周孝鋒，繆小平，江 豐，張 迪

(解放軍理工大學(xué)國防工程設(shè)備環(huán)境及智能化軍隊(duì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210007)

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基于Profibus-DP的鋼絲主纜內(nèi)部狀態(tài)測控系統(tǒng)

周孝鋒，繆小平，江 豐，張 迪

(解放軍理工大學(xué)國防工程設(shè)備環(huán)境及智能化軍隊(duì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210007)

由于鋼絲主纜內(nèi)部狀態(tài)測控具有位置分散性與參數(shù)多樣性的特點(diǎn)，將現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)引入測控系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了基于現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)的測控系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)主纜內(nèi)部溫度、相對(duì)濕度、壓力等參數(shù)的實(shí)時(shí)采集存儲(chǔ)、監(jiān)測報(bào)警，以及對(duì)除濕機(jī)、變頻風(fēng)機(jī)等設(shè)備的連鎖、極值和均值控制等。上位機(jī)使用組態(tài)進(jìn)行操作，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)時(shí)顯示信息，為主纜干燥方法提供了可靠的測控系統(tǒng)保障。

Profibus-DP; 工業(yè)以太網(wǎng)；PLC; 測控系統(tǒng)；鋼絲主纜

0 引言

鋼絲主纜是懸索橋結(jié)構(gòu)中最重要的構(gòu)件，不僅承擔(dān)著主纜的自重荷載，而且起到把負(fù)載傳遞至主塔和錨碇的作用，被視作橋身的“生命線”。在自然環(huán)境和荷載作用下主纜內(nèi)的鋼絲不可避免地會(huì)產(chǎn)生腐蝕與損傷，直接導(dǎo)致主纜強(qiáng)度退化，因此對(duì)其進(jìn)行檢測就顯得尤為重要。

傳統(tǒng)的方法是定期對(duì)主纜鋼絲進(jìn)行人工檢測：破開表層，解除纏絲，楔開主纜，然后才能對(duì)主纜內(nèi)部的鋼絲狀況進(jìn)行人工觀察測試[1]。整個(gè)過程繁瑣，操作過程困難，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且容易對(duì)內(nèi)部鋼絲造成不良影響。本文針對(duì)主纜的空氣干燥法，應(yīng)用現(xiàn)代工業(yè)檢測和控制技術(shù)[2-3]，設(shè)計(jì)了基于Profibus-DP現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)的鋼絲主纜內(nèi)部狀態(tài)測控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)主纜鋼絲干燥過程自動(dòng)化，監(jiān)測過程可視化，以達(dá)到測量資源共享、測控結(jié)合的目的。

1 懸索橋主纜鋼絲干燥流程

研究表明，鋼絲所處環(huán)境濕度高于60﹪時(shí)就會(huì)產(chǎn)生銹蝕現(xiàn)象。相比傳統(tǒng)的密封防腐措施，防止主纜生銹更有效的方法是如何使主纜內(nèi)的鋼絲長期處于一個(gè)相對(duì)濕度較低的環(huán)境。目前國際上先進(jìn)的主纜防腐方法是干燥空氣法。這種方法通過將處理后的干燥空氣送入主纜，帶走主纜中的水分，從而起到保護(hù)主纜的作用。

懸索橋的主纜由鍍鋅鋼絲組合而成的，其間有20%左右的空隙，主纜外表設(shè)有密閉護(hù)套層。主纜除濕系統(tǒng)通過送氣管和送氣罩將干空氣注入主纜鋼絲空隙，干空氣在主纜空隙內(nèi)流動(dòng)，降低主纜空隙內(nèi)的空氣濕度，最后從排氣罩排出。主纜除濕系統(tǒng)工作流程為：粗過濾空氣→精過濾處理→除濕機(jī)除濕→風(fēng)機(jī)送風(fēng)→冷卻→送氣管輸氣→送氣罩送氣→主纜內(nèi)除濕→排氣罩排氣，主纜除濕系統(tǒng)工作流程見圖1。

圖1 主纜干燥系統(tǒng)工作流程

2 鋼絲主纜測控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 鋼絲主纜測控系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

主纜鋼絲測控系統(tǒng)的網(wǎng)路結(jié)構(gòu)主要分為上位機(jī)監(jiān)控層和現(xiàn)場測控層兩層?，F(xiàn)場測控層主要分為主站和從站兩級(jí)，主站采用PLC作為測控單元，通過編寫控制程序完成對(duì)設(shè)備層的數(shù)據(jù)采集與處理及設(shè)備控制；從站是指來自現(xiàn)場的設(shè)備。主站PLC和從站之間采用Profibus-DP現(xiàn)場總線進(jìn)行全數(shù)字化高速通信，構(gòu)成Profibus-DP總線系統(tǒng)。上位機(jī)監(jiān)控層通過組態(tài)軟件開發(fā)上位機(jī)測控系統(tǒng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)測控系統(tǒng)的監(jiān)控。監(jiān)控層上位機(jī)與現(xiàn)場測控層主站PLC之間采用工業(yè)以太網(wǎng)通信。測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 測控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.1.1 主站S7-300設(shè)計(jì)

DP主站選擇S7-300 PLC CPU315-2DP的作測控系統(tǒng)主站。CPU315-2DP是一款適合于中等規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的PLC，其可擴(kuò)展性好、通信能力強(qiáng)，運(yùn)行穩(wěn)定、抗干擾性強(qiáng)，同時(shí)可與遠(yuǎn)程 I/O 模塊之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。CPU315-2P 帶一個(gè)符合EN5170標(biāo)準(zhǔn)的Profibus-DP接口，通過這個(gè)接口可以實(shí)現(xiàn)Profibus-DP通信。本系統(tǒng)中，通過Profibus-DP通信專用的屏蔽雙絞線，將主站CPU的DP口與各從站的DP口依次串接，Profibus-DP傳輸速度為最大可達(dá)到12 Mbps。

電源模塊選用型號(hào)為PS307 10A，輸入電壓為220V AC，輸出電壓為24V DC。CP343-1 Lean模塊是S7-300PLC的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)通信模塊，利用該模塊通過標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP傳輸協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控層上位機(jī)與控制層主站PLC之間的數(shù)據(jù)通信，通信速率可達(dá)100Mbps。 CP340-RS232C是S7-300PLC的串行通訊模塊，用來接收來自總線型參數(shù)儀的數(shù)據(jù)。

2.1.2 從站設(shè)計(jì)

DP從站是進(jìn)行輸入信息采集和輸出信息發(fā)送的外圍設(shè)備，它只與組態(tài)它的DP主站交換用戶數(shù)據(jù)，向該主站報(bào)告本地診斷中斷和過程中斷。

在主纜鋼絲測控系統(tǒng)中，對(duì)于溫濕度傳感器和壓力傳感器等現(xiàn)場設(shè)備，由于不具備Profibus-DP接口，不能直接接入Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)，通過R-8017模擬量采集模塊和R-8018BL熱電偶采集模塊，利用RS485總線通信技術(shù)將數(shù)據(jù)通過總線型參數(shù)儀傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中。

除濕機(jī)組由自帶S7-200系列PLC控制，PLC具體配置為如表1所示。CPU224自身有程序存儲(chǔ)器，可以進(jìn)行編程，并按程序指令驅(qū)動(dòng)I/O，EM231為擴(kuò)展模擬量輸入模塊。從站DO點(diǎn)為機(jī)組的啟?？刂泣c(diǎn)，DI點(diǎn)為機(jī)組故障連鎖點(diǎn)，如壓縮機(jī)電流過載、壓縮機(jī)超溫保護(hù)、壓縮機(jī)的高低壓保護(hù)、電源相序錯(cuò)誤等，EM231為模擬量輸入模塊。CPU224由于本身不帶DP口，所以必須通過EM277模塊的DP端口連接到Profibus-DP總線網(wǎng)絡(luò)。作為Profibus-DP主站的一個(gè)從站，CPU224存儲(chǔ)器中有一段特定區(qū)域作為與主站通信的共享數(shù)據(jù)區(qū)，主站可通過Profibus-DP現(xiàn)場總線間接控制從站的I/O。

表1 S7-200設(shè)備選型

系統(tǒng)選用了2臺(tái)變頻器控制送風(fēng)機(jī)和冷卻風(fēng)機(jī)，每臺(tái)變頻器都選配了標(biāo)準(zhǔn)Profibus-DP通信接口，無需特殊網(wǎng)絡(luò)單元，通過Profibus-DP通信適配器可直接連入現(xiàn)場總線，作為Profibus-DP現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)從站，接受主站控制。主站可在線實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器頻率設(shè)定、起?？刂啤?shù)修改和狀態(tài)查詢等功能。

2.2 傳感器及其布置方法

2.2.1 傳感器的選用

溫度測量采用T分度號(hào)熱電偶，其主要特點(diǎn)為：體積小，便于安裝，感溫速度快；不受雨水影響，可浸泡在水中；兩線制，熱電偶線可長距離傳輸信號(hào)。

濕度測量采用熱固性聚合物電容傳感器，帶集成信號(hào)處理電路3針可焊塑封。其主要特點(diǎn)：0～100%RH的全量程覆蓋；-40～85℃的寬工作溫度范圍覆蓋；精度高，達(dá)±2%RH；穩(wěn)定性好，低溫漂，抗化學(xué)腐蝕性能，可在主纜內(nèi)長期使用。

壓力測量采用Model 268微差壓變送器：由不銹鋼膜片與固定電極構(gòu)成一個(gè)可變電容，壓力變化時(shí)，電容值發(fā)生變化。

2.2.2 傳感器的布置方法

為了實(shí)時(shí)監(jiān)測主纜內(nèi)鋼絲各個(gè)位置的所處環(huán)境狀態(tài)，需要在主纜鋼絲中埋入溫濕度、壓力傳感器。由于主纜為一個(gè)圓柱體，為了體現(xiàn)測量在整體分布上的有效性，軸向和徑向上分布的均勻性，以從進(jìn)氣罩到索夾部位段為例，在軸向上等間距取四個(gè)截面處，徑向上每個(gè)截面間采用相對(duì)錯(cuò)開的傳感器分布設(shè)置。傳感器布置點(diǎn)的截面選取與主纜中傳感器位置示意圖分別如圖3、圖4所示。

圖3 傳感器布置點(diǎn)的截面選取

傳感器在主纜鋼絲中的布置方法如圖5所示，引出線由外徑約5.2 mm的空心金屬管中分別引出，該空心金屬管也將各測點(diǎn)的信號(hào)引出。主纜在生成時(shí)，從圖 3和圖4所示的每個(gè)埋設(shè)點(diǎn)開始，截?cái)噤摻z，其后部分置換為空心金屬管，然后將溫濕度傳感器、壓力傳感器置入，但要注意不要損傷傳感器的信號(hào)感應(yīng)部分。在進(jìn)氣罩到索夾位置區(qū)間共設(shè)置有1-1、2-2、3-3和4-4四個(gè)截面，每個(gè)截面分別設(shè)置7個(gè)測點(diǎn)，每個(gè)測點(diǎn)包括溫度傳感器、濕度傳感器和壓力傳感器。

圖5 傳感器布置現(xiàn)場圖

3 測控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測的實(shí)現(xiàn)

主纜除濕系統(tǒng)要求實(shí)時(shí)測量內(nèi)部鋼絲所處環(huán)境的溫度、濕度和壓力。由于布設(shè)的測點(diǎn)多，且測量精度高，所以不可能采取人工采集數(shù)據(jù)的方法。

根據(jù)測控需要，開發(fā)研制了1套數(shù)據(jù)采集和演示系統(tǒng)，可形象地描述傳感器位置和每次實(shí)驗(yàn)的溫濕度及壓力變化，便于直觀形象地對(duì)測量得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測分析。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，傳輸?shù)絽?shù)采集儀后再上傳計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)、顯示和打印。各檢測點(diǎn)的工作狀態(tài)能夠?qū)崟r(shí)掌控，通過實(shí)時(shí)報(bào)警，及時(shí)處理現(xiàn)場設(shè)備出現(xiàn)的各種故障，確保各測點(diǎn)參數(shù)的實(shí)效性。系統(tǒng)將自動(dòng)整理匯集數(shù)據(jù)運(yùn)行參數(shù)，按用戶要求的報(bào)表格式，可定時(shí)或不定時(shí)打印報(bào)表，供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析處理。圖6為鋼絲主纜內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)測界面。

圖6 鋼絲主纜內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)測界面

3.2 內(nèi)部狀態(tài)控制設(shè)計(jì)

3.2.1 設(shè)備連鎖控制

為了保證送入空氣都是經(jīng)過過濾與除濕處理的，在設(shè)備的開啟與關(guān)閉階段需要對(duì)其順序進(jìn)行連鎖控制。

開啟連鎖控制：過濾器-除濕機(jī)-送風(fēng)機(jī)-冷卻器。

關(guān)閉連鎖控制：送風(fēng)機(jī)-冷卻器-除濕機(jī)-過濾器。

3.2.2 相對(duì)濕度控制

相對(duì)濕度是造成主纜鋼絲腐蝕生銹的主因，所以在測控系統(tǒng)中，相對(duì)濕度是控制的最重要參數(shù)。由于主纜測控點(diǎn)分散分布，數(shù)量繁多，為保證相對(duì)濕度的控制質(zhì)量，采用極值控制與均值控制相結(jié)合的方法，通過調(diào)節(jié)除濕機(jī)的參數(shù)來控制主纜內(nèi)部相對(duì)濕度?？刂屏鞒倘鐖D7所示，當(dāng)最不利濕度值大于55%時(shí)或是所有監(jiān)測點(diǎn)得到的相對(duì)濕度均值大于50%時(shí)，除濕機(jī)進(jìn)入最大工況除濕，除此之外通過PLC對(duì)平均相對(duì)濕度進(jìn)行設(shè)定值的PID控制，控制設(shè)定值一般設(shè)為45%。

圖7 相對(duì)濕度控制流程圖

3.2.3 壓力控制

壓力控制的目的是保持主纜內(nèi)相對(duì)于外界環(huán)境的相對(duì)正壓值，以防止外部濕空氣通過主纜外層的一些縫隙、細(xì)小破損處侵入主纜內(nèi)，造成鋼絲腐蝕。所以在控制時(shí)是采用極值控制原則，通過控制送風(fēng)機(jī)的風(fēng)機(jī)頻率來保證最不利風(fēng)壓點(diǎn)的微正壓值。

3.2.4 溫度控制

由于溫度對(duì)鋼絲腐化作用影響十分有限，所以可采用均值控制原則，通過控制冷卻風(fēng)機(jī)的頻率使各個(gè)測點(diǎn)的平均溫度值在設(shè)計(jì)上限值之下。

3.3 測控平臺(tái)設(shè)計(jì)

通過主服務(wù)器上的組態(tài)軟件設(shè)計(jì)了適用于主纜干燥過程的測控平臺(tái)，如圖8所示，可實(shí)時(shí)觀測大橋主纜整個(gè)干燥流程，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

圖8 測控系統(tǒng)平臺(tái)畫面

4 結(jié)束語

本文針對(duì)懸索橋主纜干燥這一特殊工藝流程設(shè)計(jì)了鋼絲內(nèi)部狀態(tài)測控系統(tǒng)。系統(tǒng)基于Profibu-DP和工業(yè)以太網(wǎng)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)通信框架，應(yīng)用PLC的主從站設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)監(jiān)測與設(shè)備控制管理。文中詳細(xì)介紹了傳感器的布置方法，采用了多參數(shù)狀態(tài)監(jiān)測下的均值控制與極值控制思想，實(shí)現(xiàn)了主纜干燥流程的自動(dòng)控制。

[1] 陳小雨，沈銳利，張培炎，等.懸索橋主纜的內(nèi)部檢測.世界橋梁，2013，41(1):86-90.

[2] 郎學(xué)政，許同樂，李中華.基于Modbus協(xié)議的PLC在自動(dòng)供水監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用.儀表技術(shù)與傳感器，2013(2):62-64.

[3] 王文軍，王亞明，郝愛云.PLC在卷煙廠加香工序的應(yīng)用.儀表技術(shù)與傳感器，2009( 10) :64-66．

Interior Status Measurement and Control System for Steel Wire Main Cable Based on Profibus-DP

Zhou Xiao-feng,MIAO Xiao-ping,JIANG Feng,ZHANG Di

(Military Key Laboratory of Defense Engineering Environmental Equipment and Intelligence, PLA University of Science and Technology,Nanjing 210007,China)

Due to the diversity of measurement parameters and decentralization of their locations for interior status measurement of the steel wire main cable,the field bus and industry Ethernet were applied to the measurement and control system.The real-time acquisition,storage,monitoring and alarming of the inside temperature,relative humidity and pressure were realized in the designed system.Meanwhile,interlock,extreme and mean controls were executed for equipment such as the dehumidification and frequency conversion fans.Host computer using configuration realized remote monitoring and Real-time information display，and provided reliable measurement and control system security to the main cable dry method.

Profibus-DP; industrical ethernet; PLC; measurement and control system; steel wire main cable

部省聯(lián)合攻關(guān)項(xiàng)目(2008-353-332-170)

2015-03-11 收修改稿日期：2015-05-12

TU731.5

A

1002-1841(2015)07-0071-03

周孝鋒(1985— )，博士研究生，主要研究方向?yàn)橹悄軠y試技術(shù)及智能化系統(tǒng)。E-mail：ppddtzhou@163.com. 繆小平(1957— )，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究領(lǐng)域?yàn)閲拦こ汰h(huán)境設(shè)備及智能化系統(tǒng)。