剛性鉸分布式溫濕度控制系統(tǒng)研究

徐文城，王淼

（中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京100088）

1 引言

嘉紹大橋全橋跨中位置設(shè)置剛性鉸解決連續(xù)長鋼箱梁面臨溫度變形問題。嘉紹大橋處于海洋環(huán)境，橋址處雨量充沛、溫暖濕潤，年平均相對(duì)濕度達(dá)80%，對(duì)主梁、錨固系統(tǒng)等鋼構(gòu)件都可能會(huì)發(fā)生腐蝕作用。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

嘉紹大橋剛性鉸由4 個(gè)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(tǒng)能夠同步實(shí)現(xiàn)4 個(gè)小箱梁溫濕度的控制。采用“集中管理，分散控制”理念構(gòu)建嘉紹大橋剛性鉸分布式溫濕度控制系統(tǒng)?！凹泄芾怼币髮?shù)據(jù)統(tǒng)一匯聚到中心，在中心內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)的展示和管理，“分散控制”要求每一個(gè)控制子系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)控制的分散，避免單點(diǎn)故障影響系統(tǒng)整體。層次架構(gòu)大大提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，同時(shí)減少信號(hào)傳輸線長度對(duì)溫濕度控制效果的影響。

分布式溫濕度控制系統(tǒng)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(xié)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)剛性鉸的溫濕度控制。分布采集控制層是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，包含4 個(gè)位于不同剛性鉸小箱梁內(nèi)的控制站。控制站由溫度傳感器、濕度傳感器、空調(diào)及除濕機(jī)組成，并由MCU 控制器（微控制單元控制器）實(shí)現(xiàn)對(duì)各模塊的自動(dòng)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(hào)，并控制除濕機(jī)和空調(diào)執(zhí)行小箱梁內(nèi)的除濕和制冷工作。作為完整獨(dú)立的自動(dòng)采集控制系統(tǒng)，在無上層指令的情況下，可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)小箱梁內(nèi)溫濕度的采集與控制，各控制站互不影響，達(dá)到“分散控制”的要求，確保了系統(tǒng)的可靠性[1]。

考慮大橋現(xiàn)場特點(diǎn)及功能需求，選擇CAN 總線通信協(xié)議，其具有抗干擾強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)[1]。傳輸層通過CAN總線收發(fā)器，實(shí)現(xiàn)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(fā)管理控制層指令信號(hào)，滿足對(duì)4 個(gè)控制站的“集中管理”要求。管理控制層主要包含工業(yè)控制計(jì)算機(jī)及管理計(jì)算機(jī)，由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)4 個(gè)采集站進(jìn)行統(tǒng)一管理與協(xié)調(diào)，采集監(jiān)測數(shù)據(jù)并下發(fā)控制指令，監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)位于大橋現(xiàn)場，其通過TCP/IP協(xié)議與位于監(jiān)控中心的管理計(jì)算進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，實(shí)時(shí)掌握剛性鉸小箱梁溫濕度分布及控制站設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

3 分采集控制層

分布采集控制層由MCU 控制器、信號(hào)采集模塊（溫度傳感器、濕度傳感器）及執(zhí)行模塊（除濕機(jī)和空調(diào)）組成，作為系統(tǒng)基礎(chǔ)，具有完備的采集與控制功能，能夠自動(dòng)完成對(duì)小箱梁內(nèi)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(hào)采集模塊，輸出通道為執(zhí)行模塊。其通過對(duì)輸入信號(hào)采集模塊信號(hào)的采集、運(yùn)算，判斷小箱梁內(nèi)的環(huán)境條件，根據(jù)預(yù)設(shè)的控制要求，確定要采取的動(dòng)作，輸出控制信號(hào)，啟動(dòng)控制模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)小箱梁的溫濕度調(diào)控。

信號(hào)采集模塊主要設(shè)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(zhuǎn)換電路。傳感器通過內(nèi)部敏感元件將環(huán)境信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電信號(hào)，并經(jīng)由濾波放大電路處理，轉(zhuǎn)換電路將處理后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并傳送到MCU 控制器，采集小箱梁內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采用一體化溫濕度傳感器對(duì)溫濕度的同步測量，輸出信號(hào)為4～20mA 的電流信號(hào)。

控制模塊是整個(gè)系統(tǒng)控制信號(hào)輸出通道及執(zhí)行機(jī)構(gòu)，接收MCU 控制器輸出信號(hào)，對(duì)除濕機(jī)和空調(diào)進(jìn)行控制。當(dāng)環(huán)境溫濕度超過閾值，MCU 控制器輸出的開關(guān)量信號(hào)經(jīng)由光電耦合器將5V 電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為12V 電壓信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)接觸器工作，同時(shí)光電耦合器可以對(duì)輸入與輸入電信號(hào)進(jìn)行隔離增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性。當(dāng)小箱梁內(nèi)溫度超過預(yù)設(shè)范圍，控制器會(huì)根據(jù)采集溫度數(shù)據(jù)做出判斷，輸出信號(hào)，啟動(dòng)空調(diào)進(jìn)行環(huán)境降溫；當(dāng)濕度超過預(yù)設(shè)范圍，控制器會(huì)根據(jù)采集濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，輸出控制信號(hào)，啟動(dòng)除濕機(jī)進(jìn)行除濕。

4 溫濕度傳感器選型

傳感器選型應(yīng)考慮技術(shù)條件、性價(jià)比、穩(wěn)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(jìn)性原則：在滿足性能要求的前提下，選擇技術(shù)成熟、功能先進(jìn)的傳感器；（2）精確性原則：根據(jù)剛性鉸模擬計(jì)算分析結(jié)果，選擇滿足精確度要求的設(shè)備；（3）經(jīng)濟(jì)性原則：在滿足功能需求的前提下，選用性價(jià)比高的設(shè)備；（4）可靠、穩(wěn)定性：選用耐久性好的工業(yè)級(jí)傳感器，確保系統(tǒng)能長期可靠穩(wěn)定地運(yùn)行。

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

奧地利E+E 品牌的EE22 型號(hào)大氣溫濕度儀的測量濕度的敏感元器件為濕敏電阻，同時(shí)，此型號(hào)的溫濕度儀集成了電流轉(zhuǎn)換模塊，信號(hào)輸出為標(biāo)準(zhǔn)的電流信號(hào)，通通過電流信號(hào)調(diào)理器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)本系統(tǒng)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(shù)據(jù)處理模塊及遠(yuǎn)程控制模塊，其中數(shù)據(jù)處理模塊可實(shí)現(xiàn)對(duì)剛性鉸所有小箱梁溫濕度數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測剛性鉸內(nèi)部情況，記錄、統(tǒng)計(jì)相關(guān)數(shù)據(jù)，形成剛性鉸運(yùn)營環(huán)境數(shù)據(jù)檔案。遠(yuǎn)程控制模塊可根據(jù)大橋管理人員判斷，對(duì)MCU 控制器發(fā)出指令，控制除濕機(jī)遇空調(diào)的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)剛性鉸溫濕度的遠(yuǎn)程控制與調(diào)節(jié)。

數(shù)據(jù)處理模塊軟件安裝于管理計(jì)算機(jī)上，通過光纖網(wǎng)絡(luò)與分布采集控制層設(shè)備進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)接收溫濕度數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理模塊實(shí)現(xiàn)計(jì)算處理，數(shù)據(jù)畸點(diǎn)剔除等功能。處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)展示，同時(shí)保存溫濕度數(shù)據(jù)，便于后續(xù)查詢。

本系統(tǒng)的軟件基于B/S 架構(gòu)（瀏覽器和服務(wù)器架構(gòu)模式）組成。該軟件的主要功能包含數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)及顯示。

溫濕度傳感器所采集的電流信號(hào)由采集儀采集并傳輸，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后主要有2 個(gè)流向：一方面存儲(chǔ)管理，以備后續(xù)數(shù)據(jù)的備份和歷史數(shù)據(jù)的查詢；另一方面發(fā)送到數(shù)據(jù)顯示模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的顯示。

6 系統(tǒng)控制策略

溫濕度數(shù)據(jù)由熱敏傳感器測得信號(hào)傳輸給數(shù)據(jù)處理部分，數(shù)據(jù)處理控制箱的邏輯控制器通過溫度信號(hào)判斷，控制系統(tǒng)啟動(dòng)模塊的狀態(tài)，對(duì)溫度35℃及以上情況或者濕度大于60%，則開啟系統(tǒng)啟動(dòng)模塊。（1）當(dāng)剛性鉸溫度＜35℃，濕度＜60%時(shí)，剛性鉸內(nèi)部環(huán)境良好，系統(tǒng)不開啟；（2）當(dāng)溫度≥35℃，濕度＜60%時(shí)，剛性鉸內(nèi)溫度較高，啟動(dòng)降溫裝置；（3）當(dāng)溫度＜35℃，濕度≥60%時(shí)，剛性鉸內(nèi)濕度較高，啟動(dòng)除濕裝置。按照系統(tǒng)控制策略，通過對(duì)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(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

7 結(jié)語

本文針對(duì)嘉紹大橋剛性鉸構(gòu)造特點(diǎn)，研究了一種分布式溫濕度控制系統(tǒng)，特別是針對(duì)系統(tǒng)的軟硬件和控制策略進(jìn)行了研究。所提出系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)對(duì)剛性鉸內(nèi)部溫濕度的自動(dòng)控制，從而保證剛性鉸處于良好的穩(wěn)定的運(yùn)行環(huán)境中，滿足大橋的實(shí)際管養(yǎng)需求，保證了剛性鉸的使用壽命。