电杆养护窑自动控制系统的研究

王帅 宋佳凝（大庆油田工程建设有限公司）

建材公司混凝土构件厂共有16个电杆养护窑，混凝土产品养护时通过人工控制阀门，使得养护窑内喷出蒸汽进行养护。但是存在温度控制难度大、人工劳动强度大、铸铁球阀易损坏的实际困难。公司对标国内先进技术，分析加热方式[1]，采取了更换电磁阀门、加装测量温度、湿度传感器、设置PLC控制程序读取数据、装配配电柜、电脑进行自动远程控制等方式，解决了实际困难。

1 工作原理

通过1根主管线和16根分管线将锅炉制造出的蒸汽输送至16个电杆养护窑，窑底铺管线，每隔20公分预留蒸汽孔洞，电杆成品放入窑内，盖上混凝土盖板密封后，利用蒸汽加以养护。混凝土电线杆蒸养过程中分为：升温期、恒温期和降温期三个阶段。在升温期，控制好升温速度，使混凝土形成一定的强度，用来抵抗升温过程中对混凝土结构的破坏[2]。在恒温期，混凝土强度得以发展，必须保证有足够的恒温时间和相应的恒温温度，否则达不到设计强度。在降温期，尽量使电线杆在不影响强度的情况下，实现降温冷却并且进入到脱膜工序。电杆养护窑见图1、电杆产品见图2。

图1 电杆养护窑Fig.1 Power pole curing kiln

图2 电杆产品Fig.2 Power pole products

2 养护窑使用存在问题

2.1 温度控制难度大

蒸汽从管线预留孔洞喷出，充满养护窑，通常采用人工温度计测量的方式或通过经验值决定养护的时间和养护的温度，经常发生烫伤的情况。另外由于没有科学的测量仪器，有一定概率导致生产的电杆因养护不达标而报废，严重时连带电杆模具也会报废。

2.2 人工劳动强度大

养护窑蒸汽由一个总阀门和16个养护窑的分阀门控制，养护窑长度为16 m，休息间到养护窑距离为400 m，要实现全部养护窑的蒸汽开启或关闭，需要行走近1 km的距离，加上手动开启或关闭阀门的时间约20 min。为了保障阀门开关的及时性，往往需要多个人分片负责不同的养护窑，记录养护时间、测量温度、及时开关阀门。

2.3 铸铁球阀易损坏

一是由于多层软硬叠式密封圈固定在阀板上，当阀板常开状态时介质对其密封面形成正面冲刷，金属片夹层中的软密封带受冲刷后，直接影响密封性能。二是球阀的开关是用螺母固定，旋转开关时螺母会松，容易造成球阀漏气。三是阀门接触蒸汽会产生水垢、锈死，双手不能开关阀门，这种情况会采用管钳开关，容易造成球阀的损坏。目前每年需要更换部分阀门。

3 技术改造方案

3.1 管线部分

利用原有的蒸汽管线，调整出汽孔位置使其均匀分布，对称设置以便窑内温度能够均匀。其他线路都用线槽固定在养护窑周边，之后再用槽钢覆盖，加强防护措施，同时电动球阀和温湿度显示屏也用铁板做成盒状，进行保护。每个养护窑侧面喷好数字，与软件控制按钮对应。测温点布设在窑高度方向中间部位，接近于电杆中部温度区域，避免设置在出气口上方。

3.2 阀门部分

拆除所有手动球阀，更换为耐高温防爆中压电动球阀。阀门分为上下两部分，上半部分为电动执行器，下半部分为阀门，通过电动执行器控制阀门，实现阀门的开和关。用3根屏蔽信号线将信号传输至控制柜内，实现既能通过SCADA（数据采集与监视控制系统）人机界面操作[3]，也可通过手动操作阀门的开关。加装温湿度信号显示屏在每一个窑坑边，实现现场的操作人员实时了解温湿度情况，用5根屏蔽信号线将信号传输至控制柜内，实现远程软件实时监控。安装后的电动球阀见图3、温湿度信号显示见图4。

图3 电动球阀Fig.3 Electric ball valve

图4 温湿度信号显示屏Fig.4 Temperature and humidity signal display

3.3 控制柜部分

总闸以及各个小开关都采用漏电保护措施，每个养护窑有8根控制线路，分别接入对应PLC的数字模拟量输入及输出[4]，球阀的电源通过信号模块化接触器供电。再通过一根200 m光缆连接到电脑进行信号传输。

3.4 PLC自动控制设计部分

PLC自动控制设计部分[5]通过采集模拟量经A/D转换和标度变换后得到实际的温度或湿度的参数，设定值为：

式中：x采集信号值；y为温度值，℃。

采集的电流信号为0～20 mA（传输抗干扰和稳定性好），所以x采集信号值最大为20 000，测量温度值最大为120℃。如果需要设定值为80℃，根据公式得出x采集信号值为16 000。首先添加模拟量触发规则，设置逻辑关系小于或等于阈值时开启通道1继电器，阈值为采集信号值，也就是x。当阈值小于16 000也就是80℃时打开第一通道继电器给第一个中压球阀开启喷出蒸汽。可以根据需求设置动作的时间等。规则设置界面见图5。

图5 规则设置界面Fig.5 Rules setting interface

3.5 网络保障

因后四厂新厂区没有网络，搭建临时局域网服务器[6]，通过局域网电脑即可控制设备。将温度、湿度传感器、电动球阀用屏蔽信号线与服务器连接，防止外界信号干扰导致信号传输不及时，再用电信传输的方式将服务器信息传输给电脑，达到立即通讯和及时控制的效果。

3.6 软件保障

安装服务器通讯软件，实现电脑和数据库连接；安装参数设置软件，通过相关参数设置，控制时间、温度、湿度等关键数据；安装即视控制软件，实时反馈数据至显示设备，能够将数据库信息导出，以Excel表格的形式展现，便于数据的追溯和修正，不断提升产品质量与生产效率。

4 养护窑操作步骤

1）打开电源总闸和16组养护窑出气电源。

2）通过电源开关上的旋钮开关，将所有设备通电。

3）用桥式起重机吊住电杆模具吊耳下到窑坑内。

4）养护窑模具放置完毕后，用桥式起重机将养护窑盖板扣在养护窑顶部，窑盖卡在方钢槽内。

5）将槽钢内注满水防止漏汽。

6）开启电脑打开即视控制软件，用鼠标点击对应数字即可控制对应养护窑阀门的开启与关闭。

7）养护的时间一般为：静停4 h，升温2 h，恒温24 h，降温6 h，共计36 h的养护工艺。如果施工时环境气温低于5℃，在静停阶段采用蒸汽低温预养，预养温度为5～10℃，恒温阶段中对普通水泥的温度要求一般不超过80℃，矿渣水泥，火山灰水泥可以提高到90～95℃，如果温度过高或低则后期强度降低。温度应保持90%到100%[7-8]。

8）软件通过服务器实现数据保存，记录从开启软件之后的所有数据，通过表格方式导出数据进行打印和观察，判断养护过程及养护效果，不断修正温度、湿度提升养护效果。

9）关闭系统：用鼠标点击软件内对应的蒸汽阀门开关键，在所有阀门关闭后，点击电脑的关机键；关闭控制柜外的旋钮开关，停止所有设备；关闭控制柜内的总闸，至此所有设备断电。

5 应用效果分析

1）温度湿度一键控制。通过电脑达到智能控制作用，养护窑达到80℃自动停止供应蒸汽，未达到80℃时开启蒸汽电磁阀供给蒸汽。电脑和现场显示屏一目了然，所有的温度、湿度都可通过调节电子阀的开合实时掌握和控制，十分方便[9]。

2）生产效率大幅提高。设备操作只需一人在车间办公室的电脑上操作即可实现阀门的即时开启和关闭，各项数据实时自动记录，参数修改快速有效。阀门快速开关，提高了模具的使用效率，提升了生产效率[10]。

3）生产费用大幅降低。混凝土构件厂原夏季天然气用量为每天5 000～6 000 m3，改造后每天可节约天然气1 000～2 000 m3，每天可节约燃料费约1 500元，全年可节约燃料费约36万元。

4）产品质量有效提高。未改造前的电杆成品率为80%，改造后的成品率为100%。通过数据记录与分析，总结出更合适的温度湿度，借助电脑端自动化控制温度、养护时间，促使电杆养护养护从依靠经验跨越到科学数据监测、自动化控制，做到产品质量的进一步提升，有效保障油田施工建设任务。

6 结论

在电杆生产过程中，养护的温度、湿度和时间控制，是决定电杆质量是否达标的重要因素[10]。传统的养护工序一般为人工控温，养护质量易受到人员经验不足、参数控制不精准的影响。通过对养护窑的改造，利用温度、湿度传感器、PLC控制系统采集温湿度信息、控制电磁阀门，最终使得养护过程中窑内温湿度符合电杆养护的要求，既节省燃料费用，又保证了电杆质量。本项目改造的养护窑，已经在混凝土构件厂投入使用，投入资金15万元，经测算，改造后每天可节约天然气1 000～2 000 m3，每天可节约燃料费约1 500元，全年可节约燃料费约36万元。同时温湿度符合养护要求，受到操作和管理人员的一致好评。