地鐵盾構(gòu)混凝土預(yù)制管片智能蒸養(yǎng)控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

楊斌

（中國(guó)電建集團(tuán)鐵路建設(shè)有限公司，北京 100048）

1 項(xiàng)目背景

城市地鐵主要采用盾構(gòu)法施工，預(yù)制鋼筋混凝土管片作為盾構(gòu)法施工的主要裝配構(gòu)件和永久襯砌，其質(zhì)量直接關(guān)系到隧道的整體質(zhì)量和安全。決定混凝土質(zhì)量的主要因素是混凝土組分、混凝土配制和混凝土養(yǎng)護(hù)。在其他條件不變的情況下，混凝土的養(yǎng)護(hù)方式、養(yǎng)護(hù)溫度、養(yǎng)護(hù)濕度、養(yǎng)護(hù)時(shí)間等因素，直接影響混凝土水化硬化程度、強(qiáng)度發(fā)展、耐久性等質(zhì)量性能。目前，混凝土管片養(yǎng)護(hù)方式普遍采用電熱蒸汽方式，控制方式簡(jiǎn)單，溫度控制不精確。隨著可編程邏輯控制器在工業(yè)控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，課題組利用智能測(cè)控技術(shù)與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理技術(shù)，以期實(shí)現(xiàn)混凝土管片電熱蒸汽養(yǎng)護(hù)的智能化與程序化，大幅提升混凝土管片蒸汽養(yǎng)護(hù)的效率和質(zhì)量。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

智能蒸養(yǎng)控制系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)要在研究管片生產(chǎn)線蒸養(yǎng)工藝流程，分析生產(chǎn)節(jié)拍、溫控、蒸養(yǎng)時(shí)間等數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，選取合適的智能控制器，研究符合蒸養(yǎng)要求的智能控制算法，編寫控制程序，進(jìn)行電氣設(shè)計(jì)與安裝。

2.1 整體架構(gòu)

智能蒸養(yǎng)控制系統(tǒng)由5個(gè)部分組成，分別是可編程控制器、報(bào)警系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)如圖1所示。控制系統(tǒng)的核心是可編程控制器，起實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蒸養(yǎng)室的室內(nèi)溫度變化并根據(jù)工藝要求控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。養(yǎng)護(hù)過程中如有故障產(chǎn)生將自動(dòng)啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，及時(shí)通知操作人員?？删幊炭刂破骱涂刂朴?jì)算機(jī)之間通過以太網(wǎng)交換機(jī)連接。人機(jī)交互系統(tǒng)采用Wincc組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)溫度實(shí)時(shí)顯示、故障記錄、溫度變化曲線、歷史記錄、參數(shù)設(shè)置等功能。

圖1智能蒸養(yǎng)控制系統(tǒng)整體構(gòu)架

2.2 智能控制架構(gòu)

圖2 為蒸養(yǎng)溫度智能控制架構(gòu)，智能蒸養(yǎng)控制系統(tǒng)的控制器采用的西門子S7-200SMARTPLC。其工作原理是系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，髙速不間斷地對(duì)每一路獨(dú)立的溫度進(jìn)行檢測(cè)，然后分別對(duì)照事先設(shè)定的工藝參數(shù)進(jìn)行計(jì)算比較，根據(jù)計(jì)算比較的結(jié)果對(duì)每一路電動(dòng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。由于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行速度快，一套控制系統(tǒng)可以同時(shí)對(duì)多套管片模具的蒸汽養(yǎng)護(hù)進(jìn)行控制。

圖2蒸養(yǎng)溫度智能控制架構(gòu)

2.3 人機(jī)交互系統(tǒng)架構(gòu)

圖3 為人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖。可編程控制器中的溫度信息、開關(guān)信息和報(bào)警信息采用以太網(wǎng)通信技術(shù)傳遞給計(jì)算機(jī)。人機(jī)交互界面采用Wincc組態(tài)軟件進(jìn)行界面設(shè)計(jì)，可以實(shí)時(shí)查看當(dāng)前生產(chǎn)狀態(tài)，包括生產(chǎn)流程狀態(tài)、設(shè)備運(yùn)行情況和報(bào)警信息等。在故障和報(bào)警情況下，Wincc的人機(jī)界面幫助排除故障處理報(bào)警，最大限度保證蒸養(yǎng)系統(tǒng)的順利進(jìn)行。

圖3 人機(jī)交互系統(tǒng)構(gòu)架

3 蒸養(yǎng)溫度智能控制技術(shù)研究

3.1 智能蒸養(yǎng)系統(tǒng)的PID控制概述

溫度控制具有非線性、時(shí)變性、滯后性、不對(duì)稱性，常規(guī)PID控制只有在參數(shù)整定準(zhǔn)確且系統(tǒng)不發(fā)生劇烈變化的情況下，才能夠達(dá)到較高的控制精度。然而這兩點(diǎn)對(duì)一般的電加熱爐溫度控制系統(tǒng)來說都難以滿足，所以控制系統(tǒng)采用了基于綜合策略的智能PID控制算法以實(shí)現(xiàn)對(duì)蒸養(yǎng)室溫度的精確控制。算法還采用了預(yù)測(cè)PID控制克服了常規(guī)PID只能根據(jù)當(dāng)前誤差量進(jìn)行控制的缺點(diǎn)，通過在控制器上增加一個(gè)預(yù)報(bào)項(xiàng)，消除純時(shí)滯對(duì)系統(tǒng)的影響。

3.2 智能蒸養(yǎng)溫度系統(tǒng)模型的建立

本系統(tǒng)采用系統(tǒng)辨識(shí)方法建立數(shù)學(xué)模型。系統(tǒng)辨識(shí)就是通過測(cè)量被控對(duì)象或被辨識(shí)系統(tǒng)在給定作用輸入下的輸出響應(yīng)或正常運(yùn)行時(shí)的輸入輸出數(shù)據(jù)，加以必要的數(shù)據(jù)處理和數(shù)學(xué)運(yùn)算估計(jì)出系統(tǒng)的粗略數(shù)學(xué)模型。

蒸養(yǎng)溫度控制可認(rèn)為是一個(gè)大容積滯后加純滯后的對(duì)象（容積滯后比純滯后大得多），在其整個(gè)溫度工作區(qū)域，對(duì)象動(dòng)態(tài)參數(shù)是隨爐溫變化的，而每個(gè)爐子都有一個(gè)設(shè)定的工作溫區(qū)，在工作點(diǎn)附近的小范圍內(nèi)，爐子的動(dòng)態(tài)特性可看成近似線性。

3.3 PID初始參數(shù)整定

通過辨識(shí)得到對(duì)象的參數(shù)模型后，就可以利用它來整定控制器參數(shù)。PID控制中至關(guān)重要的問題就是控制器三個(gè)自由參數(shù)（比例系數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)、微分時(shí)間常數(shù)）的整定。獲得系統(tǒng)的時(shí)域模型后，按基于頻域的PID整定規(guī)則算出控制器參數(shù)的初始值，然后直接用此PID控制器對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真。

對(duì)模型，當(dāng)設(shè)定值為500時(shí)，對(duì)分別采用C-N法、CHR法、C-C法、IMC法、OPT法整定PID控制器參數(shù)，經(jīng)對(duì)仿真曲線研究，得出采用C-N法整定出來的參數(shù)控制效果最好

4 效益

4.1 經(jīng)濟(jì)效益

（1）由該控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)蒸養(yǎng)室內(nèi)的溫度進(jìn)行控制，每年節(jié)省3個(gè)操作工，約15.0萬元人工成本。

（2）智能蒸養(yǎng)控制系統(tǒng)投入使用后，溫度控制精確，減少了蒸汽的浪費(fèi)，每年節(jié)約成本約5萬元。

（3）蒸養(yǎng)室的溫度控制準(zhǔn)確，減少了盾構(gòu)管片產(chǎn)品的報(bào)廢率，間接提高了經(jīng)濟(jì)效益，約5萬元。

4.2 社會(huì)效益

通過以上研究，提高了混凝土管片蒸養(yǎng)環(huán)節(jié)溫度控制的精確度，管片的生產(chǎn)質(zhì)量得到了業(yè)主的肯定，為公司贏得較好的聲譽(yù)，同時(shí)對(duì)我國(guó)同類行業(yè)蒸養(yǎng)控制技術(shù)的改進(jìn)提供了有力的技術(shù)支撐。

5 結(jié)論

通過對(duì)智能蒸養(yǎng)控制系統(tǒng)的研究，得出以下結(jié)論：

（1）試驗(yàn)表明該算法具有良好的控溫效果，超調(diào)小于設(shè)定值的3%，穩(wěn)態(tài)精度小于2℃。

（2）實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)信息的實(shí)時(shí)記錄、讀取及系統(tǒng)參數(shù)的人工設(shè)定，滿足人機(jī)交互的功能。

（3）將PID控制算法與先進(jìn)控制理論結(jié)合，提出了基于綜合策略的智能PID控制算法。

（4）采用西門子S7-200SMARTPLC可編程控制器，經(jīng)濟(jì)、安全、可靠，實(shí)現(xiàn)了溫度采集、開關(guān)狀態(tài)檢測(cè)、溫度控制、通信以及PID算法的實(shí)現(xiàn)。

（4）本控制系統(tǒng)采用了OPC通信方法實(shí)現(xiàn)了S7-200SMARTPLC與Wincc軟件間的數(shù)據(jù)交互，通信效果可靠，為其他控制系統(tǒng)的通信提供了理論與實(shí)踐依據(jù)。