預制梁場噴淋養生監控系統的設計及應用

郝迎吉 ，曾 定 ，王海英 ，張甲迪

（1.西安科技大學 機械工程學院，西安 710054；2.長安大學 工程機械學院，西安 710064）

目前我國的高速公路與鐵路預制梁場噴淋養生控制方式主要依靠人工來操作，這樣容易因人工疏忽或數據記錄信息不全等因素造成預制梁的養護不到位，從混凝土的固化結果也很難判定實際噴淋情況，對橋梁的可靠性和安全性留下隱患[1]。

為解決上述情況，開發了一種基于PLC、GPRS網絡以及組態軟件的大型室外預制梁自動噴淋監控系統。其主要結構由兩部分構成：一是在各個標段預制梁場安裝PLC和觸摸屏對執行機構 （電磁閥、泵）進行實時監控；二是PLC通過串口與GPRS無線通信，將現場數據發送到網絡數據庫，在監控中心同時可監測到多個梁場的實際運行狀況，并將數據反饋到各梁場計算機客戶端，實現上級主管部門和梁場工程管理人員雙層機構對梁場養護工作的遠程監控。該系統在西咸北環線高速公路施工中進行了應用實踐，運行效果良好。

1 系統架構設計

預制梁場分布式計算機網絡架構如圖1所示，主要由3部分組成，現場監控站、GPRS數據傳輸部分和調度中心SCADA遠程監控系統。

圖1 分布式計算機網絡架構Fig.1 Distributed computer network

系統采用C/S和B/S混合網絡架構模式，通過GPRS無線網絡分時將各個梁場的養護數據信息傳送到監控中心，監控中心可以根據需要對單個或多個梁場進行遠程控制和數據信息查詢，分監控室梁場根據不同的權限進行客戶端或網頁（Web）訪問，從而實現梁場規范化管理。

2 現場監控站設計

以LJ-02標段預制梁場的控制系統為例，梁場監控站采用DVP-EH2型號的PLC和TPC1162Hi型號的觸摸屏，PLC作為控制系統核心，既可以與觸摸屏聯機工作，也可以獨立按設定的工況工作（使用內部具有掉電保護的存儲器保護設定參數），又可以在觸摸屏或計算機終端設定灑水時間、循環間隔時間、梁的型號和選擇需要養護的臺座，對多路電磁閥和水泵進行策略控制，實現對梁的養護，如圖2所示。其中PLC使用了兩個串行接口，一是與觸摸屏采用RS232通訊（同時也是編程控制口），另一串口通過RS485與無線GPRS-DTU進行數據交互，它將數據傳輸到監控中心。

圖2 觸摸屏操作界面Fig.2 Touch screen operator interface

3 GPRS數據傳輸功能的實現

3.1 GPRS模塊參數的配置

在系統中GPRS-DTU選擇為宏電H7710工業級DTU，該模塊提供的RS485串行接口可以與臺達PLC的RS485（設定為MODBUS通信協議接口）數據接口連接。在使用前通過廠家提供的配置工具，先用PC機連接模塊將監控中心靜態IP（如果為動態IP需要域名綁定處理）、端口號、協議方式、通訊參數以及SIM卡號寫入DTU中。

3.2 GPRS與監控中心通訊過程

（1）安裝在現場的GPRS-DTU上電后，從模塊內部Flash讀取配置參數，例如IP地址、端口號等。

（2）接著GPRS-DTU自動搜索GSM網絡并登錄，然后進行GPRS-PPP撥號獲得一個移動隨機分配的動態IP地址。

（3）通過移動網關GPRS-DTU與廣域網進行通信，向數據中心發起TCP或UDP請求，數據中心響應后，GPRS-DTU與數據中心握手成功，數據鏈路已經建立，即可進行數據雙向通信。

（4）數據中心根據識別的身份信息，按照設備循環采集周期向DTU發送讀或寫命令，DTU將接收到的TCP/IP協議包進行解析通過RS485傳輸給PLC，PLC根據命令執行對應的設備操作。

（5）當GPRS-DTU接收到PLC反饋回的數據后，把串口數據轉換成TCP/IP協議包數據發送到GPRS網絡運行商提供的GPRS網絡上[2]。

（6）通過Internet將數據發送到監控中心IP網絡服務器中，再通過端口映射進行數據轉發到裝有CommBridge網橋組件的SCADA監控計算機平臺上，如圖3所示。

圖3 GPRS-DTU與監控中心通訊過程Fig.3 GPRS-DTU communication process with the monitoring center

GPRS無線網絡作為調度中心與各個預制梁場子控制系統之間的數據傳輸的媒介，通過GPRS-DTU調度中心數據采集與監控系統SCADA實現對各預制梁場的設備運行狀態的數據采集、對現場設備控制命令的下達及對整個高速公路梁場網絡的調度，有效提高預制梁場自動化控制水平和規范管理。

4 調度指揮中心SCADA控制系統

在系統中，采用力控Force Control V7.0組態軟件構建調度指揮中心SCADA控制系統，它是整個高速公路預制梁場噴淋養護控制的中樞系統，主要由路由器、防火墻、數據庫服務器、Web服務器等設備組成[3]。功能上主要實現對各個標段的梁場設備運行進行監控，數據采集、存儲、分析，歷史數據的查詢以及提取需要的生產報表，網頁發布等任務。

具體功能實現方案設計：

（1）預制梁場噴淋運行狀態顯示：SCADA系統將生產數據與設備相聯系，工藝流程與現場實際相結合，以動畫的形式再現梁場噴淋效果，如圖4所示。

圖4 遠程監控中心SCADA系統Fig.4 SCADA system of remote monitoring center

（2）報表顯示：根據管理部門的需要，對噴淋養護的預制梁進行信息記錄，主要包括日期、開始時間、結束時間、噴淋次數、梁的型號等參數。

（3）歷史數據的查詢和處理：利用組態軟件靈活的SQL腳本語言對SQL 2005 Server數據庫進行生產數據提取，通過3D立體棒圖顯示該梁場預制梁進度等重要數據信息，數據以圖形化方式展現，可以給管理人員和決策人員提供可靠的數據分析，如圖5所示。

（4）遠程計算機控制功能：為了實現預制梁場噴淋養生無人值守，通過調度指揮中心監控計算機可以對指定的標段梁場進行遠程控制，通過對應的策略控制現場PLC實現對設備的啟停操作。

圖5 預制梁噴淋進度統計圖Fig.5 Statistical chart of progress of the precast beam spray

（5）Web網絡發布功能：各個標段預制梁場和管理部門可能都需要相關的運行數據，為此通過Web瘦客戶端，經過授權的用戶通過廣域網即可對整個高速公路預制梁場的SCADA界面進行瀏覽，各梁場客戶端通過Internet可以實現遠程操作和數據報表查詢、打印等功能。

（6）預警系統功能：在監控調度指揮中心實時監測各梁場噴淋設備狀態，一旦某個梁場網絡聯機失敗、噴淋參數設置錯誤或者設備出現故障，通過組態軟件的Email控件向相關的值班人員發送對應的報警信息，必要時可根據設定的策略自動發送命令遠程中止梁場噴淋系統的運行直到故障解決。

5 結語

通過安裝在管理指揮中心的SCADA自動化控制平臺，實現遠程對各預制梁場的監控和數據信息采集、記錄和查詢，為后期的生產數據進行追憶以及質量評估提供重要的數據依據，各標段的預制梁場通過GPRS無線網絡在監控中心進行子系統集成有利于管理部門對梁場質量評估和統一協調管理，實現企業“管控一體化”。

利用計算機網絡技術的優勢，把現場實時控制與遠程監控結合為一體，實現多級管理體系，保證了歷史數據的真實可靠，對提高產品質量意義重大。并且該系統提供的技術可以推廣到其它需要智能化控制的場合。

[1] 劉寶忠，孫小彬.基于自動控制滴灌技術的混凝土預制梁養生系統研究[J].公路交通科技：應用技術版，2013（5）：170-172.

[2] 深圳宏電技術開發有限公司.H7710 GPRS DTU使用說明書[Z]，2007.

[3] 朱明清，田民，張遷禮，等.基于PLC、GPRS網絡和組態軟件的城市熱網監控系統的設計與實現[J].自動化技術與應用，2008，27（5）：107-111.