基于Profibus-DP的鋼絲主纜內(nèi)部狀態(tài)測控系統(tǒng)

周孝鋒，繆小平，江 豐，張 迪

(解放軍理工大學國防工程設(shè)備環(huán)境及智能化軍隊重點實驗室，江蘇南京 210007)

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基于Profibus-DP的鋼絲主纜內(nèi)部狀態(tài)測控系統(tǒng)

周孝鋒，繆小平，江 豐，張 迪

(解放軍理工大學國防工程設(shè)備環(huán)境及智能化軍隊重點實驗室，江蘇南京 210007)

由于鋼絲主纜內(nèi)部狀態(tài)測控具有位置分散性與參數(shù)多樣性的特點，將現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)引入測控系統(tǒng)，設(shè)計了基于現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)的測控系統(tǒng)，主要實現(xiàn)對主纜內(nèi)部溫度、相對濕度、壓力等參數(shù)的實時采集存儲、監(jiān)測報警，以及對除濕機、變頻風機等設(shè)備的連鎖、極值和均值控制等。上位機使用組態(tài)進行操作，可實現(xiàn)遠程監(jiān)控，實時顯示信息，為主纜干燥方法提供了可靠的測控系統(tǒng)保障。

Profibus-DP; 工業(yè)以太網(wǎng)；PLC; 測控系統(tǒng)；鋼絲主纜

0 引言

鋼絲主纜是懸索橋結(jié)構(gòu)中最重要的構(gòu)件，不僅承擔著主纜的自重荷載，而且起到把負載傳遞至主塔和錨碇的作用，被視作橋身的“生命線”。在自然環(huán)境和荷載作用下主纜內(nèi)的鋼絲不可避免地會產(chǎn)生腐蝕與損傷，直接導致主纜強度退化，因此對其進行檢測就顯得尤為重要。

傳統(tǒng)的方法是定期對主纜鋼絲進行人工檢測：破開表層，解除纏絲，楔開主纜，然后才能對主纜內(nèi)部的鋼絲狀況進行人工觀察測試[1]。整個過程繁瑣，操作過程困難，費時費力，而且容易對內(nèi)部鋼絲造成不良影響。本文針對主纜的空氣干燥法，應用現(xiàn)代工業(yè)檢測和控制技術(shù)[2-3]，設(shè)計了基于Profibus-DP現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)的鋼絲主纜內(nèi)部狀態(tài)測控系統(tǒng)，實現(xiàn)主纜鋼絲干燥過程自動化，監(jiān)測過程可視化，以達到測量資源共享、測控結(jié)合的目的。

1 懸索橋主纜鋼絲干燥流程

研究表明，鋼絲所處環(huán)境濕度高于60﹪時就會產(chǎn)生銹蝕現(xiàn)象。相比傳統(tǒng)的密封防腐措施，防止主纜生銹更有效的方法是如何使主纜內(nèi)的鋼絲長期處于一個相對濕度較低的環(huán)境。目前國際上先進的主纜防腐方法是干燥空氣法。這種方法通過將處理后的干燥空氣送入主纜，帶走主纜中的水分，從而起到保護主纜的作用。

懸索橋的主纜由鍍鋅鋼絲組合而成的，其間有20%左右的空隙，主纜外表設(shè)有密閉護套層。主纜除濕系統(tǒng)通過送氣管和送氣罩將干空氣注入主纜鋼絲空隙，干空氣在主纜空隙內(nèi)流動，降低主纜空隙內(nèi)的空氣濕度，最后從排氣罩排出。主纜除濕系統(tǒng)工作流程為：粗過濾空氣→精過濾處理→除濕機除濕→風機送風→冷卻→送氣管輸氣→送氣罩送氣→主纜內(nèi)除濕→排氣罩排氣，主纜除濕系統(tǒng)工作流程見圖1。

圖1 主纜干燥系統(tǒng)工作流程

2 鋼絲主纜測控系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 鋼絲主纜測控系統(tǒng)總體方案設(shè)計

主纜鋼絲測控系統(tǒng)的網(wǎng)路結(jié)構(gòu)主要分為上位機監(jiān)控層和現(xiàn)場測控層兩層?，F(xiàn)場測控層主要分為主站和從站兩級，主站采用PLC作為測控單元，通過編寫控制程序完成對設(shè)備層的數(shù)據(jù)采集與處理及設(shè)備控制；從站是指來自現(xiàn)場的設(shè)備。主站PLC和從站之間采用Profibus-DP現(xiàn)場總線進行全數(shù)字化高速通信，構(gòu)成Profibus-DP總線系統(tǒng)。上位機監(jiān)控層通過組態(tài)軟件開發(fā)上位機測控系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)對整個測控系統(tǒng)的監(jiān)控。監(jiān)控層上位機與現(xiàn)場測控層主站PLC之間采用工業(yè)以太網(wǎng)通信。測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 測控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.1.1 主站S7-300設(shè)計

DP主站選擇S7-300 PLC CPU315-2DP的作測控系統(tǒng)主站。CPU315-2DP是一款適合于中等規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的PLC，其可擴展性好、通信能力強，運行穩(wěn)定、抗干擾性強，同時可與遠程 I/O 模塊之間進行數(shù)據(jù)通信。CPU315-2P 帶一個符合EN5170標準的Profibus-DP接口，通過這個接口可以實現(xiàn)Profibus-DP通信。本系統(tǒng)中，通過Profibus-DP通信專用的屏蔽雙絞線，將主站CPU的DP口與各從站的DP口依次串接，Profibus-DP傳輸速度為最大可達到12 Mbps。

電源模塊選用型號為PS307 10A，輸入電壓為220V AC，輸出電壓為24V DC。CP343-1 Lean模塊是S7-300PLC的標準以太網(wǎng)通信模塊，利用該模塊通過標準TCP/IP傳輸協(xié)議可以實現(xiàn)監(jiān)控層上位機與控制層主站PLC之間的數(shù)據(jù)通信，通信速率可達100Mbps。 CP340-RS232C是S7-300PLC的串行通訊模塊，用來接收來自總線型參數(shù)儀的數(shù)據(jù)。

2.1.2 從站設(shè)計

DP從站是進行輸入信息采集和輸出信息發(fā)送的外圍設(shè)備，它只與組態(tài)它的DP主站交換用戶數(shù)據(jù)，向該主站報告本地診斷中斷和過程中斷。

在主纜鋼絲測控系統(tǒng)中，對于溫濕度傳感器和壓力傳感器等現(xiàn)場設(shè)備，由于不具備Profibus-DP接口，不能直接接入Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)，通過R-8017模擬量采集模塊和R-8018BL熱電偶采集模塊，利用RS485總線通信技術(shù)將數(shù)據(jù)通過總線型參數(shù)儀傳輸?shù)缴衔粰C中。

除濕機組由自帶S7-200系列PLC控制，PLC具體配置為如表1所示。CPU224自身有程序存儲器，可以進行編程，并按程序指令驅(qū)動I/O，EM231為擴展模擬量輸入模塊。從站DO點為機組的啟停控制點，DI點為機組故障連鎖點，如壓縮機電流過載、壓縮機超溫保護、壓縮機的高低壓保護、電源相序錯誤等，EM231為模擬量輸入模塊。CPU224由于本身不帶DP口，所以必須通過EM277模塊的DP端口連接到Profibus-DP總線網(wǎng)絡(luò)。作為Profibus-DP主站的一個從站，CPU224存儲器中有一段特定區(qū)域作為與主站通信的共享數(shù)據(jù)區(qū)，主站可通過Profibus-DP現(xiàn)場總線間接控制從站的I/O。

表1 S7-200設(shè)備選型

系統(tǒng)選用了2臺變頻器控制送風機和冷卻風機，每臺變頻器都選配了標準Profibus-DP通信接口，無需特殊網(wǎng)絡(luò)單元，通過Profibus-DP通信適配器可直接連入現(xiàn)場總線，作為Profibus-DP現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)從站，接受主站控制。主站可在線實現(xiàn)對變頻器頻率設(shè)定、起?？刂?、參數(shù)修改和狀態(tài)查詢等功能。

2.2 傳感器及其布置方法

2.2.1 傳感器的選用

溫度測量采用T分度號熱電偶，其主要特點為：體積小，便于安裝，感溫速度快；不受雨水影響，可浸泡在水中；兩線制，熱電偶線可長距離傳輸信號。

濕度測量采用熱固性聚合物電容傳感器，帶集成信號處理電路3針可焊塑封。其主要特點：0～100%RH的全量程覆蓋；-40～85℃的寬工作溫度范圍覆蓋；精度高，達±2%RH；穩(wěn)定性好，低溫漂，抗化學腐蝕性能，可在主纜內(nèi)長期使用。

壓力測量采用Model 268微差壓變送器：由不銹鋼膜片與固定電極構(gòu)成一個可變電容，壓力變化時，電容值發(fā)生變化。

2.2.2 傳感器的布置方法

為了實時監(jiān)測主纜內(nèi)鋼絲各個位置的所處環(huán)境狀態(tài)，需要在主纜鋼絲中埋入溫濕度、壓力傳感器。由于主纜為一個圓柱體，為了體現(xiàn)測量在整體分布上的有效性，軸向和徑向上分布的均勻性，以從進氣罩到索夾部位段為例，在軸向上等間距取四個截面處，徑向上每個截面間采用相對錯開的傳感器分布設(shè)置。傳感器布置點的截面選取與主纜中傳感器位置示意圖分別如圖3、圖4所示。

圖3 傳感器布置點的截面選取

傳感器在主纜鋼絲中的布置方法如圖5所示，引出線由外徑約5.2 mm的空心金屬管中分別引出，該空心金屬管也將各測點的信號引出。主纜在生成時，從圖 3和圖4所示的每個埋設(shè)點開始，截斷鋼絲，其后部分置換為空心金屬管，然后將溫濕度傳感器、壓力傳感器置入，但要注意不要損傷傳感器的信號感應部分。在進氣罩到索夾位置區(qū)間共設(shè)置有1-1、2-2、3-3和4-4四個截面，每個截面分別設(shè)置7個測點，每個測點包括溫度傳感器、濕度傳感器和壓力傳感器。

圖5 傳感器布置現(xiàn)場圖

3 測控系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測的實現(xiàn)

主纜除濕系統(tǒng)要求實時測量內(nèi)部鋼絲所處環(huán)境的溫度、濕度和壓力。由于布設(shè)的測點多，且測量精度高，所以不可能采取人工采集數(shù)據(jù)的方法。

根據(jù)測控需要，開發(fā)研制了1套數(shù)據(jù)采集和演示系統(tǒng)，可形象地描述傳感器位置和每次實驗的溫濕度及壓力變化，便于直觀形象地對測量得到的數(shù)據(jù)進行觀測分析。實驗數(shù)據(jù)通過傳感器轉(zhuǎn)換為電信號，傳輸?shù)絽?shù)采集儀后再上傳計算機，由計算機存儲、顯示和打印。各檢測點的工作狀態(tài)能夠?qū)崟r掌控，通過實時報警，及時處理現(xiàn)場設(shè)備出現(xiàn)的各種故障，確保各測點參數(shù)的實效性。系統(tǒng)將自動整理匯集數(shù)據(jù)運行參數(shù)，按用戶要求的報表格式，可定時或不定時打印報表，供實驗數(shù)據(jù)分析處理。圖6為鋼絲主纜內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)測界面。

圖6 鋼絲主纜內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)測界面

3.2 內(nèi)部狀態(tài)控制設(shè)計

3.2.1 設(shè)備連鎖控制

為了保證送入空氣都是經(jīng)過過濾與除濕處理的，在設(shè)備的開啟與關(guān)閉階段需要對其順序進行連鎖控制。

開啟連鎖控制：過濾器-除濕機-送風機-冷卻器。

關(guān)閉連鎖控制：送風機-冷卻器-除濕機-過濾器。

3.2.2 相對濕度控制

相對濕度是造成主纜鋼絲腐蝕生銹的主因，所以在測控系統(tǒng)中，相對濕度是控制的最重要參數(shù)。由于主纜測控點分散分布，數(shù)量繁多，為保證相對濕度的控制質(zhì)量，采用極值控制與均值控制相結(jié)合的方法，通過調(diào)節(jié)除濕機的參數(shù)來控制主纜內(nèi)部相對濕度?？刂屏鞒倘鐖D7所示，當最不利濕度值大于55%時或是所有監(jiān)測點得到的相對濕度均值大于50%時，除濕機進入最大工況除濕，除此之外通過PLC對平均相對濕度進行設(shè)定值的PID控制，控制設(shè)定值一般設(shè)為45%。

圖7 相對濕度控制流程圖

3.2.3 壓力控制

壓力控制的目的是保持主纜內(nèi)相對于外界環(huán)境的相對正壓值，以防止外部濕空氣通過主纜外層的一些縫隙、細小破損處侵入主纜內(nèi)，造成鋼絲腐蝕。所以在控制時是采用極值控制原則，通過控制送風機的風機頻率來保證最不利風壓點的微正壓值。

3.2.4 溫度控制

由于溫度對鋼絲腐化作用影響十分有限，所以可采用均值控制原則，通過控制冷卻風機的頻率使各個測點的平均溫度值在設(shè)計上限值之下。

3.3 測控平臺設(shè)計

通過主服務器上的組態(tài)軟件設(shè)計了適用于主纜干燥過程的測控平臺，如圖8所示，可實時觀測大橋主纜整個干燥流程，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

圖8 測控系統(tǒng)平臺畫面

4 結(jié)束語

本文針對懸索橋主纜干燥這一特殊工藝流程設(shè)計了鋼絲內(nèi)部狀態(tài)測控系統(tǒng)。系統(tǒng)基于Profibu-DP和工業(yè)以太網(wǎng)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)通信框架，應用PLC的主從站設(shè)計，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)監(jiān)測與設(shè)備控制管理。文中詳細介紹了傳感器的布置方法，采用了多參數(shù)狀態(tài)監(jiān)測下的均值控制與極值控制思想，實現(xiàn)了主纜干燥流程的自動控制。

[1] 陳小雨，沈銳利，張培炎，等.懸索橋主纜的內(nèi)部檢測.世界橋梁，2013，41(1):86-90.

[2] 郎學政，許同樂，李中華.基于Modbus協(xié)議的PLC在自動供水監(jiān)控系統(tǒng)中的應用.儀表技術(shù)與傳感器，2013(2):62-64.

[3] 王文軍，王亞明，郝愛云.PLC在卷煙廠加香工序的應用.儀表技術(shù)與傳感器，2009( 10) :64-66．

Interior Status Measurement and Control System for Steel Wire Main Cable Based on Profibus-DP

Zhou Xiao-feng,MIAO Xiao-ping,JIANG Feng,ZHANG Di

(Military Key Laboratory of Defense Engineering Environmental Equipment and Intelligence, PLA University of Science and Technology,Nanjing 210007,China)

Due to the diversity of measurement parameters and decentralization of their locations for interior status measurement of the steel wire main cable,the field bus and industry Ethernet were applied to the measurement and control system.The real-time acquisition,storage,monitoring and alarming of the inside temperature,relative humidity and pressure were realized in the designed system.Meanwhile,interlock,extreme and mean controls were executed for equipment such as the dehumidification and frequency conversion fans.Host computer using configuration realized remote monitoring and Real-time information display，and provided reliable measurement and control system security to the main cable dry method.

Profibus-DP; industrical ethernet; PLC; measurement and control system; steel wire main cable

部省聯(lián)合攻關(guān)項目(2008-353-332-170)

2015-03-11 收修改稿日期：2015-05-12

TU731.5

A

1002-1841(2015)07-0071-03

周孝鋒(1985— )，博士研究生，主要研究方向為智能測試技術(shù)及智能化系統(tǒng)。E-mail：ppddtzhou@163.com. 繆小平(1957— )，教授，博士生導師，主要研究領(lǐng)域為國防工程環(huán)境設(shè)備及智能化系統(tǒng)。