基于PLC技術的大體積混凝土智能溫控系統設計與應用

摘要：為了解決現有溫控系統無法達到控制要求的問題，對基于PLC技術的大體積混凝土智能溫控系統的設計與應用展開研究。通過智能溫控系統硬件和軟件設計，對溫度數據進行自動采集、處理和實時監測。應用PLC可編程邏輯控制器，建立大體積混凝土溫度自動調節機制，檢驗結果表明：基于PLC技術的大體積混凝土智能溫控系統，降溫系數控制效果和大體積混凝土的質量均符合規范和設計要求，成功控制了溫度應力對大體積混凝土質量的不利影響。

關鍵詞：PLC技術；大體積混凝土；智能溫控；自動調節

0" "引言

在現代建筑建設中，隨著大體積混凝土結構的應用日益增多，對直接影響施工質量的溫度控制展開研究，成為不可忽視的關鍵環節。劉毅等[1]通過溫度傳感器對混凝土內外溫度進行實時監測，能夠預測混凝土內部的溫度變化趨勢，并判斷是否存在裂縫風險；能夠根據預測結果自動調節混凝土溫度。但是在大體積混凝土施工過程中若對數據處理不及時，可能導致溫度控制效果不佳。宋超等[2]采用了有限元分析軟件對大體積混凝土進行了建模，模擬了澆筑過程中的水化熱反應，并深入分析了溫度場的變化規律。

本文針對基于PLC技術的大體積混凝土智能溫控系統設計與應用展開了研究，設計了一套高效的溫控系統，通過先進的傳感技術，實現對混凝土施工全過程中溫度變化的精準監測。該溫控系統能夠實時捕捉混凝土內部的溫度變化，并通過智能算法分析溫度分布的趨勢，進而自動調整溫控措施。這一控制過程確保了混凝土在硬化過程中溫度的均勻性，可有效預防裂縫的產生，從而顯著提升混凝土結構的整體質量。

1" "智能溫控系統硬件設計

采用TR154SSG主控制器作為核心控制芯片，設計了下載調試端口用于更新固件程序及進行程序調試。溫控系統還集成了FLASH讀寫功能，用于本地存儲溫控系統采集的溫度數據。設置多組LED指示燈，用戶可通過LED燈直觀地了解系統當前的運行狀態[3]。此外，溫控系統調試端口允許PC與溫控設備進行數據交換。通過溫度傳感器將每個溫度采集模塊連接，通過LOA無線通信的方式將數據上傳至控制器。在所有溫度數據采集完畢后，將數據打包整理后上傳至主機。

選擇外部晶振作為芯片的時鐘源，外接晶振頻率為3MHz，經內部倍頻至142MHz。RTC時鐘同樣采用外部晶振，其頻率為40.32kHz，并搭配11PF的瓷片電容以確保穩定啟振[4]。芯片通過NRST引腳接收低電平信號以實現復位功能。PLC連接溫度傳感器可以監測溫度，并根據預設的差值范圍來控制執行器調整熱量的輸入與輸出。此外，還預留SPI和通用PIO口，以支持其他外設的接口需求。主控芯片硬件設計如圖1所示。

2" "智能溫控系統軟件設計

2.1" "溫度數據監測

2.1.1" "溫度數據采集

在溫度數據采集方面，將溫度數據采集裝置即數字溫度計預先埋設在大體積混凝土的內部，用于測量其內部的溫度。安裝在冷卻水管進出口處的水溫傳感器，用于監測冷卻水的溫度變化[5]。預先埋設在大體積混凝土內部的數字溫度計，通過直接與數據采集反饋集成控制柜相連，形成一個高效的數據傳輸網絡。主控制裝置作為這一網絡的核心，負責實時收集并傳輸來自各個溫度計的溫度數據。在溫控監測過程中，每間隔2h自動采集一次溫度數據。在需要更嚴格監控的區域，縮短數據采集的時間間隔，從而增加數據采集的頻次和密度。

2.1.2" "溫度數據分析

大體積混凝土的溫度數據由數據采集裝置捕獲后，被傳送至控制裝置進行進一步處理。控制裝置會根據多個溫度數據點計算出平均溫度，以反映混凝土內部的整體溫度狀況。平均溫度計算公式如下：

式中：Ta為平均溫度，n為溫度數據點個數，T為數據點溫度。

計算出的溫度日平均值，被視為大體積混凝土內部在當日的實際溫度水平。為了更準確地分析溫控過程的整體趨勢，采用時間序列分析方法。基于收集到的溫度監測數據，構建以時間為自變量、溫度為因變量的一元線性回歸方程，該方程的表達式為：

y=kx+b" " " " " " " " "（2）

式中：y為溫度因變量，k為斜率，x為時間自變量，b為隨機變量。

該方程的斜率能夠直觀地反映出混凝土內部溫度隨時間變化的趨勢，從而能夠直觀地描繪出混凝土內部溫度隨時間變化的趨勢，為制定和實施有效的溫控措施提供了強有力的數據支持[6]。可運用整距法來直觀判斷時間序列數據變化趨勢，對于給定的時間序列 ，在某一時刻的整距值的計算公式如下：

式中：u（c）為時刻c的整距值，e（t）為時間序列在時刻t的值，K為積分系數。

通過繪制整距值曲線，可以直接觀察到時間序列數據的變化趨勢。當曲線上升時，表示整距值在增加，說明當前時刻的數據值相對于平均值偏高；當曲線下降時，表示整距值在減少，說明當前時刻的數據值相對于平均值偏低；如果曲線變化幅度較為平緩時，這反映出溫度數據較為穩定，接近其平均值。通過對這些溫度數據的精確采集、處理和實時監測，能夠獲得豐富的數據資源，為溫度調節提供有力的支撐和決策依據。

2.2" "PLC的溫度調節

2.2.1" "智能溫控系統的功能

大體積混凝土溫度調節過程關系到混凝土的質量及其結構的耐久性，隨著混凝土體積的增大，其內部溫度的變化對混凝土的性能影響較為顯著。因此需要合理控制大體積混凝土的溫度變化。每套模塊化智能溫控系統可控制大體積混凝土同一區域多回路冷卻水系統，從而確保大體積混凝土內部溫度均勻分布[7]。

智能溫控系統可確保大體積混凝土以適宜的速率降溫。可根據大體積混凝土的材料特性等參數，通過大體積混凝土內部溫度變化自動調節冷卻管進水口溫度。智能溫控系統實時監測大體積混凝土內部不同位置的溫度變化，隨后利用這些數據來計算和確定大體積混凝土的平均溫度。平均溫度計算公式如下：

q=-λ?T" " " " " " " " " （4）

式中：q為平均溫度，λ為導熱系數，?T為溫度與熱密度的梯度值。

進出水口溫差調節由進水流量控制，溫差過大時適當增大進口流量，溫差過小時可減小進口流量。該系統通過精確調節冷卻管進水溫度與混凝土內部溫度之差，將混凝土的降溫系數嚴格控制在2℃/d之內。基于該控制措施，計算出所需冷卻水溫度，其計算公式如下：

式中：Tl為所需冷卻水溫度，Ya為冷卻水出口溫度，Q為冷卻水進口熱量，m為冷卻水流量，p為冷卻水定壓比熱容。

2.2.2" "建立溫度自動調節機制

智能溫控系統通過自動調節冷卻水的水源，使冷卻管的進水溫度達到預定值。通過這種方式，智能溫控系統能夠確保冷卻水與混凝土之間的溫差始終保持在一個合理的范圍內，從而實現對混凝土降溫系數的精確控制。

智能溫控系統會自動增大循環熱水的調節比例，PLC根據溫度傳感器的反饋信號進行以下調節：當溫控系統監測到混凝土內部溫度下降大于1℃時，會判斷當前的降溫系數可能過快；當監測到的溫度超過預設的閾值時，PLC會觸發執行器的關閉操作；反之，當溫度低于預設的閾值時，PLC則會啟動執行器的開啟操作。這樣做可以提高冷卻水的溫度，從而減緩混凝土內部的降溫系數。

通過這種自動調節機制，溫控系統能夠及時應對混凝土內部溫度異常下降的情況，防止因降溫下降過快而導致大體積混凝土出現溫度應力裂縫等問題。通過對進出口水溫差的精確、自動調節，溫控系統，能夠實現對大體積混凝土降溫系數更加精細化的控制，確保其在硬化過程中保持均勻的溫度分布。

3" "應用檢測與分析

3.1" "檢測方法

為了檢測智能溫控系統在混凝土澆筑過程中對混凝土溫度變化的控制情況，在某大體積混凝土項目采用了PLC智能溫控系統，搭載連接溫度傳感器等設備，通過智能溫控系統來模擬其溫度變化，進而判斷智能溫控系統的控制效果。

在混凝土澆筑體平面上，共設置5個獨立的用于安裝測溫點的位置，其間距設定為3.03m。沿著混凝土澆筑體的厚度方向，根據實際情況將上部測溫點距離板面30mm進行布置，將下部測溫點距離板底面25mm進行布置，并確保測溫點與鋼筋的距離小于15mm。本文采用三維單元Solid進行模擬，該單元由8個結點組成，每個結點都具備一個自由度。利用這些單元在每一個區域進行了瞬態熱分析，并在這一過程中同時計算應力分布。

在進行有限元分析時，對網格進行較為稀疏的劃分，此設計可以有效減少計算量，節省計算時間。根據當前的計算對象和單元形式要求，在進行網格劃分的過程中，應對單元邊長進行合理控制，以確保計算結果具有較高的精確度。

3.2" "檢測結果與分析

3.2.1" "檢測結果

設定該大體積混凝土澆筑工程的測溫點，為了更準確地描述在智能溫控系統應用下的溫度變化趨勢，對中間測點進行了數據擬合。通過得到擬合方程式以計算降溫斜率。擬合方程可對中間溫度變化趨勢量化描述，能夠展示出大體積混凝土中間的溫度變化情況。該大體積混凝土中間測溫擬合圖如圖2所示。

3.2.2" "檢測結果分析

由圖2可知，混凝土在降溫過程中呈現出線性遞減的規律。通過計算得到該測點的降溫斜率分布在-0.09～0.08之間，表明降溫過程較為穩定，且速率較為適當。具體來說，降溫系數符合預定的2℃/d的控制要求。由此表明，在實際施工過程中，溫度控制達到預設的施工方案要求，混凝土內部的降溫系數較為適當。通過嚴格控制在2℃/d的降溫系數，可以有效避免混凝土內部產生過大的溫度應力，進而顯著降低混凝土內部出現裂紋的風險。

綜上所述，應用本文設計的智能溫控系統進行大體積混凝土的溫度控制，其降溫系數控制達到較好效果。根據最終的施工質量評估，大體積混凝土的質量為良好，符合相關規范和設計要求，成功控制了溫度應力對混凝土質量的影響。

4" "結束語

本文從智能溫控系統設計入手，深入分析大體積混凝土的相關問題，探究了基于PLC技術的大體積混凝土智能溫控系統的設計與應用。該系統能夠實時監控混凝土溫度，并根據溫度變化自動調節冷卻水系統的運行參數，實現了對混凝土溫度的精確控制。同時，該溫控系統顯著降低了人工操作可能帶來的誤差，減輕了工人的勞動強度，從而大幅提升了施工效率和質量。綜合看來，該系統能夠有效預防和控制溫度裂縫的產生，提高了大體積混凝土的耐久性和安全性。

參考文獻

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[3]" 楊龍.基于農業電氣自動化的大棚智能控溫系統設計[J].農機化研究，2024，46（1）：116-119+125.

[4]" 牛俊奎，王世鋒，朱俊峰，等.太陽能恒溫智能供水系統設計與實現[J].中國農村水利水電，2023（3）：157-160+168.

[5]" 陳廣金，藍慕云.基于WiFi的智能溫度調節系統設計[J].現代電子技術，2022，45（20）：1-6.

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[7]""""" 林俊輝.PLC技術下聯合收割機電氣控制系統設計[J].農業與技術，2023，43（21）：47-50.