劉海棠，方彥軍，王業(yè)震，段亞輝，謝 雄

(1.武漢大學(xué)電氣與自動化學(xué)院，湖北武漢 430072；2.武漢大學(xué)，水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430072)

0 引言

混凝土澆注冷卻防裂技術(shù)是混凝土施工領(lǐng)域的研究重點(diǎn)[1]。目前大部分混凝土澆注通水冷卻工作由人工完成，人工噴淋冷卻以經(jīng)驗(yàn)操作，存在少灑或過量灑的問題，不能達(dá)到噴淋控制的最優(yōu)化，因而無法保證混凝土澆注的防裂水平。隨著施工智能化理念的提出[2-3]，智能化理念在混凝土澆注冷卻防裂領(lǐng)域逐漸得到了體現(xiàn)，但該領(lǐng)域目前少有能投入實(shí)際應(yīng)用的自動化控制系統(tǒng)。

基于上述問題，提供了一套自動化通水冷卻控制系統(tǒng)[4-5]，該系統(tǒng)使用STM32單片機(jī)作為控制核心接收溫度傳感器數(shù)據(jù)、控制電磁閥開閉，使用搭載基于C#WinForm開發(fā)的控制軟件的工業(yè)計算機(jī)作為系統(tǒng)主機(jī)，結(jié)合LoRa物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，具有安裝調(diào)試方便、自動化程度高、人機(jī)交互友好、可擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)，可以有效提高混凝土施工領(lǐng)域的科學(xué)化和自動化水平。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，該控制系統(tǒng)以系統(tǒng)主機(jī)作為監(jiān)控中心，系統(tǒng)主機(jī)通過LoRa物聯(lián)網(wǎng)與各戶外控制箱通信，接收戶外控制箱發(fā)送的數(shù)據(jù)或由人工主動查詢設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，亦可人工干預(yù)各戶外控制箱運(yùn)行。同時，各戶外控制箱之間獨(dú)立運(yùn)行，一個戶外控制箱測量一個監(jiān)測點(diǎn)的溫度并控制該混凝土段的電磁閥從而控制通水冷卻的啟停。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 溫度測量電路

施工領(lǐng)域一般采用熱電阻探頭作為溫度傳感器測量混凝土內(nèi)部溫度。為了獲得熱電阻的準(zhǔn)確阻值，設(shè)計了一種溫度測量電路，這一測量電路主要由恒流源電路、電壓測量電路、電壓放大電路及A/D采樣電路組成，采用ICL7660產(chǎn)生-5 V電壓源，使用AD780產(chǎn)生2.5 V標(biāo)準(zhǔn)電壓，采用LTC2420采集電壓值并通過SPI通信方式與單片機(jī)通信。

2.1 恒流源電路

熱電阻的測量方式為：使用恒流源驅(qū)動熱電阻，再測量熱電阻兩端的電壓值，根據(jù)歐姆定律可以計算出熱電阻阻值。如圖2所示，該恒流源采用精密運(yùn)算放大器LMP7704的其中2個精密運(yùn)放，輸出電流為

(1)

通過改變R2即可改變輸出電流值。為了保證輸出電流不影響熱電阻自身溫度，這一電流值應(yīng)盡量小，以免影響測量精度。

圖2 恒流源電路

2.2 電壓測量電路

如圖3所示，為了抵消熱電阻的線電阻影響，采用了三線制熱電阻和運(yùn)算放大器。恒流源輸出Iout連接三線制Pt100電阻的接口1，電流依次流經(jīng)Rw1，Rx，Rw3，從而運(yùn)算放大器U4的反相輸入電壓為

U-=URw1+URx+URw3

(2)

U4的同相輸入電壓為

U+=URx+URw3

(3)

又由于三線制Pt100的3根引線材質(zhì)相同、長度相同，可以認(rèn)為

Rw1=Rw2=Rw3

(4)

根據(jù)運(yùn)算放大器原理，可知U4的輸出電壓為

Uout1=2U+-U-

(5)

圖3 熱電阻電壓信號調(diào)理電路

由此可知U4的輸出電壓即為熱電阻兩端電壓。由于恒流源輸出電流較小，導(dǎo)致U4輸出電壓較小，為提高測量精度，在U4后串接一個運(yùn)算放大器U5，該運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)為10倍，因此

Uin=10IoutRx

(6)

當(dāng)Rx為100 Ω時，Uin值為2 V。根據(jù)熱電阻的溫度與電阻關(guān)系，即可得到溫度值。

3 控制器硬件系統(tǒng)

控制系統(tǒng)子單元由戶外控制箱及溫度傳感器、電磁閥等組成，戶外控制箱完成采集溫度傳感器數(shù)據(jù)、控制電磁閥開閉、存儲運(yùn)行參數(shù)和與系統(tǒng)主機(jī)通信等功能，它的控制核心為STM32F103型單片機(jī)，該型單片機(jī)具有72 MHz主頻，接口相對較完善，性價比較高。電磁閥驅(qū)動電路主要由光電隔離器件和繼電器組成。電源模塊需要將220 V電源降壓為12、5、3.3 V電源，從而為整個控制系統(tǒng)子單元供電。

戶外控制箱采用定制的ABS防水箱，根據(jù)需求開孔，安裝防水航空插頭。防水箱內(nèi)各部分器件采用螺絲或泡沫膠帶固定。如圖4所示，戶外控制箱內(nèi)包含電源模塊、存儲模塊、A/D采樣模塊、LoRa透傳模塊、單片機(jī)和電磁閥驅(qū)動電路等部分。單片機(jī)通過A/D采樣模塊采集溫度傳感器數(shù)據(jù)，從而得到混凝土內(nèi)部采樣點(diǎn)的溫度值，根據(jù)溫度值進(jìn)行計算從而控制電磁閥的開閉，繼而控制混凝土內(nèi)部通水冷卻的啟停。同時，單片機(jī)將運(yùn)行參數(shù)包括溫度值、電磁閥開閉狀態(tài)值等通過SPI總線方式保存至存儲卡，通過串口和LoRa透傳模塊發(fā)送到系統(tǒng)主機(jī)。

圖4 控制器硬件結(jié)構(gòu)圖

4 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件由2部分組成，分別為控制器軟件和系統(tǒng)主機(jī)軟件?？刂破鬈浖褂肅語言編寫并燒寫至單片機(jī)，需要完成采集溫度數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)處理、電磁閥控制、數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)上傳和響應(yīng)主機(jī)命令等任務(wù)。

系統(tǒng)主機(jī)軟件使用C#WinForm功能完成，系統(tǒng)主機(jī)軟件采用并行任務(wù)處理模式，接收到數(shù)據(jù)后需要解析數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)用曲線圖、表格等形式展示出來，并將數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫以備調(diào)用。

4.1 控制器軟件

控制器軟件采用時鐘中斷和串口接收中斷觸發(fā)任務(wù)，時鐘中斷需要在60 s周期內(nèi)完成60次溫度采集、1次數(shù)據(jù)保存、1次數(shù)據(jù)上傳和1次電磁閥控制，串口接收中斷需要在接收到主機(jī)指令時分析指令并作出相應(yīng)動作，包括開啟/關(guān)閉電磁閥、發(fā)送運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)等。

如圖5所示，控制器開機(jī)時，單片機(jī)需要完成延時初始化、中斷初始化、時鐘初始化、串口初始化和SPI初始化、存儲卡初始化等任務(wù)，并在主循環(huán)開始之前在60 s內(nèi)采集60個溫度數(shù)據(jù)并求均值，從而獲得第一個溫度均值。進(jìn)入主循環(huán)后由中斷觸發(fā)任務(wù)，每隔1 s采集1次溫度數(shù)據(jù)，具體采集方式為單片機(jī)向LTC2420發(fā)送數(shù)據(jù)讀取指令。每隔60 s對周期內(nèi)采集到的60個數(shù)據(jù)求均值，并與上次的溫度均值作比較，若高于上次溫度均值則控制光電隔離器件閉合繼電器從而開啟電磁閥，否則關(guān)閉電磁閥。最后需要將電磁閥開閉狀態(tài)、溫度值保存到存儲卡，并上傳至系統(tǒng)主機(jī)，等待系統(tǒng)主機(jī)反饋接收成功信號，否則需要多次嘗試數(shù)據(jù)上傳直至上傳成功。

圖5 下位機(jī)運(yùn)行框圖

根據(jù)混凝土澆注控溫原理，當(dāng)連續(xù)24 h沒有通水時則關(guān)閉程序，若系統(tǒng)已開機(jī)3 d同樣需關(guān)閉程序。

4.2 系統(tǒng)主機(jī)軟件

主機(jī)程序使用基于C#的WinForm開發(fā)，最后使用innosetup打包為可執(zhí)行程序。該程序主要實(shí)現(xiàn)的功能為從LoRa模塊接收數(shù)據(jù)并發(fā)送應(yīng)答數(shù)據(jù)、解析數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)以鏈表形式緩存，同時將緩存數(shù)據(jù)以曲線圖形式和表格形式展示出來，并將數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)庫中以備調(diào)用。

(1)基本收發(fā)界面。該界面能夠以十六進(jìn)制或字符形式顯示數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)，并能夠設(shè)置數(shù)據(jù)幀格式，比如對接收數(shù)據(jù)的第一個字節(jié)以無符號8位整形格式解析，對第二、三個字節(jié)以16位有符號整形格式解析等。

(2)波形顯示界面。該界面能夠以波形方式展示最多15臺控制器的數(shù)據(jù)，每臺控制器最多可以展示14個數(shù)據(jù)，并能夠調(diào)整x、y軸長度以調(diào)整顯示效果。

(3)表格顯示界面。該界面能夠?qū)崟r展示接收時間、設(shè)備來源和運(yùn)行數(shù)據(jù)，能夠?qū)⑦@些數(shù)據(jù)保存到基于SQLite的數(shù)據(jù)庫文件中，并能根據(jù)需求展示數(shù)據(jù)庫文件中的表格。

(4)運(yùn)行日志界面。該界面能夠展示系統(tǒng)異常狀態(tài)，方便人員監(jiān)控。

上位機(jī)以并行方式處理任務(wù)，以事件和中斷方式觸發(fā)任務(wù)。圖6為上位機(jī)運(yùn)行框圖。觸發(fā)事件主要為鼠標(biāo)點(diǎn)擊，程序根據(jù)鼠標(biāo)點(diǎn)擊事件執(zhí)行任務(wù)，任務(wù)主要包括串口打開/關(guān)閉、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)幀解析格式修改、選擇數(shù)據(jù)展示、選擇數(shù)據(jù)庫表格展示等。

圖6 上位機(jī)運(yùn)行框圖

5 現(xiàn)場應(yīng)用

本控制系統(tǒng)在白鶴灘水電站進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用。圖7為兩個工況類似的混凝土澆注段的溫度變化趨勢對比曲線，其中一個混凝土澆注段僅測量溫度而另一個混凝土澆注段還加入了通水冷卻裝置。由圖7可見，在混凝土澆注后的15 h內(nèi)，有通水冷卻裝置的混凝土澆注段內(nèi)部溫度上升相對較緩，溫度峰值較低且溫度下降較為緩慢，達(dá)到了預(yù)期冷卻防裂控制要求[6]。

6 結(jié)束語

圖7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本控制系統(tǒng)對于提高工程施工領(lǐng)域自動化、科學(xué)化水平具有一定的促進(jìn)作用，系統(tǒng)采集到的混凝土內(nèi)部溫度數(shù)據(jù)，一方面可用于控制通水冷卻的啟停，另一方面又可以作為控制算法優(yōu)化的依據(jù)。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，控制系統(tǒng)對于澆注混凝土內(nèi)部溫度具有較顯著的控制效果，但仍然需要更多的理論支持與實(shí)驗(yàn)完善。另外，由于本系統(tǒng)的靈活性，由少量工作人員即可監(jiān)控一個大型的混凝土澆注施工現(xiàn)場的通水冷卻工作，對于企業(yè)而言有較為重要的現(xiàn)實(shí)意義。