一种数据采集柜的制作方法
本发明属于水利水电工程智能通水温控施工技术领域，具体涉及一种数据采集柜。
背景技术：
在传统的涉及多种设备的现场控制中，由于设备安装量大，接线多，容易出现线路凌乱、功能不集中、数据上传间断的问题，导致控制不力，控制失真，且不便于排除故障和维修。
为了解决上述问题，2012年，中国能源建设集团有限公司(原葛洲坝集团试验检测有限公司)又申请了专利cn202443315u，提出了一种多通道在线式混凝土冷却通水数据自动采集装置，包括电源模块，温度采集模块，数据采集模块，主控模块，接线端子板：电源模块连接温度采集模块、主控模块、数据采集模块：主控模块连接温度采集模块、数据采集模块：所述主控模块设有以太网接口模块。通过该自动采集装置，对混凝土冷却通水的流量和水温进行在线实时采集和传输，解决人工采集记录需要耗费大量人工、信息反馈慢的缺点。
2013年，西安众恒科技有限公司申请了专利cn103138400a，提出了一种触摸式人机交互开关柜检测监测一体化装置，包括触摸控制仪和无线发射采集模块，所述触摸控制仪包括信息处理模块、控制模块和通讯模块：所述信息处理模块、控制模块和通讯模块相互连接，所述信息处理模块分别连接温湿度监测模块、接收模块、状态检测模块、电能质量模块、机械特性模块、电源模块和人体感应单元：所述控制模块分别连接存储单元和触摸屏：所述通讯模块分别设有网接口和485接口，所述信息处理模块通过继电器与报警输出模块相接，通过对高压开关柜在线数据的实时采集，将数据通过通讯模块上传到上位机进行实时监控，完成现场开关柜在线监测基础之上的状态诊断和故障预警。
2014年，青岛同创节能环保工程有限公司申请了专利cn104864484a，提出了一种用于供暖换热设备无线并网监控系统，包括控制柜、交换机和无线路由器，控制柜通过有线数据通讯线路与交换机相连，交换机再与无线路由器相连，在无线路由器上接有天线，所述交换机还通过视频服务器与现场装设的摄像机相连，所述控制柜用于对现场供暖换热设备进行自动控制，并将采集的数据进行转换和处理后，以无线的方式实时发送至集控中心进行远程监控。
2016年，中国石油天然气集团有限公司和北京华通信联科技有限公司共同申请了专利cn206221980u，提出了一种油气管道智能监控系统，包括在油气管道上设置的压力传感器、流量传感器和温度传感器，压力传感器、流量传感器、温度传感器的信号连接至一个控制终端，所述控制终端的输出控制与油气管道连接的变频驱动马达和电动阀门，所述控制终端设置有数据处理单元，数据处理单元连接有模拟量输入端口、开关量输入/输出端口；所述压力传感器使用的是输出为标准信号的压力变送器，所述温度传感器使用的是输出为标准信号的温度变送器，压力变送器和温度变送器的输出连接至数据处理单元的模拟量输入端口，所述数据处理单元通过一个20位分辨率的a/d转换器与模拟量输入端口连接。
2017年，北京木联能工程科技有限公司申请了专利cn207780633u，提出了一种用于大体积混凝土内部的温度及冷却水流量数字测控装置，包括温度采集模块；电流输入采集模块；电流输出控制模块；微控制器模块，所述温度采集模块、电流输入采集模块和电流输出控制模块分别与微控制器连接，对采集的温度电信号、流量电信号进行处理；同时电流输出控制模块在微控制器的控制下对可调谐电动球阀的开合度进行调整；无线通讯模块，与微控制器连接，将微控制器处理的温度和流量数据以无线传输的方式发送至服务器；可测量大体积混凝土内部温度及冷却通水流量并对流量进行控制调节。
此前，清华大学申请了专利cn102830730a，提出了一种通水智能温度控制试验系统，主要包括：冷热水循环供水系统，在每组冷热水进管上的校核电磁流量计和一体流温控制设备，在出水管上安装数字温度测量装置，将采集的进出口温度、流量和调节阀数据，通过数据线传到控制箱，服务器就能和控制箱持续无线通讯，服务器进行算法计算确定控制量，并根据服务器控制平台指令控制调节阀中电动阀的开度。目前采用的通水智能温度控制试验系统1.0主要弊端包含：
(1)线路凌乱，功能不集中，不能满足现场复杂的施工环境，且现场设备安装工作量大，接线多，设备容易损坏和被盗，不便于排除故障和维修；
(2)现有技术中数据采集柜不能整体上重复利用，需要拆了装，装了再次拆卸，操作不便。
(3)回路开通不能预先批量设置，延误施工进度。
(4)数据采集设备与控制设备之间分离，设备基本没有互通互联，扩展性差，不能自主工作，在断网的情况下无法工作，为控制大坝混凝土的温度带来困难和诸多不便。
(5)现场数据上传容易中断，数据失真，导致温度控制不力，降温速率可调性差，从而导致控制容易失真。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种数据采集柜，以解决现有技术中存在的技术问题。
本发明所采用的技术手段是：一种数据采集柜，包括：柜体、接线装置、采集模块、中央处理模块和外设模块；其中，所述接线装置设置于所述柜体的内侧壁上，用于安装所述采集模块、中央处理模块和外设模块；所述采集模块用于采集热交换媒介的流量、热交换媒介温度和混凝土块温度；其特征在于，所述接线装置、采集模块、中央处理模块和外设模块全部封装设置于所述柜体中，所述中央处理模块对所述采集模块采集的数据进行数据处理并将处理后的所述数据上传至云服务器进行数据交互，同时，多个所述数据采集柜之间组成局域网进行数据交互；所述中央处理模块采用智能pid算法对所述热交换媒介的流量进行控制。
本发明优选实施例中，所述中央处理模块为智能处理单元，所述智能处理单元通过梯度闭环智能学习控制方法实现混凝土块在冷却过程中最高温度控制、混凝土块冷却全过程空间温度变化率协调梯度控制和混凝土块冷却过程中异常温度的控制。
本发明优选实施例中，所述梯度闭环智能学习控制方法采用智能pid调节算法，包括比例环节、积分环节、微分环节和深度学习环节，利用深度学习方法实现自动调参、调控。
本发明优选实施例中，所述深度学习环节过程包括：
s1：训练集，收集过往真实场景大体积混凝土温控信息，包括水工大坝控温资料、混凝土实测温度、水管压力、流量、气温和水温；
s2:建立dqn网络，确定奖惩值reward和状态state转移信息，确定策略的动作空间和所有水管对应动作的价值参数，根据所述价值参数值确定最佳动作；
s3:利用训练集对仿真模型进行训练和学习，得到典型数据集；
s4:利用所述训练集得到训练好的模型进行实时流量调整。
本发明优选实施例中，所述柜体由钢板材料焊接，所述柜体的一面为可开闭的门。
本发明优选实施例中，所述柜体为封闭型，所述柜体的接线进出口处防水处理，所述防水处理为：所述柜体的接线孔处全部采用航空插头辅以防水盖板的设计，所述盖板为翻盖式设计。
本发明优选实施例中，所述柜体底部设有进温度计线槽，并设有防鼠板；所述柜体侧边安装接线。
本发明优选实施例中，所述接线装置为轨道式或拼图式设计，动态优化所述采集柜内部布局。
本发明优选实施例中，所述采集模块包括流量模块、进出热交换媒介温度模块和混凝土温度模块；所述流量模块为采集和控制流量数据的集成电路板；所述进出热交换媒介温度模块为采集和控制进出热交换媒介温度数据的集成电路板；所述混凝土温度模块为采集和控制混凝土温度数据的集成电路板。
本发明优选实施例中，所述数据采集柜内的各模块数量依据所连接的一体流温阀、混凝土温度计的数量进行动态匹配，同时预留一定的备用通道。
本发明优选实施例中，所述中央处理模块包括cpu计算模块，内存模块，存储模块，柜内通讯io模块。
本发明优选实施例中，所述外设模块包括外设工控机、外设屏幕、外设键盘鼠标、外设路由器、远程pc端、微信移动端、和网页端。
本发明优选实施例中，所述数据采集柜还包括断路器、插座、端子排和接线。
本发明优选实施例中，所述流量模块、进出热交换媒介温度模块、混凝土温度模块、电源模块、cpu模块、cpu存储卡模块、辅助模块、断路器、插座、端子排、外设工控机、外设屏幕、外设键盘鼠标、外设路由器和接线的基座为所述接线装置。
本发明优选实施例中，所述断路器控制电源开闭；所述插座提供电源输出的基座；所述端子排为单排或双排，为电流或电压输出的转接器。
本发明优选实施例中，所述接线包括各电子器件之间的连接线和所述连接线归集之后从柜体向外引出的总接线。
本发明优选实施例中，所述服务器为柔性云服务器，依据需求动态分配计算资源。
本发明优选实施例中，所述数据采集柜配备备用服务器，用于定期进行数据备份。
本发明优选实施例中还提供了一种集成控制柜，用于与如上所述的数据采集柜配合使用，为所述数据采集柜提供实时监测数据并执行控制指令。
本发明优选实施例中，所述集成控制柜和所述数据采集柜之间采取无线或有线传输数据的方式。
本发明优选实施例中还提供了一种智能控制柜，集成如上所述的数据采集柜和集成控制柜，所述数据采集柜内的器件集成化固定于所述集成控制柜侧边，形成所述智能控制柜，所述智能控制柜直接和所述云服务器进行数据交互，所述智能控制柜间组成局域网进行数据交互，柜体互联互通。
与现有技术相比，本发明产生的有益效果是：
(1)本发明中的数据采集柜可保证智能通水温控系统可以持续、高效、抗干扰、可实时地进行数据采集、反馈和控制工作。
(2)本发明中的数据采集柜通过各模块的集成和柜体设备的封装设计，使所述控制柜具有自主工作能力，在断网、通讯中断的情况下也能完成温控工作。
(3)本发明中数据采集柜的各设备之间连接线在控制柜内部解决，可满足现场复杂的施工环境，大大减少了现场设备安装的工作量，减小了设备损坏和被盗的可能，同时也便于对于设备进行排除故障和维修。
(4)本发明中的数据采集柜的接口灵活，可扩展性好，采用标准工业接口和工控机，与其他控制单元连接方便，易于以后设备更新换代。
附图说明
图1为本发明中的数据采集柜的立体结构示意图。
图2为本发明中的数据采集柜的平面结构示意图。
图3为本发明中的梯度闭环智能学习控制过程示意图。
其中：1-柜体，2-固定接线盘，3-流量模块，4-进出水温度模块，5-混凝土温度模块，6-电源模块，7-cpu模块，8-cpu存储卡模块，9-辅助模块，10-断路器，11-插座，12-端子排，13-外设工控机，14-外设屏幕，15-外设键盘鼠标，16-外设路由器，17-接线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明提供的一实施例中，一种数据采集柜，如附图1-2所示，包括：柜体1、固定接线盘2、采集模块、中央处理模块和外设模块；其中，柜体1为长方体框架，由钢板材料焊接，柜体1需同时满足可容纳所有器件的尺寸要求、现场施工吊装的强度要求、防水和高温的要求以及其他特殊施工要求，柜体1的一面为可开闭的门，便于设备运行状况的检查与维修；固定接线盘2设置于柜体1面积最大的侧壁上，用于安装采集模块、中央处理模块和外设模块；采集模块用于采集流量、进出水温和混凝土温度；固定接线盘2、采集模块、中央处理模块和外设模块全部封装设置于柜体1中，通过模块化的方法进行了功能归集，通过使器件标准化的方法提高了设备的可扩展性，通过柜体封装和接线盘梳理的方法优化了布局。
本实施例中，随着现场开仓数量增多、时间的推进，数据量越来越大，云服务器优选为柔性云服务器，依据需求动态分配计算资源，避免崩溃。数据采集柜同时还配备备用服务器，用于定期进行数据备份，多点备份；服务器下发控制电磁阀命令时间间隔、命令下达到命令实现所需时间、温度流量等数据采集一次所需时间需要匹配并进行设计计算，将轮询控制变为并行控制，减少反射弧反应时间，提高控制效率。
本实施例中，数据采集柜内各模块采用的电子器件数量需依据所连接的集成一体流温阀、集成控制柜数量、混凝土温度计数量进行动态匹配，同时需要预留一定的备用通道，提高系统运行的稳定性，避免现场应用过程中出现超负荷运行等现象。值得一提的是，数据采集柜内部布局需要进行动态优化，固定接线盘2设定成轨道式或拼图式，可动态优化采集柜内部布局，便于充分利用柜体1内部空间，缩小柜体1的尺寸，节约现场布设所需场地空间。
具体地，采集模块包括流量模块3、进出水温度模块4和混凝土温度模块5；所述流量模块3为采集和控制流量数据的集成电路板；进出水温度模块4为采集和控制进出水温度数据的集成电路板；混凝土温度模块5为采集和控制混凝土温度数据的集成电路板；这三种模块均为标准化的自定制模块，一方面可切实满足智能通水温控2.0系统对于流量、进出水温度和混凝土温度数据的采集、反馈和控制功能需求，另一方面可保证模块的进一步优化升级和系统的可扩展性。为提高控制稳定性，缩短控制时间，提高控制精准度，模块仍有很大优化空间；可借鉴西门子等进行模块的研发优化完善，即通过优化模块内的电子元器件和修改基于模块的小程序，从软件硬件两个角度提高模块智能化水平。
本实施例中，所述中央处理模块包括电源模块6、cpu模块7、cpu存储卡模块8和辅助模块9，优选为cpu计算模块，内存模块，存储模块，柜内通讯io模块；上述模块包含电源、cpu、存储卡和其它提供辅助功能的逻辑控制器件，以上元器件均为市场已有生产的标准化器件。
本实施例中，外设工控机13为数据的中央处理装置；外设屏幕14为工控机的显示装置；外设键盘鼠标15为工控机的操作控制装置；外设路由器16为数据的网络传输设备；外设设备也封装在柜体1中，通过将外设设备独立封装于每一柜体1中，可使每个柜体1独立的发挥其功能，同时当柜体1出现故障时，可以打开柜体1通过外设设备进行检测和维修，同时也可以对整个柜体进行整体替换与位置转移。
优选实施例中，数据采集柜还包括断路器10、插座11、端子排12和接线17。断路器10控制电源开闭；插座11提供电源输出的基座；端子排12为单排或双排，为电流或电压输出的转接器；以上元器件均为市场已有生产的标准化器件。接线17包括各电子器件之间的连接线和所述连接线归集之后从柜体1向外引出的总接线。
具体地，流量模块3、进出水温度模块4、混凝土温度模块5、电源模块6、cpu模块7、cpu存储卡模块8、辅助模块9、断路器10、插座11、端子排12、外设工控机13、外设屏幕14、外设键盘鼠标15、外设路由器16和接线17的基座为固定接线盘2，固定接线盘2作为固定各模块器件的基座，是梳理归整各接线的基架，可极大地优化各元器件的布局，进行功能的分区与集中布置，改善目前系统线路杂乱易出故障的缺陷。可选实施例中，现场外设设备还包括远程pc端、微信移动端、网页端等多种人机交互渠道，为现场施工人员、后方技术管理人员等参建多方提供了多种渠道，缩短了人员与硬件设备间的空间距离，提高了生产效率。
优选实施例中，本发明还提供了一种集成控制柜，用于与上述实施例中的数据采集柜配合使用，为所述数据采集柜提供监测数据。集成控制柜和数据采集柜之间采取无线或有线传输数据的方式，便于适应现场不同的作业环境。优选地，集成控制柜、数据采集柜接线出口处增加防水盖板(参考卫生间防水插座)，数据采集柜内工控机等特殊部件做好防水处理，双保险，才外，上述两柜体内做防鼠处理。
优选实施例中，本发明还提供了一种智能控制柜，集成上述数据采集柜和集成控制柜，所述数据采集柜内的器件集成化固定于所述集成控制柜侧边，形成所述智能控制柜，所述智能控制柜直接和所述云服务器进行数据交互，所述智能控制柜间组成局域网进行数据交互，群体互联互通，为全坝智能动态联调奠定硬件基础。
本发明的工作流程主要包括传感数据的上传和控制指令的下达两个工作过程。在进行传感数据的上传时，由智能通水温控2.0系统硬件设备中的集成控制柜和施工现场预埋的混凝土温度传感器和其他传感器设备采集的数据可通过接线输入到该数据采集柜中，柜体1内的各种元器件会协调工作，对数据进行转换和计算，并将处理之后的数据上传到云端数据库中，完成数据的上传过程；在进行控制指令的下达时，由系统软件客户端发出的控制指令，通过网络传输给该数据采集反馈集成控制柜，该柜体1内的各种元器件会协调工作，对控制指令进行翻译和转换，并通过接线传输给集成控制柜，完成控制指令的下达过程。该数据采集柜的功能就相当于一个数据和指令的中转处理站。
优选实施例中，本申请还提供了一种混凝土温度控制方法，混凝土在冷却过程中需进行最高温度控制，即混凝土浇筑后不同浇筑仓应达到的最高温度的控制；大坝最高温度控制与中热、低热混凝土的性质、标号、不同分区、时段及早通水早晚有关。
控制混凝土最高温度是为了避免基础温差、上下层温差、内外温差过大导致大体积混凝土温度应力过大或混凝土开裂。大坝混凝土施工最高温度的确定主要考虑了以下几个因素：
①为控制基础温差应力，最高温度应不超过接缝灌浆温度和容许温差之和；②为控制内外温差应力，最高温度应不超过由内外温差确定的最高温度；③最高温度限制应根据约束区和非约束区混凝土所受约束强弱不同加以区别，实际控制过程中需要分区(分河床坝段、岸坡坝段以及分大坝)；④最高温度限制应根据混凝土浇筑时季节、混凝土本身的热力学特性不同加以区别。
优选实施例中，数据采集柜采用梯度闭环控制学习方法，如下，如附图3所示：
所述梯度闭环智能控制学习方法利用一个传统的pid控制器和一个基于深度学习的控制器。传统的pid控制器需要大量的时间和精力来调参，结合深度学习网络技术，可以大大优化调参。
(1)比例环节：即时成比例地反应控制系统的流量偏差信号：kpe(t)。在流量的模拟g(s)控制器中，比例环节对流量偏差瞬间作出反应。比例系数kp选择必须恰当，才能过渡时间少，静差小而能达到稳定的技术效果，在实际的流量控制中此比例可根据经验确定，通过在现场反复调节实验，也可以在了解了不同混凝土不同季节和冷却水站供水特性智能学习。
(2)积分环节：主要用于消除静态误差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数ti，ti越大，也就是调整流量的时间间隔越大，积分作用越弱，反之则越强。积分环节的数学式表示是：
(3)微分环节：微分环节：
(4)深度学习环节；根据现场工况及长期智能温控工作的经验积累，采用深度强化学习deepreinforcementlearning-drl方法构建上述控制器。下述方法具体实现步骤为如下：
s1：训练集，收集过往真实场景大体积混凝土温控信息，包括水工大坝控温资料、混凝土实测温度、水管压力、流量、气温和水温等。
s2:建立dqn网络，确定奖惩值reward和状态state转移信息，确定策略的动作空间(通水管流量)，所有水管对应动作的价值参数，根据上述度量值确定最佳动作。
s3:利用训练集对仿真模型进行训练和学习，得到典型数据集。
s4:利用上述训练好的模型进行实时流量调整。
优选实施例中，梯度闭环控制学习方法还包括：混凝土冷却全过程空间温度变化率协调梯度控制；根据达到最高温度和接缝灌浆温度调整容许温度变化率
内部温度(空间)梯度
控温过程温度对时间的梯度
通过分期冷却及控温时间协调实现温度梯度控制，使各灌区温度、温降幅度形成合适的梯度。
优选实施例中，所述控制方法还包括混凝土冷却过程中异常温度的控制，即遇到温度骤降或骤升的特殊工况的预警预控；控制系统采集柜上安装实时小型环境测量系统，包括风速，大气气温，湿度等数据的采集，并与云端采集控制分析系统耦合对接，及时发出预警、预报，调整控温策略；同时要考虑到冷冲击、早龄期混凝土开裂等问题，基于温度变化协调控制的原则对各阶段的降温速率进行控制。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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