基于PLC的预应力智能张拉控制系统

王 勇，杨肖委，王一达

(1.贵阳电气控制设备有限公司，贵州 贵阳 550003； 2.贵州大学 机械工程学院，贵州 贵阳 550025)

0 引言

在过去的数十年间，经常出现房屋和桥梁垮塌，造成了巨大的损失。引起事故的原因有很多，但是最主要的是施工质量不过关。预应力技术是当前施工建设中最为关键的技术，预应力的施工质量直接关系到整个工程的安全性[1]。由于传统的预应力张拉系统存在诸多缺陷，所以我们应采用一种更安全、效率更高的预应力智能张拉系统，故本文设计了采用PLC作为控制器的预应力智能张拉控制系统。

1 预应力智能张拉系统

预应力智能张拉系统是通过工业控制技术实现智能化控制，使预应力张拉实现智能化、同步化，从而大幅度地减小人为造成的不利因素，保证施工质量[2]。预应力智能同步张拉系统主要由液压系统和智能控制系统两大部分组成。其中，液压系统由液压千斤顶、泵站和液压控制阀等组成；智能控制系统由PLC、压力传感器、位移传感器和触摸屏等部分组成，该系统可以对张拉的位移值和应力值进行实时控制并采集存储，并可以随时随地查看历史数据。

2 预应力智能张拉系统的硬件设计

预应力张拉智能控制系统的硬件主要分为4个部分：PLC、压力传感器、位移传感器和触摸屏，其具体组成如图1所示。

图1 预应力张拉智能控制系统硬件结构框图

预应力智能张拉系统采用可编程控制器(PLC)连接外界的触摸屏进而与外部的设备通信，我们通过人机界面发送各种数据到PLC，然后由PLC的D/A转换输出模块将数据送到电液比例阀，改变溢流阀阀口的位置，调节油压。同时，PLC的A/D输入模块也在工作，它收集位移传感器和压力传感器的信号，在人机界面上显示，方便人们的观察；该信号同时作为一个反馈用于进行自动调节。如果在工作过程中PLC接收到的应力值和伸长量与事先设定的有差别，这时PLC和人机界面会同时出现报警，并将产生的一系列数据都存储在PLC，再从PLC通过网络发送到数据中心进行分析，最后在整个张拉过程结束后，数据会以报表的形式产生。

2.1 PLC可编程控制器设计

PLC选用欧姆龙CP1L-EL20DR-D,它是OMRON公司推出的一种小型PLC，该模块有12路数字量输出、18路数字量输入,串行通信有两个端口，可以选择RS-232C或RS-485通信,可同时与触摸屏、打印机组成小型控制系统。CP1L具备完美的Ethernet端口，是一种以TCP和IP为基础的以太网系统。该系统不仅数据传送能力非常强大，而且系统的兼容性非常好，容易操作，非常简单地就实现了实时数据的共享，同时其价格低廉，性价比较高[3]。

根据张拉顺序流程图进行预应力智能张拉控制系统输入、输出端子分配，如表1所示。

根据表1对PLC进行接线，接线图如图2所示。

2.2 传感器设计

传感器包括测量预应力钢绞线伸长值的位移传感器和测量张拉液压系统压力的压力传感器。

位移传感器测量的位移就是钢绞线实际的张拉伸长值，选用的拉杆式直线位移传感器KPM225如图3所示。位移传感器主要用来检测千斤顶的位移，将其固定在千斤顶的合适位置，其输出与PLC的模拟口连接，实现检测。具体检测原理是将该传感器固定在千斤顶的外壳上，在张拉的时候，使之一起移动，阻值改变，输出相应的电信号，测出千斤顶的张拉位移。

压力传感器主要作用是测量张拉荷载, 选用的PTS702高压压力传感器如图4所示。PTS702高压压力传感器采用一体式设计，采用特殊的进口材料制作弹性部分，密封性能非常高，对超高压的测量系统尤其适用，所以通常在大型的液压设备中使用。在对压力进行测量时，传感器是放在千斤顶的油液当中，考虑到误差，所以在实际中应对反馈的压力值进行补偿，实现闭环控制。

表1 预应力智能张拉控制系统输入、输出端子分配

图3拉杆式直线位移传感器KPM225图4 PTS702高压压力传感器

3 预应力智能张拉系统的软件设计

预应力智能张拉控制系统的软件设计主要包括三个方面：预应力智能张拉系统的PLC控制程序设计[4]、人机界面设计、无线通信设计。

3.1 PLC控制程序设计

根据预应力张拉施工过程来分析系统控制要求，如需要完成的动作、操作方式等。设计的预应力张拉控制流程如图5所示，遵循这一张拉顺序控制流程来编制PLC中的控制程序。

3.2 人机界面设计

选用威纶通MT8071iE触摸屏作为人机界面，设计的预应力张拉系统人机界面如图6所示。

3.3 无线通信设计

选用无线以太网通信模块进行通信，可以降低干扰，保证通信的安全性，并实时监控数据。通过无线通信模块AWK-3121将主、副泵站采集到的张拉力和钢绞线伸长值传递到远程控制中心，可以实时监测张拉数据，保障张拉施工数据的真实性。另外，预应力张拉系统的副泵站将施工采集到的张拉力和伸长量通过无线模块传递到主泵站上并在主泵站的触摸屏上显示处理；同时在整个张拉过程中主、副泵站相互通信，进行同步性判断，若不同步则采取相应调整动作使其同步，张拉系统在保证张拉精度的同时，也能够解决两端张拉同步性问题[5]。

图5 预应力张拉过程的顺序流程

图6 预应力张拉系统的人机界面

4 结语

所设计的预应力智能张拉系统采用了先进控制方式，实现了智能化的控制，使得工作效率大幅度提高，控制精度显著提升，减少了操作人员的工作量，将人为因素造成的错误降到最低，数据的即时传输和保存提高了测量的准确性和真实性。

参考文献：

[1] 肖云，罗意钟，唐祖文，等.预应力智能张拉系统的设计与应用研究[J].西部交通科技，2014(10)：43-47.

[2] 邓年春.预应力智能张拉系统研究及其工程应用[J].预应力技术，2014(3)：24-25.

[3] 李冠霖.公路桥梁建设中预应力智能张拉施工[J].交通世界，2013(10)：226-227.

[4] 林路宇.预应力智能张拉系统在现浇箱梁中的应用[J].四川建材，2015(2)：271-281.

[5] 张开.预应力智能张拉施工技术应用及控制要点[J].湖南交通科技，2013(4)：93-96.