人工海洋環(huán)境試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

張建良, 趙建勇, 付傳清

(1. 浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院, 浙江 杭州　310027；2. 浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 浙江 杭州　310014)

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人工海洋環(huán)境試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

張建良1, 趙建勇1, 付傳清2

(1. 浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院, 浙江 杭州310027；2. 浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 浙江 杭州310014)

針對(duì)現(xiàn)有試驗(yàn)裝置需要大量人為參與的半自動(dòng)化特點(diǎn),以及試驗(yàn)周期長且重現(xiàn)性差的問題,通過為紅外光照子系統(tǒng)、溫濕度控制子系統(tǒng)、通風(fēng)控制子系統(tǒng)和潮汐控制子系統(tǒng)設(shè)計(jì)魯棒性控制策略,實(shí)現(xiàn)惡劣環(huán)境下干濕時(shí)間、吹風(fēng)時(shí)間、潮汐水位等環(huán)境參數(shù)的準(zhǔn)確追蹤和控制；在系統(tǒng)總控制器中提出環(huán)境自適應(yīng)優(yōu)化控制策略,實(shí)現(xiàn)各個(gè)子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)和工序優(yōu)化,加速耐久性試驗(yàn)過程,實(shí)現(xiàn)潮汐模擬過程中人工環(huán)境條件的準(zhǔn)確控制,同時(shí)具有較經(jīng)濟(jì)的成本和較好的可維護(hù)性、擴(kuò)展性,有助于展開不同海洋環(huán)境條件下的耐久性試驗(yàn)。

控制系統(tǒng)； 人工海洋環(huán)境； 試驗(yàn)裝置； 優(yōu)化設(shè)計(jì)

海洋特殊環(huán)境下氯鹽的侵蝕現(xiàn)象嚴(yán)重地威脅著建筑于跨海、海岸和臨海的風(fēng)機(jī)平臺(tái)、輸電設(shè)施、橋梁等混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性能,造成了嚴(yán)重的安全隱患和經(jīng)濟(jì)損失。因此,迫切需要模擬在海洋環(huán)境下對(duì)混凝土建筑的腐蝕情況和耐久性進(jìn)行深入分析和試驗(yàn)驗(yàn)證[1-2]。

近年來,世界各國在海洋環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性試驗(yàn)方面取得了一系列的研究成果[3-7]。加拿大研究人員在對(duì)該國諾森伯蘭海峽大橋的耐久性研究中,進(jìn)行了氯離子快速滲透性和擴(kuò)散性試驗(yàn),指出了鋼筋的銹蝕速率取決溫度、氧氣和混凝土電阻率等因素。日本工程技術(shù)人員通過對(duì)日本本州四國聯(lián)絡(luò)橋的研究,得到了氯鹽離子的滲進(jìn)量和滲進(jìn)速度與環(huán)境溫度、相對(duì)濕度、光照和混凝土密實(shí)度等因素之間的關(guān)系。在我國,以同濟(jì)大學(xué)、浙江大學(xué)等為代表的眾多院校和科研機(jī)構(gòu),綜合分析我國海水潮汐區(qū)的海水鹽度、溫度、相對(duì)濕度、潮汐類型等因素對(duì)氯離子侵蝕的影響,并且對(duì)實(shí)驗(yàn)室條件下再現(xiàn)氯離子侵蝕的試驗(yàn)方法進(jìn)行分析對(duì)比和改進(jìn),提出了一系列海水潮汐區(qū)混凝土氯鹽侵蝕的模擬試驗(yàn)方法[8-13]。然而,現(xiàn)有的試驗(yàn)方法和試驗(yàn)裝置所固有的一些缺點(diǎn),不足以揭示氯離子侵蝕機(jī)理,及預(yù)測混凝土結(jié)構(gòu)耐久性壽命。

針對(duì)現(xiàn)有試驗(yàn)裝置的缺陷,本文擬通過人工海洋環(huán)境試驗(yàn)裝置自動(dòng)控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì),研制一種干濕循環(huán)條件下實(shí)現(xiàn)無人值守的全自動(dòng)再現(xiàn)氯離子侵蝕的新型加速試驗(yàn)裝置,解決試驗(yàn)周期長、重現(xiàn)性差的問題。同時(shí),通過設(shè)計(jì)相應(yīng)的底層和高層控制系統(tǒng),解決現(xiàn)在潮汐過程中的溫度、濕度和風(fēng)速等參數(shù)控制精度低的問題。該試驗(yàn)裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、操作簡便、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。

1　試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架及思路

利用控制理論相關(guān)的知識(shí)和工具,針對(duì)現(xiàn)有大型海洋環(huán)境試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)上的不足,研制一種新型的穩(wěn)定性高、結(jié)構(gòu)簡單、能夠?qū)崿F(xiàn)精確環(huán)境參數(shù)下開展自動(dòng)化潮汐作用試驗(yàn)的控制系統(tǒng),對(duì)海洋潮汐環(huán)境進(jìn)行有效人工模擬,提供一種新型耐久性加速試驗(yàn)的平臺(tái)。所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)包括底層控制單元和高層控制單元。底層控制單元主要包括紅外燈控制子系統(tǒng)、潮汐控制子系統(tǒng)、溫濕度控制子系統(tǒng)、吹風(fēng)控制子系統(tǒng)；高層控制單元主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各個(gè)子系統(tǒng)對(duì)于環(huán)境參數(shù)的耦合控制,并對(duì)整個(gè)控制時(shí)序進(jìn)行優(yōu)化。試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框架圖見圖1。

在底層控制單元的設(shè)計(jì)中,基于PLC開發(fā)溫濕度控制子系統(tǒng)、通風(fēng)控制子系統(tǒng)、紅外燈控制子系統(tǒng)、潮汐控制子系統(tǒng)等控制模塊,分別實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)器、空調(diào)器、鼓風(fēng)機(jī)、水泵等設(shè)備的合理工作狀態(tài),保證對(duì)于溫濕度、風(fēng)速、光照、水位的實(shí)時(shí)反饋和控制,并實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)干擾的魯棒性。

在高層控制單元的設(shè)計(jì)中,通過在工控機(jī)上開發(fā)PLC控制程序,一方面確保實(shí)現(xiàn)耐久性試驗(yàn)中各個(gè)工序之間的自動(dòng)和有效銜接,優(yōu)化工序的執(zhí)行順序,達(dá)到加速試驗(yàn)的目的；另一方面,高層控制單元利用工控機(jī)對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)PLC采集到的相關(guān)物理量信息進(jìn)行實(shí)時(shí)分析,基于各個(gè)子系統(tǒng)之間信息量的耦合特性,實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)間各操動(dòng)機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)反應(yīng),從而提高試驗(yàn)中參數(shù)控制的精度,保證試驗(yàn)的可信性和可重現(xiàn)性。

圖1　試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框架圖

2　試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)

控制系統(tǒng)中的底層控制單元采用德國西門子公司生產(chǎn)的PLC S7-200,利用PLC上標(biāo)準(zhǔn)化MPI接口為每個(gè)子系統(tǒng)設(shè)置唯一的MPI地址,實(shí)現(xiàn)各底層子系統(tǒng)之間以及和高層控制單元之間的數(shù)據(jù)通信和編程控制。高層控制單元利用工控機(jī)配合相關(guān)編程環(huán)境SETP7,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)的工序協(xié)調(diào)和優(yōu)化控制策略,并通過編程電纜與底層各個(gè)子系統(tǒng)互聯(lián)通信,指導(dǎo)和協(xié)調(diào)各個(gè)子系統(tǒng)對(duì)各自傳感器信號(hào)的實(shí)時(shí)反饋和有效控制。

2.1潮汐控制子系統(tǒng)

通過實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)箱和鹽水補(bǔ)給池中水位的循環(huán)變化,模擬實(shí)現(xiàn)潮汐環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的干濕過程。因此,潮汐控制系統(tǒng)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)鹽水補(bǔ)給池和試驗(yàn)箱總的串聯(lián)液位在指定的時(shí)刻維持在指定的液位水平?？刂葡到y(tǒng)的參考輸入是給定的液位值,控制對(duì)象是相應(yīng)的抽水泵和送水泵的開關(guān)。試驗(yàn)箱和補(bǔ)給池的液位變化范圍是0～0.8 m,當(dāng)觸發(fā)液位的臨界值時(shí),由液位控制PLC發(fā)出報(bào)警信號(hào),通知水泵進(jìn)行相應(yīng)的排水或者補(bǔ)水操作。通過在PLC上設(shè)計(jì)合適的控制器,使被控液位快速、準(zhǔn)確地穩(wěn)定在所給的液位水平上,穩(wěn)態(tài)誤差不超過3 mm。在蒸發(fā)作用或水泵的操作慣性等擾動(dòng)下,要求被控液位能夠快速恢復(fù)到原來所給定的液位值。同時(shí)考慮到加速試驗(yàn)的目的,當(dāng)實(shí)際液面與期望液面水平差別比較大時(shí),在水泵的電磁閥上施加更大的閥門調(diào)節(jié)力度；當(dāng)液面差別變小時(shí),逐步減小閥門的調(diào)節(jié)力度?；诖?考慮在PLC的控制邏輯設(shè)計(jì)上,采用基于液位誤差的PID控制策略,該控制子系統(tǒng)的硬件連接圖見圖2,控制流程圖見圖3。

圖2　潮汐控制子系統(tǒng)硬件連接圖

圖3　潮汐系統(tǒng)控制流程圖

2.2紅外燈控制子系統(tǒng)

在現(xiàn)有的試驗(yàn)研究中,大部分都沒有考慮對(duì)光照進(jìn)行控制。為了盡量真實(shí)地模擬海洋腐蝕環(huán)境并實(shí)現(xiàn)加速試驗(yàn)的目的,考慮增加太陽光對(duì)腐蝕過程的影響,尤其是陽光中占主導(dǎo)腐蝕作用的紅外光,在裝置中增加了熱輻射紅外燈的控制系統(tǒng)?？紤]到試驗(yàn)環(huán)境比較惡劣和試驗(yàn)周期比較長的特點(diǎn),選取經(jīng)特殊設(shè)計(jì)和工藝制成的高通紅外濾波鋼化玻璃紅外燈泡,其紅外光成分最高可達(dá)92%～95%,功率100～375 W,輻射角度60°～80°,可以有效覆蓋試驗(yàn)箱中的試件。為提高熱輻射紅外燈的壽命,滿足試驗(yàn)對(duì)光照因素的靈活要求,采用PLC對(duì)光控開關(guān)電路發(fā)出工作時(shí)間和光照強(qiáng)度的指令,配合潮汐過程和溫濕度調(diào)節(jié)過程,盡量真實(shí)模擬優(yōu)化耐久性試驗(yàn)的環(huán)境參數(shù)。

2.3溫濕度控制子系統(tǒng)

在原有試驗(yàn)裝置中,都沒有考慮到密閉空間內(nèi)溫度和濕度之間相互耦合關(guān)系,即濕熱兩種物理量中當(dāng)濕度發(fā)生變化時(shí),通過潛熱交換將該熱量轉(zhuǎn)化為溫度變化量,反饋到溫度輸入量中,從而需要描述濕度變化對(duì)溫度變化量的影響和補(bǔ)償作用。本文用一個(gè)經(jīng)驗(yàn)的比例關(guān)系描述溫濕度之間的動(dòng)態(tài)耦合關(guān)系。同時(shí),為了加速試驗(yàn)的進(jìn)程,確保在最快的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)期望的溫濕度調(diào)節(jié),通過在PLC上分別對(duì)解耦后的溫度量和濕度量進(jìn)行誤差的PID控制,然后通過控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)器和蒸發(fā)器的工作狀態(tài)的調(diào)整,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)箱內(nèi)濕度和溫度的精確控制,最終確保溫濕度控制速度快、超調(diào)小、穩(wěn)態(tài)精度高的目標(biāo)。具體的控制框圖見圖4。

圖4　溫濕度控制子系統(tǒng)框圖

2.4通風(fēng)控制子系統(tǒng)

通風(fēng)控制子系統(tǒng)以PLC為控制器,通過對(duì)風(fēng)速傳感器采集風(fēng)速和期望風(fēng)速的誤差計(jì)算,同時(shí)配合高層控制單元對(duì)于試驗(yàn)箱內(nèi)部的溫濕度調(diào)節(jié)要求,對(duì)風(fēng)機(jī)變頻器施加相應(yīng)的控制信號(hào),以實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)箱內(nèi)部風(fēng)機(jī)的風(fēng)速大小和通風(fēng)時(shí)間參數(shù)的控制。

2.5高層協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)

在試驗(yàn)箱內(nèi)部,溫度和濕度2個(gè)參數(shù)存在著耦合關(guān)系,同時(shí)在試驗(yàn)箱這個(gè)密閉的環(huán)境中,紅外燈也具有一定的熱量釋放,從而對(duì)溫濕度存在一定的影響。另外,通風(fēng)狀況也對(duì)試驗(yàn)混凝土構(gòu)件表面的溫濕度狀況造成影響。因此,為了實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)環(huán)境參數(shù)的精確控制和快速反饋,同時(shí)為了能夠加速侵蝕過程,必須綜合考慮溫濕度控制子系統(tǒng)、紅外燈控制子系統(tǒng)以及通風(fēng)控制子系統(tǒng),通過對(duì)試驗(yàn)箱內(nèi)的各個(gè)工序和控制對(duì)象進(jìn)行協(xié)調(diào)和優(yōu)化,以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度的準(zhǔn)確、快速的控制。

不但對(duì)于溫濕度參數(shù)的控制需要協(xié)調(diào)考慮,對(duì)于潮汐中的干濕過程,同樣需要綜合考慮潮汐控制子系統(tǒng)和其他子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)。鑒于此,通過高層控制單元的工控機(jī)對(duì)試驗(yàn)箱內(nèi)各個(gè)底層控制單元的控制信息進(jìn)行采集,并在各個(gè)子系統(tǒng)PLC和高層控制單元中工控機(jī)之間進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸,獲取試驗(yàn)箱內(nèi)部各個(gè)物理量的狀態(tài),并對(duì)底層控制單元中的PLC進(jìn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化操作,實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)參數(shù)的快速、精確實(shí)現(xiàn)。

在工序優(yōu)化方面,當(dāng)潮汐過程開始而試件未完全進(jìn)入浸泡過程前,高層控制單元提前通知紅外燈和溫濕度控制子系統(tǒng),將試驗(yàn)箱溫度調(diào)至期望的溫度,快速實(shí)現(xiàn)浸泡過程中光照和溫度的調(diào)節(jié)；當(dāng)浸泡過程結(jié)束而試件未完全進(jìn)入干燥階段前,高層控制單元提前通知紅外燈、通風(fēng)和溫濕度控制子系統(tǒng),調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和紅外燈強(qiáng)度以及蒸發(fā)器和空調(diào)器的運(yùn)行狀態(tài),逐漸將試驗(yàn)箱內(nèi)的溫濕度和光照情況穩(wěn)定在期望范圍內(nèi),以加速實(shí)現(xiàn)試件的干燥過程。

3　試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)的工作流程

通過在高層控制單元中工控機(jī)上編程,可以為試驗(yàn)裝置設(shè)定不同的工作模式,比如每日相同和每日不同的工作模式,也可以根據(jù)加速試驗(yàn)的要求設(shè)定干濕循環(huán)制度和各種環(huán)境條件的參數(shù),干濕時(shí)間比例可以根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康倪M(jìn)行設(shè)置,試驗(yàn)裝置的環(huán)境溫度設(shè)置范圍為0～50 ℃,相對(duì)濕度范圍為10%～100%,溫度范圍為10～50 ℃,風(fēng)速范圍為0～6 m/s。

通過潮汐控制系統(tǒng)使試驗(yàn)箱中的混凝土試件交替處于浸潤和干燥狀態(tài),通過紅外燈、溫濕度和通風(fēng)控制子系統(tǒng),模擬處于海洋潮汐區(qū)的混凝土周期性浸潤和干燥的過程。一旦在工控機(jī)程序中設(shè)置好工作模式,試驗(yàn)裝置能夠按照設(shè)定程序自動(dòng)運(yùn)行,整個(gè)過程無需人為參與。工作流程見圖5。

圖5　試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)的工作流程

4　試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)模擬加速試驗(yàn)

依據(jù)加速試驗(yàn)必須具備自然環(huán)境試驗(yàn)的真實(shí)性、可靠性、重現(xiàn)性好等原則,利用所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng),在試驗(yàn)裝置內(nèi)進(jìn)行波特蘭P.I 52.5水泥混凝土30 d 的干濕循環(huán)氯鹽加速侵蝕,研究控制系統(tǒng)作用下干濕時(shí)間比、溫度、光照、相對(duì)濕度和風(fēng)速等參數(shù)對(duì)混凝土氯鹽傳輸?shù)挠绊憽Ｔ囼?yàn)對(duì)象為6個(gè)尺寸為100 mm×100 mm×300 mm的棱柱體試件,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d進(jìn)行氯鹽傳輸加速試驗(yàn)。在高層控制單元的工控機(jī)程序中設(shè)置環(huán)境參數(shù)見表1(表中θ為溫度，H為相對(duì)濕度，v為風(fēng)速，t為干濕時(shí)間比，t1為光照時(shí)間，t2為試驗(yàn)時(shí)間),一個(gè)干濕循環(huán)周期取1 d。

表1　試驗(yàn)環(huán)境條件參數(shù)

試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)不同環(huán)境條件下混凝土試件中氯離子含量進(jìn)行測定，結(jié)果見圖6(圖中h為距離混凝土表面的深度，c為氯離子含量)。通過比較圖6中曲線P1、P2和P3可知，由于干濕比例不同氯離子所受的遷移動(dòng)力不同,干濕循環(huán)時(shí)間比對(duì)氯離子的遷移情況有相當(dāng)大的影響。另外,通過加入了紅外燈控制,配合溫濕度和通風(fēng)控制,實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)箱內(nèi)光照、風(fēng)速和溫濕度參數(shù)的準(zhǔn)確跟蹤,比較圖6中曲線P4、P5和P6可以發(fā)現(xiàn),光照、溫度和風(fēng)速等環(huán)境參數(shù)與氯離子的侵入速度是正比例關(guān)系,而濕度與氯離子的侵入速度是反比例關(guān)系,試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)有理論研究的一致性,說明了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)于參數(shù)控制的準(zhǔn)確性和試驗(yàn)的合理性。同時(shí),由于采用了高層控制單元對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行工序協(xié)調(diào)和優(yōu)化,與傳統(tǒng)試驗(yàn)裝置相比,試驗(yàn)進(jìn)度得到了一定的加速。

圖6　不同環(huán)境條件影響下的試件P1—P6中氯離子含量分布曲線

5　結(jié)論

針對(duì)現(xiàn)有人工海洋環(huán)境試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)上的不足,利用控制理論相關(guān)的知識(shí)和工具,開發(fā)了一種新型的穩(wěn)定性高、結(jié)構(gòu)簡單、能夠?qū)崿F(xiàn)精確環(huán)境參數(shù)下開展自動(dòng)化潮汐作用試驗(yàn)的控制系統(tǒng)。通過設(shè)計(jì)包括紅外燈控制子系統(tǒng)、潮汐控制子系統(tǒng)、溫濕度控制子系統(tǒng)和通風(fēng)控制子系統(tǒng)在內(nèi)的底層控制單元,實(shí)現(xiàn)各個(gè)子系統(tǒng)對(duì)環(huán)境參數(shù)的準(zhǔn)確控制,保證了試驗(yàn)的可信性和可重現(xiàn)性；通過高層控制單元,實(shí)現(xiàn)了子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)和工序優(yōu)化,解決了以往的試驗(yàn)方法需要大量人力和時(shí)間參與的問題,實(shí)現(xiàn)了裝置的全自動(dòng)化改造,起到了試驗(yàn)加速的目的。經(jīng)過前期測試表明,該試驗(yàn)裝置的應(yīng)用效果好、穩(wěn)定性高,可進(jìn)一步應(yīng)用于各種類型混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性試驗(yàn)研究。

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Optimal design of control system for artificial marine environment testing device

Zhang Jianliang1, Zhao Jianyong1, Fu Chuanqing2

(1. College of Electrical Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China;2. College of Architecture Engineering,Zhejiang University of Technology,Hangzhou 310014,China)

Aiming at the existing marine environment test device requires a lot of human involvement in the semi-automatic features,as well as has long test cycle time and poor reproducibility problems, the control strategies for infrared illumination subsystem,temperature and humidity control subsystem,wind control subsystem and tidal control subsystem are designed to accurately control the parameters such as the time ratio of dry to wet,wind blowing time,the tide level and other environmental parameters. Further,the environmental adaptive optimal control strategy is proposed to achieve process optimization and coordination between the various subsystems,as a result the total test process is accelerated by the controller. This study owns a more economical cost and better maintainability,scalability,which can help expand the applications in different oceans durability test under environmental conditions.

control system； artificial marine environment； testing device； optimal design

10.16791/j.cnki.sjg.2016.10.021

2016-04-10

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61371095)；國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863)項(xiàng)目(2015AA050202)；浙江省教育廳科研項(xiàng)目(Y201533326)；浙江大學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(SZD201501)

張建良(1984—)，男，河南新野，博士，講師，研究方向?yàn)閺?fù)雜工業(yè)系統(tǒng)的分析與控制.E-mail：jlzhang@zju.edu.cn

TU69

A

1002-4956(2016)10-0081-05