高铁混凝土箱梁蒸汽养护控制系统研究

韩庆祝

(中铁十三局集团有限公司，长春 130033)

高速铁路混凝土箱梁的蒸汽养护技术，在大型工程施工中已逐渐被人们所认可，特别是在现代桥梁施工中，采用蒸汽养护技术，可以有效地提升混凝土箱形梁的品质，明显缩短制梁的周期，并且能够较严格地保证箱梁的技术指标。

目前对于现场浇筑的桥梁，大部的蒸汽养护是采用锅炉加热产生蒸汽，然后用简易的管道将蒸汽输送到用塑料帆布覆盖的养护棚中，而箱梁养护的温度控制过程主要依赖人工间歇性测量和调整。这样的养护方法很难保证蒸汽养护过程中各个阶段对温度需求的准确性和精确性，而且热量的利用率很低，有时如果控制的不合理还会对箱形梁造成一定的损伤。

本文采用计算机测控技术，提出用蒸汽升温、专用养护罩保温保湿、通风机降温的全自动养护系统。可有效提高混凝土箱的养护质量，缩短施工周期、降低施工成本、加快施工进程。

1 总体设计方案

混凝土箱梁蒸汽养护(常压湿热)系统如图1所示。主要由温度控制室、养护罩、蒸汽锅炉、箱梁基座和通风机等组成。

1.1 混凝土箱梁养护工艺

混凝土箱梁常压湿热养护温度曲线如图2所示。养护工艺分为四个阶段:第一阶段为预养期，以15℃养护Y小时(本文取4 h);第二阶段为升温期，以5℃/h的升温速率升温1 h，然后保温S小时(本文取1 h)，再以8℃/h的升温速率升温至45℃;第三阶段为恒温期，以恒温45℃养护H小时(本文取10 h);第四阶段为降温期，以10℃/h的降温速率降至室温，再保温J小时(本文取4 h)。根据不同的混凝土梁，这四段的养护时间可由用户设定。

图1 混凝土箱梁蒸汽养护系统

图2 混凝土箱梁养护温控曲线

1.2 混凝土箱梁养护温度控制方案

根据温度控制曲线设计的温度控制系统如图3所示。混凝土箱梁的纵向分3个截面，每个截面分为A，B，C，D，E 5个温度区，每区布1个温度传感器(T1～T5)，每个截面布1个湿度传感器 F1，共布15个温度传感器和3个湿度传感器。养护罩内的温、湿度信号经A/D转换后送到计算机进行计算处理，然后通过I/O口控制蒸汽阀和通风机，按图2所示的温控曲线实现混凝土箱梁的全自动养护。

图3 控制系统方案

2 硬件系统设计

温度控制系统采用上、下位机控制。下位机用日本三菱FX2N PLC在现场控制，上位机采用710型工控机作为人机对话窗口，对养护场进行远程监控和管理。硬件系统主要由工控计算机、PLC、15点温度传感器、15路蒸汽加热器控制、5路加湿和通风控制、1台温度巡检仪和电控柜等组成。温度控制系统硬件框图如图4所示。

图4 温控系统硬件设计

温度传感器采用PT100热电阻。系统设计有自动和手动控制功能。自动控制功能，是由工业控制计算机作人机界面操作站，主要控制由PLC按预置参数完成控制，整个养护过程无需人工参与而自动完成。手动控制功能，当自动控制系统出现故障时，可转为手动控制，控制任务主要由巡检仪完成，确保养护工作继续进行。手动系统只是作为自动控制系统的应急备用。

3 软件系统设计

本系统采用工业计算机控制软件MCGS工控组态软件和三菱GXFX2N PLC控制软件为平台设计了上、下位机的控制软件，用户主界面如图5所示。

软件功能主要有:

1)用户管理。在软件系统中，固定一个名为“负责人”的用户，它们的名称不能修改。负责人有权利在运行时修改设置参数和管理受权的工作，其它所有用户都没有这些权利。

2)系统设置。系统设置包括测温点数量的设置;升温时间和升温速度的设置;恒温时间和恒温温度的设置。

3)动态图形。动态图形显示包括静态显示和动态循环显示。动态循环显示主要实现纵向3个截面之间的循环显示，便于监测各截面上的温度值;静态显示可以单独显示3个截面中的某一截面的5个温区(A，B，C，D，E)的温度，便于集中观察某一截面温度值。可通过标题栏下拉菜单进入动态图形界面。

4)实时曲线。可将每个测试点在整个混凝土箱形梁养护期间的温度变化曲线实时绘制并显示;可将纵向同一高度的不同测试截面的温度变化曲线实时绘制并显示。

5)历史曲线。历史曲线是将历史存盘数据从数据库中读出，以时间为横坐标，数据值为纵坐标进行曲线绘制。历史曲线主要用于事后查看数据分布和状态变化趋势以及总结温度变化规律。

6)数据报表。数据报表就是根据实际需要以一定格式将统计分析后的数据记录显示并打印出来，本系统中采用日报表每24 h打印一份。

7)实时报警。对温度超过设定值并在设定时间内仍没能够经过控制系统调整到规定的数值，则系统发出警告，提醒工作人员迅速查找原因并解决，同时系统将做报警记录。

8)实时测温记录。对所有温度测量点进行实时显示，以便对各温度测量点进行实时监测。

9)历史测温记录。对于每个测温点在养护期间的所有温度测量值都将以数据文件的形式加以保存，以便对养护效果与温度的变化关系进行分析。

4 效果

本文设计的控制系统通过在京石客运专线新乐梁场使用，1#梁跨中截面B区的温度控制曲线如图6所示。从温控曲线看出实际温控曲线和理论温控曲线基本接近，控制效果良好。养护结束后，1#梁的各项指标优良。

图6 1#梁跨中截面B区温度控制曲线

5 结语

实验和使用证明，本文采用标准工业计算机控制软件MCGS和PLC硬件平台设计的混凝土箱梁温度控制系统，具有适应性强、自动化程度高、安全可靠、操作简便、易于扩展、经济实用等特点。只要改变养护参数，系统可对任意混凝土梁的养护温度进行自动控制，应用前景广阔。

［1］向敏，杨从娟.混凝土箱形梁蒸汽养护控制研究［J］.铁道建筑，2009(2):15-17.

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［3］王异，周兆桐.混凝土手册(第二分册)［M］.吉林:吉林科学技术出版社，1985.

［4］赵廷元，岳学文，孙振安.热力管道设计手册［M］.太原:山西科学教育出版社，1986.

［5］铁道部丰台桥梁工厂，铁道部科学研究院铁道建筑研究所.混凝土的蒸汽养护［M］.北京:中国建筑工业出版社，1979.