淺析鐵路智能靜載試驗成套設備PLC在靜載試驗中的應用

摘要：在鐵路客運專線900t箱梁靜載試驗過程中對壓力進行自動化加載控制，以往都是靠人工來完成加載任務，自動化程度不高，效率低。鑒于這種情況，文章提出了基于PLC程序實現(xiàn)靜載試驗自動加載壓力的系統(tǒng)功能，通過壓力傳感器構建閉環(huán)控制系統(tǒng)。壓力傳感器實時與系統(tǒng)設定值進行比較，通過計算，PLC控制信號輸出至電動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，實現(xiàn)千斤頂頂升力的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了對靜載試驗的自動化，縮短試驗時間，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，更好地滿足了試驗的需要，提高了經(jīng)濟效益。

1客運專線簡支箱梁設計簡介

客運專線正線橋梁標準設計采用后張法預應力混凝土無碴軌道簡支箱梁，#常見的跨度是31.5m（直線和曲線）。梁體結構設計在正常使用條件下壽命為100年。單箱單室等高簡支箱梁為截面類型，梁端的腹板、底部和頂部局部向內(nèi)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32.6m。采用ZK標準活載為列車豎向活載縱向計算，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(shù)，而q1=1.017則為跨中截面綜合剪力滯系數(shù)。設計荷載下，理論計算強度安全系數(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實驗設計

梁部靜載試驗不同批量生產(chǎn)的簡支T（箱）梁或不同類別的簡支梁，在進行產(chǎn)品質量認定檢驗時，應進行靜載彎曲試驗，并且要符合《預應力混凝土鐵路橋簡支梁靜載彎曲試驗方法及評定標準》（TB/T2092-2003）規(guī)定。以往鐵路客運專線900t箱梁靜載試驗的人員數(shù)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，靜載試驗全過程指揮；（2）現(xiàn)場指揮2人，對現(xiàn)場準備工作情況進行檢查，指揮計時與加載；（3）讀壓力表10人，對壓力表讀數(shù)正確度進行檢查；（4）開油泵10人，控制加載速度小于3kN/s，實現(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(wěn)定；（7）觀察撓度2人，觀察百分表數(shù)據(jù)，嚴格按照試驗要求進行，并做好記錄；（8）安全檢查2人，對現(xiàn)場安全情況，按操作要求進行檢查；（9）現(xiàn)場記錄2人，對加載時間進行記錄；（10）周圍警戒4人，禁止非工作人員進入現(xiàn)場；（11）數(shù)據(jù)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，對上述計算結果進行復核；（13）電工1人，保障現(xiàn)場用電；（14）機修工2人，保障現(xiàn)場設備正常運轉；（15）后期保障2人，物資生活保障供給。

2.2系統(tǒng)主要功能

靜載試驗加載系統(tǒng)的控制對象是千斤頂頂升壓力，要使頂升壓力時刻滿足試驗要求，它必須有檢測設備檢測頂升壓力，然后反饋到系統(tǒng)，再通過控制器調(diào)節(jié)來使加載壓力不斷接近設定值。加載系統(tǒng)包括驅動成套設備、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(xiàn)場指示壓力，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進行加載控制。其中包含了數(shù)字控制技術、信息化控制處理技術、傳感器應用技術。智能靜載試驗系統(tǒng)可以實現(xiàn)工作人員簡單方便的控制系統(tǒng)，從而完成對靜載試驗標準化、智能化和全自動化方面的完善，#終讓靜載試驗的準確性得到顯著提高。智能系統(tǒng)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，變頻器控制電動機械千斤頂加載，人機界面完成控制信息輸入、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)顯示、存儲等功能。系統(tǒng)采用變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，依靠調(diào)節(jié)供電頻率改變電機轉速，達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系統(tǒng)的配合，保證千斤頂?shù)纳�降速度可以精que控制，達到同步升降，進一步實現(xiàn)同步頂升、同步降落、加載壓力計量等目的。

系統(tǒng)完成靜載試驗整個過程的現(xiàn)場控制需要采集各壓力傳感器的信號，并對此進行處理，輸出對變頻器的控制信號，其具體細節(jié)如下：（1）壓力傳感器感應信號分別經(jīng)變送器進入PLC。因為變送器輸出的是并行BCD碼，所以需要經(jīng)過程序轉換成二進制碼，存儲在PLC的數(shù)據(jù)寄存器中，然后經(jīng)過PLC程序處理。（2）各傳感器計量時，加載壓力達到設定值90%時，電動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，電動機械千斤頂停止加載。電控系統(tǒng)組成如圖1所示。

3系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)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臺電動機械千斤頂和10個壓力傳感器。主控箱作為系統(tǒng)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，同時可顯示每臺千斤頂?shù)倪\行狀態(tài)，并可對各臺千斤頂進行自動控制。

3.1人機界面的選擇

智能控制系統(tǒng)的人機界面采用菜單人機交互方式。報警界面、壓力參數(shù)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RS485協(xié)議進行讀取，然后把所讀取的內(nèi)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行依次顯示。

（2）壓力參數(shù)設置界面。根據(jù)試驗要求可以設置各個階段的加載壓力、持荷時間、壓力精度等。

（3）報警界面。報警界面會對整個系統(tǒng)監(jiān)控變頻器的工作狀態(tài)進行顯示，若顯示報警，說明已經(jīng)超越規(guī)定范圍，需詳細記錄報警內(nèi)容，為試驗提供重要的依據(jù)。

3.2PLC的選擇

可編程控制器是綜合通訊技術、自動控制技術以及個人計算機技術發(fā)展而來的，主要以微處理器為基礎，是一種新型工業(yè)控制裝置，簡稱為PLC。目前其已經(jīng)在工業(yè)過程自動控制中被廣泛應用，優(yōu)勢可表現(xiàn)為可靠性高、編程方便以及結構簡單等。據(jù)統(tǒng)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)自動化裝置中#多的設備。PLC與3C技術相結合，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程控制等領域，不再是小規(guī)模單級順序控制。

目前PLC的主要工作內(nèi)容可表現(xiàn)為以下方面：（1）控制變頻器運行，處理從現(xiàn)場接收的數(shù)據(jù)與指令，然后通過變頻器對電動機械千斤頂工作進行有效的控制；（2）對人機界面和傳感器信號進行接收；（3）PLC與人機界面實時通信，保證現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)與界面顯示數(shù)據(jù)一致。

該控制系統(tǒng)的PLC采用臺達DVP系列PLC，型號為DVP32EC00R3，有32個輸入，32個輸出。

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(tǒng)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(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�，而系統(tǒng)的關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，型號為BSHZ-1200t。

3.4千斤頂?shù)倪x擇

在靜載試驗前，需要對液壓千斤頂進行校準。國產(chǎn)液壓千斤頂使用過幾次以后，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工作，凡是液壓就會存在泄漏情況。在試驗過程中，油泵不能停止，需要給千斤頂補充壓力。電動機械式千斤頂不存在自動卸荷，結構簡單，易于維護，故障率較低，故本系統(tǒng)采用電動機械式千斤頂。

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)變送器的實時反饋和控制器的控制信號，實現(xiàn)一個閉環(huán)，從而實現(xiàn)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：（1）提高功能，實現(xiàn)控制的軟件化；（2）減少維修費用，大幅度降低故障率，對傳動系統(tǒng)進行了簡化；（3）通過轉矩補償，實現(xiàn)不跳閘運行，防止失速和再啟動功能，使試驗過程穩(wěn)定。其主要元器件如表2所示。

4系統(tǒng)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）提供加載過程的動畫顯示；（3）將壓力值在顯示器上顯示，讀取壓力傳感器的壓力信號，向PLC發(fā)送指令，根據(jù)壓力數(shù)據(jù)來進行。（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(nèi)容表現(xiàn)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

智能靜載試驗成套設備實現(xiàn)了自動完成試驗過程，即在智能系統(tǒng)中應用電動機械千斤頂、壓力傳感器、PLC以及內(nèi)部程序，使試驗過程自動加載。在程序的控制下，加載的壓力如果達到設定值，則進行持荷過程。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。當加載的壓力接近預期設置值時，電動機轉為低速階段，直到加載壓力等于設置值。