混凝土澆注通水冷卻控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

劉海棠，方彥軍，王業(yè)震，段亞輝，謝 雄

(1.武漢大學(xué)電氣與自動(dòng)化學(xué)院，湖北武漢 430072；2.武漢大學(xué)，水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430072)

0 引言

混凝土澆注冷卻防裂技術(shù)是混凝土施工領(lǐng)域的研究重點(diǎn)[1]。目前大部分混凝土澆注通水冷卻工作由人工完成，人工噴淋冷卻以經(jīng)驗(yàn)操作，存在少灑或過(guò)量灑的問(wèn)題，不能達(dá)到噴淋控制的最優(yōu)化，因而無(wú)法保證混凝土澆注的防裂水平。隨著施工智能化理念的提出[2-3]，智能化理念在混凝土澆注冷卻防裂領(lǐng)域逐漸得到了體現(xiàn)，但該領(lǐng)域目前少有能投入實(shí)際應(yīng)用的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。

基于上述問(wèn)題，提供了一套自動(dòng)化通水冷卻控制系統(tǒng)[4-5]，該系統(tǒng)使用STM32單片機(jī)作為控制核心接收溫度傳感器數(shù)據(jù)、控制電磁閥開(kāi)閉，使用搭載基于C#WinForm開(kāi)發(fā)的控制軟件的工業(yè)計(jì)算機(jī)作為系統(tǒng)主機(jī)，結(jié)合LoRa物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，具有安裝調(diào)試方便、自動(dòng)化程度高、人機(jī)交互友好、可擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)，可以有效提高混凝土施工領(lǐng)域的科學(xué)化和自動(dòng)化水平。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，該控制系統(tǒng)以系統(tǒng)主機(jī)作為監(jiān)控中心，系統(tǒng)主機(jī)通過(guò)LoRa物聯(lián)網(wǎng)與各戶外控制箱通信，接收戶外控制箱發(fā)送的數(shù)據(jù)或由人工主動(dòng)查詢?cè)O(shè)備運(yùn)行參數(shù)，亦可人工干預(yù)各戶外控制箱運(yùn)行。同時(shí)，各戶外控制箱之間獨(dú)立運(yùn)行，一個(gè)戶外控制箱測(cè)量一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度并控制該混凝土段的電磁閥從而控制通水冷卻的啟停。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 溫度測(cè)量電路

施工領(lǐng)域一般采用熱電阻探頭作為溫度傳感器測(cè)量混凝土內(nèi)部溫度。為了獲得熱電阻的準(zhǔn)確阻值，設(shè)計(jì)了一種溫度測(cè)量電路，這一測(cè)量電路主要由恒流源電路、電壓測(cè)量電路、電壓放大電路及A/D采樣電路組成，采用ICL7660產(chǎn)生-5 V電壓源，使用AD780產(chǎn)生2.5 V標(biāo)準(zhǔn)電壓，采用LTC2420采集電壓值并通過(guò)SPI通信方式與單片機(jī)通信。

2.1 恒流源電路

熱電阻的測(cè)量方式為：使用恒流源驅(qū)動(dòng)熱電阻，再測(cè)量熱電阻兩端的電壓值，根據(jù)歐姆定律可以計(jì)算出熱電阻阻值。如圖2所示，該恒流源采用精密運(yùn)算放大器LMP7704的其中2個(gè)精密運(yùn)放，輸出電流為

(1)

通過(guò)改變R2即可改變輸出電流值。為了保證輸出電流不影響熱電阻自身溫度，這一電流值應(yīng)盡量小，以免影響測(cè)量精度。

圖2 恒流源電路

2.2 電壓測(cè)量電路

如圖3所示，為了抵消熱電阻的線電阻影響，采用了三線制熱電阻和運(yùn)算放大器。恒流源輸出Iout連接三線制Pt100電阻的接口1，電流依次流經(jīng)Rw1，Rx，Rw3，從而運(yùn)算放大器U4的反相輸入電壓為

U-=URw1+URx+URw3

(2)

U4的同相輸入電壓為

U+=URx+URw3

(3)

又由于三線制Pt100的3根引線材質(zhì)相同、長(zhǎng)度相同，可以認(rèn)為

Rw1=Rw2=Rw3

(4)

根據(jù)運(yùn)算放大器原理，可知U4的輸出電壓為

Uout1=2U+-U-

(5)

圖3 熱電阻電壓信號(hào)調(diào)理電路

由此可知U4的輸出電壓即為熱電阻兩端電壓。由于恒流源輸出電流較小，導(dǎo)致U4輸出電壓較小，為提高測(cè)量精度，在U4后串接一個(gè)運(yùn)算放大器U5，該運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)為10倍，因此

Uin=10IoutRx

(6)

當(dāng)Rx為100 Ω時(shí)，Uin值為2 V。根據(jù)熱電阻的溫度與電阻關(guān)系，即可得到溫度值。

3 控制器硬件系統(tǒng)

控制系統(tǒng)子單元由戶外控制箱及溫度傳感器、電磁閥等組成，戶外控制箱完成采集溫度傳感器數(shù)據(jù)、控制電磁閥開(kāi)閉、存儲(chǔ)運(yùn)行參數(shù)和與系統(tǒng)主機(jī)通信等功能，它的控制核心為STM32F103型單片機(jī)，該型單片機(jī)具有72 MHz主頻，接口相對(duì)較完善，性價(jià)比較高。電磁閥驅(qū)動(dòng)電路主要由光電隔離器件和繼電器組成。電源模塊需要將220 V電源降壓為12、5、3.3 V電源，從而為整個(gè)控制系統(tǒng)子單元供電。

戶外控制箱采用定制的ABS防水箱，根據(jù)需求開(kāi)孔，安裝防水航空插頭。防水箱內(nèi)各部分器件采用螺絲或泡沫膠帶固定。如圖4所示，戶外控制箱內(nèi)包含電源模塊、存儲(chǔ)模塊、A/D采樣模塊、LoRa透?jìng)髂K、單片機(jī)和電磁閥驅(qū)動(dòng)電路等部分。單片機(jī)通過(guò)A/D采樣模塊采集溫度傳感器數(shù)據(jù)，從而得到混凝土內(nèi)部采樣點(diǎn)的溫度值，根據(jù)溫度值進(jìn)行計(jì)算從而控制電磁閥的開(kāi)閉，繼而控制混凝土內(nèi)部通水冷卻的啟停。同時(shí)，單片機(jī)將運(yùn)行參數(shù)包括溫度值、電磁閥開(kāi)閉狀態(tài)值等通過(guò)SPI總線方式保存至存儲(chǔ)卡，通過(guò)串口和LoRa透?jìng)髂K發(fā)送到系統(tǒng)主機(jī)。

圖4 控制器硬件結(jié)構(gòu)圖

4 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件由2部分組成，分別為控制器軟件和系統(tǒng)主機(jī)軟件?？刂破鬈浖褂肅語(yǔ)言編寫(xiě)并燒寫(xiě)至單片機(jī)，需要完成采集溫度數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)處理、電磁閥控制、數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)上傳和響應(yīng)主機(jī)命令等任務(wù)。

系統(tǒng)主機(jī)軟件使用C#WinForm功能完成，系統(tǒng)主機(jī)軟件采用并行任務(wù)處理模式，接收到數(shù)據(jù)后需要解析數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)用曲線圖、表格等形式展示出來(lái)，并將數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)以備調(diào)用。

4.1 控制器軟件

控制器軟件采用時(shí)鐘中斷和串口接收中斷觸發(fā)任務(wù)，時(shí)鐘中斷需要在60 s周期內(nèi)完成60次溫度采集、1次數(shù)據(jù)保存、1次數(shù)據(jù)上傳和1次電磁閥控制，串口接收中斷需要在接收到主機(jī)指令時(shí)分析指令并作出相應(yīng)動(dòng)作，包括開(kāi)啟/關(guān)閉電磁閥、發(fā)送運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)等。

如圖5所示，控制器開(kāi)機(jī)時(shí)，單片機(jī)需要完成延時(shí)初始化、中斷初始化、時(shí)鐘初始化、串口初始化和SPI初始化、存儲(chǔ)卡初始化等任務(wù)，并在主循環(huán)開(kāi)始之前在60 s內(nèi)采集60個(gè)溫度數(shù)據(jù)并求均值，從而獲得第一個(gè)溫度均值。進(jìn)入主循環(huán)后由中斷觸發(fā)任務(wù)，每隔1 s采集1次溫度數(shù)據(jù)，具體采集方式為單片機(jī)向LTC2420發(fā)送數(shù)據(jù)讀取指令。每隔60 s對(duì)周期內(nèi)采集到的60個(gè)數(shù)據(jù)求均值，并與上次的溫度均值作比較，若高于上次溫度均值則控制光電隔離器件閉合繼電器從而開(kāi)啟電磁閥，否則關(guān)閉電磁閥。最后需要將電磁閥開(kāi)閉狀態(tài)、溫度值保存到存儲(chǔ)卡，并上傳至系統(tǒng)主機(jī)，等待系統(tǒng)主機(jī)反饋接收成功信號(hào)，否則需要多次嘗試數(shù)據(jù)上傳直至上傳成功。

圖5 下位機(jī)運(yùn)行框圖

根據(jù)混凝土澆注控溫原理，當(dāng)連續(xù)24 h沒(méi)有通水時(shí)則關(guān)閉程序，若系統(tǒng)已開(kāi)機(jī)3 d同樣需關(guān)閉程序。

4.2 系統(tǒng)主機(jī)軟件

主機(jī)程序使用基于C#的WinForm開(kāi)發(fā)，最后使用innosetup打包為可執(zhí)行程序。該程序主要實(shí)現(xiàn)的功能為從LoRa模塊接收數(shù)據(jù)并發(fā)送應(yīng)答數(shù)據(jù)、解析數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)以鏈表形式緩存，同時(shí)將緩存數(shù)據(jù)以曲線圖形式和表格形式展示出來(lái)，并將數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)庫(kù)中以備調(diào)用。

(1)基本收發(fā)界面。該界面能夠以十六進(jìn)制或字符形式顯示數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)，并能夠設(shè)置數(shù)據(jù)幀格式，比如對(duì)接收數(shù)據(jù)的第一個(gè)字節(jié)以無(wú)符號(hào)8位整形格式解析，對(duì)第二、三個(gè)字節(jié)以16位有符號(hào)整形格式解析等。

(2)波形顯示界面。該界面能夠以波形方式展示最多15臺(tái)控制器的數(shù)據(jù)，每臺(tái)控制器最多可以展示14個(gè)數(shù)據(jù)，并能夠調(diào)整x、y軸長(zhǎng)度以調(diào)整顯示效果。

(3)表格顯示界面。該界面能夠?qū)崟r(shí)展示接收時(shí)間、設(shè)備來(lái)源和運(yùn)行數(shù)據(jù)，能夠?qū)⑦@些數(shù)據(jù)保存到基于SQLite的數(shù)據(jù)庫(kù)文件中，并能根據(jù)需求展示數(shù)據(jù)庫(kù)文件中的表格。

(4)運(yùn)行日志界面。該界面能夠展示系統(tǒng)異常狀態(tài)，方便人員監(jiān)控。

上位機(jī)以并行方式處理任務(wù)，以事件和中斷方式觸發(fā)任務(wù)。圖6為上位機(jī)運(yùn)行框圖。觸發(fā)事件主要為鼠標(biāo)點(diǎn)擊，程序根據(jù)鼠標(biāo)點(diǎn)擊事件執(zhí)行任務(wù)，任務(wù)主要包括串口打開(kāi)/關(guān)閉、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)幀解析格式修改、選擇數(shù)據(jù)展示、選擇數(shù)據(jù)庫(kù)表格展示等。

圖6 上位機(jī)運(yùn)行框圖

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

本控制系統(tǒng)在白鶴灘水電站進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。圖7為兩個(gè)工況類似的混凝土澆注段的溫度變化趨勢(shì)對(duì)比曲線，其中一個(gè)混凝土澆注段僅測(cè)量溫度而另一個(gè)混凝土澆注段還加入了通水冷卻裝置。由圖7可見(jiàn)，在混凝土澆注后的15 h內(nèi)，有通水冷卻裝置的混凝土澆注段內(nèi)部溫度上升相對(duì)較緩，溫度峰值較低且溫度下降較為緩慢，達(dá)到了預(yù)期冷卻防裂控制要求[6]。

6 結(jié)束語(yǔ)

圖7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本控制系統(tǒng)對(duì)于提高工程施工領(lǐng)域自動(dòng)化、科學(xué)化水平具有一定的促進(jìn)作用，系統(tǒng)采集到的混凝土內(nèi)部溫度數(shù)據(jù)，一方面可用于控制通水冷卻的啟停，另一方面又可以作為控制算法優(yōu)化的依據(jù)。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，控制系統(tǒng)對(duì)于澆注混凝土內(nèi)部溫度具有較顯著的控制效果，但仍然需要更多的理論支持與實(shí)驗(yàn)完善。另外，由于本系統(tǒng)的靈活性，由少量工作人員即可監(jiān)控一個(gè)大型的混凝土澆注施工現(xiàn)場(chǎng)的通水冷卻工作，對(duì)于企業(yè)而言有較為重要的現(xiàn)實(shí)意義。