剛性鉸分布式溫濕度控制系統研究

徐文城，王淼

（中交公路規劃設計院有限公司，北京100088）

1 引言

嘉紹大橋全橋跨中位置設置剛性鉸解決連續長鋼箱梁面臨溫度變形問題。嘉紹大橋處于海洋環境，橋址處雨量充沛、溫暖濕潤，年平均相對濕度達80%，對主梁、錨固系統等鋼構件都可能會發生腐蝕作用。

2 系統架構

嘉紹大橋剛性鉸由4 個小箱梁組成，分布于大橋左右兩幅，為確保剛性鉸整體工作性能，要求溫濕度控制系統能夠同步實現4 個小箱梁溫濕度的控制。采用“集中管理，分散控制”理念構建嘉紹大橋剛性鉸分布式溫濕度控制系統。“集中管理”要求將數據統一匯聚到中心，在中心內進行數據的展示和管理，“分散控制”要求每一個控制子系統獨立運行，從而實現控制的分散，避免單點故障影響系統整體。層次架構大大提高系統穩定性，同時減少信號傳輸線長度對溫濕度控制效果的影響。

分布式溫濕度控制系統由3 層組成：分布采集控制層、傳輸層、管理控制層，通過不同層之間的協作，實現對剛性鉸的溫濕度控制。分布采集控制層是整個系統的基礎，包含4 個位于不同剛性鉸小箱梁內的控制站。控制站由溫度傳感器、濕度傳感器、空調及除濕機組成，并由MCU 控制器（微控制單元控制器）實現對各模塊的自動化采集控制。MCU 控制器接收來自溫度和濕度傳感器采集的溫濕度信號，并控制除濕機和空調執行小箱梁內的除濕和制冷工作。作為完整獨立的自動采集控制系統，在無上層指令的情況下，可自動實現對小箱梁內溫濕度的采集與控制，各控制站互不影響，達到“分散控制”的要求，確保了系統的可靠性[1]。

考慮大橋現場特點及功能需求，選擇CAN 總線通信協議，其具有抗干擾強、傳輸距離遠等優點[1]。傳輸層通過CAN總線收發器，實現分布采集控制層與管理控制層的通信，上傳分布采集控制層信息并下發管理控制層指令信號，滿足對4 個控制站的“集中管理”要求。管理控制層主要包含工業控制計算機及管理計算機，由工業控制計算機實現對4 個采集站進行統一管理與協調，采集監測數據并下發控制指令，監測設備運行狀態。工業控制計算機位于大橋現場，其通過TCP/IP協議與位于監控中心的管理計算進行實時通信，實時掌握剛性鉸小箱梁溫濕度分布及控制站設備的運行狀態。

3 分采集控制層

分布采集控制層由MCU 控制器、信號采集模塊（溫度傳感器、濕度傳感器）及執行模塊（除濕機和空調）組成，作為系統基礎，具有完備的采集與控制功能，能夠自動完成對小箱梁內部溫濕度的采集與控制。作為分布采集控制層的核心，MCU控制器的輸入通道為信號采集模塊，輸出通道為執行模塊。其通過對輸入信號采集模塊信號的采集、運算，判斷小箱梁內的環境條件，根據預設的控制要求，確定要采取的動作，輸出控制信號，啟動控制模塊實現對小箱梁的溫濕度調控。

信號采集模塊主要設備包含溫度傳感器及濕度傳感器，輔助部分為濾波放大電路和轉換電路。傳感器通過內部敏感元件將環境信號轉換為模擬電信號，并經由濾波放大電路處理，轉換電路將處理后的模擬信號轉換為數字信號，并傳送到MCU 控制器，采集小箱梁內溫濕度數據。本系統采用一體化溫濕度傳感器對溫濕度的同步測量，輸出信號為4～20mA 的電流信號。

控制模塊是整個系統控制信號輸出通道及執行機構，接收MCU 控制器輸出信號，對除濕機和空調進行控制。當環境溫濕度超過閾值，MCU 控制器輸出的開關量信號經由光電耦合器將5V 電壓信號轉換為12V 電壓信號，從而驅動接觸器工作，同時光電耦合器可以對輸入與輸入電信號進行隔離增強系統穩定性。當小箱梁內溫度超過預設范圍，控制器會根據采集溫度數據做出判斷，輸出信號，啟動空調進行環境降溫；當濕度超過預設范圍，控制器會根據采集濕度數據進行判斷，輸出控制信號，啟動除濕機進行除濕。

4 溫濕度傳感器選型

傳感器選型應考慮技術條件、性價比、穩定性及功能性等幾方面，綜合考慮各方面因素，確定選型要求：（1）先進性原則：在滿足性能要求的前提下，選擇技術成熟、功能先進的傳感器；（2）精確性原則：根據剛性鉸模擬計算分析結果，選擇滿足精確度要求的設備；（3）經濟性原則：在滿足功能需求的前提下，選用性價比高的設備；（4）可靠、穩定性：選用耐久性好的工業級傳感器，確保系統能長期可靠穩定地運行。

為了精確穩定地測得嘉紹大橋剛性鉸內部溫濕度，滿足本系統需求，綜合考慮以上幾方面原則，合理選擇傳感器，使系統具有良好的兼容性和匹配性。

奧地利E+E 品牌的EE22 型號大氣溫濕度儀的測量濕度的敏感元器件為濕敏電阻，同時，此型號的溫濕度儀集成了電流轉換模塊，信號輸出為標準的電流信號，通通過電流信號調理器實現數據的采集。基于以上優點本系統選用奧地利E+E的EE22 大氣溫濕度儀。

5 管理控制層

管理控制層包含數據處理模塊及遠程控制模塊，其中數據處理模塊可實現對剛性鉸所有小箱梁溫濕度數據的存儲和管理，實時動態監測剛性鉸內部情況，記錄、統計相關數據，形成剛性鉸運營環境數據檔案。遠程控制模塊可根據大橋管理人員判斷，對MCU 控制器發出指令，控制除濕機遇空調的工作狀態，實現對剛性鉸溫濕度的遠程控制與調節。

數據處理模塊軟件安裝于管理計算機上，通過光纖網絡與分布采集控制層設備進行通信，實時接收溫濕度數據。數據處理模塊實現計算處理，數據畸點剔除等功能。處理后的數據進行實時展示，同時保存溫濕度數據，便于后續查詢。

本系統的軟件基于B/S 架構（瀏覽器和服務器架構模式）組成。該軟件的主要功能包含數據采集、處理、存儲及顯示。

溫濕度傳感器所采集的電流信號由采集儀采集并傳輸，經過數據處理后主要有2 個流向：一方面存儲管理，以備后續數據的備份和歷史數據的查詢；另一方面發送到數據顯示模塊進行實時數據的顯示。

6 系統控制策略

溫濕度數據由熱敏傳感器測得信號傳輸給數據處理部分，數據處理控制箱的邏輯控制器通過溫度信號判斷，控制系統啟動模塊的狀態，對溫度35℃及以上情況或者濕度大于60%，則開啟系統啟動模塊。（1）當剛性鉸溫度＜35℃，濕度＜60%時，剛性鉸內部環境良好，系統不開啟；（2）當溫度≥35℃，濕度＜60%時，剛性鉸內溫度較高，啟動降溫裝置；（3）當溫度＜35℃，濕度≥60%時，剛性鉸內濕度較高，啟動除濕裝置。按照系統控制策略，通過對比判斷溫度值和濕度值，并查看其是否超過控制閾值，若超過控制閾值，則開始相應的執行機構。

7 結語

本文針對嘉紹大橋剛性鉸構造特點，研究了一種分布式溫濕度控制系統，特別是針對系統的軟硬件和控制策略進行了研究。所提出系統穩定可靠，實現對剛性鉸內部溫濕度的自動控制，從而保證剛性鉸處于良好的穩定的運行環境中，滿足大橋的實際管養需求，保證了剛性鉸的使用壽命。