預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP)數(shù)字化蒸養(yǎng)在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用

根 濤 高春花

（山東電力管道工程公司 泰安 271222）

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP)數(shù)字化蒸養(yǎng)在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用

根 濤 高春花

（山東電力管道工程公司 泰安 271222）

蒸養(yǎng)是預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）生產(chǎn)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，建立1套數(shù)字化蒸養(yǎng)系數(shù)，抓住PCCP蒸養(yǎng)過程中的關(guān)鍵指標(biāo)，可以最大程度減少蒸養(yǎng)對PCCP的傷害。本文介紹PCCP數(shù)字化蒸養(yǎng)在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用。

PCCP 蒸養(yǎng) 數(shù)字化 應(yīng)用

1. 前言

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（Prestresed concrete pressure pipe，Stell-cylinder type。簡稱PCCP）是目前國際上廣泛使用的大口徑、耐高壓管材。在其生產(chǎn)過程中，蒸養(yǎng)是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它是繼攪拌及成型工藝之后保證PCCP質(zhì)量的決定性工藝過程。其蒸養(yǎng)過程對PCCP的質(zhì)量影響極大，也將最后決定PCCP混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及各項(xiàng)性能指標(biāo)。在PCCP生產(chǎn)和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中對升溫速度有著嚴(yán)格的要求，即在管芯采用蒸汽養(yǎng)護(hù)時(shí)一般要求“養(yǎng)護(hù)設(shè)施內(nèi)的最高升溫速度不應(yīng)大于22℃/h”。本文側(cè)重以PCCP管芯養(yǎng)護(hù)為主，以筆者所在單位的蒸養(yǎng)窯為例進(jìn)行介紹。

在數(shù)字化蒸養(yǎng)中主要的工藝參數(shù)為：預(yù)養(yǎng)（停靜）溫度、預(yù)養(yǎng)（靜停）時(shí)間、升溫速度、恒溫溫度、恒溫時(shí)間、降溫速度、降溫溫差和降溫時(shí)間，其中蒸養(yǎng)過程中的升溫速度、恒溫溫度和降溫速度需嚴(yán)格控制。

2. 硬件配置

2.1 現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)

選用了西門子AcvatixTM系列調(diào)節(jié)閥和SKB執(zhí)行器，與傳統(tǒng)的只有開或關(guān)兩種狀態(tài)的電磁閥相比，調(diào)節(jié)閥是按比例開/關(guān)閥門。與智能溫控儀表+調(diào)節(jié)閥控制方式相比，PLC具有更好的擴(kuò)展性和算法選擇。因此，PLC控制的調(diào)節(jié)閥更適合PCCP數(shù)字化蒸養(yǎng)，它對所需的溫度誤差最高可達(dá)±1℃。

2.2 現(xiàn)場PLC硬件組成

該數(shù)字化蒸養(yǎng)系統(tǒng)控制核心為西門子S7-200 PLC和昆侖通態(tài)人機(jī)界面TPC 1062K。CPU單元為CPU 224XP，增加了EM222，PT100溫度傳感器信號(hào)輸入采用EM231 AI4×RTD模塊，調(diào)節(jié)閥閥門開度信號(hào)反饋輸入采用EM231 AI8×12Bit模塊，控制調(diào)節(jié)閥閥門開度信號(hào)的輸出選用EM232 AQ4×12Bit模塊，通訊選用CP 243-1以太網(wǎng)模塊。

2.3 現(xiàn)場外圍設(shè)備

恒壓裝置。為防止蒸汽壓力波動(dòng)對溫度的影響，在蒸汽進(jìn)汽口處加裝一恒壓裝置。

能源計(jì)量裝置。選用了型號(hào)為FL-982100流量積算儀， 通過蒸汽進(jìn)汽口的溫度傳感器、壓力傳感器和流量計(jì)，為數(shù)字化蒸養(yǎng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)提供蒸汽的壓力、溫度和流量等數(shù)據(jù)。

顯示裝置。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了LED屏，顯示內(nèi)容：蒸養(yǎng)工位、當(dāng)前溫度、開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間，且按編號(hào)輪回顯示。

輔助通訊裝置。系統(tǒng)在現(xiàn)場使用了宇泰UT-6602C串口通訊服務(wù)器，通過在上位機(jī)中設(shè)置虛擬COM端口的方式進(jìn)行通訊。

報(bào)警裝置。聲光報(bào)警器及時(shí)提醒操作人員。提前打開窯門、出現(xiàn)PLC通訊故障等情況，現(xiàn)場的聲光報(bào)警器則會(huì)動(dòng)作。

3. 軟件設(shè)計(jì)

3.1 PLC軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的PLC程序較為復(fù)雜，難點(diǎn)在升溫速度的控制。系統(tǒng)采用了模糊PID控制，對PID的三個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線整定，限于篇幅，本文在此不做詳細(xì)介紹。其主要功能為養(yǎng)護(hù)過程一鍵操作，無需人工預(yù)。具體為：

3.1.1 當(dāng)光電開關(guān)檢測到窯門關(guān)好后，“開始養(yǎng)護(hù)”按鈕才有效，此時(shí)按下“開始養(yǎng)護(hù)”按鈕，PLC系統(tǒng)則自動(dòng)進(jìn)入養(yǎng)護(hù)程序，對應(yīng)的指示燈亮紅燈，數(shù)字化蒸汽養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)將自動(dòng)記錄“開始養(yǎng)護(hù)”的時(shí)間和當(dāng)前的溫度。一旦系統(tǒng)進(jìn)入養(yǎng)護(hù)過程，提前打開窯門或出現(xiàn)PLC通訊故障，現(xiàn)場的聲光報(bào)警器會(huì)動(dòng)作。同時(shí)上位機(jī)的蒸汽養(yǎng)護(hù)自動(dòng)溫控系統(tǒng)也將發(fā)出警報(bào)，系統(tǒng)會(huì)彈出報(bào)警窗口并記錄。

3.1.2 靜停時(shí)間到，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入升溫階段。升溫階段，PLC系統(tǒng)將每三分鐘檢測一次實(shí)時(shí)溫度，若發(fā)現(xiàn)溫差與設(shè)定值（每小時(shí)的升溫速度，即升溫速率將換算到按三分鐘計(jì)算）不同，系統(tǒng)則按模糊PID算法控制當(dāng)前閥門的開度，從而實(shí)現(xiàn)升溫速率的精確控制。

3.1.3 恒溫溫度到，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入恒溫階段。在恒溫階段PLC系統(tǒng)不停地檢測當(dāng)前溫度，并與設(shè)定的恒溫溫度相比較，按照模糊PID算法控制閥門的開度，從而將溫度保持在恒溫狀態(tài)。

3.1.4 恒溫時(shí)間到，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入降溫階段。如果降溫速度過快，溫控閥仍有一定的開啟量，從而保證降溫過程按設(shè)定的降溫速率進(jìn)行。

3.1.5 降溫溫度到，指示燈由紅亮變?yōu)榫G燈，同時(shí)聲光報(bào)警器響8秒停5秒連續(xù)提示兩次，讓操作人員打開窯門。

3.1.6 當(dāng)窯門打開時(shí)，光電開關(guān)動(dòng)作，蒸養(yǎng)過程結(jié)束，并為下一次蒸養(yǎng)過程做好準(zhǔn)備。如果在窯門打開后的溫度與環(huán)境溫度溫度差值大于20℃時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)通光聲音報(bào)警器發(fā)出連續(xù)的聲光報(bào)警進(jìn)行提示并進(jìn)行違章記錄。

3.2 觸摸屏軟件設(shè)計(jì)

人機(jī)界面選用昆侖通態(tài)的TPC 1062K觸摸屏，主要功能是顯示與記錄數(shù)據(jù)。主界面顯示：編號(hào)、當(dāng)前溫度、閥門當(dāng)前開度、閥門開度反饋值、蒸養(yǎng)狀態(tài)、蒸汽壓力和當(dāng)前氣溫，另設(shè)有每個(gè)工位的蒸養(yǎng)時(shí)間監(jiān)控畫面與蒸養(yǎng)參數(shù)顯示畫面。其次，觸摸屏記錄PCCP蒸養(yǎng)情況，并做為上位機(jī)的備份，在光纖環(huán)網(wǎng)出現(xiàn)故障等極端情況下?lián)?fù)著數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，待通訊恢復(fù)時(shí)上位機(jī)將與觸摸屏通訊。

4. 上位機(jī)

4.1 上位機(jī)硬件

上位機(jī)采用Dell PowerEdge R730服務(wù)器，硬盤1.2T，RAID 5模式，基本滿足系統(tǒng)運(yùn)行及安全存儲(chǔ)需要。

4.2 上位機(jī)軟件

上位機(jī)軟件采用三維力控ForceControl V6.0（簡稱FC 6.0）組態(tài)軟件編寫的數(shù)字化蒸養(yǎng)系統(tǒng)，有以下功能:

4.2.1 報(bào)表功能強(qiáng)大。蒸養(yǎng)報(bào)表能如實(shí)反映每次蒸養(yǎng)過程：養(yǎng)護(hù)裝置編號(hào)、蒸養(yǎng)開始時(shí)間、蒸養(yǎng)開始溫度、升溫階段每15分鐘在報(bào)表中顯示一次溫度值、恒溫階段每30分鐘在報(bào)表中顯示一次溫度值、蒸養(yǎng)結(jié)束時(shí)間、窯門打開與關(guān)閉的時(shí)間。其它報(bào)表如蒸汽用量報(bào)表能分析每個(gè)時(shí)間段的蒸汽用量,設(shè)備管理報(bào)表統(tǒng)計(jì)閥門運(yùn)行時(shí)間及故障次數(shù),它們均與相應(yīng)的生產(chǎn)管理系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)接口，以便財(cái)務(wù)部門統(tǒng)計(jì)生產(chǎn)成本和設(shè)備管理部門對該系統(tǒng)進(jìn)行全壽命管理。報(bào)表可另存為Excel、Html和Pdf格式。

4.2.2 自動(dòng)報(bào)警功能。支持多種報(bào)警機(jī)制，可以通過彈出窗口、發(fā)出報(bào)警聲音、顏色變化等方式提醒值班人員。在養(yǎng)護(hù)過程中如果蒸汽壓力過低、提前打開窯門、通訊異常時(shí)聲光報(bào)警器連續(xù)發(fā)出響3秒停3秒的報(bào)警，同時(shí)觸摸屏和上位機(jī)的數(shù)字化蒸養(yǎng)系統(tǒng)將自動(dòng)記錄。上位機(jī)的報(bào)警窗口分為實(shí)時(shí)報(bào)警窗口和歷史報(bào)警窗口，報(bào)警窗口顯示的內(nèi)容為序號(hào)、時(shí)間、發(fā)生故障的養(yǎng)護(hù)裝置的編號(hào)、故障說明、報(bào)警內(nèi)容、報(bào)警類型等。報(bào)警可以由集控到值班人員確認(rèn)后消除，但報(bào)警內(nèi)容不能從數(shù)據(jù)庫中刪除，同時(shí)歷史報(bào)警信息可以按日期和報(bào)警類型進(jìn)行查詢。

4.2.3 蒸養(yǎng)過程中異常情況自動(dòng)處理。在養(yǎng)護(hù)過程中，最關(guān)鍵的是蒸汽壓力，若壓力過高，系統(tǒng)始終對進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥門執(zhí)行模糊PID算法的操作，它將保證蒸汽的壓力保持在正常的范圍。若蒸養(yǎng)過程中，鍋爐發(fā)生故障壓力過低，系統(tǒng)將自動(dòng)延長養(yǎng)護(hù)時(shí)間并降低恒溫溫度值，進(jìn)行低溫長時(shí)段養(yǎng)護(hù)。

4.2.4 蒸養(yǎng)參數(shù)可由授權(quán)工藝技術(shù)人員輸入。工藝技術(shù)人員通過光纖環(huán)網(wǎng)內(nèi)的任何計(jì)算機(jī)均可登錄系統(tǒng)，輸入用戶名和密碼，即可對重要的蒸養(yǎng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。

4.2.5 曲線豐富。曲線分為溫度曲線和閥門開度曲線，其中溫度曲線分為實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線，閥門開度曲線分為閥門執(zhí)行開度曲線和閥門反饋開度曲線。它們都可以按時(shí)間段或班次進(jìn)行查詢。曲線醒目地標(biāo)明上下限，曲線網(wǎng)格能響應(yīng)操作人員的輸入自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整。

4.2.6 WEB發(fā)布功能。使公司局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)內(nèi)中的多用戶能夠同時(shí)通過WEB的方式進(jìn)行監(jiān)控，并可以根據(jù)權(quán)限進(jìn)行相關(guān)操作。

4.2.7 用戶安全管理。 提供完備的安全保護(hù)機(jī)制以保證生產(chǎn)過程的安全可靠，對不同類型的用戶定義不同的級(jí)別，并可根據(jù)級(jí)別限制對重要的工藝參數(shù)修改，以有效避免生產(chǎn)過程中的誤操作。對于遠(yuǎn)程登陸的用戶可以由管理員實(shí)施管制，防止局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)內(nèi)其它用戶登陸系統(tǒng)。

4.2.8 操作日志。自動(dòng)記錄操作人員執(zhí)行操作的時(shí)間和操作內(nèi)容，對操作人員的任何操作動(dòng)作如注冊、注銷、查詢、打印、遙控等都進(jìn)行存儲(chǔ)，存儲(chǔ)條目包括操作時(shí)間、操作人員、操作類別、操作內(nèi)容等。

4.2.9 事件記錄。對現(xiàn)場發(fā)生的事件進(jìn)行屏幕顯示、報(bào)警和存儲(chǔ)。事件記錄自動(dòng)進(jìn)行，并提供對以往時(shí)間記錄的查詢功能。系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)自動(dòng)記錄系統(tǒng)狀態(tài)變化、操作過程等重要事件，一旦發(fā)生事故，可就以做為分析事故的依據(jù)，為實(shí)現(xiàn)事故追憶提供基礎(chǔ)資料。

4.2.10 歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)備件功能。把實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)按“數(shù)據(jù)變化保存”方式保存到數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)內(nèi)以備查詢，要求利用關(guān)系數(shù)據(jù)庫和力控?cái)?shù)據(jù)庫結(jié)合的形式實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)和查詢要求。數(shù)據(jù)可以備份到存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的服務(wù)器也可以備份到其它計(jì)算機(jī)上，同時(shí)也可以異地備份。

4.3 上位機(jī)通訊

上位機(jī)與PLC通訊。上位機(jī)與PLC經(jīng)CP 243-1模塊通過公司光纖環(huán)網(wǎng)使用TCP/IP協(xié)議通訊。

上位機(jī)與人機(jī)界面通訊。力控組態(tài)軟件FC 6.0平臺(tái)與昆侖通態(tài)人機(jī)界面的通訊設(shè)置采用以太網(wǎng)方式，在FC 6.0的IO設(shè)備組態(tài)中，選擇MODBUS TCP驅(qū)動(dòng)，配置地址、IP及端口號(hào)。

5 數(shù)字化

公司在總部廠區(qū)建有百兆光纖環(huán)網(wǎng)，采用工業(yè)級(jí)自愈環(huán)以太網(wǎng)光纖交換機(jī)，自愈環(huán)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，光纖交換機(jī)使用OPLC光纖復(fù)合電纜連接并集中供電，整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)路切換時(shí)間可達(dá)到20ms，并可支持遠(yuǎn)程管理和故障告警功能，極大地提高了通信系統(tǒng)的安全性。

在工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)上布置了雙服務(wù)器冗余系統(tǒng)，質(zhì)檢樓設(shè)置集控室，辦公樓設(shè)置中心機(jī)房，質(zhì)檢樓的服務(wù)器與辦公樓中心機(jī)房的服務(wù)器彼此監(jiān)視對方，并提供心跳鏈路監(jiān)視兩臺(tái)機(jī)器的服務(wù)，當(dāng)其中一個(gè)服務(wù)器出現(xiàn)故障時(shí)，第二個(gè)服務(wù)器承擔(dān)整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控任務(wù)。當(dāng)故障的服務(wù)器恢復(fù)運(yùn)行時(shí)，所有事件內(nèi)容和過程值歸檔都同步的對方服務(wù)器。

集控室及公司內(nèi)網(wǎng)人員在連接到工業(yè)通信網(wǎng)后均可以根據(jù)授權(quán)登錄系統(tǒng)，并且連接到中心機(jī)房服務(wù)器，由值班人員全程監(jiān)督養(yǎng)護(hù)過程。同時(shí)現(xiàn)場的監(jiān)控?cái)z制機(jī)也通過網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器由上述電路傳輸?shù)郊厥摇?/p>

[1]張成軍，南彥波，樊甲忍. 對預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）蒸養(yǎng)制度的分析[J]. 山西水利科技，2002（3）：39-42

[2]劉江文，戴冠秀.基于PLC的混凝土蒸汽養(yǎng)護(hù)池模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用， 2008（12）：20-22

[3]陶權(quán)，謝彤.基于PLC的過程控制實(shí)驗(yàn)裝置溫度模糊PID控制[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用， 2010（10）：22-26

G322

B

1007-6344（2015）12-0129-02

根 濤，男，1983年出生，大學(xué)，工程師，現(xiàn)在山東電力管道工程公司研發(fā)中心，從事PCCP生產(chǎn)設(shè)備管理及關(guān)鍵設(shè)備研發(fā)工作11年。高春花，女，1983年出生，大學(xué)，工程師?，F(xiàn)在山東電力管道工程公司安全質(zhì)量部從事PCCP質(zhì)保工作8年。