработки сигналов получает постоянную информацию о состоянии конструкции во внутренних и внешних точках контроля.

Сопоставление этой информации с проектными данными в постоянном режиме позволяет делать выводы о состоянии конструкции. При этом анализ производится путем численного моделирования состояния сооружения с реально измеренными данными, которые закладываются в расчет. Полученный результат позволяет понять, как деформировалось здание в целом. Важно отметить, что информация получается только по локальным деформациям, а выводы можно сделать по изменению здания в целом. Дополнительно в системе присутствует волоконно-оптический датчик температуры, миниатюрность чувствительного элемента которого позволяет монтировать его в самых труднодоступных местах, в том числе, опять же внутри железобетонных конструкций.

Общая схема функционирования отдельного комплекса измерений следующая (рис. 1):

1. Электронный блок (ИСВОД) формирует световой импульс, посылаемый в каждый датчик для опроса.

2. В первичном преобразователе каждого датчика вносится возмущение в посланный сигнал в соответствии с регистрируемым параметром.

3. Обратный импульс регистрируется фотоприемником электронного блока и преобразуется в электрический сигнал.

4. Электрический сигнал, в соответствии с алгоритмом преобразования, сопоставляется с величиной изменения регистрируемого параметра.

5. Полученное значение фиксируется в электронном и бумажном носителе.

6. Регулярные регистрации сигналов в виде величин соответствующих физических параметров подвергаются первичной обработке в измерительном формате.

7. Данные обработки формируются в Рабочий отчет.

8. На основании Рабочих отчетов формируется Отчет о напряженно-деформируемом состояния конструкции.

Функционирование автоматической системы оповещения, состоящей из аппаратной и программной частей, заключается в обеспечении оперативного представления информации о состоянии системы мониторинга деформаций контролируемых элементов строительной конструкции, ее хранении и архивировании, а также управления настройками режима функционирования оборудования.

Рис. 1. Упрощённая схема соединения основных элементов системы мониторинга НДС, где СВОДД – датчик деформаций, ДК – датчик крена, КИД-С - комплекс измерений деформаций, КИН - комплекс

измерений наклона, АРМ – автоматизированное рабочее место.

Общие принципы расстановки измерительных узлов в системе мониторинга, базирующейся на датчиках ЗАО «Мониторинг-Центр», определяются следующими условиями:

- Зоны, подконтрольные конкретным датчикам, должны покрывать максимально возможный объем или площадь контролируемого сооружения.

- Количество и места установки датчиков должны быть достаточными для того, чтобы, аппроксимируя измеренные параметры, была возможность получить восстановленную картину полей распределения контролируемого параметра.

- Расстановка датчиков должна быть оптимизирована таким образом, чтобы данные одного типа датчиков можно было сопоставить с данными другого типа датчиков с последующими выводами о степени корреляции различных параметров.

- Количество датчиков должно быть минимизировано с точки зрения затрат на создание системы мониторинга.

- Конфигурация сети датчиков должна обеспечивать, помимо локального контроля параметра здания или сооружения в зоне измерительного узла, возможность оценивать глобальные характеристики сооружения, в частности, корреляцию взаимодействия подземной и надземной частей здания или сооружения.

Исходя из вышеперечисленных условий, определяют расположение измерительных узлов на следующих конструкциях:

- главные балки рабочих площадок (СВОД)

- подкрановые балки (СВОД)

- колонны под подкрановыми балками (ДК)

Датчики системы мониторинга можно установить только на те площадки, где главные балки (ГБ) имеют напряжения более 60% от расчетного сопротивления стали, а второстепенные балки (ВБ) имеют напряжения более 80% от расчетного сопротивления стали. Также датчики системы мониторинга рекомендуется установить под оборудованием на главных и второстепенных балках.

Регистрация показаний в системе мониторинга строительных конструкций происходит в три основных этапа:

1. Волоконно-оптический датчик, прикрепленный к конструкции, реагирует на изменение напряженно-деформируемого состояния.

2. Измеритель сигнала волоконно-оптического датчика преобразует аналоговый сигнал в электрический и передает его на рабочую станцию (компьютер).

3. Установленная на рабочей станции программа (Волоконно-Оптическая Система Технического Обследования Конструкций далее ВОСТОК) расшифровывает электрический сигнал и выводит информацию об изменении напряженно-деформируемого состоянии конструкции в виде относительных деформаций или фактических напряжениях конструкции. Опрос датчиков происходит в автоматическом режиме и с заданным интервалом времени от одного раза в две секунды, до одного раза в месяц.

Теперь более подробно на рисунке 2 представлена структурная схема подключения датчиков деформации (ИСВОД) и датчиков наклона. Данная схема наиболее удобный вариант для компоновки системы мониторинга: сгруппируем выводы от датчиков деформации в группы, кабели каждой группы (это примерно от 12 до 16 датчиков) заводятся в один кроссовый шкаф. Шкафы разносятся по площадкам фабрик, к ним поступает электропитание и сигнал от датчиков по волоконно-оптическому кабелю к ИСВОДам (один датчик - один ИСВОД).

Внутри шкафа ИСВОДы подключаются к кабелю типа "витая пара", и этим же кабелем соединяются шкафы друг с другом. От одного из шкафов "витая пара" идет к рабочей станции.

Датчики крена также последовательно соединяются друг с другом "витой парой", которая в результате приходит в блок управления, а он по USB-кабелю сообщается с рабочей станцией.

Рис. 2. Структурная схема подключения датчиков деформации (ИСВОД) и датчиков наклона (ДК).

Общая схема пользовательского интерфейса программного обеспечения ВОСТОК на примере обогатительной фабрики №3:

1. Экранная форма А. Главная панель навигации. Вид здания с вертикально расположенными этажами. Этажи пронумерованы.

Рис. 3. Пример экранной формы А. Главная панель навигации.

2. Экранная форма Б. Поэтажный план. Открывается после щелчка кнопкой мыши при наведенном курсоре на контролируемом этаже с конкретным номером. Представляет собой этажный план с указанием расположения измерительных узлов (ИУ) в виде датчиков. Каждый ИУ на плане при наведении курсора выдает информацию: вид датчика, номер ИУ, текущее состояние в формате «зеленый» - норма, «желтый» - предупреждение, «красный» - тревога.

Рис. 4. Пример экранной формы Б. Поэтажный план.

3. Экранная форма В. Открывается после щелчка кнопкой мыши при наведенном курсоре на измерительном узле. Предлагает два вида представления: графический и табличный. Каждое представление предлагает выбрать интервал времени, за который требуется вывод информации.

Рис. 5. Пример экранной формы В. Графическое представление.

Контролируемые параметры с 03.04.09 по 04.05.09 10 этаж МФК ММДЦ. Измерительный узел 12. ИСВОД №611.
ИСВОД	Дата	Время	Напряжение в арматуре, кГс/см2
	03.04.2009	0:07:14	7,1
	03.04.2009	1:07:14	6,3
	03.04.2009	2:07:14	7,9
	03.04.2009	3:07:14	7,7
	03.04.2009	4:07:14	7,4
	03.04.2009	5:07:14	9,0
	03.04.2009	6:07:14	9,0
	03.04.2009	7:07:14	9,5
	03.04.2009	8:07:14	9,5
	03.04.2009	9:07:14	10,4

Рис. 6. Пример экранной формы В. Табличное представление для одного датчика, возможен вывод в таблицу всех датчиков контролируемого этажа.

В случае превышения порогов «Желтого уровня» формируется сигнал 1 «Предупреждение» с выводом на экран и с передачей соответствующей информации на указанные удаленные рабочие места со следующими данными: текущее время, номер контролируемого элемента, номер измерительного узла, вид датчика, текущее значение измеряемого параметра, величина превышения параметра (скачок) в процентах.

В случае превышения порогов «Красного уровня» формируется сигнал 2 «Тревога» с выводом на экран и с передачей соответствующей информации на указанные удаленные рабочие места со следующими данными: текущее время, номер контролируемого элемента, номер измерительного узла, вид датчика, текущее значение измеряемого параметра, величина превышения параметра (скачок) в процентах.

ВОСТОК автоматически генерирует сообщение о выходе за рабочие пороговые значения с автоматическим переходом на проблемный узел, при этом оператор оповещается звуковой сигнализацией.

Также восток ведет журнал дежурства с обязательной фиксацией в нем: ФИО и времени работы каждого дежурного оператора, включения и отключения ПО, сообщает оператору и отслеживает выполнение оператором стандартных процедур оповещения лиц, ответственных за состояние системы мониторинга и здания. Программно-аппаратный комплекс имеет функцию автоматической самодиагностики с выводом информации о состоянии систем на рабочую станцию оператора.