预应力钢筒混凝土管(PCCP)数字化蒸养在实际生产中的应用

根 涛 高春花

（山东电力管道工程公司 泰安 271222）

预应力钢筒混凝土管(PCCP)数字化蒸养在实际生产中的应用

根 涛 高春花

（山东电力管道工程公司 泰安 271222）

蒸养是预应力钢筒混凝土管（PCCP）生产中的关键环节，建立1套数字化蒸养系数，抓住PCCP蒸养过程中的关键指标，可以最大程度减少蒸养对PCCP的伤害。本文介绍PCCP数字化蒸养在实际生产中的应用。

PCCP 蒸养 数字化 应用

1. 前言

预应力钢筒混凝土管（Prestresed concrete pressure pipe，Stell-cylinder type。简称PCCP）是目前国际上广泛使用的大口径、耐高压管材。在其生产过程中，蒸养是关键环节，它是继搅拌及成型工艺之后保证PCCP质量的决定性工艺过程。其蒸养过程对PCCP的质量影响极大，也将最后决定PCCP混凝土的内部结构及各项性能指标。在PCCP生产和设计标准中对升温速度有着严格的要求，即在管芯采用蒸汽养护时一般要求“养护设施内的最高升温速度不应大于22℃/h”。本文侧重以PCCP管芯养护为主，以笔者所在单位的蒸养窑为例进行介绍。

在数字化蒸养中主要的工艺参数为：预养（停静）温度、预养（静停）时间、升温速度、恒温温度、恒温时间、降温速度、降温温差和降温时间，其中蒸养过程中的升温速度、恒温温度和降温速度需严格控制。

2. 硬件配置

2.1 现场执行机构

选用了西门子AcvatixTM系列调节阀和SKB执行器，与传统的只有开或关两种状态的电磁阀相比，调节阀是按比例开/关阀门。与智能温控仪表+调节阀控制方式相比，PLC具有更好的扩展性和算法选择。因此，PLC控制的调节阀更适合PCCP数字化蒸养，它对所需的温度误差最高可达±1℃。

2.2 现场PLC硬件组成

该数字化蒸养系统控制核心为西门子S7-200 PLC和昆仑通态人机界面TPC 1062K。CPU单元为CPU 224XP，增加了EM222，PT100温度传感器信号输入采用EM231 AI4×RTD模块，调节阀阀门开度信号反馈输入采用EM231 AI8×12Bit模块，控制调节阀阀门开度信号的输出选用EM232 AQ4×12Bit模块，通讯选用CP 243-1以太网模块。

2.3 现场外围设备

恒压装置。为防止蒸汽压力波动对温度的影响，在蒸汽进汽口处加装一恒压装置。

能源计量装置。选用了型号为FL-982100流量积算仪， 通过蒸汽进汽口的温度传感器、压力传感器和流量计，为数字化蒸养系统实时提供蒸汽的压力、温度和流量等数据。

显示装置。本系统设计了LED屏，显示内容：蒸养工位、当前温度、开始时间和结束时间，且按编号轮回显示。

辅助通讯装置。系统在现场使用了宇泰UT-6602C串口通讯服务器，通过在上位机中设置虚拟COM端口的方式进行通讯。

报警装置。声光报警器及时提醒操作人员。提前打开窑门、出现PLC通讯故障等情况，现场的声光报警器则会动作。

3. 软件设计

3.1 PLC软件设计

该系统的PLC程序较为复杂，难点在升温速度的控制。系统采用了模糊PID控制，对PID的三个参数进行在线整定，限于篇幅，本文在此不做详细介绍。其主要功能为养护过程一键操作，无需人工预。具体为：

3.1.1 当光电开关检测到窑门关好后，“开始养护”按钮才有效，此时按下“开始养护”按钮，PLC系统则自动进入养护程序，对应的指示灯亮红灯，数字化蒸汽养护系统将自动记录“开始养护”的时间和当前的温度。一旦系统进入养护过程，提前打开窑门或出现PLC通讯故障，现场的声光报警器会动作。同时上位机的蒸汽养护自动温控系统也将发出警报，系统会弹出报警窗口并记录。

3.1.2 静停时间到，系统自动进入升温阶段。升温阶段，PLC系统将每三分钟检测一次实时温度，若发现温差与设定值（每小时的升温速度，即升温速率将换算到按三分钟计算）不同，系统则按模糊PID算法控制当前阀门的开度，从而实现升温速率的精确控制。

3.1.3 恒温温度到，系统自动进入恒温阶段。在恒温阶段PLC系统不停地检测当前温度，并与设定的恒温温度相比较，按照模糊PID算法控制阀门的开度，从而将温度保持在恒温状态。

3.1.4 恒温时间到，系统自动进入降温阶段。如果降温速度过快，温控阀仍有一定的开启量，从而保证降温过程按设定的降温速率进行。

3.1.5 降温温度到，指示灯由红亮变为绿灯，同时声光报警器响8秒停5秒连续提示两次，让操作人员打开窑门。

3.1.6 当窑门打开时，光电开关动作，蒸养过程结束，并为下一次蒸养过程做好准备。如果在窑门打开后的温度与环境温度温度差值大于20℃时，系统将会通光声音报警器发出连续的声光报警进行提示并进行违章记录。

3.2 触摸屏软件设计

人机界面选用昆仑通态的TPC 1062K触摸屏，主要功能是显示与记录数据。主界面显示：编号、当前温度、阀门当前开度、阀门开度反馈值、蒸养状态、蒸汽压力和当前气温，另设有每个工位的蒸养时间监控画面与蒸养参数显示画面。其次，触摸屏记录PCCP蒸养情况，并做为上位机的备份，在光纤环网出现故障等极端情况下担负着数据存储功能，待通讯恢复时上位机将与触摸屏通讯。

4. 上位机

4.1 上位机硬件

上位机采用Dell PowerEdge R730服务器，硬盘1.2T，RAID 5模式，基本满足系统运行及安全存储需要。

4.2 上位机软件

上位机软件采用三维力控ForceControl V6.0（简称FC 6.0）组态软件编写的数字化蒸养系统，有以下功能:

4.2.1 报表功能强大。蒸养报表能如实反映每次蒸养过程：养护装置编号、蒸养开始时间、蒸养开始温度、升温阶段每15分钟在报表中显示一次温度值、恒温阶段每30分钟在报表中显示一次温度值、蒸养结束时间、窑门打开与关闭的时间。其它报表如蒸汽用量报表能分析每个时间段的蒸汽用量,设备管理报表统计阀门运行时间及故障次数,它们均与相应的生产管理系统提供数据接口，以便财务部门统计生产成本和设备管理部门对该系统进行全寿命管理。报表可另存为Excel、Html和Pdf格式。

4.2.2 自动报警功能。支持多种报警机制，可以通过弹出窗口、发出报警声音、颜色变化等方式提醒值班人员。在养护过程中如果蒸汽压力过低、提前打开窑门、通讯异常时声光报警器连续发出响3秒停3秒的报警，同时触摸屏和上位机的数字化蒸养系统将自动记录。上位机的报警窗口分为实时报警窗口和历史报警窗口，报警窗口显示的内容为序号、时间、发生故障的养护装置的编号、故障说明、报警内容、报警类型等。报警可以由集控到值班人员确认后消除，但报警内容不能从数据库中删除，同时历史报警信息可以按日期和报警类型进行查询。

4.2.3 蒸养过程中异常情况自动处理。在养护过程中，最关键的是蒸汽压力，若压力过高，系统始终对进汽调节阀门执行模糊PID算法的操作，它将保证蒸汽的压力保持在正常的范围。若蒸养过程中，锅炉发生故障压力过低，系统将自动延长养护时间并降低恒温温度值，进行低温长时段养护。

4.2.4 蒸养参数可由授权工艺技术人员输入。工艺技术人员通过光纤环网内的任何计算机均可登录系统，输入用户名和密码，即可对重要的蒸养参数进行设定。

4.2.5 曲线丰富。曲线分为温度曲线和阀门开度曲线，其中温度曲线分为实时曲线和历史曲线，阀门开度曲线分为阀门执行开度曲线和阀门反馈开度曲线。它们都可以按时间段或班次进行查询。曲线醒目地标明上下限，曲线网格能响应操作人员的输入自动进行调整。

4.2.6 WEB发布功能。使公司局域网或广域网内中的多用户能够同时通过WEB的方式进行监控，并可以根据权限进行相关操作。

4.2.7 用户安全管理。 提供完备的安全保护机制以保证生产过程的安全可靠，对不同类型的用户定义不同的级别，并可根据级别限制对重要的工艺参数修改，以有效避免生产过程中的误操作。对于远程登陆的用户可以由管理员实施管制，防止局域网或广域网内其它用户登陆系统。

4.2.8 操作日志。自动记录操作人员执行操作的时间和操作内容，对操作人员的任何操作动作如注册、注销、查询、打印、遥控等都进行存储，存储条目包括操作时间、操作人员、操作类别、操作内容等。

4.2.9 事件记录。对现场发生的事件进行屏幕显示、报警和存储。事件记录自动进行，并提供对以往时间记录的查询功能。系统在运行时自动记录系统状态变化、操作过程等重要事件，一旦发生事故，可就以做为分析事故的依据，为实现事故追忆提供基础资料。

4.2.10 历史数据存储和数据备件功能。把实时数据按“数据变化保存”方式保存到数据库系统内以备查询，要求利用关系数据库和力控数据库结合的形式实现存储和查询要求。数据可以备份到存储数据的服务器也可以备份到其它计算机上，同时也可以异地备份。

4.3 上位机通讯

上位机与PLC通讯。上位机与PLC经CP 243-1模块通过公司光纤环网使用TCP/IP协议通讯。

上位机与人机界面通讯。力控组态软件FC 6.0平台与昆仑通态人机界面的通讯设置采用以太网方式，在FC 6.0的IO设备组态中，选择MODBUS TCP驱动，配置地址、IP及端口号。

5 数字化

公司在总部厂区建有百兆光纤环网，采用工业级自愈环以太网光纤交换机，自愈环型网络结构，光纤交换机使用OPLC光纤复合电缆连接并集中供电，整个通信网络环路切换时间可达到20ms，并可支持远程管理和故障告警功能，极大地提高了通信系统的安全性。

在工业通信网络上布置了双服务器冗余系统，质检楼设置集控室，办公楼设置中心机房，质检楼的服务器与办公楼中心机房的服务器彼此监视对方，并提供心跳链路监视两台机器的服务，当其中一个服务器出现故障时，第二个服务器承担整个系统的监控任务。当故障的服务器恢复运行时，所有事件内容和过程值归档都同步的对方服务器。

集控室及公司内网人员在连接到工业通信网后均可以根据授权登录系统，并且连接到中心机房服务器，由值班人员全程监督养护过程。同时现场的监控摄制机也通过网络视频服务器由上述电路传输到集控室。

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[2]刘江文，戴冠秀.基于PLC的混凝土蒸汽养护池模糊控制系统设计[J].自动化技术与应用， 2008（12）：20-22

[3]陶权，谢彤.基于PLC的过程控制实验装置温度模糊PID控制[J].自动化技术与应用， 2010（10）：22-26

G322

B

1007-6344（2015）12-0129-02

根 涛，男，1983年出生，大学，工程师，现在山东电力管道工程公司研发中心，从事PCCP生产设备管理及关键设备研发工作11年。高春花，女，1983年出生，大学，工程师。现在山东电力管道工程公司安全质量部从事PCCP质保工作8年。