地铁盾构混凝土预制管片智能蒸养控制系统的研究与应用

杨斌

（中国电建集团铁路建设有限公司，北京 100048）

1 项目背景

城市地铁主要采用盾构法施工，预制钢筋混凝土管片作为盾构法施工的主要装配构件和永久衬砌，其质量直接关系到隧道的整体质量和安全。决定混凝土质量的主要因素是混凝土组分、混凝土配制和混凝土养护。在其他条件不变的情况下，混凝土的养护方式、养护温度、养护湿度、养护时间等因素，直接影响混凝土水化硬化程度、强度发展、耐久性等质量性能。目前，混凝土管片养护方式普遍采用电热蒸汽方式，控制方式简单，温度控制不精确。随着可编程逻辑控制器在工业控制领域的广泛应用，课题组利用智能测控技术与计算机数据处理技术，以期实现混凝土管片电热蒸汽养护的智能化与程序化，大幅提升混凝土管片蒸汽养护的效率和质量。

2 系统架构设计

智能蒸养控制系统的架构设计要在研究管片生产线蒸养工艺流程，分析生产节拍、温控、蒸养时间等数据的基础上，选取合适的智能控制器，研究符合蒸养要求的智能控制算法，编写控制程序，进行电气设计与安装。

2.1 整体架构

智能蒸养控制系统由5个部分组成，分别是可编程控制器、报警系统、人机交互系统、执行机构、检测系统。系统组织结构如图1所示。控制系统的核心是可编程控制器，起实时监测蒸养室的室内温度变化并根据工艺要求控制执行机构进行温度调节。养护过程中如有故障产生将自动启动报警系统，及时通知操作人员。可编程控制器和控制计算机之间通过以太网交换机连接。人机交互系统采用Wincc组态软件实现温度实时显示、故障记录、温度变化曲线、历史记录、参数设置等功能。

图1智能蒸养控制系统整体构架

2.2 智能控制架构

图2 为蒸养温度智能控制架构，智能蒸养控制系统的控制器采用的西门子S7-200SMARTPLC。其工作原理是系统在运行过程中，髙速不间断地对每一路独立的温度进行检测，然后分別对照事先设定的工艺参数进行计算比较，根据计算比较的结果对每一路电动调节阀进行实时控制。由于计算机系统运行速度快，一套控制系统可以同时对多套管片模具的蒸汽养护进行控制。

图2蒸养温度智能控制架构

2.3 人机交互系统架构

图3 为人机交互系统设计框图。可编程控制器中的温度信息、开关信息和报警信息采用以太网通信技术传递给计算机。人机交互界面采用Wincc组态软件进行界面设计，可以实时查看当前生产状态，包括生产流程状态、设备运行情况和报警信息等。在故障和报警情况下，Wincc的人机界面帮助排除故障处理报警，最大限度保证蒸养系统的顺利进行。

图3 人机交互系统构架

3 蒸养温度智能控制技术研究

3.1 智能蒸养系统的PID控制概述

温度控制具有非线性、时变性、滞后性、不对称性，常规PID控制只有在参数整定准确且系统不发生剧烈变化的情况下，才能够达到较高的控制精度。然而这两点对一般的电加热炉温度控制系统来说都难以满足，所以控制系统采用了基于综合策略的智能PID控制算法以实现对蒸养室温度的精确控制。算法还采用了预测PID控制克服了常规PID只能根据当前误差量进行控制的缺点，通过在控制器上增加一个预报项，消除纯时滞对系统的影响。

3.2 智能蒸养温度系统模型的建立

本系统采用系统辨识方法建立数学模型。系统辨识就是通过测量被控对象或被辨识系统在给定作用输入下的输出响应或正常运行时的输入输出数据，加以必要的数据处理和数学运算估计出系统的粗略数学模型。

蒸养温度控制可认为是一个大容积滞后加纯滞后的对象（容积滞后比纯滞后大得多），在其整个温度工作区域，对象动态参数是随炉温变化的，而每个炉子都有一个设定的工作温区，在工作点附近的小范围内，炉子的动态特性可看成近似线性。

3.3 PID初始参数整定

通过辨识得到对象的参数模型后，就可以利用它来整定控制器参数。PID控制中至关重要的问题就是控制器三个自由参数（比例系数、积分时间常数、微分时间常数）的整定。获得系统的时域模型后，按基于频域的PID整定规则算出控制器参数的初始值，然后直接用此PID控制器对系统模型进行仿真。

对模型，当设定值为500时，对分别采用C-N法、CHR法、C-C法、IMC法、OPT法整定PID控制器参数，经对仿真曲线研究，得出采用C-N法整定出来的参数控制效果最好

4 效益

4.1 经济效益

（1）由该控制系统实现对蒸养室内的温度进行控制，每年节省3个操作工，约15.0万元人工成本。

（2）智能蒸养控制系统投入使用后，温度控制精确，减少了蒸汽的浪费，每年节约成本约5万元。

（3）蒸养室的温度控制准确，减少了盾构管片产品的报废率，间接提高了经济效益，约5万元。

4.2 社会效益

通过以上研究，提高了混凝土管片蒸养环节温度控制的精确度，管片的生产质量得到了业主的肯定，为公司赢得较好的声誉，同时对我国同类行业蒸养控制技术的改进提供了有力的技术支撑。

5 结论

通过对智能蒸养控制系统的研究，得出以下结论：

（1）试验表明该算法具有良好的控温效果，超调小于设定值的3%，稳态精度小于2℃。

（2）实现了系统信息的实时记录、读取及系统参数的人工设定，满足人机交互的功能。

（3）将PID控制算法与先进控制理论结合，提出了基于综合策略的智能PID控制算法。

（4）采用西门子S7-200SMARTPLC可编程控制器，经济、安全、可靠，实现了温度采集、开关状态检测、温度控制、通信以及PID算法的实现。

（4）本控制系统采用了OPC通信方法实现了S7-200SMARTPLC与Wincc软件间的数据交互，通信效果可靠，为其他控制系统的通信提供了理论与实践依据。