基于PLC技术的大体积混凝土智能温控系统设计与应用

摘要：为了解决现有温控系统无法达到控制要求的问题，对基于PLC技术的大体积混凝土智能温控系统的设计与应用展开研究。通过智能温控系统硬件和软件设计，对温度数据进行自动采集、处理和实时监测。应用PLC可编程逻辑控制器，建立大体积混凝土温度自动调节机制，检验结果表明：基于PLC技术的大体积混凝土智能温控系统，降温系数控制效果和大体积混凝土的质量均符合规范和设计要求，成功控制了温度应力对大体积混凝土质量的不利影响。

关键词：PLC技术；大体积混凝土；智能温控；自动调节

0" "引言

在现代建筑建设中，随着大体积混凝土结构的应用日益增多，对直接影响施工质量的温度控制展开研究，成为不可忽视的关键环节。刘毅等[1]通过温度传感器对混凝土内外温度进行实时监测，能够预测混凝土内部的温度变化趋势，并判断是否存在裂缝风险；能够根据预测结果自动调节混凝土温度。但是在大体积混凝土施工过程中若对数据处理不及时，可能导致温度控制效果不佳。宋超等[2]采用了有限元分析软件对大体积混凝土进行了建模，模拟了浇筑过程中的水化热反应，并深入分析了温度场的变化规律。

本文针对基于PLC技术的大体积混凝土智能温控系统设计与应用展开了研究，设计了一套高效的温控系统，通过先进的传感技术，实现对混凝土施工全过程中温度变化的精准监测。该温控系统能够实时捕捉混凝土内部的温度变化，并通过智能算法分析温度分布的趋势，进而自动调整温控措施。这一控制过程确保了混凝土在硬化过程中温度的均匀性，可有效预防裂缝的产生，从而显著提升混凝土结构的整体质量。

1" "智能温控系统硬件设计

采用TR154SSG主控制器作为核心控制芯片，设计了下载调试端口用于更新固件程序及进行程序调试。温控系统还集成了FLASH读写功能，用于本地存储温控系统采集的温度数据。设置多组LED指示灯，用户可通过LED灯直观地了解系统当前的运行状态[3]。此外，温控系统调试端口允许PC与温控设备进行数据交换。通过温度传感器将每个温度采集模块连接，通过LOA无线通信的方式将数据上传至控制器。在所有温度数据采集完毕后，将数据打包整理后上传至主机。

选择外部晶振作为芯片的时钟源，外接晶振频率为3MHz，经内部倍频至142MHz。RTC时钟同样采用外部晶振，其频率为40.32kHz，并搭配11PF的瓷片电容以确保稳定启振[4]。芯片通过NRST引脚接收低电平信号以实现复位功能。PLC连接温度传感器可以监测温度，并根据预设的差值范围来控制执行器调整热量的输入与输出。此外，还预留SPI和通用PIO口，以支持其他外设的接口需求。主控芯片硬件设计如图1所示。

2" "智能温控系统软件设计

2.1" "温度数据监测

2.1.1" "温度数据采集

在温度数据采集方面，将温度数据采集装置即数字温度计预先埋设在大体积混凝土的内部，用于测量其内部的温度。安装在冷却水管进出口处的水温传感器，用于监测冷却水的温度变化[5]。预先埋设在大体积混凝土内部的数字温度计，通过直接与数据采集反馈集成控制柜相连，形成一个高效的数据传输网络。主控制装置作为这一网络的核心，负责实时收集并传输来自各个温度计的温度数据。在温控监测过程中，每间隔2h自动采集一次温度数据。在需要更严格监控的区域，缩短数据采集的时间间隔，从而增加数据采集的频次和密度。

2.1.2" "温度数据分析

大体积混凝土的温度数据由数据采集装置捕获后，被传送至控制装置进行进一步处理。控制装置会根据多个温度数据点计算出平均温度，以反映混凝土内部的整体温度状况。平均温度计算公式如下：

式中：Ta为平均温度，n为温度数据点个数，T为数据点温度。

计算出的温度日平均值，被视为大体积混凝土内部在当日的实际温度水平。为了更准确地分析温控过程的整体趋势，采用时间序列分析方法。基于收集到的温度监测数据，构建以时间为自变量、温度为因变量的一元线性回归方程，该方程的表达式为：

y=kx+b" " " " " " " " "（2）

式中：y为温度因变量，k为斜率，x为时间自变量，b为随机变量。

该方程的斜率能够直观地反映出混凝土内部温度随时间变化的趋势，从而能够直观地描绘出混凝土内部温度随时间变化的趋势，为制定和实施有效的温控措施提供了强有力的数据支持[6]。可运用整距法来直观判断时间序列数据变化趋势，对于给定的时间序列 ，在某一时刻的整距值的计算公式如下：

式中：u（c）为时刻c的整距值，e（t）为时间序列在时刻t的值，K为积分系数。

通过绘制整距值曲线，可以直接观察到时间序列数据的变化趋势。当曲线上升时，表示整距值在增加，说明当前时刻的数据值相对于平均值偏高；当曲线下降时，表示整距值在减少，说明当前时刻的数据值相对于平均值偏低；如果曲线变化幅度较为平缓时，这反映出温度数据较为稳定，接近其平均值。通过对这些温度数据的精确采集、处理和实时监测，能够获得丰富的数据资源，为温度调节提供有力的支撑和决策依据。

2.2" "PLC的温度调节

2.2.1" "智能温控系统的功能

大体积混凝土温度调节过程关系到混凝土的质量及其结构的耐久性，随着混凝土体积的增大，其内部温度的变化对混凝土的性能影响较为显著。因此需要合理控制大体积混凝土的温度变化。每套模块化智能温控系统可控制大体积混凝土同一区域多回路冷却水系统，从而确保大体积混凝土内部温度均匀分布[7]。

智能温控系统可确保大体积混凝土以适宜的速率降温。可根据大体积混凝土的材料特性等参数，通过大体积混凝土内部温度变化自动调节冷却管进水口温度。智能温控系统实时监测大体积混凝土内部不同位置的温度变化，随后利用这些数据来计算和确定大体积混凝土的平均温度。平均温度计算公式如下：

q=-λ∆T" " " " " " " " " （4）

式中：q为平均温度，λ为导热系数，∆T为温度与热密度的梯度值。

进出水口温差调节由进水流量控制，温差过大时适当增大进口流量，温差过小时可减小进口流量。该系统通过精确调节冷却管进水温度与混凝土内部温度之差，将混凝土的降温系数严格控制在2℃/d之内。基于该控制措施，计算出所需冷却水温度，其计算公式如下：

式中：Tl为所需冷却水温度，Ya为冷却水出口温度，Q为冷却水进口热量，m为冷却水流量，p为冷却水定压比热容。

2.2.2" "建立温度自动调节机制

智能温控系统通过自动调节冷却水的水源，使冷却管的进水温度达到预定值。通过这种方式，智能温控系统能够确保冷却水与混凝土之间的温差始终保持在一个合理的范围内，从而实现对混凝土降温系数的精确控制。

智能温控系统会自动增大循环热水的调节比例，PLC根据温度传感器的反馈信号进行以下调节：当温控系统监测到混凝土内部温度下降大于1℃时，会判断当前的降温系数可能过快；当监测到的温度超过预设的阈值时，PLC会触发执行器的关闭操作；反之，当温度低于预设的阈值时，PLC则会启动执行器的开启操作。这样做可以提高冷却水的温度，从而减缓混凝土内部的降温系数。

通过这种自动调节机制，温控系统能够及时应对混凝土内部温度异常下降的情况，防止因降温下降过快而导致大体积混凝土出现温度应力裂缝等问题。通过对进出口水温差的精确、自动调节，温控系统，能够实现对大体积混凝土降温系数更加精细化的控制，确保其在硬化过程中保持均匀的温度分布。

3" "应用检测与分析

3.1" "检测方法

为了检测智能温控系统在混凝土浇筑过程中对混凝土温度变化的控制情况，在某大体积混凝土项目采用了PLC智能温控系统，搭载连接温度传感器等设备，通过智能温控系统来模拟其温度变化，进而判断智能温控系统的控制效果。

在混凝土浇筑体平面上，共设置5个独立的用于安装测温点的位置，其间距设定为3.03m。沿着混凝土浇筑体的厚度方向，根据实际情况将上部测温点距离板面30mm进行布置，将下部测温点距离板底面25mm进行布置，并确保测温点与钢筋的距离小于15mm。本文采用三维单元Solid进行模拟，该单元由8个结点组成，每个结点都具备一个自由度。利用这些单元在每一个区域进行了瞬态热分析，并在这一过程中同时计算应力分布。

在进行有限元分析时，对网格进行较为稀疏的划分，此设计可以有效减少计算量，节省计算时间。根据当前的计算对象和单元形式要求，在进行网格划分的过程中，应对单元边长进行合理控制，以确保计算结果具有较高的精确度。

3.2" "检测结果与分析

3.2.1" "检测结果

设定该大体积混凝土浇筑工程的测温点，为了更准确地描述在智能温控系统应用下的温度变化趋势，对中间测点进行了数据拟合。通过得到拟合方程式以计算降温斜率。拟合方程可对中间温度变化趋势量化描述，能够展示出大体积混凝土中间的温度变化情况。该大体积混凝土中间测温拟合图如图2所示。

3.2.2" "检测结果分析

由图2可知，混凝土在降温过程中呈现出线性递减的规律。通过计算得到该测点的降温斜率分布在-0.09～0.08之间，表明降温过程较为稳定，且速率较为适当。具体来说，降温系数符合预定的2℃/d的控制要求。由此表明，在实际施工过程中，温度控制达到预设的施工方案要求，混凝土内部的降温系数较为适当。通过严格控制在2℃/d的降温系数，可以有效避免混凝土内部产生过大的温度应力，进而显著降低混凝土内部出现裂纹的风险。

综上所述，应用本文设计的智能温控系统进行大体积混凝土的温度控制，其降温系数控制达到较好效果。根据最终的施工质量评估，大体积混凝土的质量为良好，符合相关规范和设计要求，成功控制了温度应力对混凝土质量的影响。

4" "结束语

本文从智能温控系统设计入手，深入分析大体积混凝土的相关问题，探究了基于PLC技术的大体积混凝土智能温控系统的设计与应用。该系统能够实时监控混凝土温度，并根据温度变化自动调节冷却水系统的运行参数，实现了对混凝土温度的精确控制。同时，该温控系统显著降低了人工操作可能带来的误差，减轻了工人的劳动强度，从而大幅提升了施工效率和质量。综合看来，该系统能够有效预防和控制温度裂缝的产生，提高了大体积混凝土的耐久性和安全性。

参考文献

[1]" 刘毅，辛建达，张国新，等.大体积混凝土温控防裂智能监控技术[J].硅酸盐学报，2023，51（5）：1228-1233.

[2]" 宋超.锚碇大体积混凝土温控仿真分析与实测研究[J].公路，2022，67（4）：167-171.

[3]" 杨龙.基于农业电气自动化的大棚智能控温系统设计[J].农机化研究，2024，46（1）：116-119+125.

[4]" 牛俊奎，王世锋，朱俊峰，等.太阳能恒温智能供水系统设计与实现[J].中国农村水利水电，2023（3）：157-160+168.

[5]" 陈广金，蓝慕云.基于WiFi的智能温度调节系统设计[J].现代电子技术，2022，45（20）：1-6.

[6]" 周冬冬，陈明霞，赵金迪.基于混合粒子群算法优化橡胶挤出机Smith-模糊PID温度控制系统[J].机床与液压，2022，50（16）：125-130.

[7]""""" 林俊辉.PLC技术下联合收割机电气控制系统设计[J].农业与技术，2023，43（21）：47-50.