人工海洋環境試驗裝置控制系統優化設計

張建良, 趙建勇, 付傳清

(1. 浙江大學 電氣工程學院, 浙江 杭州　310027；2. 浙江工業大學 建筑工程學院, 浙江 杭州　310014)

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人工海洋環境試驗裝置控制系統優化設計

張建良1, 趙建勇1, 付傳清2

(1. 浙江大學 電氣工程學院, 浙江 杭州310027；2. 浙江工業大學 建筑工程學院, 浙江 杭州310014)

針對現有試驗裝置需要大量人為參與的半自動化特點,以及試驗周期長且重現性差的問題,通過為紅外光照子系統、溫濕度控制子系統、通風控制子系統和潮汐控制子系統設計魯棒性控制策略,實現惡劣環境下干濕時間、吹風時間、潮汐水位等環境參數的準確追蹤和控制；在系統總控制器中提出環境自適應優化控制策略,實現各個子系統之間的協調和工序優化,加速耐久性試驗過程,實現潮汐模擬過程中人工環境條件的準確控制,同時具有較經濟的成本和較好的可維護性、擴展性,有助于展開不同海洋環境條件下的耐久性試驗。

控制系統； 人工海洋環境； 試驗裝置； 優化設計

海洋特殊環境下氯鹽的侵蝕現象嚴重地威脅著建筑于跨海、海岸和臨海的風機平臺、輸電設施、橋梁等混凝土結構的耐久性能,造成了嚴重的安全隱患和經濟損失。因此,迫切需要模擬在海洋環境下對混凝土建筑的腐蝕情況和耐久性進行深入分析和試驗驗證[1-2]。

近年來,世界各國在海洋環境下混凝土結構耐久性試驗方面取得了一系列的研究成果[3-7]。加拿大研究人員在對該國諾森伯蘭海峽大橋的耐久性研究中,進行了氯離子快速滲透性和擴散性試驗,指出了鋼筋的銹蝕速率取決溫度、氧氣和混凝土電阻率等因素。日本工程技術人員通過對日本本州四國聯絡橋的研究,得到了氯鹽離子的滲進量和滲進速度與環境溫度、相對濕度、光照和混凝土密實度等因素之間的關系。在我國,以同濟大學、浙江大學等為代表的眾多院校和科研機構,綜合分析我國海水潮汐區的海水鹽度、溫度、相對濕度、潮汐類型等因素對氯離子侵蝕的影響,并且對實驗室條件下再現氯離子侵蝕的試驗方法進行分析對比和改進,提出了一系列海水潮汐區混凝土氯鹽侵蝕的模擬試驗方法[8-13]。然而,現有的試驗方法和試驗裝置所固有的一些缺點,不足以揭示氯離子侵蝕機理,及預測混凝土結構耐久性壽命。

針對現有試驗裝置的缺陷,本文擬通過人工海洋環境試驗裝置自動控制系統的優化設計,研制一種干濕循環條件下實現無人值守的全自動再現氯離子侵蝕的新型加速試驗裝置,解決試驗周期長、重現性差的問題。同時,通過設計相應的底層和高層控制系統,解決現在潮汐過程中的溫度、濕度和風速等參數控制精度低的問題。該試驗裝置具有結構簡單、操作簡便、成本低廉的優點。

1　試驗裝置控制系統的設計框架及思路

利用控制理論相關的知識和工具,針對現有大型海洋環境試驗平臺設計上的不足,研制一種新型的穩定性高、結構簡單、能夠實現精確環境參數下開展自動化潮汐作用試驗的控制系統,對海洋潮汐環境進行有效人工模擬,提供一種新型耐久性加速試驗的平臺。所設計的試驗裝置控制系統包括底層控制單元和高層控制單元。底層控制單元主要包括紅外燈控制子系統、潮汐控制子系統、溫濕度控制子系統、吹風控制子系統；高層控制單元主要負責協調各個子系統對于環境參數的耦合控制,并對整個控制時序進行優化。試驗裝置控制系統的總體設計框架圖見圖1。

在底層控制單元的設計中,基于PLC開發溫濕度控制子系統、通風控制子系統、紅外燈控制子系統、潮汐控制子系統等控制模塊,分別實現蒸發器、空調器、鼓風機、水泵等設備的合理工作狀態,保證對于溫濕度、風速、光照、水位的實時反饋和控制,并實現對系統干擾的魯棒性。

在高層控制單元的設計中,通過在工控機上開發PLC控制程序,一方面確保實現耐久性試驗中各個工序之間的自動和有效銜接,優化工序的執行順序,達到加速試驗的目的；另一方面,高層控制單元利用工控機對各個子系統PLC采集到的相關物理量信息進行實時分析,基于各個子系統之間信息量的耦合特性,實現子系統間各操動機構的協調反應,從而提高試驗中參數控制的精度,保證試驗的可信性和可重現性。

圖1　試驗裝置控制系統的總體設計框架圖

2　試驗裝置控制系統的具體實現

控制系統中的底層控制單元采用德國西門子公司生產的PLC S7-200,利用PLC上標準化MPI接口為每個子系統設置唯一的MPI地址,實現各底層子系統之間以及和高層控制單元之間的數據通信和編程控制。高層控制單元利用工控機配合相關編程環境SETP7,實現系統級的工序協調和優化控制策略,并通過編程電纜與底層各個子系統互聯通信,指導和協調各個子系統對各自傳感器信號的實時反饋和有效控制。

2.1潮汐控制子系統

通過實現試驗箱和鹽水補給池中水位的循環變化,模擬實現潮汐環境下混凝土結構的干濕過程。因此,潮汐控制系統的目標是實現鹽水補給池和試驗箱總的串聯液位在指定的時刻維持在指定的液位水平?？刂葡到y的參考輸入是給定的液位值,控制對象是相應的抽水泵和送水泵的開關。試驗箱和補給池的液位變化范圍是0～0.8 m,當觸發液位的臨界值時,由液位控制PLC發出報警信號,通知水泵進行相應的排水或者補水操作。通過在PLC上設計合適的控制器,使被控液位快速、準確地穩定在所給的液位水平上,穩態誤差不超過3 mm。在蒸發作用或水泵的操作慣性等擾動下,要求被控液位能夠快速恢復到原來所給定的液位值。同時考慮到加速試驗的目的,當實際液面與期望液面水平差別比較大時,在水泵的電磁閥上施加更大的閥門調節力度；當液面差別變小時,逐步減小閥門的調節力度。基于此,考慮在PLC的控制邏輯設計上,采用基于液位誤差的PID控制策略,該控制子系統的硬件連接圖見圖2,控制流程圖見圖3。

圖2　潮汐控制子系統硬件連接圖

圖3　潮汐系統控制流程圖

2.2紅外燈控制子系統

在現有的試驗研究中,大部分都沒有考慮對光照進行控制。為了盡量真實地模擬海洋腐蝕環境并實現加速試驗的目的,考慮增加太陽光對腐蝕過程的影響,尤其是陽光中占主導腐蝕作用的紅外光,在裝置中增加了熱輻射紅外燈的控制系統?？紤]到試驗環境比較惡劣和試驗周期比較長的特點,選取經特殊設計和工藝制成的高通紅外濾波鋼化玻璃紅外燈泡,其紅外光成分最高可達92%～95%,功率100～375 W,輻射角度60°～80°,可以有效覆蓋試驗箱中的試件。為提高熱輻射紅外燈的壽命,滿足試驗對光照因素的靈活要求,采用PLC對光控開關電路發出工作時間和光照強度的指令,配合潮汐過程和溫濕度調節過程,盡量真實模擬優化耐久性試驗的環境參數。

2.3溫濕度控制子系統

在原有試驗裝置中,都沒有考慮到密閉空間內溫度和濕度之間相互耦合關系,即濕熱兩種物理量中當濕度發生變化時,通過潛熱交換將該熱量轉化為溫度變化量,反饋到溫度輸入量中,從而需要描述濕度變化對溫度變化量的影響和補償作用。本文用一個經驗的比例關系描述溫濕度之間的動態耦合關系。同時,為了加速試驗的進程,確保在最快的時間內實現期望的溫濕度調節,通過在PLC上分別對解耦后的溫度量和濕度量進行誤差的PID控制,然后通過控制信號實現對空調器和蒸發器的工作狀態的調整,從而實現對試驗箱內濕度和溫度的精確控制,最終確保溫濕度控制速度快、超調小、穩態精度高的目標。具體的控制框圖見圖4。

圖4　溫濕度控制子系統框圖

2.4通風控制子系統

通風控制子系統以PLC為控制器,通過對風速傳感器采集風速和期望風速的誤差計算,同時配合高層控制單元對于試驗箱內部的溫濕度調節要求,對風機變頻器施加相應的控制信號,以實現試驗箱內部風機的風速大小和通風時間參數的控制。

2.5高層協調控制系統

在試驗箱內部,溫度和濕度2個參數存在著耦合關系,同時在試驗箱這個密閉的環境中,紅外燈也具有一定的熱量釋放,從而對溫濕度存在一定的影響。另外,通風狀況也對試驗混凝土構件表面的溫濕度狀況造成影響。因此,為了實現對試驗環境參數的精確控制和快速反饋,同時為了能夠加速侵蝕過程,必須綜合考慮溫濕度控制子系統、紅外燈控制子系統以及通風控制子系統,通過對試驗箱內的各個工序和控制對象進行協調和優化,以實現對溫濕度的準確、快速的控制。

不但對于溫濕度參數的控制需要協調考慮,對于潮汐中的干濕過程,同樣需要綜合考慮潮汐控制子系統和其他子系統之間的協調。鑒于此,通過高層控制單元的工控機對試驗箱內各個底層控制單元的控制信息進行采集,并在各個子系統PLC和高層控制單元中工控機之間進行實時傳輸,獲取試驗箱內部各個物理量的狀態,并對底層控制單元中的PLC進行協調優化操作,實現試驗參數的快速、精確實現。

在工序優化方面,當潮汐過程開始而試件未完全進入浸泡過程前,高層控制單元提前通知紅外燈和溫濕度控制子系統,將試驗箱溫度調至期望的溫度,快速實現浸泡過程中光照和溫度的調節；當浸泡過程結束而試件未完全進入干燥階段前,高層控制單元提前通知紅外燈、通風和溫濕度控制子系統,調整風機轉速和紅外燈強度以及蒸發器和空調器的運行狀態,逐漸將試驗箱內的溫濕度和光照情況穩定在期望范圍內,以加速實現試件的干燥過程。

3　試驗裝置控制系統的工作流程

通過在高層控制單元中工控機上編程,可以為試驗裝置設定不同的工作模式,比如每日相同和每日不同的工作模式,也可以根據加速試驗的要求設定干濕循環制度和各種環境條件的參數,干濕時間比例可以根據試驗目的進行設置,試驗裝置的環境溫度設置范圍為0～50 ℃,相對濕度范圍為10%～100%,溫度范圍為10～50 ℃,風速范圍為0～6 m/s。

通過潮汐控制系統使試驗箱中的混凝土試件交替處于浸潤和干燥狀態,通過紅外燈、溫濕度和通風控制子系統,模擬處于海洋潮汐區的混凝土周期性浸潤和干燥的過程。一旦在工控機程序中設置好工作模式,試驗裝置能夠按照設定程序自動運行,整個過程無需人為參與。工作流程見圖5。

圖5　試驗裝置控制系統的工作流程

4　試驗裝置控制系統模擬加速試驗

依據加速試驗必須具備自然環境試驗的真實性、可靠性、重現性好等原則,利用所設計的控制系統,在試驗裝置內進行波特蘭P.I 52.5水泥混凝土30 d 的干濕循環氯鹽加速侵蝕,研究控制系統作用下干濕時間比、溫度、光照、相對濕度和風速等參數對混凝土氯鹽傳輸的影響。試驗對象為6個尺寸為100 mm×100 mm×300 mm的棱柱體試件,標準養護28 d進行氯鹽傳輸加速試驗。在高層控制單元的工控機程序中設置環境參數見表1(表中θ為溫度，H為相對濕度，v為風速，t為干濕時間比，t1為光照時間，t2為試驗時間),一個干濕循環周期取1 d。

表1　試驗環境條件參數

試驗結束后對不同環境條件下混凝土試件中氯離子含量進行測定，結果見圖6(圖中h為距離混凝土表面的深度，c為氯離子含量)。通過比較圖6中曲線P1、P2和P3可知，由于干濕比例不同氯離子所受的遷移動力不同,干濕循環時間比對氯離子的遷移情況有相當大的影響。另外,通過加入了紅外燈控制,配合溫濕度和通風控制,實現了試驗箱內光照、風速和溫濕度參數的準確跟蹤,比較圖6中曲線P4、P5和P6可以發現,光照、溫度和風速等環境參數與氯離子的侵入速度是正比例關系,而濕度與氯離子的侵入速度是反比例關系,試驗結果與現有理論研究的一致性,說明了控制系統設計對于參數控制的準確性和試驗的合理性。同時,由于采用了高層控制單元對各個子系統進行工序協調和優化,與傳統試驗裝置相比,試驗進度得到了一定的加速。

圖6　不同環境條件影響下的試件P1—P6中氯離子含量分布曲線

5　結論

針對現有人工海洋環境試驗裝置設計上的不足,利用控制理論相關的知識和工具,開發了一種新型的穩定性高、結構簡單、能夠實現精確環境參數下開展自動化潮汐作用試驗的控制系統。通過設計包括紅外燈控制子系統、潮汐控制子系統、溫濕度控制子系統和通風控制子系統在內的底層控制單元,實現各個子系統對環境參數的準確控制,保證了試驗的可信性和可重現性；通過高層控制單元,實現了子系統之間的協調和工序優化,解決了以往的試驗方法需要大量人力和時間參與的問題,實現了裝置的全自動化改造,起到了試驗加速的目的。經過前期測試表明,該試驗裝置的應用效果好、穩定性高,可進一步應用于各種類型混凝土結構的耐久性試驗研究。

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Optimal design of control system for artificial marine environment testing device

Zhang Jianliang1, Zhao Jianyong1, Fu Chuanqing2

(1. College of Electrical Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China;2. College of Architecture Engineering,Zhejiang University of Technology,Hangzhou 310014,China)

Aiming at the existing marine environment test device requires a lot of human involvement in the semi-automatic features,as well as has long test cycle time and poor reproducibility problems, the control strategies for infrared illumination subsystem,temperature and humidity control subsystem,wind control subsystem and tidal control subsystem are designed to accurately control the parameters such as the time ratio of dry to wet,wind blowing time,the tide level and other environmental parameters. Further,the environmental adaptive optimal control strategy is proposed to achieve process optimization and coordination between the various subsystems,as a result the total test process is accelerated by the controller. This study owns a more economical cost and better maintainability,scalability,which can help expand the applications in different oceans durability test under environmental conditions.

control system； artificial marine environment； testing device； optimal design

10.16791/j.cnki.sjg.2016.10.021

2016-04-10

國家自然科學基金項目(61371095)；國家高技術研究發展計劃(863)項目(2015AA050202)；浙江省教育廳科研項目(Y201533326)；浙江大學實驗技術研究重點項目(SZD201501)

張建良(1984—)，男，河南新野，博士，講師，研究方向為復雜工業系統的分析與控制.E-mail：jlzhang@zju.edu.cn

TU69

A

1002-4956(2016)10-0081-05