高鐵混凝土箱梁蒸汽養(yǎng)護(hù)控制系統(tǒng)研究

韓慶祝

(中鐵十三局集團(tuán)有限公司，長春 130033)

高速鐵路混凝土箱梁的蒸汽養(yǎng)護(hù)技術(shù)，在大型工程施工中已逐漸被人們所認(rèn)可，特別是在現(xiàn)代橋梁施工中，采用蒸汽養(yǎng)護(hù)技術(shù)，可以有效地提升混凝土箱形梁的品質(zhì)，明顯縮短制梁的周期，并且能夠較嚴(yán)格地保證箱梁的技術(shù)指標(biāo)。

目前對于現(xiàn)場澆筑的橋梁，大部的蒸汽養(yǎng)護(hù)是采用鍋爐加熱產(chǎn)生蒸汽，然后用簡易的管道將蒸汽輸送到用塑料帆布覆蓋的養(yǎng)護(hù)棚中，而箱梁養(yǎng)護(hù)的溫度控制過程主要依賴人工間歇性測量和調(diào)整。這樣的養(yǎng)護(hù)方法很難保證蒸汽養(yǎng)護(hù)過程中各個(gè)階段對溫度需求的準(zhǔn)確性和精確性，而且熱量的利用率很低，有時(shí)如果控制的不合理還會(huì)對箱形梁造成一定的損傷。

本文采用計(jì)算機(jī)測控技術(shù)，提出用蒸汽升溫、專用養(yǎng)護(hù)罩保溫保濕、通風(fēng)機(jī)降溫的全自動(dòng)養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)?？捎行岣呋炷料涞酿B(yǎng)護(hù)質(zhì)量，縮短施工周期、降低施工成本、加快施工進(jìn)程。

1 總體設(shè)計(jì)方案

混凝土箱梁蒸汽養(yǎng)護(hù)(常壓濕熱)系統(tǒng)如圖1所示。主要由溫度控制室、養(yǎng)護(hù)罩、蒸汽鍋爐、箱梁基座和通風(fēng)機(jī)等組成。

1.1 混凝土箱梁養(yǎng)護(hù)工藝

混凝土箱梁常壓濕熱養(yǎng)護(hù)溫度曲線如圖2所示。養(yǎng)護(hù)工藝分為四個(gè)階段:第一階段為預(yù)養(yǎng)期，以15℃養(yǎng)護(hù)Y小時(shí)(本文取4 h);第二階段為升溫期，以5℃/h的升溫速率升溫1 h，然后保溫S小時(shí)(本文取1 h)，再以8℃/h的升溫速率升溫至45℃;第三階段為恒溫期，以恒溫45℃養(yǎng)護(hù)H小時(shí)(本文取10 h);第四階段為降溫期，以10℃/h的降溫速率降至室溫，再保溫J小時(shí)(本文取4 h)。根據(jù)不同的混凝土梁，這四段的養(yǎng)護(hù)時(shí)間可由用戶設(shè)定。

圖1 混凝土箱梁蒸汽養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)

圖2 混凝土箱梁養(yǎng)護(hù)溫控曲線

1.2 混凝土箱梁養(yǎng)護(hù)溫度控制方案

根據(jù)溫度控制曲線設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)如圖3所示?；炷料淞旱目v向分3個(gè)截面，每個(gè)截面分為A，B，C，D，E 5個(gè)溫度區(qū)，每區(qū)布1個(gè)溫度傳感器(T1～T5)，每個(gè)截面布1個(gè)濕度傳感器 F1，共布15個(gè)溫度傳感器和3個(gè)濕度傳感器。養(yǎng)護(hù)罩內(nèi)的溫、濕度信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算處理，然后通過I/O口控制蒸汽閥和通風(fēng)機(jī)，按圖2所示的溫控曲線實(shí)現(xiàn)混凝土箱梁的全自動(dòng)養(yǎng)護(hù)。

圖3 控制系統(tǒng)方案

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

溫度控制系統(tǒng)采用上、下位機(jī)控制。下位機(jī)用日本三菱FX2N PLC在現(xiàn)場控制，上位機(jī)采用710型工控機(jī)作為人機(jī)對話窗口，對養(yǎng)護(hù)場進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。硬件系統(tǒng)主要由工控計(jì)算機(jī)、PLC、15點(diǎn)溫度傳感器、15路蒸汽加熱器控制、5路加濕和通風(fēng)控制、1臺(tái)溫度巡檢儀和電控柜等組成。溫度控制系統(tǒng)硬件框圖如圖4所示。

圖4 溫控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

溫度傳感器采用PT100熱電阻。系統(tǒng)設(shè)計(jì)有自動(dòng)和手動(dòng)控制功能。自動(dòng)控制功能，是由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作人機(jī)界面操作站，主要控制由PLC按預(yù)置參數(shù)完成控制，整個(gè)養(yǎng)護(hù)過程無需人工參與而自動(dòng)完成。手動(dòng)控制功能，當(dāng)自動(dòng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，可轉(zhuǎn)為手動(dòng)控制，控制任務(wù)主要由巡檢儀完成，確保養(yǎng)護(hù)工作繼續(xù)進(jìn)行。手動(dòng)系統(tǒng)只是作為自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)急備用。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用工業(yè)計(jì)算機(jī)控制軟件MCGS工控組態(tài)軟件和三菱GXFX2N PLC控制軟件為平臺(tái)設(shè)計(jì)了上、下位機(jī)的控制軟件，用戶主界面如圖5所示。

軟件功能主要有:

1)用戶管理。在軟件系統(tǒng)中，固定一個(gè)名為“負(fù)責(zé)人”的用戶，它們的名稱不能修改。負(fù)責(zé)人有權(quán)利在運(yùn)行時(shí)修改設(shè)置參數(shù)和管理受權(quán)的工作，其它所有用戶都沒有這些權(quán)利。

2)系統(tǒng)設(shè)置。系統(tǒng)設(shè)置包括測溫點(diǎn)數(shù)量的設(shè)置;升溫時(shí)間和升溫速度的設(shè)置;恒溫時(shí)間和恒溫溫度的設(shè)置。

3)動(dòng)態(tài)圖形。動(dòng)態(tài)圖形顯示包括靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)循環(huán)顯示。動(dòng)態(tài)循環(huán)顯示主要實(shí)現(xiàn)縱向3個(gè)截面之間的循環(huán)顯示，便于監(jiān)測各截面上的溫度值;靜態(tài)顯示可以單獨(dú)顯示3個(gè)截面中的某一截面的5個(gè)溫區(qū)(A，B，C，D，E)的溫度，便于集中觀察某一截面溫度值?？赏ㄟ^標(biāo)題欄下拉菜單進(jìn)入動(dòng)態(tài)圖形界面。

4)實(shí)時(shí)曲線?？蓪⒚總€(gè)測試點(diǎn)在整個(gè)混凝土箱形梁養(yǎng)護(hù)期間的溫度變化曲線實(shí)時(shí)繪制并顯示;可將縱向同一高度的不同測試截面的溫度變化曲線實(shí)時(shí)繪制并顯示。

5)歷史曲線。歷史曲線是將歷史存盤數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)庫中讀出，以時(shí)間為橫坐標(biāo)，數(shù)據(jù)值為縱坐標(biāo)進(jìn)行曲線繪制。歷史曲線主要用于事后查看數(shù)據(jù)分布和狀態(tài)變化趨勢以及總結(jié)溫度變化規(guī)律。

6)數(shù)據(jù)報(bào)表。數(shù)據(jù)報(bào)表就是根據(jù)實(shí)際需要以一定格式將統(tǒng)計(jì)分析后的數(shù)據(jù)記錄顯示并打印出來，本系統(tǒng)中采用日報(bào)表每24 h打印一份。

7)實(shí)時(shí)報(bào)警。對溫度超過設(shè)定值并在設(shè)定時(shí)間內(nèi)仍沒能夠經(jīng)過控制系統(tǒng)調(diào)整到規(guī)定的數(shù)值，則系統(tǒng)發(fā)出警告，提醒工作人員迅速查找原因并解決，同時(shí)系統(tǒng)將做報(bào)警記錄。

8)實(shí)時(shí)測溫記錄。對所有溫度測量點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，以便對各溫度測量點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

9)歷史測溫記錄。對于每個(gè)測溫點(diǎn)在養(yǎng)護(hù)期間的所有溫度測量值都將以數(shù)據(jù)文件的形式加以保存，以便對養(yǎng)護(hù)效果與溫度的變化關(guān)系進(jìn)行分析。

4 效果

本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)通過在京石客運(yùn)專線新樂梁場使用，1#梁跨中截面B區(qū)的溫度控制曲線如圖6所示。從溫控曲線看出實(shí)際溫控曲線和理論溫控曲線基本接近，控制效果良好。養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，1#梁的各項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)良。

圖6 1#梁跨中截面B區(qū)溫度控制曲線

5 結(jié)語

實(shí)驗(yàn)和使用證明，本文采用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)計(jì)算機(jī)控制軟件MCGS和PLC硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)的混凝土箱梁溫度控制系統(tǒng)，具有適應(yīng)性強(qiáng)、自動(dòng)化程度高、安全可靠、操作簡便、易于擴(kuò)展、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等特點(diǎn)。只要改變養(yǎng)護(hù)參數(shù)，系統(tǒng)可對任意混凝土梁的養(yǎng)護(hù)溫度進(jìn)行自動(dòng)控制，應(yīng)用前景廣闊。

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