預(yù)制梁場噴淋養(yǎng)生監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

郝迎吉 ，曾 定 ，王海英 ，張甲迪

（1.西安科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，西安 710054；2.長安大學(xué) 工程機(jī)械學(xué)院，西安 710064）

目前我國的高速公路與鐵路預(yù)制梁場噴淋養(yǎng)生控制方式主要依靠人工來操作，這樣容易因人工疏忽或數(shù)據(jù)記錄信息不全等因素造成預(yù)制梁的養(yǎng)護(hù)不到位，從混凝土的固化結(jié)果也很難判定實(shí)際噴淋情況，對(duì)橋梁的可靠性和安全性留下隱患[1]。

為解決上述情況，開發(fā)了一種基于PLC、GPRS網(wǎng)絡(luò)以及組態(tài)軟件的大型室外預(yù)制梁自動(dòng)噴淋監(jiān)控系統(tǒng)。其主要結(jié)構(gòu)由兩部分構(gòu)成：一是在各個(gè)標(biāo)段預(yù)制梁場安裝PLC和觸摸屏對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu) （電磁閥、泵）進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；二是PLC通過串口與GPRS無線通信，將現(xiàn)場數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，在監(jiān)控中心同時(shí)可監(jiān)測到多個(gè)梁場的實(shí)際運(yùn)行狀況，并將數(shù)據(jù)反饋到各梁場計(jì)算機(jī)客戶端，實(shí)現(xiàn)上級(jí)主管部門和梁場工程管理人員雙層機(jī)構(gòu)對(duì)梁場養(yǎng)護(hù)工作的遠(yuǎn)程監(jiān)控。該系統(tǒng)在西咸北環(huán)線高速公路施工中進(jìn)行了應(yīng)用實(shí)踐，運(yùn)行效果良好。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

預(yù)制梁場分布式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示，主要由3部分組成，現(xiàn)場監(jiān)控站、GPRS數(shù)據(jù)傳輸部分和調(diào)度中心SCADA遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

圖1 分布式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.1 Distributed computer network

系統(tǒng)采用C/S和B/S混合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模式，通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)分時(shí)將各個(gè)梁場的養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)信息傳送到監(jiān)控中心，監(jiān)控中心可以根據(jù)需要對(duì)單個(gè)或多個(gè)梁場進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)信息查詢，分監(jiān)控室梁場根據(jù)不同的權(quán)限進(jìn)行客戶端或網(wǎng)頁（Web）訪問，從而實(shí)現(xiàn)梁場規(guī)范化管理。

2 現(xiàn)場監(jiān)控站設(shè)計(jì)

以LJ-02標(biāo)段預(yù)制梁場的控制系統(tǒng)為例，梁場監(jiān)控站采用DVP-EH2型號(hào)的PLC和TPC1162Hi型號(hào)的觸摸屏，PLC作為控制系統(tǒng)核心，既可以與觸摸屏聯(lián)機(jī)工作，也可以獨(dú)立按設(shè)定的工況工作（使用內(nèi)部具有掉電保護(hù)的存儲(chǔ)器保護(hù)設(shè)定參數(shù)），又可以在觸摸屏或計(jì)算機(jī)終端設(shè)定灑水時(shí)間、循環(huán)間隔時(shí)間、梁的型號(hào)和選擇需要養(yǎng)護(hù)的臺(tái)座，對(duì)多路電磁閥和水泵進(jìn)行策略控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)梁的養(yǎng)護(hù)，如圖2所示。其中PLC使用了兩個(gè)串行接口，一是與觸摸屏采用RS232通訊（同時(shí)也是編程控制口），另一串口通過RS485與無線GPRS-DTU進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，它將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。

圖2 觸摸屏操作界面Fig.2 Touch screen operator interface

3 GPRS數(shù)據(jù)傳輸功能的實(shí)現(xiàn)

3.1 GPRS模塊參數(shù)的配置

在系統(tǒng)中GPRS-DTU選擇為宏電H7710工業(yè)級(jí)DTU，該模塊提供的RS485串行接口可以與臺(tái)達(dá)PLC的RS485（設(shè)定為MODBUS通信協(xié)議接口）數(shù)據(jù)接口連接。在使用前通過廠家提供的配置工具，先用PC機(jī)連接模塊將監(jiān)控中心靜態(tài)IP（如果為動(dòng)態(tài)IP需要域名綁定處理）、端口號(hào)、協(xié)議方式、通訊參數(shù)以及SIM卡號(hào)寫入DTU中。

3.2 GPRS與監(jiān)控中心通訊過程

（1）安裝在現(xiàn)場的GPRS-DTU上電后，從模塊內(nèi)部Flash讀取配置參數(shù)，例如IP地址、端口號(hào)等。

（2）接著GPRS-DTU自動(dòng)搜索GSM網(wǎng)絡(luò)并登錄，然后進(jìn)行GPRS-PPP撥號(hào)獲得一個(gè)移動(dòng)隨機(jī)分配的動(dòng)態(tài)IP地址。

（3）通過移動(dòng)網(wǎng)關(guān)GPRS-DTU與廣域網(wǎng)進(jìn)行通信，向數(shù)據(jù)中心發(fā)起TCP或UDP請(qǐng)求，數(shù)據(jù)中心響應(yīng)后，GPRS-DTU與數(shù)據(jù)中心握手成功，數(shù)據(jù)鏈路已經(jīng)建立，即可進(jìn)行數(shù)據(jù)雙向通信。

（4）數(shù)據(jù)中心根據(jù)識(shí)別的身份信息，按照設(shè)備循環(huán)采集周期向DTU發(fā)送讀或?qū)懨睿珼TU將接收到的TCP/IP協(xié)議包進(jìn)行解析通過RS485傳輸給PLC，PLC根據(jù)命令執(zhí)行對(duì)應(yīng)的設(shè)備操作。

（5）當(dāng)GPRS-DTU接收到PLC反饋回的數(shù)據(jù)后，把串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成TCP/IP協(xié)議包數(shù)據(jù)發(fā)送到GPRS網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行商提供的GPRS網(wǎng)絡(luò)上[2]。

（6）通過Internet將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心IP網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中，再通過端口映射進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到裝有CommBridge網(wǎng)橋組件的SCADA監(jiān)控計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，如圖3所示。

圖3 GPRS-DTU與監(jiān)控中心通訊過程Fig.3 GPRS-DTU communication process with the monitoring center

GPRS無線網(wǎng)絡(luò)作為調(diào)度中心與各個(gè)預(yù)制梁場子控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿浇椋ㄟ^GPRS-DTU調(diào)度中心數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)SCADA實(shí)現(xiàn)對(duì)各預(yù)制梁場的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集、對(duì)現(xiàn)場設(shè)備控制命令的下達(dá)及對(duì)整個(gè)高速公路梁場網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度，有效提高預(yù)制梁場自動(dòng)化控制水平和規(guī)范管理。

4 調(diào)度指揮中心SCADA控制系統(tǒng)

在系統(tǒng)中，采用力控Force Control V7.0組態(tài)軟件構(gòu)建調(diào)度指揮中心SCADA控制系統(tǒng)，它是整個(gè)高速公路預(yù)制梁場噴淋養(yǎng)護(hù)控制的中樞系統(tǒng)，主要由路由器、防火墻、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、Web服務(wù)器等設(shè)備組成[3]。功能上主要實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)標(biāo)段的梁場設(shè)備運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控，數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、分析，歷史數(shù)據(jù)的查詢以及提取需要的生產(chǎn)報(bào)表，網(wǎng)頁發(fā)布等任務(wù)。

具體功能實(shí)現(xiàn)方案設(shè)計(jì)：

（1）預(yù)制梁場噴淋運(yùn)行狀態(tài)顯示：SCADA系統(tǒng)將生產(chǎn)數(shù)據(jù)與設(shè)備相聯(lián)系，工藝流程與現(xiàn)場實(shí)際相結(jié)合，以動(dòng)畫的形式再現(xiàn)梁場噴淋效果，如圖4所示。

圖4 遠(yuǎn)程監(jiān)控中心SCADA系統(tǒng)Fig.4 SCADA system of remote monitoring center

（2）報(bào)表顯示：根據(jù)管理部門的需要，對(duì)噴淋養(yǎng)護(hù)的預(yù)制梁進(jìn)行信息記錄，主要包括日期、開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間、噴淋次數(shù)、梁的型號(hào)等參數(shù)。

（3）歷史數(shù)據(jù)的查詢和處理：利用組態(tài)軟件靈活的SQL腳本語言對(duì)SQL 2005 Server數(shù)據(jù)庫進(jìn)行生產(chǎn)數(shù)據(jù)提取，通過3D立體棒圖顯示該梁場預(yù)制梁進(jìn)度等重要數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)以圖形化方式展現(xiàn)，可以給管理人員和決策人員提供可靠的數(shù)據(jù)分析，如圖5所示。

（4）遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)控制功能：為了實(shí)現(xiàn)預(yù)制梁場噴淋養(yǎng)生無人值守，通過調(diào)度指揮中心監(jiān)控計(jì)算機(jī)可以對(duì)指定的標(biāo)段梁場進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，通過對(duì)應(yīng)的策略控制現(xiàn)場PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的啟停操作。

圖5 預(yù)制梁噴淋進(jìn)度統(tǒng)計(jì)圖Fig.5 Statistical chart of progress of the precast beam spray

（5）Web網(wǎng)絡(luò)發(fā)布功能：各個(gè)標(biāo)段預(yù)制梁場和管理部門可能都需要相關(guān)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，為此通過Web瘦客戶端，經(jīng)過授權(quán)的用戶通過廣域網(wǎng)即可對(duì)整個(gè)高速公路預(yù)制梁場的SCADA界面進(jìn)行瀏覽，各梁場客戶端通過Internet可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作和數(shù)據(jù)報(bào)表查詢、打印等功能。

（6）預(yù)警系統(tǒng)功能：在監(jiān)控調(diào)度指揮中心實(shí)時(shí)監(jiān)測各梁場噴淋設(shè)備狀態(tài)，一旦某個(gè)梁場網(wǎng)絡(luò)聯(lián)機(jī)失敗、噴淋參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤或者設(shè)備出現(xiàn)故障，通過組態(tài)軟件的Email控件向相關(guān)的值班人員發(fā)送對(duì)應(yīng)的報(bào)警信息，必要時(shí)可根據(jù)設(shè)定的策略自動(dòng)發(fā)送命令遠(yuǎn)程中止梁場噴淋系統(tǒng)的運(yùn)行直到故障解決。

5 結(jié)語

通過安裝在管理指揮中心的SCADA自動(dòng)化控制平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)各預(yù)制梁場的監(jiān)控和數(shù)據(jù)信息采集、記錄和查詢，為后期的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行追憶以及質(zhì)量評(píng)估提供重要的數(shù)據(jù)依據(jù)，各標(biāo)段的預(yù)制梁場通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)在監(jiān)控中心進(jìn)行子系統(tǒng)集成有利于管理部門對(duì)梁場質(zhì)量評(píng)估和統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理，實(shí)現(xiàn)企業(yè)“管控一體化”。

利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的優(yōu)勢，把現(xiàn)場實(shí)時(shí)控制與遠(yuǎn)程監(jiān)控結(jié)合為一體，實(shí)現(xiàn)多級(jí)管理體系，保證了歷史數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠，對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量意義重大。并且該系統(tǒng)提供的技術(shù)可以推廣到其它需要智能化控制的場合。

[1] 劉寶忠，孫小彬.基于自動(dòng)控制滴灌技術(shù)的混凝土預(yù)制梁養(yǎng)生系統(tǒng)研究[J].公路交通科技：應(yīng)用技術(shù)版，2013（5）：170-172.

[2] 深圳宏電技術(shù)開發(fā)有限公司.H7710 GPRS DTU使用說明書[Z]，2007.

[3] 朱明清，田民，張遷禮，等.基于PLC、GPRS網(wǎng)絡(luò)和組態(tài)軟件的城市熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2008，27（5）：107-111.