基于PLC 的大跨度懸索橋纜索牽引架設智能監測方法

張成偉，張建強，高亞偉

（1.中建宜昌伍家崗大橋建設運營有限公司，湖北 宜昌 443001；2.武漢智匯高橋科技股份有限公司，湖北 武漢 430000）

最近幾十年，大跨度懸索橋的建設已成為眾多國家推動城市現代化與交通發展的重要工程之一。而懸索橋纜索作為大跨度懸索橋的重要組成部分，對橋梁的安全性和運行效率起著至關重要的作用。因此，如何對懸索橋纜索進行智能化監測和維護，已經成為當前大跨度懸索橋技術研究的焦點和熱點問題。目前，懸索橋纜索的監測和維護往往需要使用大量的人力和物力，并且存在一定的安全風險。隨著科技的不斷進步和發展，基于PLC的大跨度懸索橋纜索牽引架設智能監測方法日益成熟，已經成為懸索橋纜索智能化管理的重要手段［1］。本文旨在探討基于PLC的大跨度懸索橋纜索牽引架設智能監測方法的研究背景、研究目的、研究意義及可行性。通過對大量文獻資料及案例的分析，將基于PLC的大跨度懸索橋纜索牽引架設智能監測方法與傳統監測方法進行比較，證明其卓越優勢及其應用前景，以期提供解決懸索橋纜索監測和維護難題的有效途徑，為國家交通建設做出貢獻。

1 大跨度懸索橋纜索監測架設

1.1 大跨度懸索橋監測系統安裝要求

大跨度懸索橋是一種受力較大、受環境溫度和風速等因素影響較大的特殊型橋梁，需要進行定期的監測和維護。懸索橋監測系統的安裝是懸索橋可靠性保障的重要組成部分，以下是相關的要求：

（1）安裝前需要進行詳細的規劃設計，對于懸索橋的結構、系統維護要求、應急系統部署等方面進行充分考慮，確保監測系統的安裝不會對原有橋梁結構造成損害。

（2）需要選擇高品質的監測設備，設備的選型要依據橋梁的結構、尺寸和運營條件等因素做出合理的選擇。

（3）懸索橋監測系統的布置要分別從結構監測和環境監測兩個方面來考慮，最好是在橋梁出入口處、橋塔頂部和各個節點處設置監測傳感器，以實現全方位的數據檢測。

（4）必須采用高可靠性的集中控制設備進行數據管理與處理，系統的控制器、數據采集系統、通訊設備及所需的所有重要配件都需要經過嚴格篩選和質量檢驗。總之，在大跨度懸索橋的監測系統安裝過程中，必須嚴格按照相應規范進行操作，選擇高品質的設備和控制器，布置合理的監測傳感器，才能確保監測系統的準確性和可靠性，為懸索橋的安全運行提供堅實的保障［2］。

1.2 纜索監測架設及作用原理

纜索是橋梁主要承重結構之一，其負責承受橋梁的自重和運行載荷。因此，對纜索進行定期監測和維護至關重要。纜索監測架設是用于安裝和固定纜索傳感器以及采集和處理纜索數據的重要裝置。以下是相關的作用原理和注意事項：

（1）纜索監測框架應該是一個穩固的鋼制結構，以確保傳感器的準確性和安全性，同時，為防止數據被損壞或丟失，所有數據記錄設備應該安裝在監測框架上。

（2）在纜索監測框架安裝過程中，傳感器的幾何布置和方向以及振動傳感器的安裝位置和方式等都是非常重要的。在不同橋梁的不同懸掛位置或模式下，傳感器的數量、類型和布置方式都有所不同。

（3）纜索監測系統一般是通過連接到監測控制中心的監視器來實現實時監測。當數據超過預設值時，系統會發送警報，這樣操作員就可以及時采取相應的措施，以確保纜索的安全運行。

（4）纜索監測系統需要使用高精度的傳感器來實現對纜索位移和振動等數據的采集和分析。傳感器通過獲取纜索的變形值和振動幅度等信息，通過無線傳輸或有線傳輸方式將數據送回到數據處理系統進行處理，并根據預先設定的規則對數據進行分析，以便及時發現纜索的各種異常情況。在纜索監測框架的安裝過程中，應當仔細考慮信號傳輸的穩定性和傳感器的準確性，并通過適當的布置和監控等手段來提高纜索的安全性［3］。

2 基于PLC的大跨度懸索橋纜索牽引架智能監測方法

2.1 PLC 應用介紹

PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器） 是一種以工業現場控制為目標的高性能工業計算機，具有強大的數據處理與通信能力。PLC被廣泛應用于各種控制系統中，可以實現自動化控制，例如在工廠生產流程中進行控制，或者在機器人和運輸系統中進行控制等［4-5］。在大跨度懸索橋纜索牽引架智能監測領域，PLC可以提供高效穩定的控制和監測功能。通過PLC可以實時監測纜索牽引架的相關參數，例如溫度、壓力、電流等，進而實現對設備的智能控制和監測［6-7］。PLC具有良好的實時性和準確性，可以及時響應控制指令，保證設備的安全性能，PLC控制系統框圖如圖1所示。

圖1 PLC控制系統框圖

此外，PLC具有可編程的特點，易于實現不同場合的控制功能。在大跨度懸索橋纜索牽引架智能監測方法中，PLC的應用可以實現對傳感器數據的采集、處理和傳輸，并將處理后的數據發送到監測終端進行分析和處理。同時，PLC還能實現高效的報警機制，能及時發現和處理設備的異常情況，以保障設備的安全可靠性［8］。總之，PLC在大跨度懸索橋纜索牽引架智能監測領域有著廣泛的應用前景。通過PLC的高效穩定性和良好的可編程特性，可以實現設備的智能化控制和監測，能夠提高設備的安全性能和工作效率。

2.2 監測系統設計方案

監測系統設計方案是基于PLC的大跨度懸索橋纜索牽引架智能監測的關鍵環節。該監測系統主要由以下組件構成：傳感器、信號調理器、數據采集卡、PLC、監測終端等。其中，傳感器用于采集纜索牽引架的各項參數，例如溫度、電流、壓力等；信號調理器用于調整和處理傳感器的信號，并保證其精度和穩定性；數據采集卡用于將處理后的傳感器數據轉換為數字信號，輸入到PLC中進行進一步的處理和控制；PLC用于對輸入的傳感器數據進行邏輯處理、運算和控制，實現對設備的智能化監視和控制；監測終端主要用于提供監測系統的可視化操作界面，方便用戶實時監測設備的運行狀態，懸索橋監測設備安裝示意圖如圖2所示。

圖2 懸索橋監測設備安裝示意圖

針對該監測系統，可以設計出一個狀態矩陣來描述設備的運行狀態。假設設備有三個狀態：正常、告警、故障。則該狀態矩陣可以表示為：

其中，√表示該組件可以正常運行，×表示該組件無法正常運行。

針對監測系統的數據處理及控制，設計出以下公式來進行操作：

其中，設備狀態數值表示當前設備的狀態，即正常、告警或故障；傳感器數值1、傳感器數值2、…、傳感器數值n則表示不同傳感器所采集到的傳感器數值，用于計算設備的狀態數值。通過該公式，能有效掌握和處理設備的運行狀態，能及時發現和處理設備的異常情況，能保障設備的安全可靠性。

2.3 傳感器的選型和布置

為了實現基于PLC的大跨度懸索橋纜索牽引架的智能監測，需要選用合適的傳感器，并安排好它們的布置位置。在選擇傳感器時，要考慮所需要監測的參數、傳感器的精度、響應時間、穩定性等因素，并根據實際情況進行選擇。對于懸索橋纜索牽引架的監測，通常需要選擇應變傳感器、溫度傳感器、加速度傳感器和位移傳感器等。應變傳感器用于測量索條和吊桿的應變，溫度傳感器用于測量索條和吊桿的溫度變化，加速度傳感器用于檢測索條振動情況，位移傳感器用于監測結構位移變化。在傳感器布置方面，需要將傳感器布置在合適的位置，以最大限度地獲取準確的監測數據，例如：應變傳感器需要粘貼在索條和吊桿的表面，以測量應變變化；溫度傳感器需要直接固定在表面，以保持良好的接觸狀態，確保溫度的準確測量；加速度傳感器需要固定在結構上，以便監測索條的振動情況；位移傳感器需要放置在結構重要位移的位置，以精確測量位置偏差。另外，在布置傳感器時，還需要考慮傳感器之間的位置和相互影響，應選擇合理的布置方案。

傳感器的選型和布置對于基于PLC的大跨度懸索橋纜索牽引架智能監測至關重要。只有選擇合適的傳感器并合理布置，才能有效地獲取準確的監測數據，并確保懸索橋結構的安全和穩定。

2.4 PLC程序設計及其功能實現

在大跨度懸索橋的纜索牽引架智能監測系統中，PLC程序設計是關鍵環節之一。通過合理設計控制程序，可以實現對懸索橋纜索牽引架的監測和控制。PLC可以采集來自傳感器的數據，并根據預設的控制策略執行相應的動作。PLC程序的功能主要包括傳感器數據采集、數據處理分析及控制指令的輸出等。其中，程序中的關鍵部分是數據處理分析，對于采集數據的處理和計算就可以實現對懸索橋纜索牽引架狀態的監測。

在PLC程序中，數據處理分析包括對溫度、應力、材料彈性模量等多個方面的監測。例如在監測纜索的應力狀態時，可以通過如下公式計算出纜索的應力：

式中，σ為纜索應力，F為偏離垂直線的力，A為纜索截面積。這個公式可以在傳感器采集F和A的數據后進行計算，進而判斷纜索是否超出安全工作范圍。此外，在PLC程序的設計中還應結合實際懸索橋的設計參數進行算法的優化，使得監測結果更加準確和可靠。

總之，基于PLC的大跨度懸索橋纜索牽引架智能監測方法是實現懸索橋纜索牽引架的智能化監測和控制的有效手段。其中PLC程序設計是其中的重要環節，通過采集和處理傳感器數據，實現對纜索應力等重要參數的實時監測。此外，PLC程序還可以結合實際橋梁參數進行算法的優化，提高監測結果的準確性和可靠性。

2.5 監測數據的處理方法

在大跨度懸索橋的纜索牽引架智能監測系統中，監測數據的處理方法是非常重要的。為了實現對纜索牽引架狀態的實時監測和控制，需要對傳感器采集的各種數據進行處理和分析，得到有意義的結論。其中，矩陣運算是常見的處理方法之一。

在矩陣運算中，常見的方法包括矩陣求逆、矩陣乘法和特征值分解等。例如在監測纜索的撓度變化時，可以采用矩陣求逆的方法進行計算。具體而言，可以將采集的纜索撓度數據以矩陣形式表示為：

其中，d1，d2，d3，…，dn為纜索在不同位置處的撓度數據。將該矩陣與纜索的自然頻率矩陣K相乘，即可得到相應的纜索剛度矩陣K′。將K′求逆即可得到該懸索橋纜索牽引架的剛度特性。

除了求逆、乘法外，特征值分解也是常用的監測數據處理方法之一。在特征值分解中，可以通過計算纜索的特征向量和特征值，得到纜索的結構信息和變形情況。具體而言，可以將傳感器采集的懸索橋纜索牽引架的振動數據以矩陣形式表示為：

其中，d1，d2，d3，…，dn為纜索在不同時間點處的振動數據。對該矩陣進行特征值分解，得到纜索的特征向量和特征值。根據特征向量可以判斷纜索的振動模式，而根據特征值可以得到纜索的結構參數和狀態信息。

3 案例分析

3.1 統計監測數據

通過在實際的橋梁工程項目中應用該方法進行數據監測和統計分析，探索其可行性和有效性。根據監測數據，結合現場實際情況進行分析，監測系統在懸索橋中的安置示意圖如圖3所示。

圖3 監測系統在懸索橋中的安置示意圖

從圖中可以看出，整個監測期間懸索橋各纜索牽引力基本保持在穩定水平。從1月份開始到3月份結束，纜索1、2的牽引力波動較小，纜索3、4波動略大，但整體趨勢仍然保持平穩。4月份后整個懸索橋的纜索牽引力略有上升，但是在正常的載荷變化范圍內波動。同時，還需要注意的是，在1月24日和2月5日左右，部分纜索牽引力出現了類似于失荷狀態的情況，但時間比較短暫，也許是由于天氣或其他因素導致的。

對于每個纜索的平均牽引力進行對比，可以看到纜索1、2的平均牽引力略高于纜索3、4，但差距不大。對于纜索牽引力的波動范圍，纜索1、2的變化相對較小，而纜索3、4的變化相對較大。這可能與纜索3、4所處的位置較靠近橋塔有關，因此承受的懸掛荷載也相對較大。

3.2 系統穩定性評估

為了確保基于PLC的大跨度懸索橋纜索牽引架設智能監測系統的可靠性和穩定性，這里對監測系統的穩定性進行了評估分析。首先，對于監測系統的輸出信號進行了采集和記錄，通過對記錄的歷史數據進行反復比對和確認，發現系統的輸出信號相對穩定，誤差較小，符合要求。同時，系統能夠及時在線獲取并處理各纜索的牽引力變化情況，實現了對橋梁各部位狀態的實時監測和追蹤。其次，對于監測系統的硬件設備進行了檢查和維護。結果表明，各傳感器和連接線路沒有出現松動、脫落等問題，PLC主機工作正常，沒有出現卡頓、停機等故障。監測系統硬件設備的穩定運行為后續數據的準確性和可信度提供了保障。最后，對于監測系統的軟件算法進行了評估和優化。通過與專業軟件進行比對和驗證，該監測系統的算法準確性較高，基本符合實際情況。同時，還對于系統的故障處理能力進行了測試，系統在遭受干擾或出現異常情況時，能夠及時診斷和處理故障，從而保障了監測系統的穩定運行。基于PLC的大跨度懸索橋纜索牽引架設智能監測方法具有較高的穩定性和可靠性，為橋梁工程的安全運行提供了強有力的技術支持。

3.3 故障模擬實驗

通過對架設過程中可能會出現的故障進行模擬，驗證該監測方法的準確性和實用性。

實驗設備為一根長20米的模擬纜索，通過PLC控制纜索運動模擬實際架設過程中的拉拔過程。采用傳感器對纜索張力、伸長變形、彎曲變形等參數進行實時監測。在模擬過程中，分別設置了不同的故障點，如纜索斷裂、纜索固定點松動、纜索變形等。

在模擬過程中，通過傳感器對纜索的各項參數進行實時監測，并將數據傳輸至PLC進行集中處理。當出現故障時，在PLC設定的故障識別算法的作用下，可實時判斷故障發生的位置和類型，并及時報警通知人員進行處置。同時，通過對實時監測的數據進行分析處理，可及時評估纜索的健康狀況，為后續維護提供便利。

4 結論

本方法通過在懸索橋架設過程中，采用PLC實時監測纜索狀態，并通過傳感器對纜索張力、伸長變形、彎曲變形等參數進行實時監測，以此發現故障。同時，利用PLC設定的故障識別算法對數據進行分析處理，可判斷故障發生的位置和類型，并及時通知實時進行處置。此方法的應用能夠有效提高大跨度懸索橋架設的安全性和工作效率。通過實驗表明，該監測方法具有較高的準確性和實用性，能夠有效避免工作人員在危險情況下作業或纜索斷裂等重大事故的發生。該方法為懸索橋后續維護和管理提供了數據支持，也為大跨度懸索橋工程施工提供了技術支撐和思路借鑒。