預應力鋼筒混凝土管(PCCP)數字化蒸養在實際生產中的應用

根 濤 高春花

（山東電力管道工程公司 泰安 271222）

預應力鋼筒混凝土管(PCCP)數字化蒸養在實際生產中的應用

根 濤 高春花

（山東電力管道工程公司 泰安 271222）

蒸養是預應力鋼筒混凝土管（PCCP）生產中的關鍵環節，建立1套數字化蒸養系數，抓住PCCP蒸養過程中的關鍵指標，可以最大程度減少蒸養對PCCP的傷害。本文介紹PCCP數字化蒸養在實際生產中的應用。

PCCP 蒸養 數字化 應用

1. 前言

預應力鋼筒混凝土管（Prestresed concrete pressure pipe，Stell-cylinder type。簡稱PCCP）是目前國際上廣泛使用的大口徑、耐高壓管材。在其生產過程中，蒸養是關鍵環節，它是繼攪拌及成型工藝之后保證PCCP質量的決定性工藝過程。其蒸養過程對PCCP的質量影響極大，也將最后決定PCCP混凝土的內部結構及各項性能指標。在PCCP生產和設計標準中對升溫速度有著嚴格的要求，即在管芯采用蒸汽養護時一般要求“養護設施內的最高升溫速度不應大于22℃/h”。本文側重以PCCP管芯養護為主，以筆者所在單位的蒸養窯為例進行介紹。

在數字化蒸養中主要的工藝參數為：預養（停靜）溫度、預養（靜停）時間、升溫速度、恒溫溫度、恒溫時間、降溫速度、降溫溫差和降溫時間，其中蒸養過程中的升溫速度、恒溫溫度和降溫速度需嚴格控制。

2. 硬件配置

2.1 現場執行機構

選用了西門子AcvatixTM系列調節閥和SKB執行器，與傳統的只有開或關兩種狀態的電磁閥相比，調節閥是按比例開/關閥門。與智能溫控儀表+調節閥控制方式相比，PLC具有更好的擴展性和算法選擇。因此，PLC控制的調節閥更適合PCCP數字化蒸養，它對所需的溫度誤差最高可達±1℃。

2.2 現場PLC硬件組成

該數字化蒸養系統控制核心為西門子S7-200 PLC和昆侖通態人機界面TPC 1062K。CPU單元為CPU 224XP，增加了EM222，PT100溫度傳感器信號輸入采用EM231 AI4×RTD模塊，調節閥閥門開度信號反饋輸入采用EM231 AI8×12Bit模塊，控制調節閥閥門開度信號的輸出選用EM232 AQ4×12Bit模塊，通訊選用CP 243-1以太網模塊。

2.3 現場外圍設備

恒壓裝置。為防止蒸汽壓力波動對溫度的影響，在蒸汽進汽口處加裝一恒壓裝置。

能源計量裝置。選用了型號為FL-982100流量積算儀， 通過蒸汽進汽口的溫度傳感器、壓力傳感器和流量計，為數字化蒸養系統實時提供蒸汽的壓力、溫度和流量等數據。

顯示裝置。本系統設計了LED屏，顯示內容：蒸養工位、當前溫度、開始時間和結束時間，且按編號輪回顯示。

輔助通訊裝置。系統在現場使用了宇泰UT-6602C串口通訊服務器，通過在上位機中設置虛擬COM端口的方式進行通訊。

報警裝置。聲光報警器及時提醒操作人員。提前打開窯門、出現PLC通訊故障等情況，現場的聲光報警器則會動作。

3. 軟件設計

3.1 PLC軟件設計

該系統的PLC程序較為復雜，難點在升溫速度的控制。系統采用了模糊PID控制，對PID的三個參數進行在線整定，限于篇幅，本文在此不做詳細介紹。其主要功能為養護過程一鍵操作，無需人工預。具體為：

3.1.1 當光電開關檢測到窯門關好后，“開始養護”按鈕才有效，此時按下“開始養護”按鈕，PLC系統則自動進入養護程序，對應的指示燈亮紅燈，數字化蒸汽養護系統將自動記錄“開始養護”的時間和當前的溫度。一旦系統進入養護過程，提前打開窯門或出現PLC通訊故障，現場的聲光報警器會動作。同時上位機的蒸汽養護自動溫控系統也將發出警報，系統會彈出報警窗口并記錄。

3.1.2 靜停時間到，系統自動進入升溫階段。升溫階段，PLC系統將每三分鐘檢測一次實時溫度，若發現溫差與設定值（每小時的升溫速度，即升溫速率將換算到按三分鐘計算）不同，系統則按模糊PID算法控制當前閥門的開度，從而實現升溫速率的精確控制。

3.1.3 恒溫溫度到，系統自動進入恒溫階段。在恒溫階段PLC系統不停地檢測當前溫度，并與設定的恒溫溫度相比較，按照模糊PID算法控制閥門的開度，從而將溫度保持在恒溫狀態。

3.1.4 恒溫時間到，系統自動進入降溫階段。如果降溫速度過快，溫控閥仍有一定的開啟量，從而保證降溫過程按設定的降溫速率進行。

3.1.5 降溫溫度到，指示燈由紅亮變為綠燈，同時聲光報警器響8秒停5秒連續提示兩次，讓操作人員打開窯門。

3.1.6 當窯門打開時，光電開關動作，蒸養過程結束，并為下一次蒸養過程做好準備。如果在窯門打開后的溫度與環境溫度溫度差值大于20℃時，系統將會通光聲音報警器發出連續的聲光報警進行提示并進行違章記錄。

3.2 觸摸屏軟件設計

人機界面選用昆侖通態的TPC 1062K觸摸屏，主要功能是顯示與記錄數據。主界面顯示：編號、當前溫度、閥門當前開度、閥門開度反饋值、蒸養狀態、蒸汽壓力和當前氣溫，另設有每個工位的蒸養時間監控畫面與蒸養參數顯示畫面。其次，觸摸屏記錄PCCP蒸養情況，并做為上位機的備份，在光纖環網出現故障等極端情況下擔負著數據存儲功能，待通訊恢復時上位機將與觸摸屏通訊。

4. 上位機

4.1 上位機硬件

上位機采用Dell PowerEdge R730服務器，硬盤1.2T，RAID 5模式，基本滿足系統運行及安全存儲需要。

4.2 上位機軟件

上位機軟件采用三維力控ForceControl V6.0（簡稱FC 6.0）組態軟件編寫的數字化蒸養系統，有以下功能:

4.2.1 報表功能強大。蒸養報表能如實反映每次蒸養過程：養護裝置編號、蒸養開始時間、蒸養開始溫度、升溫階段每15分鐘在報表中顯示一次溫度值、恒溫階段每30分鐘在報表中顯示一次溫度值、蒸養結束時間、窯門打開與關閉的時間。其它報表如蒸汽用量報表能分析每個時間段的蒸汽用量,設備管理報表統計閥門運行時間及故障次數,它們均與相應的生產管理系統提供數據接口，以便財務部門統計生產成本和設備管理部門對該系統進行全壽命管理。報表可另存為Excel、Html和Pdf格式。

4.2.2 自動報警功能。支持多種報警機制，可以通過彈出窗口、發出報警聲音、顏色變化等方式提醒值班人員。在養護過程中如果蒸汽壓力過低、提前打開窯門、通訊異常時聲光報警器連續發出響3秒停3秒的報警，同時觸摸屏和上位機的數字化蒸養系統將自動記錄。上位機的報警窗口分為實時報警窗口和歷史報警窗口，報警窗口顯示的內容為序號、時間、發生故障的養護裝置的編號、故障說明、報警內容、報警類型等。報警可以由集控到值班人員確認后消除，但報警內容不能從數據庫中刪除，同時歷史報警信息可以按日期和報警類型進行查詢。

4.2.3 蒸養過程中異常情況自動處理。在養護過程中，最關鍵的是蒸汽壓力，若壓力過高，系統始終對進汽調節閥門執行模糊PID算法的操作，它將保證蒸汽的壓力保持在正常的范圍。若蒸養過程中，鍋爐發生故障壓力過低，系統將自動延長養護時間并降低恒溫溫度值，進行低溫長時段養護。

4.2.4 蒸養參數可由授權工藝技術人員輸入。工藝技術人員通過光纖環網內的任何計算機均可登錄系統，輸入用戶名和密碼，即可對重要的蒸養參數進行設定。

4.2.5 曲線豐富。曲線分為溫度曲線和閥門開度曲線，其中溫度曲線分為實時曲線和歷史曲線，閥門開度曲線分為閥門執行開度曲線和閥門反饋開度曲線。它們都可以按時間段或班次進行查詢。曲線醒目地標明上下限，曲線網格能響應操作人員的輸入自動進行調整。

4.2.6 WEB發布功能。使公司局域網或廣域網內中的多用戶能夠同時通過WEB的方式進行監控，并可以根據權限進行相關操作。

4.2.7 用戶安全管理。 提供完備的安全保護機制以保證生產過程的安全可靠，對不同類型的用戶定義不同的級別，并可根據級別限制對重要的工藝參數修改，以有效避免生產過程中的誤操作。對于遠程登陸的用戶可以由管理員實施管制，防止局域網或廣域網內其它用戶登陸系統。

4.2.8 操作日志。自動記錄操作人員執行操作的時間和操作內容，對操作人員的任何操作動作如注冊、注銷、查詢、打印、遙控等都進行存儲，存儲條目包括操作時間、操作人員、操作類別、操作內容等。

4.2.9 事件記錄。對現場發生的事件進行屏幕顯示、報警和存儲。事件記錄自動進行，并提供對以往時間記錄的查詢功能。系統在運行時自動記錄系統狀態變化、操作過程等重要事件，一旦發生事故，可就以做為分析事故的依據，為實現事故追憶提供基礎資料。

4.2.10 歷史數據存儲和數據備件功能。把實時數據按“數據變化保存”方式保存到數據庫系統內以備查詢，要求利用關系數據庫和力控數據庫結合的形式實現存儲和查詢要求。數據可以備份到存儲數據的服務器也可以備份到其它計算機上，同時也可以異地備份。

4.3 上位機通訊

上位機與PLC通訊。上位機與PLC經CP 243-1模塊通過公司光纖環網使用TCP/IP協議通訊。

上位機與人機界面通訊。力控組態軟件FC 6.0平臺與昆侖通態人機界面的通訊設置采用以太網方式，在FC 6.0的IO設備組態中，選擇MODBUS TCP驅動，配置地址、IP及端口號。

5 數字化

公司在總部廠區建有百兆光纖環網，采用工業級自愈環以太網光纖交換機，自愈環型網絡結構，光纖交換機使用OPLC光纖復合電纜連接并集中供電，整個通信網絡環路切換時間可達到20ms，并可支持遠程管理和故障告警功能，極大地提高了通信系統的安全性。

在工業通信網絡上布置了雙服務器冗余系統，質檢樓設置集控室，辦公樓設置中心機房，質檢樓的服務器與辦公樓中心機房的服務器彼此監視對方，并提供心跳鏈路監視兩臺機器的服務，當其中一個服務器出現故障時，第二個服務器承擔整個系統的監控任務。當故障的服務器恢復運行時，所有事件內容和過程值歸檔都同步的對方服務器。

集控室及公司內網人員在連接到工業通信網后均可以根據授權登錄系統，并且連接到中心機房服務器，由值班人員全程監督養護過程。同時現場的監控攝制機也通過網絡視頻服務器由上述電路傳輸到集控室。

[1]張成軍，南彥波，樊甲忍. 對預應力鋼筒混凝土管（PCCP）蒸養制度的分析[J]. 山西水利科技，2002（3）：39-42

[2]劉江文，戴冠秀.基于PLC的混凝土蒸汽養護池模糊控制系統設計[J].自動化技術與應用， 2008（12）：20-22

[3]陶權，謝彤.基于PLC的過程控制實驗裝置溫度模糊PID控制[J].自動化技術與應用， 2010（10）：22-26

G322

B

1007-6344（2015）12-0129-02

根 濤，男，1983年出生，大學，工程師，現在山東電力管道工程公司研發中心，從事PCCP生產設備管理及關鍵設備研發工作11年。高春花，女，1983年出生，大學，工程師。現在山東電力管道工程公司安全質量部從事PCCP質保工作8年。