一種混凝土預制構件智能循環養護系統設計

(北京星航機電裝備有限公司,北京 100074)

0 引言

隨著工業4.0的推進，國家提倡節能減材、綠色環保的建筑方式，混凝土預制構件的使用比例，成為國家建筑行業發展的標志。預制構件的生產和使用領域也越來越廣泛，但構件的養護往往得不到足夠的重視，由此使得的構件開裂，強度不足的現象屢屢發生[1]。傳統混凝土灑水養護方法對工人要求較高，需要工人嚴格按照規定時間對混凝土進行間歇性灑水，并且這種方法會造成大量的水資源浪費，而傳統混凝土養護覆膜養護方法效果不穩定并且如果薄膜出現小孔會嚴重影響養護效果[2]。寒冷地區冬季溫度低不滿足混凝土生產要求，空氣干燥、晝夜溫差大、風力大，在這種氣候環境下養護工程難以嚴格執行[3]。根據混凝土的養護特性,為其提供一個溫度、濕度都處于最優的養護環境，設計一套具有自動加熱、加濕的功能的智能循環養護系統，具有很高的研究價值。

1 智能循環養護系統總體設計

隨著工程建筑行業的不斷發展，對于預制件的強度要求也越來越高，所以蒸養技術也在不斷改進與發展[4-5]。通過設計一套溫度、濕度獨立控制的智能循環養護系統，系統可以在不受外界環境影響的同時，達到自動控溫、控濕的作用。

智能循環養護系統主要包括中央處理器、溫度傳感器、濕度傳感器、蒸汽發生器、變頻采暖爐、電磁閥、循環泵以及智能養護單元。其中，智能養護單元通過在模臺下方放置加熱系統以及加濕系統為養護單元提供加熱和加濕，并通過折疊養護罩將模臺構成封閉空間。

中央處理器根據放置在智能養護單元內的溫度傳感器、濕度傳感器獲得當前時刻養護單元內的溫濕度數據，并根據混凝土預制構件養護工藝，控制變頻采暖爐的加熱功率從而控制智能養護單元內的溫度；通過控制蒸汽加濕管路與蒸汽發生器之間電磁閥的通斷，控制智能養護單元內的濕度。中央處理器根據混凝土養護工藝不同階段的時間和溫濕度要求，自動進行狀態切換，為不同的養護階段提供最佳的養護環境。智能循環養護系統基本原理如圖1所示。

圖1 智能循環養護系統基本原理圖

2 系統硬件設計與分析

2.1 系統硬件設計

本文首次將蒸汽發生器、變頻采暖爐等設備引入到混凝土預制構件的養護工藝中，相比傳統的自然養護以及現有的蒸汽養護方法，具有溫濕度自動調節、養護效率高、節約能源等優點。

通過對市場上的蒸汽發生器、變頻采暖爐等設備進行選型，蒸汽發生器選用功率為18 kW，額定蒸汽量24 kG/H，飽和蒸汽溫度171 ℃；變頻采暖爐選用額定功率30 kW，額定電流45 A，通過調節電壓頻率控制水溫在25～85 ℃，滿足系統加熱、加濕需求。

在主要設備選型完成以后，對蒸汽發生器、變頻采暖爐進行二次開發，設備的啟停都將受中央處理器同一控制，變頻采暖爐加熱頻率通過串口RS485與中央處理器完成通訊。選用PLC作為中央處理器對蒸汽發生器、變頻采暖爐、溫濕度傳感器、循環泵、電磁閥、液位計等設備進行集成，并通過觸摸屏顯示運行狀態和命令下發，實現系統協調、有序的運行。

2.2 系統硬件架構

智能循環養護系統是一套可以獨立運行的養護系統，養護系統的加熱、加濕都可以由自己內部設備實現，只需供電即可，系統在自動模式下無需人工干預自動完成產品整個養護周期的溫度、濕度調節，并且可以記錄并打印養護狀態曲線，實現產品質量跟蹤。智能循環養護系統硬件構架如圖2所示。

圖2 智能循環養護系統硬件構架

其中，智能循環養護系統硬件構架實線箭頭指示為信息流，設備與養護單元管理系統之間單向或雙向傳輸；虛線箭頭為能量流(電力流)，電能從電網經配電箱、控制柜流向各設備；最終信息流與能量流在控制柜匯合，控制養護單元完成預定的功能。

養護單元管理系統用于實現整個養護單元的管理與控制，由計算機通過博圖軟件編程，控制蒸汽發生器、蒸汽電磁閥、變頻采暖爐、循環泵、軟化水裝置、供水電磁閥、打印機完成養護單元的各項功能。

2.3 系統硬件選型

2.3.1 中央處理器

中央處理器是整個系統的核心，根據控制策略完成特定的運算，配合面板操作按鈕及人機界面，完成智能循環養護單元總控管理系統。由于中央處理器只做溫濕度的數據處理及控制策略的實現，運算量不大，選用西門子1215C AC/DC/Rly作為中央處理器，1200系列PLC將微處理器、集成電源、輸入和輸出電路、內置 PROFINET、高速運動控制 I/O 以及板載模擬量輸入組合到一個設計緊湊的外殼中來形成功能強大的控制器，并且提供一個 PROFINET端口用于通過 PROFINET 網絡通信，還可使用附加模塊擴展PROFIBUS、GPRS、RS485或RS232網絡進行通信，滿足系統使用需求[6]。根據需要PLC加配RS485模塊完成與變頻采暖爐的通信硬件接口，并加配模擬量輸入模塊完成溫濕度傳感器數據的采集。

2.3.2 蒸汽發生器

蒸汽發生器主要用來為系統提供蒸汽，通過中央處理器控制蒸汽發生器的啟停，并控制蒸汽電磁閥的通斷來控制智能養護單元內濕度。蒸汽發生器選用諾貝思全自動電加熱蒸汽發生器NBS-AH-18，功率為18 kW，額定工作壓力0.7 MPa，額定蒸汽量24 kG/H，飽和蒸汽溫度171 ℃，AC電源電壓380 V，外殼使用加厚優質鋼板，特殊噴漆工藝，不銹鋼水箱、高溫高壓水泵以及溫度、壓力、功率可根據需要調節。

2.3.3 變頻采暖爐

變頻采暖爐配合保溫水箱和循環泵以及加熱管路構成封閉循環系統，通過變頻采暖爐加熱的水流入保溫水箱，循環泵使保溫水箱的水循環整個加熱管路后返回變頻產暖爐，中央處理器通過控制變頻采暖爐的加熱頻率，達到控制智能養護單元溫度的目的。根據需要選用廣東江信電子科技有限公司三相380 V-30 kW型，額定功率30 kW，額定電流45 A，電熱效率≥99，電熱功率100%，設備最大壓力0.6 MPa，可以通過調節電壓頻率控制水溫在25～85 ℃，支持RS485通信，采用變頻電磁加熱體，水電分離加熱，循環水被磁化，不結水垢，且具有防干燒、防凍、故障自檢功能。

2.3.4 溫濕度傳感器

溫濕度傳感器長期處于高溫、高濕的環境中，應選用能適應惡劣環境的工業用溫濕度傳感器，根據需要選用廈門泰勒士測控TS-FTD系列風管式溫濕度變送器，溫度量程0～50℃/-20～80℃/-40～60℃三擋可調，溫度精度±0.3 ℃，分辨率0.1 ℃；濕度量程0～100%RH，濕度精度±0.3%RH，風管式溫濕度感測靈敏，滿足使用需求。

2.3.5 人機界面

人機界面通過與中央控制器PLC相連，完成系統狀態顯示以及現場控制等功能。選用昆侖通態觸摸屏TPC1061Hn，其具有10.2英寸高亮度TFT液晶顯示屏，分辨率1 024×600，內存128 M，存儲設備128 M，包含RS232/485接口、USB接口以及網口等，能夠方便的與PLC實現集成，屏幕自帶MCGS嵌入版系統，MCGS嵌入版以圖像、圖符、報表、曲線等多種形式顯示系統運行中的狀態、品質及異常報警等相關信息。

2.3.6 其他硬件

智能循環養護系統其他硬件為通用器件，供電系統、配電箱、電磁閥、保溫水箱、循環泵、軟化水裝置、液位計等選用滿足行業標準的器件。

2.4 系統功能設計

系統具備人工操作和自動控制兩種模式，人工操作模式下用戶借助觸摸屏手動來控制加熱加濕系統的啟停，系統給出當前養護單元溫濕度值以及加熱、加濕時間；自動模式下由養護單元管理系統控制各個設備的動作來完成各項功能，系統將根據溫濕度傳感器數據自動運行，直到養護結束自動停止。

養護單元管理系統具有數據存儲的功能，將按照設定的時間間隔對養護房內溫濕度數據進行記錄，支持在屏幕上查看歷史溫濕度曲線以及導出到優盤。

3 系統軟件設計

3.1 混凝土預制構件養護工藝

混凝土預制構件成型在正式養護前，先要在5～30 ℃環境下完成預養護，一般采取室溫環境下靜置一段時間，若周圍環境不滿足該條件時，需要人工創造預養護條件，該工藝只對養護房內的溫度做要求。預養期內，混凝土可進行一定程度的水化，獲得一定的初始結構強度，用以抵抗在升溫期中出現的腫脹作用[7]。

混凝土預制構件預養護結束后，為了使其能夠盡快獲得脫模強度，可以適當提高混凝土養護環境的溫度，以加速模板周轉，提高勞動生產率，升溫期是混凝土結構的定型階段，在養護過程中最為重要。升溫期的主要控制參數是升溫速度，混凝土的升溫速度受到預養時間或初始結構強度以及養護方式等因素的影響。因此，在PC自動化生產線中，養護升溫期的升溫速度應控制在15 ℃/h以內[8-9]。

升溫階段結束后，溫度應保持在最佳范圍內使混泥土處于恒溫階段，恒溫階段養護時間8小時，溫度應保持在45～60 ℃，濕度保持在90%～95%RH[1]，恒溫階段是混泥土養護質量至關重要的階段，需要在溫度保持的前提下通過蒸汽及時補充濕度，濕度超出范圍很容易造成混凝土開裂等導致產品不合格。

恒溫8小時結束后進入降溫階段，降溫速度控制在25 ℃/h之內，保證降溫速度的情況下2小時左右降到室溫，智能循環養護系統關閉，進入自然養護階段，將預制構件放置到養護區直到強度達到標準[10]。各養護狀態時間及溫度如圖3所示。

圖3 養護狀態時間及溫度

3.2 系統軟件的設計

養護單元管理系統軟件部分主要包括PLC控制軟件的設計和人機交互界面的組態。

1) PLC的控制軟件包括數據采集模塊、數據處理模塊、人機交互模塊、狀態顯示模塊、設備驅動模塊和故障診斷模塊。養護單元工藝要求成型的混凝土預制構件在養護房內養護包含預養護和正式養護，正式養護包含升溫、恒溫和降溫，其中升溫和恒溫過程及其重要，對產品質量起著決定性作用。升溫過程采用模糊控制調節，確保養護房內的溫度根據工藝要求的速率上升，并在規定的時間內達到設定的溫度值,系統PLC控制軟件構架如圖4所示。

圖4 系統PLC控制軟件構架

2)人機交互界面的組態軟件采用MCGS組態軟件，主要用來實現智能循環養護系統的狀態信息顯示以及人機交互，設計內容包括：

系統狀態的實時顯示以及與PLC相關控制變量的連接、在圖形界面上繪制溫度曲線、處理數據報警及系統報警、存儲歷史數據并支持數據的查詢、各類報表的生成和打印輸出。

3.3 系統軟件的實現

3.3.1 預養護階段

預養護階段由于混凝土濕度較大，只要滿足室溫5～30 ℃靜置即可。系統開始運行之后，首先將溫度傳感器將采集過來的模擬量信號傳送給中央處理器，經過轉換后判斷當前溫度是否在預養護溫度范圍內，低于最低溫度則自動啟動變頻采暖爐進行小功率加熱，補充養護單元內溫度，直到預養護兩小時結束自動開始升溫階段養護。

3.3.2 升溫階段

在養護的升溫階段，需要變頻采暖爐加熱整個養護單元，為了能讓溫度升的更快，節省能耗，該階段蒸汽發生器和蒸汽閥同時開啟，在變頻采暖爐和蒸汽發生器及蒸汽閥的共同作用下進行升溫，需保證養護房內的濕度和溫度上升速率不大于設定值V，為保證產品質量，系統判斷升溫速率不滿足條件時變頻采暖爐需關閉。

系統升溫過程中將根據變頻采暖爐出水口的溫度來調節加熱功率的百分比，出水口溫度小于80℃時采用80%功率加熱，在80～95 ℃之間時，證明加熱管路中水溫較高，則以40%功率加熱，當出水口溫度大于99 ℃時，防止水溫過高導致水燒開，將加熱功率降低到20%。由于傳感器檢測到合適的溫度時，加熱管路的溫度一般高于智能養護房內溫度，所以需要在最佳溫度之前停止加熱，經過實際考察，采取停止加熱溫度設定值為最佳溫度減去8 ℃。升溫階段控制流程圖如圖5所示。

圖5 升溫階段控制流程圖

3.3.3 恒溫階段

在升溫兩小時結束后系統自動運行在恒溫8小時階段，由于升溫階段將智能養護單元內溫度升高到最佳溫度范圍內，且折疊養護罩保溫效果較好，養護單元內溫度受外界干擾較小，溫度變化較慢，只需要在溫度低于設定值時，變頻采暖爐小功率開啟加熱即可，大部分時間處于停止加熱狀態；蒸汽發生器不在進行輔助加熱，僅用來補充養護房內的空氣濕度，由于恒溫階段時間比較長，在此過程中需要消耗大量的水分，產品的質量受到濕度的影響，此時加濕系統需要及時為養護單元內補充水分，保證養護房處于合適的濕度范圍。

3.3.4 降溫階段

在養護的降溫階段，停止加熱和加濕，系統根據溫度傳感器變化來判斷溫度下降速率，為了保證養護房內溫度的下降速率在25 ℃/h之內。如不滿足，避免出現溫度驟降，變頻采暖爐將選取合適的功率對養護單元進行加熱，以保證產品的質量。

4 系統現場應用與驗證

實驗環境為2018年12月份北京某預制構件廠，廠房內溫度低于10 ℃，根據智能循環養護系統設計方案，設計樣機分別對疊合板、外墻板、內墻板進行實驗。由于當前冬季室溫較低，預養護階段系統提供一定的加熱使智能養護單元溫度處于20～30 ℃之間，預養護結束后，系統能夠接著開始升溫階段，2小時內快速將智能養護單元內溫度升高到55 ℃，濕度升高到90%，并且保證升溫階段溫度變化率v≤15 ℃/h；恒溫階段8小時內智能養護單元內溫度保持在46 ℃到60 ℃之間，濕度不低于90 %，始終保證混凝土預制構件處于最佳的養護溫濕度。降溫階段停止加熱同時檢測智能養護單元內濕度情況，濕度始終處于要求的范圍內，系統功能得以驗證。

圖6 智能循環養護系統

5 結束語

1)分析了當前混凝土預制構件的養護方法，在此基礎上設計了具有獨立運行不受外界條件制約的智能循環養護系統，融入了自動控制與傳感技術，實現控溫、控濕以及循環加熱功能，減少能源流失。

2)結合總體設計原理，對智能循環養護系統進行詳細設計及硬件選型，確定了系統的硬件實現方案，并研究了混凝土預制構件的養護工藝，給出詳細的軟件設計流程。

3)通過對智能循環養護系統的實際現場應用，驗證了系統的有效性，系統可作為實際工程系統進行推廣，以及混凝土養護領域類似工程借鑒提供依據。