淺析鐵路智能靜載試驗(yàn)成套設(shè)備PLC在靜載試驗(yàn)中的應(yīng)用

摘要：在鐵路客運(yùn)專線900t箱梁靜載試驗(yàn)過程中對(duì)壓力進(jìn)行自動(dòng)化加載控制，以往都是靠人工來完成加載任務(wù)，自動(dòng)化程度不高，效率低。鑒于這種情況，文章提出了基于PLC程序?qū)崿F(xiàn)靜載試驗(yàn)自動(dòng)加載壓力的系統(tǒng)功能，通過壓力傳感器構(gòu)建閉環(huán)控制系統(tǒng)。壓力傳感器實(shí)時(shí)與系統(tǒng)設(shè)定值進(jìn)行比較，通過計(jì)算，PLC控制信號(hào)輸出至電動(dòng)機(jī)械千斤頂控制電機(jī)的變頻器上，變頻器控制電機(jī)的啟停和轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)千斤頂頂升力的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)靜載試驗(yàn)的自動(dòng)化，縮短試驗(yàn)時(shí)間，改善操作條件，降低能源消耗，從而保證了試驗(yàn)的快速性、準(zhǔn)確性、合理性，更好地滿足了試驗(yàn)的需要，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

1客運(yùn)專線簡(jiǎn)支箱梁設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

客運(yùn)專線正線橋梁標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)采用后張法預(yù)應(yīng)力混凝土無碴軌道簡(jiǎn)支箱梁，#常見的跨度是31.5m（直線和曲線）。梁體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在正常使用條件下壽命為100年。單箱單室等高簡(jiǎn)支箱梁為截面類型，梁端的腹板、底部和頂部局部向內(nèi)側(cè)加厚。橋上人行道欄桿凈寬13.2m，橋面寬度防撞墻橋面寬9.4m，橋梁寬13.4m。橋梁向支座中心距4.5m，梁高3.05m，跨度31.5m，梁長(zhǎng)32.6m。采用ZK標(biāo)準(zhǔn)活載為列車豎向活載縱向計(jì)算，采用ZK特種活載則為橫向計(jì)算。凈活載為跨度的1/5141，其撓度為6.12mm。q2=1.0319為跨中截面集中剪力滯系數(shù)，而q1=1.017則為跨中截面綜合剪力滯系數(shù)。設(shè)計(jì)荷載下，理論計(jì)算強(qiáng)度安全系數(shù)K=2.01，跨中抗裂安全系數(shù)Kf=1.41。梁體混凝土設(shè)計(jì)等級(jí)C50，跨中下緣混凝土壓應(yīng)力δ=0.92MPa。

2箱梁靜載試驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

梁部靜載試驗(yàn)不同批量生產(chǎn)的簡(jiǎn)支T（箱）梁或不同類別的簡(jiǎn)支梁，在進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量認(rèn)定檢驗(yàn)時(shí)，應(yīng)進(jìn)行靜載彎曲試驗(yàn)，并且要符合《預(yù)應(yīng)力混凝土鐵路橋簡(jiǎn)支梁靜載彎曲試驗(yàn)方法及評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（TB/T2092-2003）規(guī)定。以往鐵路客運(yùn)專線900t箱梁靜載試驗(yàn)的人員數(shù)量及分工如下，靜載試驗(yàn)用設(shè)備表如圖1所示。

（1）總指揮1人，靜載試驗(yàn)全過程指揮；（2）現(xiàn)場(chǎng)指揮2人，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備工作情況進(jìn)行檢查，指揮計(jì)時(shí)與加載；（3）讀壓力表10人，對(duì)壓力表讀數(shù)正確度進(jìn)行檢查；（4）開油泵10人，控制加載速度小于3kN/s，實(shí)現(xiàn)同一荷載值的同步、同速；（5）觀察裂紋4人，用放大鏡觀察，用藍(lán)鉛筆標(biāo)注梁體加載前的原始裂紋；（6）看千斤頂6人，檢查千斤頂運(yùn)行狀態(tài)是否正常、位置是否正確以及安裝是否穩(wěn)定；（7）觀察撓度2人，觀察百分表數(shù)據(jù)，嚴(yán)格按照試驗(yàn)要求進(jìn)行，并做好記錄；（8）安全檢查2人，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安全情況，按操作要求進(jìn)行檢查；（9）現(xiàn)場(chǎng)記錄2人，對(duì)加載時(shí)間進(jìn)行記錄；（10）周圍警戒4人，禁止非工作人員進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)；（11）數(shù)據(jù)計(jì)算1人，荷載等級(jí)對(duì)應(yīng)計(jì)算機(jī)整理表格、計(jì)算資料；（12）計(jì)算復(fù)核1人，對(duì)上述計(jì)算結(jié)果進(jìn)行復(fù)核；（13）電工1人，保障現(xiàn)場(chǎng)用電；（14）機(jī)修工2人，保障現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)；（15）后期保障2人，物資生活保障供給。

2.2系統(tǒng)主要功能

靜載試驗(yàn)加載系統(tǒng)的控制對(duì)象是千斤頂頂升壓力，要使頂升壓力時(shí)刻滿足試驗(yàn)要求，它必須有檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)頂升壓力，然后反饋到系統(tǒng)，再通過控制器調(diào)節(jié)來使加載壓力不斷接近設(shè)定值。加載系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)成套設(shè)備、信息采集設(shè)備。信息采集設(shè)備采用帶模擬電流輸出的電容式壓力變送器，變送器直接接收傳感器信號(hào)，但不能現(xiàn)場(chǎng)指示壓力，只將壓力值轉(zhuǎn)換成4～20mA信號(hào)輸出至PLC信號(hào)模塊，由PLC再將4～20mA信號(hào)轉(zhuǎn)換成壓力值在人機(jī)界面上顯示，并由PLC進(jìn)行加載控制。其中包含了數(shù)字控制技術(shù)、信息化控制處理技術(shù)、傳感器應(yīng)用技術(shù)。智能靜載試驗(yàn)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)工作人員簡(jiǎn)單方便的控制系統(tǒng)，從而完成對(duì)靜載試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)化、智能化和全自動(dòng)化方面的完善，#終讓靜載試驗(yàn)的準(zhǔn)確性得到顯著提高。智能系統(tǒng)以應(yīng)力作為控制指標(biāo)，將傳感器將應(yīng)力變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)變化。主機(jī)接收到傳感器的信號(hào)后，對(duì)這些信息做出分析和處理，#后將分析的結(jié)果用指令的形式發(fā)給變頻器，變頻器控制電動(dòng)機(jī)械千斤頂加載，人機(jī)界面完成控制信息輸入、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)顯示、存儲(chǔ)等功能。系統(tǒng)采用變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，依靠調(diào)節(jié)供電頻率改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到使千斤頂升降連續(xù)可調(diào)的目的，加上先金的電控裝置和壓力檢測(cè)系統(tǒng)的配合，保證千斤頂?shù)纳�降速度可以精que控制，達(dá)到同步升降，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)同步頂升、同步降落、加載壓力計(jì)量等目的。

系統(tǒng)完成靜載試驗(yàn)整個(gè)過程的現(xiàn)場(chǎng)控制需要采集各壓力傳感器的信號(hào)，并對(duì)此進(jìn)行處理，輸出對(duì)變頻器的控制信號(hào)，其具體細(xì)節(jié)如下：（1）壓力傳感器感應(yīng)信號(hào)分別經(jīng)變送器進(jìn)入PLC。因?yàn)樽兯推鬏敵龅氖遣⑿蠦CD碼，所以需要經(jīng)過程序轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制碼，存儲(chǔ)在PLC的數(shù)據(jù)寄存器中，然后經(jīng)過PLC程序處理。（2）各傳感器計(jì)量時(shí)，加載壓力達(dá)到設(shè)定值90%時(shí)，電動(dòng)機(jī)械千斤頂由高速加載變?yōu)榈退偌虞d，加載壓力達(dá)到設(shè)定值100%時(shí)，電動(dòng)機(jī)械千斤頂停止加載。電控系統(tǒng)組成如圖1所示。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)配置包含1套主控箱（1套人機(jī)界面、1套PLC及模塊、10臺(tái)變頻器），10臺(tái)電動(dòng)機(jī)械千斤頂和10個(gè)壓力傳感器。主控箱作為系統(tǒng)主控單元，擴(kuò)散硅壓力傳感器采集到的加載壓力在主控箱顯示，同時(shí)可顯示每臺(tái)千斤頂?shù)倪\(yùn)行狀態(tài)，并可對(duì)各臺(tái)千斤頂進(jìn)行自動(dòng)控制。

3.1人機(jī)界面的選擇

智能控制系統(tǒng)的人機(jī)界面采用菜單人機(jī)交互方式。報(bào)警界面、壓力參數(shù)設(shè)定界面以及運(yùn)行狀態(tài)顯示界面等三種界面，是人機(jī)界面的功能界面。

（1）運(yùn)行狀態(tài)界面。對(duì)PLC相應(yīng)的存儲(chǔ)器的值通過RS485協(xié)議進(jìn)行讀取，然后把所讀取的內(nèi)容顯示在人機(jī)界面上，并對(duì)1～10號(hào)壓力傳感器的當(dāng)前測(cè)量值進(jìn)行依次顯示。

（2）壓力參數(shù)設(shè)置界面。根據(jù)試驗(yàn)要求可以設(shè)置各個(gè)階段的加載壓力、持荷時(shí)間、壓力精度等。

（3）報(bào)警界面。報(bào)警界面會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)監(jiān)控變頻器的工作狀態(tài)進(jìn)行顯示，若顯示報(bào)警，說明已經(jīng)超越規(guī)定范圍，需詳細(xì)記錄報(bào)警內(nèi)容，為試驗(yàn)提供重要的依據(jù)。

3.2PLC的選擇

可編程控制器是綜合通訊技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)以及個(gè)人計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展而來的，主要以微處理器為基礎(chǔ)，是一種新型工業(yè)控制裝置，簡(jiǎn)稱為PLC。目前其已經(jīng)在工業(yè)過程自動(dòng)控制中被廣泛應(yīng)用，優(yōu)勢(shì)可表現(xiàn)為可靠性高、編程方便以及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，PLC已經(jīng)成為工業(yè)控制#重要的基礎(chǔ)設(shè)備和主要手段之一，是目前應(yīng)用在工業(yè)自動(dòng)化裝置中#多的設(shè)備。PLC與3C技術(shù)相結(jié)合，在繼電器控制邏輯基礎(chǔ)上不斷發(fā)展與完善，目前已經(jīng)發(fā)展到位置控制以及過程控制等領(lǐng)域，不再是小規(guī)模單級(jí)順序控制。

目前PLC的主要工作內(nèi)容可表現(xiàn)為以下方面：（1）控制變頻器運(yùn)行，處理從現(xiàn)場(chǎng)接收的數(shù)據(jù)與指令，然后通過變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)械千斤頂工作進(jìn)行有效的控制；（2）對(duì)人機(jī)界面和傳感器信號(hào)進(jìn)行接收；（3）PLC與人機(jī)界面實(shí)時(shí)通信，保證現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)與界面顯示數(shù)據(jù)一致。

該控制系統(tǒng)的PLC采用臺(tái)達(dá)DVP系列PLC，型號(hào)為DVP32EC00R3，有32個(gè)輸入，32個(gè)輸出。

3.3壓力傳感器的選擇

壓力傳感器是將壓力轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的電信號(hào)的轉(zhuǎn)換輸出裝置，是系統(tǒng)中#重要的檢查元件。壓力傳感器只有將承受的壓力準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，系統(tǒng)才能正確地控制加載和顯示壓力值。系統(tǒng)主要采集各千斤頂?shù)膲毫π盘?hào)，而系統(tǒng)的關(guān)鍵部件就是壓力傳感器。智能系統(tǒng)的穩(wěn)定性與精度，在一定程度上由它的性能決定。該系統(tǒng)采用應(yīng)變式稱重傳感器，傳感器的額定載荷選定為200t，系統(tǒng)的壓力傳感器采用百森BSHZ系列傳感器，型號(hào)為BSHZ-1200t。

3.4千斤頂?shù)倪x擇

在靜載試驗(yàn)前，需要對(duì)液壓千斤頂進(jìn)行校準(zhǔn)。國(guó)產(chǎn)液壓千斤頂使用過幾次以后，部分液壓千斤頂校準(zhǔn)不合格，需要維修或更換全新液壓千斤頂。液壓千斤頂靠液壓來工作，凡是液壓就會(huì)存在泄漏情況。在試驗(yàn)過程中，油泵不能停止，需要給千斤頂補(bǔ)充壓力。電動(dòng)機(jī)械式千斤頂不存在自動(dòng)卸荷，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于維護(hù)，故障率較低，故本系統(tǒng)采用電動(dòng)機(jī)械式千斤頂。

3.5變頻器的選擇

控制系統(tǒng)將PLC、變頻器集成在一起，外部連接變送器，根據(jù)變送器的實(shí)時(shí)反饋和控制器的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)閉環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)變頻器的控制。變頻器采用臺(tái)達(dá)VFD系列變頻器，型號(hào)為VFD055M43B5.5kW，其有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）提高功能，實(shí)現(xiàn)控制的軟件化；（2）減少維修費(fèi)用，大幅度降低故障率，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)化；（3）通過轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)不跳閘運(yùn)行，防止失速和再啟動(dòng)功能，使試驗(yàn)過程穩(wěn)定。其主要元器件如表2所示。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1人機(jī)界面軟件設(shè)計(jì)

人機(jī)界面軟件設(shè)計(jì)人機(jī)界面，主要完成的任務(wù)如下：（1）讀取PLC運(yùn)行狀態(tài)，向PLC發(fā)出控制指令；（2）提供加載過程的動(dòng)畫顯示；（3）將壓力值在顯示器上顯示，讀取壓力傳感器的壓力信號(hào)，向PLC發(fā)送指令，根據(jù)壓力數(shù)據(jù)來進(jìn)行。（4）試驗(yàn)方案的增加與修改；（5）加載故障輔助報(bào)警等其他功能。

4.2設(shè)計(jì)通信程序

其內(nèi)容表現(xiàn)為以下方面：（1）分為壓力傳感器與主機(jī)的通信；（2）分為PLC與人機(jī)界面的通信；（3）分為變頻器與PLC之間的通信。PLC端口分配示意圖如圖2所示，模塊端口分配示意如圖3所示。

5結(jié)束語

智能靜載試驗(yàn)成套設(shè)備實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)完成試驗(yàn)過程，即在智能系統(tǒng)中應(yīng)用電動(dòng)機(jī)械千斤頂、壓力傳感器、PLC以及內(nèi)部程序，使試驗(yàn)過程自動(dòng)加載。在程序的控制下，加載的壓力如果達(dá)到設(shè)定值，則進(jìn)行持荷過程。此過程中壓力的加載有快速和慢速兩種，分別由內(nèi)部程序控制變頻器完成。當(dāng)加載的壓力接近預(yù)期設(shè)置值時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)為低速階段，直到加載壓力等于設(shè)置值。