混凝土箱梁喷淋养护系统的设计与实现

于正航 马月辉 王 婵

(石家庄铁道大学电气与电子工程学院，河北 石家庄 050000)



混凝土箱梁喷淋养护系统的设计与实现

于正航 马月辉 王 婵

(石家庄铁道大学电气与电子工程学院，河北 石家庄 050000)

针对传统的混凝土箱梁自然养护过程易受操作者主观因素影响，造成养护不及时、遗漏、难以标准化等问题，设计了以可编程逻辑控制器(PLC)为核心的自动喷淋养护系统。根据制梁场箱梁数量多、占地广、地理环境复杂等特点，采用扩频调制技术，既实现了分布式控制模块的远程数据交换，又实现了操作台、PLC、远程扩展模块以及传感器之间的信息互联。京沈线黑山制梁场的应用表明，该系统提高了自然养护条件下箱梁的品质，达到了设计目标，具有良好的工程应用前景。

箱梁 喷水养护 PLC控制 无线通信 人机界面 远程控制单元 扩展模块 标准化

Standardization

0 引言

当前,铁路建设工程的主体是客运专线。为了更好地满足行车舒适性、减少工后沉降、节省工程建设用地，在客运专线的铁路建设中更多地采用以桥带路方案。由此，桥梁成为了客运专线铁路工程主体，这也对预制梁质量和数量提出了更高的要求[1-2]。箱梁在浇灌成型后，通常其表面的潮湿状态要保持15天以上。当混凝土灌注完成后，其强度基本为0，任何失水收缩均会造成表面裂纹，因此需对其进行一段时间的喷淋养护工作。传统喷淋主要采用人工洒水或者时间继电器与电磁阀的简单组合方式。受操作人员的责任意识和工作态度的影响，该方式时常导致养护不及时或出现漏养问题，使混凝土表面产生裂纹，造成强度不够等问题[3-4]。为提高生产效率、降低工人劳动强度以及员工数量，需对其进行自动化操作系统设计。随着PLC的广泛应用，结合现代科技，对喷淋养护系统进行重新设计，实现箱梁养护标准化操作，对提高箱梁的整体品质起着十分积极的作用。

为达到要求，设计了一种通过人机交互方式对系统进行控制与监控的系统。通过无线通信的方式，远程控制梁场各个片区的养护过程，并按定点抽样检测的方式将箱梁的养护状态反馈到人机界面[5],方便操作者实时监控，实现了人员、控制系统、梁场三者之间的信息互联。

1 系统总体方案的设计

本系统以中铁建大桥工程局黑山制梁场为依托。该制梁场中，主要存放箱梁的台座区域呈5×10(即每列放5根梁，共分10列)方式分布。设计建造的箱梁长32 m，梁高3 m，底宽 5.74 m，顶宽13.4 m。该区域纵向排列密集，箱梁的顶部间距小于1 m。各箱梁的横向间距为3.0 m左右。箱梁的大体积导致了尽管采用密集排列方式，整个养护区域的占地面积仍很大。使用无线通信控制方式，可以节约大量的布线。每个远程控制模块有16个I/O输出端子，也即每3列设置一个远程控制单元，控制相应箱梁的电磁阀。

为保持箱梁表面湿润，采用雾化喷头将水均匀喷洒于箱梁表面。每个箱梁配备6个雾化喷头，以电磁阀作为喷头的开关。本系统采用集约化手段，控制分散在梁场中的各个喷头。通过人机界面选择需要养护的箱梁，把PLC以及无线远程控制器作为媒介，控制各个雾化喷头电磁阀的通断，实现远程集约化设计，达到提升品质、省时省力的功效。

箱梁的喷水养护系统主要由主控制器、远程控制器、电磁阀以及喷淋管道组成。系统总体拓扑如图1所示。

图1 系统总体拓扑图

为了系统化、规范化操作，每个箱梁养护点的位置都有其固定的编号，箱梁将以编号的形式反映在人机界面。工人为整个系统的顶层控制者，负责在人机界面选择需要养护的箱梁，并设置所需的养护参数。PLC为信息汇总处理与指令发送的机构，在控制中起到至关重要的作用。其接收控制器屏输入的信息，并通过无线模块控制着远程控制器，从而间接控制各个电磁阀[6]。箱梁养护的运行状态以及完成情况也将通过无线传输显示于人机界面，供记录与监测。

2 控制系统硬件设计

系统硬件部分由以下三大部分组成：

①主控PLC与控制器屏；

②远程扩展模块；

③无线通信模块。

系统的控制核心是人机界面与PLC构成的上、下位机。扩展模块用来扩展输出接口。检测箱梁养护状态的传感器将信号反馈给数模转换模块，通过无线传输的方式在人机界面进行显示。

2.1 主控PLC与控制器屏

PLC具有环境适应性强、运行稳定的特点，被广泛应用于工业控制领域。主控制屏采用台达DOP-B07S515，拥有丰富的外围接口，支持RS-232/485通信接口，满足设计要求。当工作人员在人机界面选定需要养护的箱梁编号，设置好养护时间并启动系统后，PLC首先接收到人机界面传输的数据；然后按照内置梯形图运行程序；最后送出指令控制各个远程扩展模块，实现相应电磁阀的开合与延时。

2.2 远程扩展模块选型与布置

单台PLC的输出端口无法满足使用要求，需使用扩展模块增加控制输出的端口。采用M-2002模块作为远程扩展模块，使用高速ARM处理器作为控制单元，拥有隔离的RS-485通信接口，具有静电释放(electro static discharge,ESD)、过压、过流保护功能，避免了施工现场信号对模块通信接口的影响，使通信稳定、可靠[7]。制梁场占地面积大的特点决定了控制系统的分散式分布。通过无线通信方式，可以降低布线成本和故障率，便于统一管理，提高系统运行稳定性。PLC按照RS-485协议，通过无线模块与各个远程控制单元进行无线连接。主控PLC及远程控制单元的I/O输出端口将间接控制喷水养护系统的电磁阀。

2.3 无线通信模块

无线通信模块采用基于SX1276无线通信方案的APC340模块，采用SEMTECH最新LoRa扩频调制技术[8-9]，配合8位高速低功耗单片机，适用于对功耗、传输距离要求极高的应用场合，以替代有线RS-232、RS-485通信方式。在传输距离达到3 000 m的同时,该模块仍可保持0.81 Kbit/s的传输速率，能够满足制梁场大范围的环境要求。PLC发出的对远程控制器进行控制的信号将由通信模块完成。检测箱梁温度与湿度的传感器将数据首先传输到远程控制器[10-11]，再通过无线模块传输到PLC，最终将传感器参数显示于人机界面以便观察。系统硬件结构图如图2所示。

图2 系统硬件结构图

3 控制系统软件设计

控制系统由软硬件共同构成，两者互相依靠，缺一不可。对于PLC的程序编制，现阶段的主流方式为通过梯形图编制，具有直观易懂的优点。人机界面将操作者的意志传递给PLC进行相应动作，这个过程需要使用软件进行编制。通过软件开发商提供的WPLSoft、DOPsoft和AutoCAD等软件，实现了硬件与软件之间的有机统一，达到了设计目标。

3.1 触摸屏软件设计

通过对人机界面进行编号设计，可以方便、直观地对整个梁场的箱梁进行选定。同时该界面上需要设计不同的功能按钮，以实现所需功能。本系统所选箱梁编号将作特殊显示，系统具有养护时间设定、启动/复位与暂停、传感器参数显示区域3个功能。

①人机界面编号设计。人机界面是操作者与整个系统沟通的桥梁，对其页面的设计要确保直观、简洁、完善。各个预制梁将按照编号显示在显示屏上，可对相应的编号进行选定。由于梁场的大规模性，无法在一页屏幕上完全显示，因此采用分页设计，各个页面之间可以相互切换。每个按钮的正下方设置一红色指示灯，被选中的按钮将加阴影，同时红色指示灯点亮；再次按下将复位，指示灯熄灭。

②人机界面功能设计。操作者可以对养护时间进行设置。当时间与所要养护的箱梁选择完毕后，点击“运行”按钮，PLC将按照要求依次进行养护过程。界面设有“暂停”键，点击后系统立即停止运行，再次点击继续养护，由此应对突发事件。养护完成后，系统自动复位。当前时刻、温度、湿度以及养护剩余时间也都被列出，供使用者观察。

3.2 控制软件

通过使用台达公司推出的DOPsoft，对PLC进行梯形图编写。人机界面对箱梁进行选取后，将以二进制数形式记录于16位寄存器，选中记为1，未被选记为0。对于所选中的预制梁，PLC将控制远程扩展模块，导通相应电磁阀进行养护。导通的同时，PLC内置的倒计时装置启动，该时间为通过人机界面所输入的时间。倒计时结束后，相应电磁阀关断，进行下一个编号的判断处理。如果该编号未被选中，则系统空操作，直接进行下一个编号的判断。

3.3 通信软件设计

APC340通信模块的使用相当灵活，使用该公司推出的收发模块软件RF-Magic，通过PC机接UART 到 RS-232接口转换板，即可对其进行设置。APC340设置采用HEX码和波特率为9 600 bit/s无效验模式，具有读设置命令与写设置命令。

各个远程控制器均具有相应的无线编号，当PLC需要将某一电磁阀关闭时，对相应编号的远程控制器发出无线指令，控制其各个电磁阀的通断。当PLC倒计时结束后，PLC向其发送复位指令，控制所有电磁阀断开，等待下一条指令。

4 结束语

以PLC为核心的喷水养护系统，经由人机界面选定所需养护的对象，再由PLC进行处理并作出反应，从而遥控电磁阀进行养护。

本系统以中铁建大桥工程局黑山制梁场为依托，对梁场喷淋养护的控制系统进行研究与设计。该系统收到了预期效果，降低了工人的工作强度，提高了箱梁品质，实现了安全、可靠、经济、便利的设计理念。

随着我国铁路事业的不断高速发展，以及国家“一带一路”政策的实施，可以预见，今后预制梁的养护工作将面临更大的压力。因此，迫切需要提高其养护的自动化程度，并扩大养护规模。本系统具有良好的应用前景。

[1] 杨艳红,高文忠.混凝土箱梁蒸汽养护的温度控制[J].国防交通工程与技术,2005(4):76-78.

[2] 马月辉,刘建华,姚懿德,等.基于无线网络的轨道板蒸汽养护系统设计[J].低压电器,2010(7):35-37.

[3] 李刚.夏季施工养护控制措施[J].科技创业家,2013(4):31.

[4] 李明,范树鑫.浅谈预制箱梁自动喷淋养生工艺[J].公路交通科技(应用技术版),2012(3):155-157

[5] 刘宁宁,陈立松,仇利辉.基于ZigBee的混凝土箱梁温度监测系统设计[J].石家庄铁道大学学报(自然科学版),2014(2):37-40.

[6] 杨艳红,高文忠.混凝土箱梁蒸汽养护的温度控制[J].国防交通工程与技术,2005(4):76-78.

[7] 马月辉,张育军,陈立松,等.硫化机监控系统设计[J].电工技术,2003(7):28-29.

[8] 康家方,王红星,赵志勇,等.新的扩频通信调制方法[J].通信学报,2013(5):79-87.

[9] 王瑞,李跃忠.基于SX1278的水表端无线抄表控制器[J].电子质量,2015(12):67-68.

[10]王欢,黄晨.高精度无线环境温湿度测量系统设计研究[J].电子测量与仪器学报,2013(3):211-216.

[11]徐洁,丁国强,熊明.低功耗无线传感终端网络系统设计与实现[J].自动化仪表,2015,36(1):59-62.

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，现为石家庄铁道大学电气工程专业在读硕士研究生；主要从事铁路施工装备控制系统的研究。

TH86;TP273

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201611025

修改稿收到日期：2016-04-17。