，，

(1.貴州交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽 550008；2.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025；3.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 茶葉研究所，貴州 貴陽 550006)

0 引言

在預(yù)應(yīng)力工程應(yīng)用中最重要的環(huán)節(jié)就是預(yù)應(yīng)力鋼絞線的張拉，預(yù)應(yīng)力張拉的效果能夠完全決定整個(gè)工程的施工質(zhì)量[1]。預(yù)應(yīng)力張拉過程是一個(gè)復(fù)雜的非線性力的分配和傳遞過程，盡管較高的張拉力能夠使構(gòu)件的抗裂性良好，但是預(yù)應(yīng)力張拉施工如果達(dá)不到規(guī)范要求的張拉精度，輕則會(huì)引起構(gòu)件縱向裂紋，對(duì)橋梁構(gòu)件的耐久性造成影響，重則預(yù)應(yīng)力構(gòu)件出現(xiàn)橫向裂縫、預(yù)應(yīng)力鋼絞線拉斷等事故。

傳統(tǒng)的張拉設(shè)備施工過程中存在很多問題：工作人員手動(dòng)控制油泵，兩端張拉的同步性無法得到保證；操作人員手動(dòng)測(cè)量鋼絞線的伸長(zhǎng)值，測(cè)量誤差大、效率低等。針對(duì)上述問題，本文提出了基于PLC的預(yù)應(yīng)力智能張拉系統(tǒng)的研究，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)張拉過程的自動(dòng)控制、對(duì)鋼絞線伸長(zhǎng)值和張拉控制力的雙重控制，實(shí)時(shí)采集控制力和鋼絞線的伸長(zhǎng)值，并將數(shù)據(jù)同步顯示在觸摸屏上，保證張拉精度在2%的范圍內(nèi)，從而解決張拉過程中施工效率和精度的問題。

1 預(yù)應(yīng)力智能張拉系統(tǒng)的總體方案

預(yù)應(yīng)力張拉方法分為：先張法和后張法，其中，后張法預(yù)應(yīng)力具有較好的靈活性，廣泛應(yīng)用于預(yù)應(yīng)力施工中[2]。預(yù)應(yīng)力鋼絞線的張拉方式分別有：?jiǎn)味藦埨?、兩端張拉、分段張拉等。本研究采用的是后張法?duì)鋼絞線進(jìn)行兩端張拉。

本文研究的預(yù)應(yīng)力智能張拉系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的設(shè)備上進(jìn)行改造的，配以液壓系統(tǒng)(主泵站和副泵站)、控制系統(tǒng)、千斤頂?shù)?，遠(yuǎn)程通訊采用無線方式[3]，可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同步張拉，筆記本電腦僅用于直接生產(chǎn)張拉報(bào)表等，圖1所示為預(yù)應(yīng)力智能張拉系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

圖1 預(yù)應(yīng)力智能張拉系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

整個(gè)預(yù)應(yīng)力張拉系統(tǒng)控制的原理是：首先在人機(jī)界面上輸入相應(yīng)的張拉參數(shù)和控制指令來設(shè)定系統(tǒng)所需要的張拉應(yīng)力，通過位移傳感器測(cè)量的鋼絞線伸長(zhǎng)量作為校核量、壓力傳感器測(cè)量的預(yù)應(yīng)力為控制對(duì)象[4]，當(dāng)控制系統(tǒng)檢測(cè)到應(yīng)力和鋼絞線伸長(zhǎng)量達(dá)不到預(yù)應(yīng)力施工規(guī)范要求及不滿足同步張拉，通過調(diào)整液壓系統(tǒng)中的輸入電流信號(hào)，來改變一側(cè)張拉速度，保證兩端張拉的同步性、準(zhǔn)確性。

2 預(yù)應(yīng)力智能張拉系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 液壓系統(tǒng)的原理

本文設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)能夠?yàn)轭A(yù)應(yīng)力張拉系統(tǒng)提供穩(wěn)定的壓力輸出，保證了預(yù)應(yīng)力張拉的準(zhǔn)確率，圖2所示張拉系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)工作原理圖：操作人員設(shè)定系統(tǒng)油壓值，系統(tǒng)開始工作，電機(jī)油泵輸出液壓油，通過換向閥流至液壓缸中驅(qū)動(dòng)液壓缸進(jìn)行張拉操作，通過位移傳感器校核鋼絞線的伸長(zhǎng)值、壓力傳感器測(cè)量張拉預(yù)應(yīng)力，如果發(fā)現(xiàn)張拉不同步，則張拉較快的一側(cè)改變輸入電流信號(hào)來調(diào)整比例溢流閥的開口面積，影響進(jìn)入液壓缸內(nèi)部的液壓油，降低其張拉速率，保證兩端張拉的實(shí)時(shí)同步性。

1-電機(jī)；2-油泵；3-單向閥；4-壓力表；5-電液比例溢流閥；6-安全閥；7-過濾器；8-三位四通換向閥；9-壓力傳感器；10-負(fù)載；11-液壓缸；12-控制系統(tǒng)。圖2 張拉系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)工作原理圖

2.2 液壓系統(tǒng)的建模

在建立狀態(tài)方程之前，考慮系統(tǒng)的理想化，系統(tǒng)忽略了管道中液壓油的泄漏、液壓油的黏度受溫度的影響以及液壓缸內(nèi)部各處壓力相等等因素[5]。利用功率鍵合圖的方法建立狀態(tài)方程：

(1)

(2)

式(1)、式(2)中：A為油缸面積；B為負(fù)載及活塞的阻尼系數(shù)；F外為外負(fù)載力；K為負(fù)載彈簧剛度；M為負(fù)載質(zhì)量；x8為負(fù)載位移；P為系統(tǒng)壓力；beta為油液的彈性；P為系統(tǒng)壓力；q1為油泵輸出流量；q2為溢流閥溢流出流量；V為油缸體積；v8為負(fù)載運(yùn)動(dòng)速度。

根據(jù)比例溢流閥開口與溢出流量之間的關(guān)系、控制溢流閥的輸入電流信號(hào)與溢流閥開口面積之間的關(guān)系，分別列出下式：

(3)

(4)

式(3)、式(4)中：Cd為溢流閥的節(jié)流系數(shù)；ρ為液壓油液密度；A(s)為溢流閥開口面積；A(s)max為溢流閥最大開口面積；Imax為最大控制電流信號(hào)；I(s)為輸入電流信號(hào)；ωy為溢流閥的振蕩頻率；ζy為溢流閥阻尼比。

根據(jù)表1模型中各參數(shù)數(shù)值，將式(1)、式(2)、式(3)和式(4)建立子系統(tǒng)并在Matlab/Simulink中搭建液壓系統(tǒng)的仿真模型，如圖3。

表1 模型中各參數(shù)數(shù)值

圖3 液壓系統(tǒng)Simulink仿真模型

2.3 液壓系統(tǒng)的仿真結(jié)果

圖4 液壓系統(tǒng)Simulink仿真結(jié)果

采用ode45s和變不長(zhǎng)進(jìn)行解算，運(yùn)行Simulink仿真程序，圖4所示為液壓系統(tǒng)Simulink仿真結(jié)果，系統(tǒng)油壓經(jīng)過一段時(shí)間后趨于穩(wěn)定，達(dá)到張拉系統(tǒng)預(yù)先設(shè)置的油壓，其誤差范圍小于0.1%，仿真時(shí)間為31.38 s，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較快。該仿真結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)通過操作人員改變輸入的電流信號(hào)，影響溢流閥的開口面積[6]，改變進(jìn)入液壓缸內(nèi)部的油量，為預(yù)應(yīng)力張拉控制系統(tǒng)提供張拉所需要的油壓，保障了預(yù)應(yīng)力張拉施工的準(zhǔn)確率和時(shí)效性。

3 預(yù)應(yīng)力智能張拉系統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 張拉控制系統(tǒng)的原理

張拉控制系統(tǒng)是以可編程控制器PLC為核心元件，本文采用的PLC硬件是CP1L-EM3ODR-D，位移傳感器測(cè)量的預(yù)應(yīng)力鋼絞線伸長(zhǎng)值與壓力傳感器測(cè)量的油壓值經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊傳輸至PLC中，PLC檢測(cè)到的數(shù)據(jù)與之前計(jì)算的理論伸長(zhǎng)值和系統(tǒng)預(yù)設(shè)的油壓進(jìn)行對(duì)比分析，如果不滿足張拉施工規(guī)范要求(預(yù)應(yīng)力鋼絞線實(shí)際伸長(zhǎng)值與理論伸長(zhǎng)值的誤差范圍為±6%，同步張拉力值小于±2%)，則系統(tǒng)通過程序設(shè)計(jì)來改變輸入液壓系統(tǒng)中的電流信號(hào)繼續(xù)進(jìn)行張拉，再進(jìn)行檢測(cè)、分析、處理，實(shí)現(xiàn)整個(gè)過程的閉環(huán)控制，并且張拉數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在觸摸屏上生成報(bào)表或曲線，圖5所示為張拉控制系統(tǒng)的原理。

圖5 張拉控制系統(tǒng)的原理

3.2 張拉控制系統(tǒng)的初始化設(shè)計(jì)

圖6所示為預(yù)應(yīng)力張拉施工工藝流程，在張拉過程中分為一級(jí)張拉、二級(jí)張拉、三級(jí)張拉及保壓階段，每個(gè)階段都有相應(yīng)的預(yù)應(yīng)力鋼絞線伸長(zhǎng)值及系統(tǒng)油壓設(shè)定值，操作人員只需要在人機(jī)界面上輸入相關(guān)參數(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)張拉過程的自動(dòng)化，操作簡(jiǎn)單，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

圖6 預(yù)應(yīng)力張拉施工的工藝流程

根據(jù)張拉工藝流程對(duì)控制進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，首先要進(jìn)行初始化，保證PLC與觸模屏正常通信[7]，軟件設(shè)計(jì)又包括程序控制設(shè)計(jì)(同步張拉控制設(shè)計(jì))、故障報(bào)警設(shè)計(jì)、通信設(shè)計(jì)、人機(jī)界面設(shè)計(jì)等。根據(jù)同步張拉控制設(shè)計(jì)要求，對(duì)PLC的輸入輸出端子進(jìn)行分配，表2所示為輸入輸出端子分配。

表2 輸入輸出端子分配

3.3 張拉控制系統(tǒng)的人機(jī)界面設(shè)計(jì)

圖7 人機(jī)界面參數(shù)設(shè)置

操作人員通過人機(jī)界面設(shè)定張拉工藝參數(shù)，在人機(jī)界面設(shè)計(jì)中，觸摸屏上的每個(gè)輸入按鈕與PLC中的相關(guān)地址關(guān)聯(lián)起來，這樣更改人機(jī)界面上的參數(shù)設(shè)置就是將參數(shù)輸入與其對(duì)應(yīng)的PLC字節(jié)地址中，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的PLC程序控制操作，操作簡(jiǎn)單方便。人機(jī)界面設(shè)計(jì)包含有：初始界面、參數(shù)設(shè)置界面、張拉數(shù)據(jù)存儲(chǔ)界面以及查看EXCEL報(bào)表界面。其中，參數(shù)設(shè)置界面設(shè)計(jì)如圖7。

3.4 張拉控制系統(tǒng)的同步控制設(shè)計(jì)

預(yù)應(yīng)力智能張拉系統(tǒng)對(duì)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件進(jìn)行兩端張拉控制時(shí)，選擇其中一個(gè)作為主控制站，同步控制設(shè)計(jì)是在通訊協(xié)議、無線發(fā)送模塊和接受程序的基礎(chǔ)上進(jìn)行的[8]。在主控制站的內(nèi)部，將副控制站傳送來的相關(guān)信息與主控制站數(shù)據(jù)比較，如果兩端的數(shù)據(jù)值差超過5 mm或者2%，那么對(duì)于數(shù)據(jù)小的那端，需使張拉的速度慢慢增大，數(shù)據(jù)大的那端保存不變，直到兩種直接的數(shù)據(jù)誤差在5 mm以內(nèi)或者2%以內(nèi)，達(dá)到同步控制的要求，然后再返回執(zhí)行主程序，整個(gè)過程張拉同步控制設(shè)計(jì)如圖8。

圖8 張拉同步控制設(shè)計(jì)

4 預(yù)應(yīng)力智能張拉系統(tǒng)在工程實(shí)踐中的應(yīng)用

圖9 預(yù)應(yīng)力智能張拉系統(tǒng)研究應(yīng)用在施工現(xiàn)場(chǎng)

目前該系統(tǒng)研究已應(yīng)用在很多工程實(shí)踐中，如在貴州思遵高速公路第十五合同段和貴州松銅高速公路第三合同段等，在施工過程中應(yīng)該注意：液壓設(shè)備遠(yuǎn)離熱源，防止電火花飛濺在軟管和油缸上，同時(shí)避免液壓設(shè)備暴露在溫度高于65℃的環(huán)境中；油管在使用前檢查有無裂紋，接頭是否牢靠，防止在使用中發(fā)生事故；設(shè)備不能超載使用，不要試圖張拉超過油缸最大承載力的預(yù)應(yīng)力束，超載使用會(huì)引起設(shè)備失效或人員受傷等[9]。圖9所示為預(yù)應(yīng)力智能張拉系統(tǒng)研究應(yīng)用在施工現(xiàn)場(chǎng)，張拉數(shù)據(jù)能夠直觀的顯示在觸摸屏上，圖10所示為預(yù)應(yīng)力張拉數(shù)據(jù)記錄表、圖11所示為預(yù)應(yīng)力張拉位移—時(shí)間曲線與油壓—時(shí)間曲線。

圖10 預(yù)應(yīng)力張拉數(shù)據(jù)記錄表

圖11 預(yù)應(yīng)力張拉位移-時(shí)間曲線與油壓-時(shí)間曲線

根據(jù)預(yù)應(yīng)力張拉數(shù)據(jù)記錄表中，可以看出張拉對(duì)應(yīng)的橋梁編號(hào)、1級(jí)力值/2級(jí)力值/3級(jí)力值、每級(jí)張拉油壓和位移以及伸長(zhǎng)量值(第一級(jí)伸長(zhǎng)量、第二級(jí)伸長(zhǎng)量、第三級(jí)伸長(zhǎng)量和三級(jí)伸長(zhǎng)量總和)等數(shù)據(jù)，此報(bào)表只用于減少人工獲取數(shù)據(jù)的工作量，后期張拉率的計(jì)算需要自行完成，通過計(jì)算兩頂兩端對(duì)稱張拉時(shí)，各千斤頂之間同步張拉力誤差小于2%，滿足預(yù)應(yīng)力張拉施工規(guī)范要求。

5 總結(jié)

本文研究的預(yù)應(yīng)力智能張拉系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用在張拉檢測(cè)工程中，預(yù)應(yīng)力智能張拉系統(tǒng)與傳統(tǒng)張拉設(shè)備相比，具有以下特點(diǎn)：

1)本文通過利用功率鍵合圖建模的方法對(duì)電液比例閥控液壓系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型。根據(jù)液壓系統(tǒng)功率走向和功率鍵合圖節(jié)點(diǎn)相應(yīng)的特征，建立狀態(tài)方程數(shù)學(xué)模型，然后在Simulink中搭建系統(tǒng)仿真模型，根據(jù)輸入不同電流信號(hào)仿真分析，由于設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)無極變速調(diào)節(jié)系統(tǒng)油壓，能到達(dá)到各種張拉工況需要的張拉應(yīng)力。

2)PLC和觸摸屏組合控制方式。即將微電腦集入泵站內(nèi)，主副泵站之間無線通訊，在泵站觸摸屏上操作，以減少冗余件，提高系統(tǒng)可靠性，減少故障率，張拉過程歷史數(shù)據(jù)再現(xiàn)，便于質(zhì)量控制和管理。

3)采用PLC技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)閉環(huán)反饋液壓系統(tǒng)的精確壓力控制，自動(dòng)張拉的控制力值精度可以達(dá)到±1.5%，并能實(shí)現(xiàn)雙控； 兩臺(tái)以上千斤頂對(duì)稱兩端張拉時(shí)，各頂之間同步張拉力誤差小于2%。

4)具有斷電保持功能，防止張拉過程意外斷電造成張拉數(shù)據(jù)丟失，重新上電后可以接著繼續(xù)張拉。

基金項(xiàng)目：貴州省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目：預(yù)應(yīng)力智能張拉系統(tǒng)的研制(項(xiàng)目編號(hào)：2015-123-042)。