箱梁预应力张拉自动控制系统论文.docx

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箱梁预应力张拉自动控制系统论文

箱梁预应力张拉自动控制系统

研究与应用

作者：

叶剑波、郝金杰

单位：

河北益铁机电科技有限公司

引言

高速铁路无砟轨道由于其良好的轨道平顺性和持久可靠的稳定性及高效率的运能、极少的线路维修量、社会经济效益显著等优点，在国内外受到高度重视，已成为国内外客运专线、高速铁路建设的发展方向，越来越多的国家都在致力应用和发展无砟轨道工程技术。

由于无砟轨道桥梁具有占有量大、加工精度高的特点，快速、有效的进行桥梁预制是无砟轨道施工的一个关键环节。

桥梁预应力张拉是桥梁制作过程中一个重要环节，预应力张拉涉及到预应力损失、温度效应等诸多因素的影响，是一个复杂的非线性的力的分配和传递过程。

预应力张拉精度是决定预应力结构安全与正常运营的首要条件，一旦预应力张拉精度失控，轻则会引起结构出现锚固端的纵向裂纹、反拱过大，重则会引起结构出现横向裂缝、预应力筋拉断等事故，由于预应力张拉精度失控造成预应力结构失效、破坏以及生命财产巨大损失的事故时有发生。

当前高速铁路桥梁为无粘结预应力钢绞线束后张法施工工艺。

张拉过程中涉及到预应力损失、张拉系统摩阻、张拉系统精度、操作人员熟练度等诸多因素的影响，难以保证精度。

预应力张拉精度是决定预应力结构安全与长期稳定性的重要条件之一。

传统的后张法工艺为由人工看压力表手动操作泵站完成张拉。

在测量技术上，通过读取液压系统的压力，并按照液压系统与张拉力的对照表，换算出张拉力；使用直尺等量具人工测量出张拉的伸长值。

这种张拉过程掺入了大量的人工干预，操作过程繁杂，测量精度低，难以保证张拉的质量，张拉效率低下。

并且，由于后张法传统工艺的特殊性，张拉后的预应力钢筋进行锚封，张拉结果由人工填写表格，对张拉质量无法进行检测，张拉过程不可回溯分析。

在信息化管理高速发展的现今，生产数据信息自动化采集已成为现代管理的重要组成，原始的张拉方法已不能满足现代生产的需要。

由于高速铁路建设的特殊性，建设单位为临时组建单位，主要精力用于组织建设，进度及质量监督等方面的工作，无暇组织新技术新产品的研发，大西客专股份有限公司针对大西铁路工程建设提出“百年工程”的口号，按照工程施工质量是由施工准备、工序操作质量决定的，或者说工程施工质量是在施工过程中形成的，而不是最后检验出来的质量管理理念，要保证工程施工质量，就必须加强施工过程控制。

工欲善其事，必先利其器，研发能够保证预应力施工质量的箱梁预应力张拉自动控制施工设备是预应力施工环节质量保证的关键。

预应力张拉自动控制系统的核心技术是超高压电液控制及配套测量技术，在传统的流体传动与控制基础上，吸收和融合当代超高压电液控液压油路开关技术、PLC、传感测量、计算机等新技术形成的技术结合体。

在高速铁路CRTS-Ⅰ型轨道板和CRTS-Ⅲ型轨道板预应力张拉施工中已经有成熟应用。

箱梁预应力张拉自动控制系统

1系统简介

YL-01型箱梁预应力张拉自动控制系统主要是为解决传统桥梁张拉工艺中存在人为控制、手动测量、人工计算、人工记录、精度低、不可控的问题而研制的程序控制全自动化张拉设备，由2对千斤顶（4个），4台电动液压站、8个高精度压力传感器、4个非接触式高精度位移传感器、PLC控制器、主机（一体化工作站）、无线网络交换机和1套标准力校准系统等组成，可同时控制2对千斤顶同步工作，构成平衡的双向张拉，同时根据张拉工艺不同也可单侧2锚或4锚张拉。

微电脑预设张拉工艺，一键操作实现张拉过程的自动化控制，伸长值显示，张拉数据实时曲线采集及校核报警，张拉结果记录存储、无线数据传输以及网络传输，信息化管理。

系统结构图如下，

其中液压站采用超高压电液控液压油路开关专利技术，高压、超高压液压油路的通、断控制实现了稳定可靠的电动控制。

在每台电动液压站连接千斤顶的打压端和回油端分别安装液压传感器，减小了油压低频振动对压力的干扰。

同时在每台千斤顶上安装非接触式位移传感器，实时监测张拉伸长值的变化。

本系统的特点是可靠性好，操作简单，伸长值自动测量和记录，张拉控制精度可达到1%要求。

集成了计算机自动控制技术、无线传输技术、数据监控分析技术于一体。

把梁场桥梁的张拉、数据传输、监控、管理等一系列功能紧密地结合起来，从张拉现场到梁场信息化管理中心甚至甲方客专信息化管理中心通过宽带信息网实现高速实时互联，达到信息的快速流通，实现桥梁张拉的现代化管理。

采用分布式数据库技术，后台安全传输模式，网络断开时单机可以正常工作。

2工作原理

首次使用时，操作人员要通过主机（一体化工作站）进行系统的标定，将随机配套的标准力校准系统与张拉设备配套安装到校准工装上，如下图：

启动液压泵站，用标定系统对张拉系统进行标定，主机自动对压力传感器信号数据进行计算处理，使主机张拉力值显示与标准仪表的示值一致，可标定16点。

标定结束后，系统直接显示标准张拉力值，自动剔除千斤顶磨阻等环节对张拉力的影响，形成液压系统的压力与张拉力的线性关联曲线。

系统完成标定后，操作人员按桥梁张拉工艺图规定张拉工艺通过主机的触摸屏手写输入或虚拟键盘设定输入初张拉力值、初张持荷时间、终张拉力值、终张持荷时间、伸长校核目标值等参数，然后一键启动自动完成张拉过程。

在张拉过程中，系统自动跟踪采集4台千斤顶相应的张拉力值和伸长值控制液压站的高压电磁换向阀组平衡同步张拉。

即主机实时通过系统PLC扩展AI/DO模块读取4台千斤顶的压力传感器信号和位移传感器信号，经运算处理为标准预应力钢束张拉力值和伸长值，然后判断当前预应力钢束的张拉力值和伸长值是否同步，然后对控制4台千斤顶的高压电磁换向阀组发出相应的控制指令，保证4台千斤顶的张拉力值和伸长值同步平衡增长。

预应力钢束的伸长值作为系统的参考和张拉工艺的辅助参数，当伸长值变化量过大，即张拉速度过快时，系统自动控制油泵高压电磁换向阀组调节千斤顶的张拉速度。

当张拉力值和伸长值对应数据发生异常时，报警提示进行人工干预，处理后再继续自动张拉。

当采集张拉力值达到初张张拉目标值后，关闭电磁换向阀组停止打压，进入初张持荷计时，在持荷过程中由于预应力钢束持续伸长张拉力值会减小，低于目标张拉力值1%时系统自动控制液压泵站补压，保持张拉力在目标值±1%以内。

从而保证张拉精度。

初张持荷完成后，自动记录张拉数值，然后继续下一过程的张拉，系统仍然自动跟踪采集4台千斤顶相应的张拉力值和伸长值控制液压站同步张拉。

当采集张拉力值达到终张张拉目标值后，停止打压，进入终张持荷计时，在持荷过程中张拉力值低于目标张拉力值1%时系统自动控制液压泵站补压，保持张拉力在目标值±1%以内。

终张持荷完成后，记录并计算张拉结果值。

系统打开缓释阀组，千斤顶在预应力钢束回缩力作用下开始缓慢卸荷过程，同时跟踪采集张拉力值，当张拉力值变化为0后，记录并计算预应力钢束回缩值。

然后控制液压站使千斤顶回位，整个单次自动张拉控制过程结束。

张拉过程中系统通过无线网络将张拉采集曲线及张拉控制结果传输给梁场信息化管理中心计算机。

再经专用网络将所有数据信息传送给大西客专信息中心。

3系统各组成部分设计说明

3.1铁路梁专用自动张拉油泵

液压站的工作压力70Mpa，流量2L/min。

采用超高压电液控液压油路开关技术，用于高压、超高压液压油路的通、断控制。

液压系统高于31.5Mpa为超高压系统，铁路箱梁预应力张拉系统压力在34Mpa以上，系统的稳定性及长期使用可靠性是决定系统成败的关键。

本液压站核心技术是采用超高压电液控液压油路开关技术，它能有效地自动控制液压油路的通断及转换，并且适用工作环境范围广，不仅能在31.5Mpa以下的工作环境下长时间工作，而且还能在40-80Mpa的超高压环境下长时间工作，基本不会产生内泄，从而可有效地提高工作油路的压力及控制的可靠性，提高产品的使用寿命，实现电液控自动控制液压油路。

由于液压系统经常工作在超高压力环境下，故油路设计时采取了相应的安全保障措施，油管采用耐压超过60MPa带钢丝层的高压胶管，防止管路崩断而造成安全事故。

另外油路设计时采用溢流阀保持工作压力在规定安全压力以下，超出则溢流保护。

3.2YDC3000型千斤顶

YDC3000型千斤顶是预应力锚固体系中通用系列液压穿心式千斤顶的一种，额定张拉力3000kN。

根据用户需要配置相应的限位板、工具锚等附件。

可用于XM、XYM、QM、OVM及其他系列锚固体系的张拉。

顶上安装高精度非接触式位移传感器，千斤顶的液压油管采用快速接头与液压站连接。

系统也可在梁场原有千斤顶上增加安装高精度非接触式位移传感器机械固定装置进行改造，加装位移传感器测量系统后可在系统中一样使用。

节约了梁场购买新千斤顶的支出。

3.3高精度压力测量传感器

高精度压力传感器安装在每台电动液压站连接千斤顶的打压端和回油端。

测量范围为0～50MPa，对应的输出为4～20mA电流信号，激励电源为24V直流电源，综合精度0.2%FS，线性度达到0.5%。

信号线采用3芯屏蔽电缆连接到14位PLC扩展AI/DO模块。

系统通过AI/DO模块实时获取压力传感器数据，运算处理后得出实时测量的张拉力值。

3.4专用位移测量装置

张拉过程中由于预应力钢束自身的应力变化或释放，张拉千斤顶的顶出活塞筒与外缸体之间会发生切向角度偏移，使用普通拉杆式位移传感器的拉杆会因此而变形损坏，造成系统无法正常工作。

所以采用专用位移测量装置测量千斤顶顶出活塞筒相对于油缸的位移，即预应力钢绞线的拉伸长度。

系统选用的非接触式位移传感器量程为50～400mm，测量精度为0.1mm，其输出信号为4～20mA电流信号，激励电源为24V直流电源。

信号线连接至到系统PLC扩展AI/DO模块，系统通过AI/DO模块来实时获取位移传感器的伸长量。

3.5主控PLC设计

其硬件结构框图：

程序设计流程图：

3.5.1自动平衡同步张拉编程设计原理

首先设定张拉自动平衡条件参数，如张拉力最大差值和伸长值最大差值，张拉过程中系统通过PLC扩展AI/DO模块来实时获取位移传感器的伸长量和压力传感器的数据计算的张拉力值，判断4台千斤顶的实时伸长值或张拉力值中的最大和最小值之差如果大于或等于自动平衡条件中的张拉力或伸长值参数，调节最大值对应的千斤顶的打压速度，使4台千斤顶同步平衡张拉。

3.5.2PLC对张拉力的闭环控制

预应力自动张拉过程的闭环控制方式是控制张拉力、液压系统压力等连续变化的模拟量，控制电磁换向阀使系统压力始终与负载所需压力相等，实现负载传感检测控制。

当前系统选用的PLC本身具有PID控制功能指令，PID控制原理框图如下图所示。

闭环控制的预应力张拉系统PID控制程序流程图如下图所示。

3.6标准力校准系统

标准力校准系统由1个环形高精度测力传感器和1台专用测力仪表组成，此系统在出厂前经国家省级计量检测部门在标准测力机校准合格并出具检定合格证书。

用于自动张拉设备初始使用前和使用中周期性对千斤顶摩阻、液压系统等环节的压力校准为标准拉力。

4主要功能及技术指标

4.1主要设计功能

4.1.1自动平衡同步张拉

张拉过程中自动控制预应力钢束两端伸长量保持一致，同步张拉，最终以设计张拉力为控制目标，严禁张拉不到位或超张拉。

4.1.2方便的输入功能

可方便地输入箱梁编号、型号、张拉力目标值及伸长量校核值、持荷时间等张拉技术参数，也可在管理计算机上分梁型设定张拉技术参数通过无线通讯或U盘下发。

4.1.3声光报警功能

具有在张拉不同阶段进行声光提示功能，提示操作人员进行初始和控制阶段工具夹片外露量的测量，系统工作异常或张拉数据超差时自动报警。

4.1.4断点恢复功能

工作过程中停电系统自动保存当前数据，重新上电后可由断点处继续完成自动张拉过程。

4.1.5标定功能

可连接标准测力环系统对系统张拉力进行标定和检测。

4.1.6直接显示拉力值及自动测量张拉伸长值

系统标定完成由压力传感器测量并直接显示张拉力值，由位移传感器测钢绞线伸长量，直接在触摸屏上显示。

4.1.7打印功能

张拉完成，打印张拉记录表。

4.1.8数据传输功能

张拉实时数据通过通讯接口以无线方式传入信息化管理系统，可以实时显示张拉数据、张拉力曲线及伸长量曲线，并保存记录，张拉数据可导出为Excel电子表格文件。

同时通过网络可以上传。

4.2设计技术指标

4.2.1张拉系统技术指标

测力系统精度1%F.S

位移测量精度0.2mm

双顶对拉不平衡度20KN

液压站工作电压380±10%

控制系统工作电压220±10%

使用温度–20℃－50℃

4.2.2标定系统

满量程2744KN

准确度0.3%F.S

使用电压220±10%

使用温度–20℃～50℃

4.2.3液压站

最大油压50MPa

流量2L/min

电机功率4.5KW

使用电压380V

4.2.4拉千斤顶

公称张拉力3000KN

公称油压52MPa

张拉面积57727mm2

理论张拉力3035KN

穿心孔径145mm

张拉行程200mm

主机重量260kg

外形尺寸Φ375×380mm

5箱梁预应力张拉自动控制信息化系统

客运专线建设总的目标是达到世界一流客运专线水平。

这就需要线路基础设施实现中的设计、施工、监理、工程管理达到一流，使工程质量达到国际客运专线建设标准，经得起运营的检验、历史的检验。

桥梁更是客运专线重要的基础设施，在桥梁生产中加强信息化建设，提高现代信息化管理水平显得尤为重要。

实现企业信息化标准管理，建立信息化服务平台，把每天的工作要求和工作进展情况通过信息服务平台提交给上级主管领导，领导根据现场实际情况合理安排各项施工工序，从而保证了施工生产的有序推进。

预应力张拉是桥梁质量保证的关键工序，为了很好控制质量，使主管领导可以实时查看到现场张拉情况，特开发该信息化系统。

箱梁预应力张拉自动控制信息化系统需要在大西客专、梁场和现场张拉设备之间组建网络，系统网络图如下：

本系统有以下几大功能特点：

在硬件选择上

●根据施工现场情况采用无线网络信息传输技术代替有线网络传输。

●采用高速率无线数传电台，它是一种远距离无线数据传输产品，它体积小，金属外壳，屏蔽性能好，抗干扰性强，内部采用集成功放，TCXO等高可靠性器件，内置看门狗，产品的稳定性及可靠性极高。

采用先进的GFSK调制方式，提高了频率资源的利用率和产品的抗干扰能力，半双功的通讯方式，能方便为用户提供双向的数据信号传输、检测和控制。

收发时间小于18mS（9600bps通讯数率），适时性强。

在软件设计上

●采用多种开发软件混合编程技术，发挥各自优势提高了系统的整体功能，使性能达到最优

●软件操作简单，采用Windows资源管理器的操作界面，醒目直观

●网络传输采用滑动窗口式通讯协议，数据传输速度快、性能稳定

●通讯校验采用CRC校验，纠错能力强，防止了通讯错误产生的影响

●全双工通讯方式，网络连通后可以进行数据发送和接收

5.1系统总体结构及工作原理

5.1.1、硬件组成

本系统以张拉控制平板电脑为核心，配以无线高速数传电台、中心服务器。

其结构框图如下：

5.1.1.1张拉控制设备

该部分是全系统控制与管理的核心，采用性能稳定、抗震性好、处理速度快、硬盘空间大、具有触摸功能的工业平板电脑；配备高性能、响应速度快、性价比高的PLC。

5.1.1.2传输设备

高速数传电台，采用具有体积小、金属外壳，屏蔽性能好，抗干扰性强、寿命长的设备。

5.1.2工作原理

大西客专各梁场张拉系统统一编号，通讯时根据编号来识别各张拉设备，每台张拉控制系统配备，用于实时打包、发送现场张拉数据，梁场数据服务器实时接收各张拉设备的张拉数据，经过数据解包、处理后在管理界面上实时显示现场各梁张拉情况，并把张拉数据通过梁场至大西总部的宽带网络实时发送到大西数据服务器，供领导查询。

5.1.3性能指标

（1）、压缩率：

30~48%

（2）、平均传输率：

9.6kBytes/s

（3）、工作频率：

400-470MHz，也可提供868/915MHz等频率

（4）、传输距离：

0~8Km

（5）、低功率：

接收电流<30mA，发射电流<1.5A，休眠时电流<1mA

5.2软件设计

本系统张拉控制系统是用组态软件加PLC执行机构开发的，上位机管理软件是用VisualBasic开发的，压缩算法用C语言编制的。

组态软件便于工业控制，界面直观，方便操作；VisualBasic是微软的开发软件，适用于数据通讯软件的开发；C语言方便灵活，功能强大，便于开发低层功能控件或动态库。

程序设计采用了模块化结构设计方法，程序结构紧凑，功能模块区分明确，便于修改和扩充。

该软件提供如下功能：

张拉控制、无线传输、实时显示、数据查询、数据分析等功能。

下位机数据发送流程图：

上位机数据接收流程图：

5.3张拉过程曲线

应用情况

为克服以往人工张拉存在的不足，大西客专公司组织研发了“箱梁预应力张拉自动控制系统”，并于2010年12月通过局级科技成果鉴定，2011年4月取得国家知识产权局《实用新型专利证书》。

该系统利用自动控制程序取代传统手工方式实现对预应力千斤顶运动过程的精确控制，具有自动张拉和手动维护功能，可以双束双端同步张拉、也可以单束双端同步张拉，通过触摸屏直接操作、监控张拉过程。

整个张拉过程自动完成压力、位移调节，张拉工艺参数可预先输入程序中，施工中直接调用，并显示在触摸屏上。

“箱梁预应力张拉自动控制系统”集成显示、过程控制、数据储存、数据上传等功能。

与原来的手工张拉相比，“箱梁预应力张拉自动控制系统”使预应力施工控制精度大幅提升，节约了人工成本，使质量追溯有据可查,质量控制在张拉结束即可完成，自动生成质量报表。

“箱梁预应力张拉自动控制系统”实时记录了全过程位移、张力数据，为孔道摩阻分析提供基础数据；配合梁体应变监测点数据，为综合分析张拉力下梁体变形提供了设备基础，为梁体结构优化提供基础数据。

箱梁预应力张拉自动控制系统在大西客运专线建设的21个梁场进行了推广应用，推广初期由于现场操作人员的素质比较低下，设备在现场遇到了很多困难和阻碍。

后经过现场的反复培训，沟通，使使用单位逐渐认识到了自动化张拉设备的优越性，得到了使用单位的广大支持，各梁场技术人员对系统提出了很多的宝贵意见，为箱梁预应力张拉自动控制系统的完善和改进起到了非常大的推动作用。

目前，各梁场一致认为自动化张拉设备省时、省力，张拉精度高，质量有保证，使用热情高涨。