水泥混凝土智能蒸汽養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用研究

黃立浦， 徐有為， 陳康軍

(1.長沙學(xué)院, 湖南 長沙　410003;　2.湖南聚創(chuàng)建筑科技有限公司, 湖南 長沙　410019)

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水泥混凝土智能蒸汽養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用研究

黃立浦1， 徐有為2， 陳康軍2

(1.長沙學(xué)院, 湖南 長沙410003;2.湖南聚創(chuàng)建筑科技有限公司, 湖南 長沙410019)

冬季低溫環(huán)境的混凝土養(yǎng)護(hù)措施是否得當(dāng)關(guān)乎混凝土的強(qiáng)度形成及裂縫開展。本文通過分析當(dāng)前各種冬季混凝土養(yǎng)護(hù)方式存在的不科學(xué)、不規(guī)范、不精細(xì)以及能耗高、污染重的現(xiàn)狀，引入智能控制技術(shù)與無線傳感技術(shù)結(jié)合蒸汽養(yǎng)護(hù)施工工藝，設(shè)計了一套智能化蒸汽養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)用于現(xiàn)場混凝土施工養(yǎng)護(hù)，并對其現(xiàn)場應(yīng)用情況進(jìn)行了分析總結(jié)。

混凝土； 蒸汽養(yǎng)護(hù)； 智能控制； 溫濕度

1　概述

冬季低溫環(huán)境下的混凝土養(yǎng)護(hù)，北方嚴(yán)寒地區(qū)一般采用燃煤蒸汽養(yǎng)護(hù)，南方濕冷地區(qū)一般采用常壓燒水供熱，小型煤爐蓄熱等方式，隨著霧霾的日益加重，全社會對PM2.5的高度關(guān)注，北方常用的燃煤蒸汽養(yǎng)護(hù)以及南方常采用的小型煤爐蓄熱養(yǎng)護(hù)的方式均會產(chǎn)生二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳等有害氣體以及PM2.5。此類燃煤蒸汽蓄熱的方式已不能被全社會接受，我國水電能源相對較為充裕，同時不會產(chǎn)生此類污染，因此，電熱產(chǎn)生蒸汽的方式盡管在費用方面略高，經(jīng)濟(jì)效益略差，但具有良好的社會效益，相比之下，混凝土電熱蒸汽養(yǎng)護(hù)方式已逐步推廣使用，隨著可編程邏輯控制器在工業(yè)控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，基于電熱蒸汽的基礎(chǔ)上，引入無線測控技術(shù)與計算機(jī)數(shù)據(jù)處理技術(shù)，以實現(xiàn)現(xiàn)場電熱蒸汽養(yǎng)護(hù)的自動化與程序化，同時提高其養(yǎng)護(hù)的精確性與科學(xué)性是完全可行的。

2　目前的混凝土冬季養(yǎng)護(hù)方式及其存在的問題分析

目前冬季低溫環(huán)境的混凝土養(yǎng)護(hù)，北方地區(qū)一般采用的燃煤蒸汽養(yǎng)護(hù)，南方地區(qū)一般采用蜂窩煤爐蓄熱養(yǎng)護(hù)和熱水養(yǎng)護(hù)，電熱蒸汽養(yǎng)護(hù)目前也逐步推廣使用。

① 燃煤蒸汽養(yǎng)護(hù)。此方式在產(chǎn)生蒸汽的過程中，同時產(chǎn)生大量的有害氣體(二氧化碳,二氧化硫，氮氧化物)以及PM2.5。一些較大的預(yù)制梁場，需要投入較多資金建設(shè)蒸汽鍋爐房以及沿梁場所有臺座處布置蒸汽輸送管，蒸汽輸送管的輸送距離過遠(yuǎn)也直接導(dǎo)致沿途熱量損耗大，且蒸汽養(yǎng)護(hù)的過程中需要人工24 h不間斷輪班。

② 蜂窩煤爐蓄熱養(yǎng)護(hù)。此方式一般在覆蓋的混凝土內(nèi)放置若干小型蜂窩煤爐，通過燃燒煤爐產(chǎn)生的熱量進(jìn)行蓄熱保溫，其在保濕上沒有任何效果，且在燃燒過程中產(chǎn)生較多的一氧化碳?xì)怏w，而一氧化碳在于混凝土表面接觸后會加劇混凝土的碳化，同時一氧化碳的存在于養(yǎng)護(hù)棚罩內(nèi)對進(jìn)入內(nèi)部的施工人員存在較大的安全隱患。

③ 冬季熱水養(yǎng)護(hù)。此方式一般通過電熱方式將水燒至一定溫度再噴灑在混凝土表面上，有一定的保溫保濕效果，但隨著水的流失熱量散失快，混凝土表面一些區(qū)域或蓄水，供熱不及時，溫度下降時可能結(jié)冰。

④ 電熱蒸汽養(yǎng)護(hù)。此方式通過電熱產(chǎn)生蒸汽，無污染，但在施工過程中仍需要人為控制啟動與停止，通過人工測量養(yǎng)護(hù)的溫度與濕度去判斷是否供應(yīng)蒸汽，因而養(yǎng)護(hù)質(zhì)量與操作人員的責(zé)任性關(guān)系很大，尤其是夜間進(jìn)行溫度測量工作等難以落實，所有存在較大的局限性。

3　水泥混凝土智能蒸汽養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)的原理及總體設(shè)計

3.1系統(tǒng)基本原理

水泥混凝土智能蒸汽養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)有養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)主機(jī)、若干從機(jī)，無線溫濕度監(jiān)測終端、養(yǎng)護(hù)管路、養(yǎng)護(hù)棚架等5部分組成。主機(jī)用于設(shè)置養(yǎng)護(hù)工藝參數(shù)以及進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總處理及控制；主機(jī)可控制1臺或多臺從機(jī)，每臺主機(jī)或從機(jī)對應(yīng)一臺無線溫濕度監(jiān)測終端，用于監(jiān)測該主機(jī)或從機(jī)對應(yīng)的養(yǎng)護(hù)區(qū)域的溫度與濕度；從機(jī)用于根據(jù)主機(jī)指令啟動其對對應(yīng)養(yǎng)護(hù)區(qū)域的蒸汽輸送啟停；蒸汽管路根據(jù)待養(yǎng)護(hù)混凝土的結(jié)構(gòu)形狀或尺寸布置和開孔；養(yǎng)護(hù)棚架用于覆蓋待養(yǎng)護(hù)混凝土以保證養(yǎng)護(hù)狀態(tài)的維持。

通過養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)主機(jī)設(shè)置養(yǎng)護(hù)工藝參數(shù)，無線溫濕度終端每30 s將其所在區(qū)域的溫濕度傳輸給主機(jī)無線匯集終端，期間通過MODBUS通訊實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，主機(jī)CPU根據(jù)既定程序進(jìn)行運算處理并根據(jù)計算結(jié)論指令主機(jī)或從機(jī)蒸汽閥門開、閉通過蒸汽養(yǎng)護(hù)管路往養(yǎng)護(hù)棚罩內(nèi)輸送蒸汽，同時無線溫濕度監(jiān)測終端不間斷的傳回溫濕度監(jiān)測數(shù)據(jù)執(zhí)行下一輪的處理?；驹硪妶D1。

圖1　系統(tǒng)基本原理圖 Figure 1　The system principle diagram

3.2系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)原理圖為實現(xiàn)以上功能而配置了相應(yīng)的硬件元器件，核心部件包括可編程邏輯控制器PLC，無線溫濕度監(jiān)測終端與無線溫濕度匯集終端；電熱蒸汽產(chǎn)氣器、人機(jī)交互界面-嵌入式工業(yè)平板電腦以及無線控制開關(guān)等等，其中無線控制開關(guān)用于執(zhí)行主機(jī)指令從機(jī)蒸汽電磁閥的開啟與關(guān)閉，電熱蒸汽產(chǎn)生器用于產(chǎn)生低壓飽和蒸汽，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)見圖2。

3.3系統(tǒng)的硬件選型參數(shù)

3.3.1可編程邏輯控制器

俗稱PLC，它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入輸出信號控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。本次設(shè)計采用SIEMENSS7-200 224XP 一體式CPU模塊，其集成度高、使用方便、編程直觀明了、功能強(qiáng)、性價比高、適應(yīng)性強(qiáng)、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、維護(hù)方便。

3.3.2無線溫濕度測試終端

系統(tǒng)采用的無線測溫測濕終端防護(hù)等級為IP68，能滿足戶外全天候運行，測量精度可達(dá)溫度±0.5 ℃，濕度±3% ，信號傳輸距離遠(yuǎn)，有效傳輸距離200 m以上。

3.3.3無線溫濕度匯集終端

無線溫濕度匯集終端與無線溫濕度測試終端，1臺無線溫濕度匯集終端可對應(yīng)多套無線溫濕度測試終端，兩者之間通過MODBUS通訊實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，測試終端每30 s更新一次溫濕度數(shù)據(jù)，無線匯集終端將信號I/O轉(zhuǎn)換后輸出至中央處理器PLC中。

3.3.4人機(jī)界面

采用工業(yè)計算機(jī)作為系統(tǒng)的人機(jī)界面，由工業(yè)計算機(jī)通過自身的485串口與PLC進(jìn)行ModBUS通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫并將養(yǎng)護(hù)過程的數(shù)據(jù)寫入外接的存儲介質(zhì)供用戶對養(yǎng)護(hù)全過程進(jìn)行追溯。并以人機(jī)界面的時鐘作為養(yǎng)護(hù)控制施工時鐘，其時鐘保持時間為5 a，即系統(tǒng)在5 a以內(nèi)可保證時鐘的準(zhǔn)確性。

3.3.5蒸汽電磁閥

本次設(shè)計選用的電磁閥為專用蒸汽電磁閥，常閉式，可在介質(zhì)溫度-5 ℃-180 ℃、壓力0.03～1.60 MPa下正常工作，功率24 W，采用AC220 V驅(qū)動。

3.3.6無線控制開關(guān)

無線控制開關(guān)成對使用，分為無線控制開關(guān)IO采集端與無線輸出開關(guān)IO輸出端，相互之間采用ZIGBEE無線傳輸，本次設(shè)計僅需要無線啟動或關(guān)閉蒸汽電磁閥，選用開關(guān)量輸出、輸入搭配，傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)1000 m，采用外置2.4G SMA天線，發(fā)射功率25 dbm，工作溫度-40～85 ℃，工作濕度10%～90%RH不結(jié)露，接受靈敏度-106 dbm，無線速率2.4 G(ISM全球免費頻段)。其工作過程為：IO采集段接受PLC開關(guān)量輸出信號，通過ZIGBEE無線傳輸，再由IO輸出端輸出相應(yīng)的開關(guān)量。

3.4系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.4.1系統(tǒng)軟件的基本構(gòu)成及主要功能

系統(tǒng)的軟件設(shè)計遵循實用、簡單的原則，分為上位機(jī)與下位機(jī)程序兩部分。下位機(jī)集中邏輯與控制編程，程序?qū)懭隤LC中。上位機(jī)程序用于人機(jī)交互，C++編程，程序?qū)懭肭度胧焦た赜嬎銠C(jī)中。通過上位機(jī)程序界面輸入?yún)?shù)并將指令給下位機(jī)驅(qū)動各元器件執(zhí)行處理，同時下位機(jī)將采集的數(shù)據(jù)反饋給上位機(jī)顯示在程序界面上。上位機(jī)與下位機(jī)之間通過485串口通訊。

3.4.2控制工藝流程及框圖

① 靜置階段。溫度設(shè)置值T=10 ℃，誤差區(qū)間±2 ℃，無線采集的溫濕度經(jīng)中央處理器處理后溫度高于設(shè)定溫度2 ℃時，PLC指令停止輸送蒸汽；無線溫濕度度采集的溫度數(shù)據(jù)低于設(shè)定溫度2 ℃時，PLC指令開啟輸送蒸汽。

② 升溫階段。溫濕設(shè)置值a=5～8 ℃，誤差區(qū)間±2 ℃，控制流程如下：升溫速度大于設(shè)置速率2 ℃時，PLC停止蒸汽輸送；：升溫速度未超出設(shè)置速率2 ℃時，繼續(xù)輸送蒸汽，如圖3所示。

圖3　升溫控制工藝流程圖Figure 3　The process chart of the warming-up control

③ 恒溫階段。溫度設(shè)置值a=45～60 ℃，誤差區(qū)間±3 ℃；濕度設(shè)置b=90%～95%RH，控制流程如下：無線采集溫度低于設(shè)置溫度3 ℃，濕度低于8%RH，PLC指令輸送蒸汽；無線溫濕度采集溫度高于設(shè)置溫度3 ℃，PLC指令停止輸送蒸汽。

④ 降溫階段。溫度設(shè)置值a=3～5 ℃，誤差區(qū)間±2 ℃，控制流程如下：降溫速度大于設(shè)置速率2 ℃時，PLC指令蒸汽輸送；降溫速度未超出設(shè)置速率2 ℃時，PLC指令停止蒸汽輸送。

4　智能蒸汽養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)的現(xiàn)場應(yīng)用

4.1智能蒸汽養(yǎng)護(hù)現(xiàn)場應(yīng)用概況

本次設(shè)計的智能蒸汽養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)樣機(jī)2014年1月份應(yīng)用于湖南湘西某高速公路預(yù)制梁場，該梁場為25 m預(yù)應(yīng)力混凝土空心小箱梁，冬季施工進(jìn)度1 d生產(chǎn)1片梁，現(xiàn)場配置1臺主機(jī)，3臺從機(jī)，對應(yīng)的無線溫濕度測試終端4臺，每片梁板設(shè)置一組共2臺(主機(jī)+1臺從機(jī)或兩臺從機(jī))，分別在預(yù)制箱梁的兩端就近放置，參數(shù)設(shè)置靜置時間為5 h，靜置溫度10 ℃，升溫速率為7 ℃，恒溫溫度為45 ℃，恒溫養(yǎng)護(hù)試件30 h，降溫速率為4.0 ℃。使用過程中每0.5 h時間點的養(yǎng)護(hù)溫度與濕度進(jìn)行了記錄，同時記錄了該時間點的環(huán)境溫度與濕度進(jìn)行比對。為避免拆模時溫度驟降，拆模時間選擇在中午溫度較高時，拆膜后即開始智能蒸汽養(yǎng)護(hù)施工。根據(jù)現(xiàn)場要求，蒸汽養(yǎng)護(hù)工藝部分參數(shù)做了修改，恒溫溫度降低至45 ℃，恒溫養(yǎng)護(hù)時間做了縮減。每個設(shè)備自帶的水箱連接梁場自來水，接電啟動后自動運行至結(jié)束。

4.2智能蒸汽養(yǎng)護(hù)現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果

以左3-1號梁養(yǎng)護(hù)為列，圖4、圖5為左3-1號梁養(yǎng)護(hù)過程溫度、濕度于環(huán)境溫度、濕度的對比曲線圖，養(yǎng)護(hù)開始時間為1月4日10:25，養(yǎng)護(hù)結(jié)束時間為1月6日上午11:25。

圖4　養(yǎng)護(hù)過程溫度變化曲線Figure 4　The change curve of the curing temperature

圖5　養(yǎng)護(hù)過程濕度變化曲線Figure 5　The change curve of the curing humiture

實際升溫持續(xù)時間6 h，自12 ℃升高至46.5 ℃，升溫速率5.75 ℃/h；恒溫時間持續(xù)為30 h，平均溫度為45.2 ℃，最大偏差為3.5 ℃；降溫持續(xù)時間為8 h，自46.0 ℃降溫至11.2 ℃，降溫速率為4.38 ℃。養(yǎng)護(hù)過程最低濕度為85.5%RH；最高濕度為94.5%RH，平均濕度為90.4%RH。

通過以上曲線以及前述實測技術(shù)參數(shù)分析可知，應(yīng)用智能蒸汽養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)在蒸汽養(yǎng)護(hù)過程中濕度平均值約為90%RH，且偏離較少，保證度高；養(yǎng)護(hù)過程溫度升溫、恒溫、降溫時間均達(dá)到程序預(yù)設(shè)要求，雖在恒溫過程中溫度偶有降低至42 ℃以下、48 ℃以上，但系統(tǒng)在檢測到溫度變化后隨即對蒸汽的輸送進(jìn)行了調(diào)整，恒溫狀態(tài)得以維持。

5　結(jié)論

① 目前普遍使用冬季燃煤蒸汽養(yǎng)護(hù)方式在節(jié)能、環(huán)保方面已不能滿足現(xiàn)行需求，無污染、環(huán)保型的智能化替代產(chǎn)品的發(fā)展將逐步取而代之。

② 智能蒸汽養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)的將無線傳感技術(shù)、工業(yè)程控技術(shù)、計算機(jī)數(shù)據(jù)處理技術(shù)與傳統(tǒng)蒸汽養(yǎng)護(hù)工藝結(jié)合，實現(xiàn)了蒸汽養(yǎng)護(hù)過程的全自動化，減少了人工投入，降低了勞動強(qiáng)度。

③ 智能蒸汽養(yǎng)護(hù)技術(shù)實現(xiàn)了養(yǎng)護(hù)溫度、濕度的實時準(zhǔn)確監(jiān)測、無線傳輸與及時處理，為養(yǎng)護(hù)決策提供了及時可靠的數(shù)據(jù)，且處理過程智能化，降低了對使用者的能力要求，具有更好的適用性。

④ 智能蒸汽養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)設(shè)備體積小、移動方便，組合靈活，適用性強(qiáng)，一臺主機(jī)可以控制多臺從機(jī)聯(lián)機(jī)工作，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)之間相互交換與并行不悖，一套系統(tǒng)框架內(nèi)實現(xiàn)不同養(yǎng)護(hù)區(qū)域可處于不同的養(yǎng)護(hù)狀態(tài)，相互之間互不影響。

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The Design and Application Research of Concrete Intelligent Steam Curing System

HUANG Lipu1, XU Youwei2, CHEN Kangjun2

(1.Changsha University, Changsha,Hunan 410003,China;2.Hunan Jochon Architecture Technology Co.,Ltd, Changsha,Hunan 410019,China)

In winter low temperature environment, the strength forming of concrete and the developing of the cracks are influenced by whether the proper concrete curing measures have been taken. In this article, the current concrete curing forms in winter have been analyzed, which are not scientific, standard, fine and high energy consumption, severe pollution. Besides , the intelligent control technology and the wireless sensing technology have been introduced, combing with the construction technology of steam curing, a set of intelligent steam curing system has been designed, which can be used for curing of concrete construction in field and the field application is analyzed and summarized.

concrete; steam curing; intelligent control; temperature and humidity

2015 — 03 — 19

長沙市科技計劃項目(k1407031-11)

黃立浦(1980 — )，男，湖南長沙人，工程師、講師，主要從事結(jié)構(gòu)、材料試驗研究工作。

U 418.3

A

1674 — 0610(2016)04 — 0242 — 04