于正航 馬月輝 王 嬋

(石家莊鐵道大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北 石家莊 050000)

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混凝土箱梁噴淋養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

于正航 馬月輝 王 嬋

(石家莊鐵道大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北 石家莊 050000)

針對傳統(tǒng)的混凝土箱梁自然養(yǎng)護(hù)過程易受操作者主觀因素影響，造成養(yǎng)護(hù)不及時、遺漏、難以標(biāo)準(zhǔn)化等問題，設(shè)計了以可編程邏輯控制器(PLC)為核心的自動噴淋養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)。根據(jù)制梁場箱梁數(shù)量多、占地廣、地理環(huán)境復(fù)雜等特點，采用擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，既實現(xiàn)了分布式控制模塊的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交換，又實現(xiàn)了操作臺、PLC、遠(yuǎn)程擴(kuò)展模塊以及傳感器之間的信息互聯(lián)。京沈線黑山制梁場的應(yīng)用表明，該系統(tǒng)提高了自然養(yǎng)護(hù)條件下箱梁的品質(zhì)，達(dá)到了設(shè)計目標(biāo)，具有良好的工程應(yīng)用前景。

箱梁 噴水養(yǎng)護(hù) PLC控制 無線通信 人機(jī)界面 遠(yuǎn)程控制單元 擴(kuò)展模塊 標(biāo)準(zhǔn)化

Standardization

0 引言

當(dāng)前,鐵路建設(shè)工程的主體是客運(yùn)專線。為了更好地滿足行車舒適性、減少工后沉降、節(jié)省工程建設(shè)用地，在客運(yùn)專線的鐵路建設(shè)中更多地采用以橋帶路方案。由此，橋梁成為了客運(yùn)專線鐵路工程主體，這也對預(yù)制梁質(zhì)量和數(shù)量提出了更高的要求[1-2]。箱梁在澆灌成型后，通常其表面的潮濕狀態(tài)要保持15天以上。當(dāng)混凝土灌注完成后，其強(qiáng)度基本為0，任何失水收縮均會造成表面裂紋，因此需對其進(jìn)行一段時間的噴淋養(yǎng)護(hù)工作。傳統(tǒng)噴淋主要采用人工灑水或者時間繼電器與電磁閥的簡單組合方式。受操作人員的責(zé)任意識和工作態(tài)度的影響，該方式時常導(dǎo)致養(yǎng)護(hù)不及時或出現(xiàn)漏養(yǎng)問題，使混凝土表面產(chǎn)生裂紋，造成強(qiáng)度不夠等問題[3-4]。為提高生產(chǎn)效率、降低工人勞動強(qiáng)度以及員工數(shù)量，需對其進(jìn)行自動化操作系統(tǒng)設(shè)計。隨著PLC的廣泛應(yīng)用，結(jié)合現(xiàn)代科技，對噴淋養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計，實現(xiàn)箱梁養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)化操作，對提高箱梁的整體品質(zhì)起著十分積極的作用。

為達(dá)到要求，設(shè)計了一種通過人機(jī)交互方式對系統(tǒng)進(jìn)行控制與監(jiān)控的系統(tǒng)。通過無線通信的方式，遠(yuǎn)程控制梁場各個片區(qū)的養(yǎng)護(hù)過程，并按定點抽樣檢測的方式將箱梁的養(yǎng)護(hù)狀態(tài)反饋到人機(jī)界面[5],方便操作者實時監(jiān)控，實現(xiàn)了人員、控制系統(tǒng)、梁場三者之間的信息互聯(lián)。

1 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計

本系統(tǒng)以中鐵建大橋工程局黑山制梁場為依托。該制梁場中，主要存放箱梁的臺座區(qū)域呈5×10(即每列放5根梁，共分10列)方式分布。設(shè)計建造的箱梁長32 m，梁高3 m，底寬 5.74 m，頂寬13.4 m。該區(qū)域縱向排列密集，箱梁的頂部間距小于1 m。各箱梁的橫向間距為3.0 m左右。箱梁的大體積導(dǎo)致了盡管采用密集排列方式，整個養(yǎng)護(hù)區(qū)域的占地面積仍很大。使用無線通信控制方式，可以節(jié)約大量的布線。每個遠(yuǎn)程控制模塊有16個I/O輸出端子，也即每3列設(shè)置一個遠(yuǎn)程控制單元，控制相應(yīng)箱梁的電磁閥。

為保持箱梁表面濕潤，采用霧化噴頭將水均勻噴灑于箱梁表面。每個箱梁配備6個霧化噴頭，以電磁閥作為噴頭的開關(guān)。本系統(tǒng)采用集約化手段，控制分散在梁場中的各個噴頭。通過人機(jī)界面選擇需要養(yǎng)護(hù)的箱梁，把PLC以及無線遠(yuǎn)程控制器作為媒介，控制各個霧化噴頭電磁閥的通斷，實現(xiàn)遠(yuǎn)程集約化設(shè)計，達(dá)到提升品質(zhì)、省時省力的功效。

箱梁的噴水養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)主要由主控制器、遠(yuǎn)程控制器、電磁閥以及噴淋管道組成。系統(tǒng)總體拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 系統(tǒng)總體拓?fù)鋱D

為了系統(tǒng)化、規(guī)范化操作，每個箱梁養(yǎng)護(hù)點的位置都有其固定的編號，箱梁將以編號的形式反映在人機(jī)界面。工人為整個系統(tǒng)的頂層控制者，負(fù)責(zé)在人機(jī)界面選擇需要養(yǎng)護(hù)的箱梁，并設(shè)置所需的養(yǎng)護(hù)參數(shù)。PLC為信息匯總處理與指令發(fā)送的機(jī)構(gòu)，在控制中起到至關(guān)重要的作用。其接收控制器屏輸入的信息，并通過無線模塊控制著遠(yuǎn)程控制器，從而間接控制各個電磁閥[6]。箱梁養(yǎng)護(hù)的運(yùn)行狀態(tài)以及完成情況也將通過無線傳輸顯示于人機(jī)界面，供記錄與監(jiān)測。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件部分由以下三大部分組成：

①主控PLC與控制器屏；

②遠(yuǎn)程擴(kuò)展模塊；

③無線通信模塊。

系統(tǒng)的控制核心是人機(jī)界面與PLC構(gòu)成的上、下位機(jī)。擴(kuò)展模塊用來擴(kuò)展輸出接口。檢測箱梁養(yǎng)護(hù)狀態(tài)的傳感器將信號反饋給數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，通過無線傳輸?shù)姆绞皆谌藱C(jī)界面進(jìn)行顯示。

2.1 主控PLC與控制器屏

PLC具有環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定的特點，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。主控制屏采用臺達(dá)DOP-B07S515，擁有豐富的外圍接口，支持RS-232/485通信接口，滿足設(shè)計要求。當(dāng)工作人員在人機(jī)界面選定需要養(yǎng)護(hù)的箱梁編號，設(shè)置好養(yǎng)護(hù)時間并啟動系統(tǒng)后，PLC首先接收到人機(jī)界面?zhèn)鬏數(shù)臄?shù)據(jù)；然后按照內(nèi)置梯形圖運(yùn)行程序；最后送出指令控制各個遠(yuǎn)程擴(kuò)展模塊，實現(xiàn)相應(yīng)電磁閥的開合與延時。

2.2 遠(yuǎn)程擴(kuò)展模塊選型與布置

單臺PLC的輸出端口無法滿足使用要求，需使用擴(kuò)展模塊增加控制輸出的端口。采用M-2002模塊作為遠(yuǎn)程擴(kuò)展模塊，使用高速ARM處理器作為控制單元，擁有隔離的RS-485通信接口，具有靜電釋放(electro static discharge,ESD)、過壓、過流保護(hù)功能，避免了施工現(xiàn)場信號對模塊通信接口的影響，使通信穩(wěn)定、可靠[7]。制梁場占地面積大的特點決定了控制系統(tǒng)的分散式分布。通過無線通信方式，可以降低布線成本和故障率，便于統(tǒng)一管理，提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。PLC按照RS-485協(xié)議，通過無線模塊與各個遠(yuǎn)程控制單元進(jìn)行無線連接。主控PLC及遠(yuǎn)程控制單元的I/O輸出端口將間接控制噴水養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)的電磁閥。

2.3 無線通信模塊

無線通信模塊采用基于SX1276無線通信方案的APC340模塊，采用SEMTECH最新LoRa擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)[8-9]，配合8位高速低功耗單片機(jī)，適用于對功耗、傳輸距離要求極高的應(yīng)用場合，以替代有線RS-232、RS-485通信方式。在傳輸距離達(dá)到3 000 m的同時,該模塊仍可保持0.81 Kbit/s的傳輸速率，能夠滿足制梁場大范圍的環(huán)境要求。PLC發(fā)出的對遠(yuǎn)程控制器進(jìn)行控制的信號將由通信模塊完成。檢測箱梁溫度與濕度的傳感器將數(shù)據(jù)首先傳輸?shù)竭h(yuǎn)程控制器[10-11]，再通過無線模塊傳輸?shù)絇LC，最終將傳感器參數(shù)顯示于人機(jī)界面以便觀察。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)由軟硬件共同構(gòu)成，兩者互相依靠，缺一不可。對于PLC的程序編制，現(xiàn)階段的主流方式為通過梯形圖編制，具有直觀易懂的優(yōu)點。人機(jī)界面將操作者的意志傳遞給PLC進(jìn)行相應(yīng)動作，這個過程需要使用軟件進(jìn)行編制。通過軟件開發(fā)商提供的WPLSoft、DOPsoft和AutoCAD等軟件，實現(xiàn)了硬件與軟件之間的有機(jī)統(tǒng)一，達(dá)到了設(shè)計目標(biāo)。

3.1 觸摸屏軟件設(shè)計

通過對人機(jī)界面進(jìn)行編號設(shè)計，可以方便、直觀地對整個梁場的箱梁進(jìn)行選定。同時該界面上需要設(shè)計不同的功能按鈕，以實現(xiàn)所需功能。本系統(tǒng)所選箱梁編號將作特殊顯示，系統(tǒng)具有養(yǎng)護(hù)時間設(shè)定、啟動/復(fù)位與暫停、傳感器參數(shù)顯示區(qū)域3個功能。

①人機(jī)界面編號設(shè)計。人機(jī)界面是操作者與整個系統(tǒng)溝通的橋梁，對其頁面的設(shè)計要確保直觀、簡潔、完善。各個預(yù)制梁將按照編號顯示在顯示屏上，可對相應(yīng)的編號進(jìn)行選定。由于梁場的大規(guī)模性，無法在一頁屏幕上完全顯示，因此采用分頁設(shè)計，各個頁面之間可以相互切換。每個按鈕的正下方設(shè)置一紅色指示燈，被選中的按鈕將加陰影，同時紅色指示燈點亮；再次按下將復(fù)位，指示燈熄滅。

②人機(jī)界面功能設(shè)計。操作者可以對養(yǎng)護(hù)時間進(jìn)行設(shè)置。當(dāng)時間與所要養(yǎng)護(hù)的箱梁選擇完畢后，點擊“運(yùn)行”按鈕，PLC將按照要求依次進(jìn)行養(yǎng)護(hù)過程。界面設(shè)有“暫停”鍵，點擊后系統(tǒng)立即停止運(yùn)行，再次點擊繼續(xù)養(yǎng)護(hù)，由此應(yīng)對突發(fā)事件。養(yǎng)護(hù)完成后，系統(tǒng)自動復(fù)位。當(dāng)前時刻、溫度、濕度以及養(yǎng)護(hù)剩余時間也都被列出，供使用者觀察。

3.2 控制軟件

通過使用臺達(dá)公司推出的DOPsoft，對PLC進(jìn)行梯形圖編寫。人機(jī)界面對箱梁進(jìn)行選取后，將以二進(jìn)制數(shù)形式記錄于16位寄存器，選中記為1，未被選記為0。對于所選中的預(yù)制梁，PLC將控制遠(yuǎn)程擴(kuò)展模塊，導(dǎo)通相應(yīng)電磁閥進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。導(dǎo)通的同時，PLC內(nèi)置的倒計時裝置啟動，該時間為通過人機(jī)界面所輸入的時間。倒計時結(jié)束后，相應(yīng)電磁閥關(guān)斷，進(jìn)行下一個編號的判斷處理。如果該編號未被選中，則系統(tǒng)空操作，直接進(jìn)行下一個編號的判斷。

3.3 通信軟件設(shè)計

APC340通信模塊的使用相當(dāng)靈活，使用該公司推出的收發(fā)模塊軟件RF-Magic，通過PC機(jī)接UART 到 RS-232接口轉(zhuǎn)換板，即可對其進(jìn)行設(shè)置。APC340設(shè)置采用HEX碼和波特率為9 600 bit/s無效驗?zāi)Ｊ?，具有讀設(shè)置命令與寫設(shè)置命令。

各個遠(yuǎn)程控制器均具有相應(yīng)的無線編號，當(dāng)PLC需要將某一電磁閥關(guān)閉時，對相應(yīng)編號的遠(yuǎn)程控制器發(fā)出無線指令，控制其各個電磁閥的通斷。當(dāng)PLC倒計時結(jié)束后，PLC向其發(fā)送復(fù)位指令，控制所有電磁閥斷開，等待下一條指令。

4 結(jié)束語

以PLC為核心的噴水養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)，經(jīng)由人機(jī)界面選定所需養(yǎng)護(hù)的對象，再由PLC進(jìn)行處理并作出反應(yīng)，從而遙控電磁閥進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

本系統(tǒng)以中鐵建大橋工程局黑山制梁場為依托，對梁場噴淋養(yǎng)護(hù)的控制系統(tǒng)進(jìn)行研究與設(shè)計。該系統(tǒng)收到了預(yù)期效果，降低了工人的工作強(qiáng)度，提高了箱梁品質(zhì)，實現(xiàn)了安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、便利的設(shè)計理念。

隨著我國鐵路事業(yè)的不斷高速發(fā)展，以及國家“一帶一路”政策的實施，可以預(yù)見，今后預(yù)制梁的養(yǎng)護(hù)工作將面臨更大的壓力。因此，迫切需要提高其養(yǎng)護(hù)的自動化程度，并擴(kuò)大養(yǎng)護(hù)規(guī)模。本系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用前景。

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Design and Implementation of the Spraying Conserving System for Concrete Box Girder

Against to the issues that the traditional natural conserving process of concrete box girders is influenced easily by subjective factors of the operators, which causes the conserving process is not timely, being omitted, and difficult to be standardized, an automatic spraying conserving system with PLC as the core is designed.According to the features of beam fabrication field, e.g., large number of box girders, covering a wide area, and complex geographical environment, the spread spectrum modulation technique is used to realize remote data exchange between distributed control modules; and information interconnection among console, PLC, remote expansion modules and sensors.The system has been applied in Heishan beam fields of Beijing-Shenyang railway, and the quality of box girders has been enhanced under natural conserving conditions; the design goals have been achieved; and a bright prospect of engineering application has been shown.

Box girder Spraying conserving PLC control Wireless communication HMI Remote control units Expansion module

于正航(1992—)，男，現(xiàn)為石家莊鐵道大學(xué)電氣工程專業(yè)在讀碩士研究生；主要從事鐵路施工裝備控制系統(tǒng)的研究。

TH86;TP273

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201611025

修改稿收到日期：2016-04-17。