高鐵混凝土箱梁蒸汽養護控制系統研究

韓慶祝

(中鐵十三局集團有限公司，長春 130033)

高速鐵路混凝土箱梁的蒸汽養護技術，在大型工程施工中已逐漸被人們所認可，特別是在現代橋梁施工中，采用蒸汽養護技術，可以有效地提升混凝土箱形梁的品質，明顯縮短制梁的周期，并且能夠較嚴格地保證箱梁的技術指標。

目前對于現場澆筑的橋梁，大部的蒸汽養護是采用鍋爐加熱產生蒸汽，然后用簡易的管道將蒸汽輸送到用塑料帆布覆蓋的養護棚中，而箱梁養護的溫度控制過程主要依賴人工間歇性測量和調整。這樣的養護方法很難保證蒸汽養護過程中各個階段對溫度需求的準確性和精確性，而且熱量的利用率很低，有時如果控制的不合理還會對箱形梁造成一定的損傷。

本文采用計算機測控技術，提出用蒸汽升溫、專用養護罩保溫保濕、通風機降溫的全自動養護系統。可有效提高混凝土箱的養護質量，縮短施工周期、降低施工成本、加快施工進程。

1 總體設計方案

混凝土箱梁蒸汽養護(常壓濕熱)系統如圖1所示。主要由溫度控制室、養護罩、蒸汽鍋爐、箱梁基座和通風機等組成。

1.1 混凝土箱梁養護工藝

混凝土箱梁常壓濕熱養護溫度曲線如圖2所示。養護工藝分為四個階段:第一階段為預養期，以15℃養護Y小時(本文取4 h);第二階段為升溫期，以5℃/h的升溫速率升溫1 h，然后保溫S小時(本文取1 h)，再以8℃/h的升溫速率升溫至45℃;第三階段為恒溫期，以恒溫45℃養護H小時(本文取10 h);第四階段為降溫期，以10℃/h的降溫速率降至室溫，再保溫J小時(本文取4 h)。根據不同的混凝土梁，這四段的養護時間可由用戶設定。

圖1 混凝土箱梁蒸汽養護系統

圖2 混凝土箱梁養護溫控曲線

1.2 混凝土箱梁養護溫度控制方案

根據溫度控制曲線設計的溫度控制系統如圖3所示。混凝土箱梁的縱向分3個截面，每個截面分為A，B，C，D，E 5個溫度區，每區布1個溫度傳感器(T1～T5)，每個截面布1個濕度傳感器 F1，共布15個溫度傳感器和3個濕度傳感器。養護罩內的溫、濕度信號經A/D轉換后送到計算機進行計算處理，然后通過I/O口控制蒸汽閥和通風機，按圖2所示的溫控曲線實現混凝土箱梁的全自動養護。

圖3 控制系統方案

2 硬件系統設計

溫度控制系統采用上、下位機控制。下位機用日本三菱FX2N PLC在現場控制，上位機采用710型工控機作為人機對話窗口，對養護場進行遠程監控和管理。硬件系統主要由工控計算機、PLC、15點溫度傳感器、15路蒸汽加熱器控制、5路加濕和通風控制、1臺溫度巡檢儀和電控柜等組成。溫度控制系統硬件框圖如圖4所示。

圖4 溫控系統硬件設計

溫度傳感器采用PT100熱電阻。系統設計有自動和手動控制功能。自動控制功能，是由工業控制計算機作人機界面操作站，主要控制由PLC按預置參數完成控制，整個養護過程無需人工參與而自動完成。手動控制功能，當自動控制系統出現故障時，可轉為手動控制，控制任務主要由巡檢儀完成，確保養護工作繼續進行。手動系統只是作為自動控制系統的應急備用。

3 軟件系統設計

本系統采用工業計算機控制軟件MCGS工控組態軟件和三菱GXFX2N PLC控制軟件為平臺設計了上、下位機的控制軟件，用戶主界面如圖5所示。

軟件功能主要有:

1)用戶管理。在軟件系統中，固定一個名為“負責人”的用戶，它們的名稱不能修改。負責人有權利在運行時修改設置參數和管理受權的工作，其它所有用戶都沒有這些權利。

2)系統設置。系統設置包括測溫點數量的設置;升溫時間和升溫速度的設置;恒溫時間和恒溫溫度的設置。

3)動態圖形。動態圖形顯示包括靜態顯示和動態循環顯示。動態循環顯示主要實現縱向3個截面之間的循環顯示，便于監測各截面上的溫度值;靜態顯示可以單獨顯示3個截面中的某一截面的5個溫區(A，B，C，D，E)的溫度，便于集中觀察某一截面溫度值。可通過標題欄下拉菜單進入動態圖形界面。

4)實時曲線。可將每個測試點在整個混凝土箱形梁養護期間的溫度變化曲線實時繪制并顯示;可將縱向同一高度的不同測試截面的溫度變化曲線實時繪制并顯示。

5)歷史曲線。歷史曲線是將歷史存盤數據從數據庫中讀出，以時間為橫坐標，數據值為縱坐標進行曲線繪制。歷史曲線主要用于事后查看數據分布和狀態變化趨勢以及總結溫度變化規律。

6)數據報表。數據報表就是根據實際需要以一定格式將統計分析后的數據記錄顯示并打印出來，本系統中采用日報表每24 h打印一份。

7)實時報警。對溫度超過設定值并在設定時間內仍沒能夠經過控制系統調整到規定的數值，則系統發出警告，提醒工作人員迅速查找原因并解決，同時系統將做報警記錄。

8)實時測溫記錄。對所有溫度測量點進行實時顯示，以便對各溫度測量點進行實時監測。

9)歷史測溫記錄。對于每個測溫點在養護期間的所有溫度測量值都將以數據文件的形式加以保存，以便對養護效果與溫度的變化關系進行分析。

4 效果

本文設計的控制系統通過在京石客運專線新樂梁場使用，1#梁跨中截面B區的溫度控制曲線如圖6所示。從溫控曲線看出實際溫控曲線和理論溫控曲線基本接近，控制效果良好。養護結束后，1#梁的各項指標優良。

圖6 1#梁跨中截面B區溫度控制曲線

5 結語

實驗和使用證明，本文采用標準工業計算機控制軟件MCGS和PLC硬件平臺設計的混凝土箱梁溫度控制系統，具有適應性強、自動化程度高、安全可靠、操作簡便、易于擴展、經濟實用等特點。只要改變養護參數，系統可對任意混凝土梁的養護溫度進行自動控制，應用前景廣闊。

［1］向敏，楊從娟.混凝土箱形梁蒸汽養護控制研究［J］.鐵道建筑，2009(2):15-17.

［2］趙勝.客運專線箱梁冬期施工病害及整治措施［J］.鐵道建筑，2009(10):24-26.

［3］王異，周兆桐.混凝土手冊(第二分冊)［M］.吉林:吉林科學技術出版社，1985.

［4］趙廷元，岳學文，孫振安.熱力管道設計手冊［M］.太原:山西科學教育出版社，1986.

［5］鐵道部豐臺橋梁工廠，鐵道部科學研究院鐵道建筑研究所.混凝土的蒸汽養護［M］.北京:中國建筑工業出版社，1979.