摘要:在鐵路客運專(zhuān)線(xiàn)900t箱梁靜載試驗過(guò)程中對壓力進(jìn)行自動(dòng)化加載控制,以往都是靠人工來(lái)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程序實(shí)現靜載試驗自動(dòng)加載壓力的系統功能,通過(guò)壓力傳感器構建閉環(huán)控制系統。壓力傳感器實(shí)時(shí)與系統設定值進(jìn)行比較,通過(guò)計算,PLC控制信號輸出至電動(dòng)機械千斤頂控制電機的變頻器上,變頻器控制電機的啟停和轉速,實(shí)現千斤頂頂升力的調節,實(shí)現了對靜載試驗的自動(dòng)化,縮短試驗時(shí)間,改善操作條件,降低能源消耗,從而保證了試驗的快速性、準確性、合理性,更好地滿(mǎn)足了試驗的需要,提高了經(jīng)濟效益。
1客運專(zhuān)線(xiàn)簡(jiǎn)支箱梁設計簡(jiǎn)介
客運專(zhuān)線(xiàn)正線(xiàn)橋梁標準設計采用后張法預應力混凝土無(wú)碴軌道簡(jiǎn)支箱梁,#常見(jiàn)的跨度是31.5m(直線(xiàn)和曲線(xiàn))。梁體結構設計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(lèi)型,梁端的腹板、底部和頂部局部向內側加厚。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(cháng)32.6m。采用ZK標準活載為列車(chē)豎向活載縱向計算,采用ZK特種活載則為橫向計算。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,而q1=1.017則為跨中截面綜合剪力滯系數。設計荷載下,理論計算強度安全系數K=2.01,跨中抗裂安全系數Kf=1.41。梁體混凝土設計等級C50,跨中下緣混凝土壓應力δ=0.92MPa。
2箱梁靜載試驗
2.1實(shí)驗設計
梁部靜載試驗不同批量生產(chǎn)的簡(jiǎn)支T(箱)梁或不同類(lèi)別的簡(jiǎn)支梁,在進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量認定檢驗時(shí),應進(jìn)行靜載彎曲試驗,并且要符合《預應力混凝土鐵路橋簡(jiǎn)支梁靜載彎曲試驗方法及評定標準》(TB/T2092-2003)規定。以往鐵路客運專(zhuān)線(xiàn)900t箱梁靜載試驗的人員數量及分工如下,靜載試驗用設備表如圖1所示。
(1)總指揮1人,靜載試驗全過(guò)程指揮;(2)現場(chǎng)指揮2人,對現場(chǎng)準備工作情況進(jìn)行檢查,指揮計時(shí)與加載;(3)讀壓力表10人,對壓力表讀數正確度進(jìn)行檢查;(4)開(kāi)油泵10人,控制加載速度小于3kN/s,實(shí)現同一荷載值的同步、同速;(5)觀(guān)察裂紋4人,用放大鏡觀(guān)察,用藍鉛筆標注梁體加載前的原始裂紋;(6)看千斤頂6人,檢查千斤頂運行狀態(tài)是否正常、位置是否正確以及安裝是否穩定;(7)觀(guān)察撓度2人,觀(guān)察百分表數據,嚴格按照試驗要求進(jìn)行,并做好記錄;(8)安全檢查2人,對現場(chǎng)安全情況,按操作要求進(jìn)行檢查;(9)現場(chǎng)記錄2人,對加載時(shí)間進(jìn)行記錄;(10)周?chē)?人,禁止非工作人員進(jìn)入現場(chǎng);(11)數據計算1人,荷載等級對應計算機整理表格、計算資料;(12)計算復核1人,對上述計算結果進(jìn)行復核;(13)電工1人,保障現場(chǎng)用電;(14)機修工2人,保障現場(chǎng)設備正常運轉;(15)后期保障2人,物資生活保障供給。
2.2系統主要功能
靜載試驗加載系統的控制對象是千斤頂頂升壓力,要使頂升壓力時(shí)刻滿(mǎn)足試驗要求,它必須有檢測設備檢測頂升壓力,然后反饋到系統,再通過(guò)控制器調節來(lái)使加載壓力不斷接近設定值。加載系統包括驅動(dòng)成套設備、信息采集設備。信息采集設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,但不能現場(chǎng)指示壓力,只將壓力值轉換成4~20mA信號輸出至PLC信號模塊,由PLC再將4~20mA信號轉換成壓力值在人機界面上顯示,并由PLC進(jìn)行加載控制。其中包含了數字控制技術(shù)、信息化控制處理技術(shù)、傳感器應用技術(shù)。智能靜載試驗系統可以實(shí)現工作人員簡(jiǎn)單方便的控制系統,從而完成對靜載試驗標準化、智能化和全自動(dòng)化方面的完善,#終讓靜載試驗的準確性得到顯著(zhù)提高。智能系統以應力作為控制指標,將傳感器將應力變化轉變?yōu)殡娦盘栕兓。主機接收到傳感器的信號后,對這些信息做出分析和處理,#后將分析的結果用指令的形式發(fā)給變頻器,變頻器控制電動(dòng)機械千斤頂加載,人機界面完成控制信息輸入、數據管理、數據顯示、存儲等功能。系統采用變頻調速控制系統,依靠調節供電頻率改變電機轉速,達到使千斤頂升降連續可調的目的,加上先金的電控裝置和壓力檢測系統的配合,保證千斤頂的升降速度可以精que控制,達到同步升降,進(jìn)一步實(shí)現同步頂升、同步降落、加載壓力計量等目的。
系統完成靜載試驗整個(gè)過(guò)程的現場(chǎng)控制需要采集各壓力傳感器的信號,并對此進(jìn)行處理,輸出對變頻器的控制信號,其具體細節如下:(1)壓力傳感器感應信號分別經(jīng)變送器進(jìn)入PLC。因為變送器輸出的是并行BCD碼,所以需要經(jīng)過(guò)程序轉換成二進(jìn)制碼,存儲在PLC的數據寄存器中,然后經(jīng)過(guò)PLC程序處理。(2)各傳感器計量時(shí),加載壓力達到設定值90%時(shí),電動(dòng)機械千斤頂由高速加載變?yōu)榈退偌虞d,加載壓力達到設定值100%時(shí),電動(dòng)機械千斤頂停止加載。電控系統組成如圖1所示。
3系統硬件設計
系統配置包含1套主控箱(1套人機界面、1套PLC及模塊、10臺變頻器),10臺電動(dòng)機械千斤頂和10個(gè)壓力傳感器。主控箱作為系統主控單元,
擴散硅壓力傳感器采集到的加載壓力在主控箱顯示,同時(shí)可顯示每臺千斤頂的運行狀態(tài),并可對各臺千斤頂進(jìn)行自動(dòng)控制。
3.1人機界面的選擇
智能控制系統的人機界面采用菜單人機交互方式。報警界面、壓力參數設定界面以及運行狀態(tài)顯示界面等三種界面,是人機界面的功能界面。
(1)運行狀態(tài)界面。對PLC相應的存儲器的值通過(guò)RS485協(xié)議進(jìn)行讀取,然后把所讀取的內容顯示在人機界面上,并對1~10號壓力傳感器的當前測量值進(jìn)行依次顯示。
(2)壓力參數設置界面。根據試驗要求可以設置各個(gè)階段的加載壓力、持荷時(shí)間、壓力精度等。
(3)報警界面。報警界面會(huì )對整個(gè)系統監控變頻器的工作狀態(tài)進(jìn)行顯示,若顯示報警,說(shuō)明已經(jīng)超越規定范圍,需詳細記錄報警內容,為試驗提供重要的依據。
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)人計算機技術(shù)發(fā)展而來(lái)的,主要以微處理器為基礎,是一種新型工業(yè)控制裝置,簡(jiǎn)稱(chēng)為PLC。目前其已經(jīng)在工業(yè)過(guò)程自動(dòng)控制中被廣泛應用,優(yōu)勢可表現為可靠性高、編程方便以及結構簡(jiǎn)單等。據統計,PLC已經(jīng)成為工業(yè)控制#重要的基礎設備和主要手段之一,是目前應用在工業(yè)自動(dòng)化裝置中#多的設備。PLC與3C技術(shù)相結合,在繼電器控制邏輯基礎上不斷發(fā)展與完善,目前已經(jīng)發(fā)展到位置控制以及過(guò)程控制等領(lǐng)域,不再是小規模單級順序控制。
目前PLC的主要工作內容可表現為以下方面:(1)控制變頻器運行,處理從現場(chǎng)接收的數據與指令,然后通過(guò)變頻器對電動(dòng)機械千斤頂工作進(jìn)行有效的控制;(2)對人機界面和傳感器信號進(jìn)行接收;(3)PLC與人機界面實(shí)時(shí)通信,保證現場(chǎng)實(shí)際數據與界面顯示數據一致。
該控制系統的PLC采用臺達DVP系列PLC,型號為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換為可測量的電信號的轉換輸出裝置,是系統中#重要的檢查元件。壓力傳感器只有將承受的壓力準確地轉換成電信號,系統才能正確地控制加載和顯示壓力值。系統主要采集各千斤頂的壓力信號,而系統的關(guān)鍵部件就是壓力傳感器。智能系統的穩定性與精度,在一定程度上由它的性能決定。該系統采用應變式稱(chēng)重傳感器,傳感器的額定載荷選定為200t,系統的壓力傳感器采用百森BSHZ系列傳感器,型號為BSHZ-1200t。
3.4千斤頂的選擇
在靜載試驗前,需要對液壓千斤頂進(jìn)行校準。國產(chǎn)液壓千斤頂使用過(guò)幾次以后,部分液壓千斤頂校準不合格,需要維修或更換全新液壓千斤頂。液壓千斤頂靠液壓來(lái)工作,凡是液壓就會(huì )存在泄漏情況。在試驗過(guò)程中,油泵不能停止,需要給千斤頂補充壓力。電動(dòng)機械式千斤頂不存在自動(dòng)卸荷,結構簡(jiǎn)單,易于維護,故障率較低,故本系統采用電動(dòng)機械式千斤頂。
3.5變頻器的選擇
控制系統將PLC、變頻器集成在一起,外部連接變送器,根據變送器的實(shí)時(shí)反饋和控制器的控制信號,實(shí)現一個(gè)閉環(huán),從而實(shí)現變頻器的控制。變頻器采用臺達VFD系列變頻器,型號為VFD055M43B5.5kW,其有以下優(yōu)點(diǎn):(1)提高功能,實(shí)現控制的軟件化;(2)減少維修費用,大幅度降低故障率,對傳動(dòng)系統進(jìn)行了簡(jiǎn)化;(3)通過(guò)轉矩補償,實(shí)現不跳閘運行,防止失速和再啟動(dòng)功能,使試驗過(guò)程穩定。其主要元器件如表2所示。
4系統軟件設計
4.1人機界面軟件設計
人機界面軟件設計人機界面,主要完成的任務(wù)如下:(1)讀取PLC運行狀態(tài),向PLC發(fā)出控制指令;(2)提供加載過(guò)程的動(dòng)畫(huà)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,向PLC發(fā)送指令,根據壓力數據來(lái)進(jìn)行。(4)試驗方案的增加與修改;(5)加載故障輔助報警等其他功能。
4.2設計通信程序
其內容表現為以下方面:(1)分為壓力傳感器與主機的通信;(2)分為PLC與人機界面的通信;(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結束語(yǔ)
智能靜載試驗成套設備實(shí)現了自動(dòng)完成試驗過(guò)程,即在智能系統中應用電動(dòng)機械千斤頂、壓力傳感器、PLC以及內部程序,使試驗過(guò)程自動(dòng)加載。在程序的控制下,加載的壓力如果達到設定值,則進(jìn)行持荷過(guò)程。此過(guò)程中壓力的加載有快速和慢速兩種,分別由內部程序控制變頻器完成。當加載的壓力接近預期設置值時(shí),電動(dòng)機轉為低速階段,直到加載壓力等于設置值。
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