人工海洋环境试验装置控制系统优化设计

人工海洋环境试验装置控制系统优化设计
张建良;赵建勇;付传清
【摘要】针对现有试验装置需要大量人为参与的半自动化特点，以及试验周期长且重现性差的问题，通过为红外光照子系统、温湿度控制子系统、通风控制子系统和潮汐控制子系统设计鲁棒性控制策略，实现恶劣环境下干湿时间、吹风时间、潮汐水位等环境参数的准确追踪和控制；在系统总控制器中提出环境自适应优化控制策略，实现各个子系统之间的协调和工序优化，加速耐久性试验过程，实现潮汐模拟过程中人工环境条件的准确控制，同时具有较经济的成本和较好的可维护性、扩展性，有助于展开不同海洋环境条件下的耐久性试验。

%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.
【期刊名称】《实验技术与管理》
【年(卷),期】2016(033)010
【总页数】5页(P81-85)
【关键词】控制系统;人工海洋环境;试验装置;优化设计
【作者】张建良;赵建勇;付传清
【作者单位】浙江大学电气工程学院，浙江杭州 310027;浙江大学电气工程学院，浙江杭州 310027;浙江工业大学建筑工程学院，浙江杭州 310014
【正文语种】中文
【中图分类】TU69
海洋特殊环境下氯盐的侵蚀现象严重地威胁着建筑于跨海、海岸和临海的风机平台、输电设施、桥梁等混凝土结构的耐久性能,造成了严重的安全隐患和经济损失。

因此,迫切需要模拟在海洋环境下对混凝土建筑的腐蚀情况和耐久性进行深入分析和
试验验证[1-2]。

近年来,世界各国在海洋环境下混凝土结构耐久性试验方面取得了一系列的研究成
果[3-7]。

加拿大研究人员在对该国诺森伯兰海峡大桥的耐久性研究中,进行了氯离
子快速渗透性和扩散性试验,指出了钢筋的锈蚀速率取决温度、氧气和混凝土电阻
率等因素。

日本工程技术人员通过对日本本州四国联络桥的研究,得到了氯盐离子
的渗进量和渗进速度与环境温度、相对湿度、光照和混凝土密实度等因素之间的关系。

在我国,以同济大学、浙江大学等为代表的众多院校和科研机构,综合分析我国
海水潮汐区的海水盐度、温度、相对湿度、潮汐类型等因素对氯离子侵蚀的影响,
并且对实验室条件下再现氯离子侵蚀的试验方法进行分析对比和改进,提出了一系
列海水潮汐区混凝土氯盐侵蚀的模拟试验方法[8-13]。

然而,现有的试验方法和试
验装置所固有的一些缺点,不足以揭示氯离子侵蚀机理,及预测混凝土结构耐久性寿命。

针对现有试验装置的缺陷,本文拟通过人工海洋环境试验装置自动控制系统的优化
设计,研制一种干湿循环条件下实现无人值守的全自动再现氯离子侵蚀的新型加速
试验装置,解决试验周期长、重现性差的问题。

同时,通过设计相应的底层和高层控
制系统,解决现在潮汐过程中的温度、湿度和风速等参数控制精度低的问题。

该试
验装置具有结构简单、操作简便、成本低廉的优点。

利用控制理论相关的知识和工具,针对现有大型海洋环境试验平台设计上的不足,研
制一种新型的稳定性高、结构简单、能够实现精确环境参数下开展自动化潮汐作用试验的控制系统,对海洋潮汐环境进行有效人工模拟,提供一种新型耐久性加速试验
的平台。

所设计的试验装置控制系统包括底层控制单元和高层控制单元。

底层控制单元主要包括红外灯控制子系统、潮汐控制子系统、温湿度控制子系统、吹风控制子系统；高层控制单元主要负责协调各个子系统对于环境参数的耦合控制,并对整
个控制时序进行优化。

试验装置控制系统的总体设计框架图见图1。

在底层控制单元的设计中,基于PLC开发温湿度控制子系统、通风控制子系统、红外灯控制子系统、潮汐控制子系统等控制模块,分别实现蒸发器、空调器、鼓风机、水泵等设备的合理工作状态,保证对于温湿度、风速、光照、水位的实时反馈和控制,并实现对系统干扰的鲁棒性。

在高层控制单元的设计中,通过在工控机上开发PLC控制程序,一方面确保实现耐久性试验中各个工序之间的自动和有效衔接,优化工序的执行顺序,达到加速试验的目的；另一方面,高层控制单元利用工控机对各个子系统PLC采集到的相关物理量信息进行实时分析,基于各个子系统之间信息量的耦合特性,实现子系统间各操动机构
的协调反应,从而提高试验中参数控制的精度,保证试验的可信性和可重现性。

控制系统中的底层控制单元采用德国西门子公司生产的PLC S7-200,利用PLC上
标准化MPI接口为每个子系统设置唯一的MPI地址,实现各底层子系统之间以及
和高层控制单元之间的数据通信和编程控制。

高层控制单元利用工控机配合相关编程环境SETP7,实现系统级的工序协调和优化控制策略,并通过编程电缆与底层各个子系统互联通信,指导和协调各个子系统对各自传感器信号的实时反馈和有效控制。

2.1 潮汐控制子系统
通过实现试验箱和盐水补给池中水位的循环变化,模拟实现潮汐环境下混凝土结构
的干湿过程。

因此,潮汐控制系统的目标是实现盐水补给池和试验箱总的串联液位
在指定的时刻维持在指定的液位水平。

控制系统的参考输入是给定的液位值,控制
对象是相应的抽水泵和送水泵的开关。

试验箱和补给池的液位变化范围是0～0.8 m,当触发液位的临界值时,由液位控制PLC发出报警信号,通知水泵进行相应的排水或者补水操作。

通过在PLC上设计合适的控制器,使被控液位快速、准确地稳定在所给的液位水平上,稳态误差不超过3 mm。

在蒸发作用或水泵的操作惯性等扰动下,要求被控液位能够快速恢复到原来所给定的液位值。

同时考虑到加速试验的目的,当实际液面与期望液面水平差别比较大时,在水泵的电磁阀上施加更大的阀门调
节力度；当液面差别变小时,逐步减小阀门的调节力度。

基于此,考虑在PLC的控制逻辑设计上,采用基于液位误差的PID控制策略,该控制子系统的硬件连接图见图2,控制流程图见图3。

2.2 红外灯控制子系统
在现有的试验研究中,大部分都没有考虑对光照进行控制。

为了尽量真实地模拟海
洋腐蚀环境并实现加速试验的目的,考虑增加太阳光对腐蚀过程的影响,尤其是阳光
中占主导腐蚀作用的红外光,在装置中增加了热辐射红外灯的控制系统。

考虑到试
验环境比较恶劣和试验周期比较长的特点,选取经特殊设计和工艺制成的高通红外
滤波钢化玻璃红外灯泡,其红外光成分最高可达92%～95%,功率100～375 W,辐
射角度60°～80°,可以有效覆盖试验箱中的试件。

为提高热辐射红外灯的寿命,满足试验对光照因素的灵活要求,采用PLC对光控开关电路发出工作时间和光照强度的指令,配合潮汐过程和温湿度调节过程,尽量真实模拟优化耐久性试验的环境参数。

2.3 温湿度控制子系统
在原有试验装置中,都没有考虑到密闭空间内温度和湿度之间相互耦合关系,即湿热
两种物理量中当湿度发生变化时,通过潜热交换将该热量转化为温度变化量,反馈到
温度输入量中,从而需要描述湿度变化对温度变化量的影响和补偿作用。

本文用一
个经验的比例关系描述温湿度之间的动态耦合关系。

同时,为了加速试验的进程,确
保在最快的时间内实现期望的温湿度调节,通过在PLC上分别对解耦后的温度量和湿度量进行误差的PID控制,然后通过控制信号实现对空调器和蒸发器的工作状态
的调整,从而实现对试验箱内湿度和温度的精确控制,最终确保温湿度控制速度快、
超调小、稳态精度高的目标。

具体的控制框图见图4。

2.4 通风控制子系统
通风控制子系统以PLC为控制器,通过对风速传感器采集风速和期望风速的误差计算,同时配合高层控制单元对于试验箱内部的温湿度调节要求,对风机变频器施加相
应的控制信号,以实现试验箱内部风机的风速大小和通风时间参数的控制。

2.5 高层协调控制系统
在试验箱内部,温度和湿度2个参数存在着耦合关系,同时在试验箱这个密闭的环境中,红外灯也具有一定的热量释放,从而对温湿度存在一定的影响。

另外,通风状况也对试验混凝土构件表面的温湿度状况造成影响。

因此,为了实现对试验环境参数的
精确控制和快速反馈,同时为了能够加速侵蚀过程,必须综合考虑温湿度控制子系统、红外灯控制子系统以及通风控制子系统,通过对试验箱内的各个工序和控制对象进
行协调和优化,以实现对温湿度的准确、快速的控制。

不但对于温湿度参数的控制需要协调考虑,对于潮汐中的干湿过程,同样需要综合考
虑潮汐控制子系统和其他子系统之间的协调。

鉴于此,通过高层控制单元的工控机
对试验箱内各个底层控制单元的控制信息进行采集,并在各个子系统PLC和高层控制单元中工控机之间进行实时传输,获取试验箱内部各个物理量的状态,并对底层控
制单元中的PLC进行协调优化操作,实现试验参数的快速、精确实现。

在工序优化方面,当潮汐过程开始而试件未完全进入浸泡过程前,高层控制单元提前
通知红外灯和温湿度控制子系统,将试验箱温度调至期望的温度,快速实现浸泡过程
中光照和温度的调节；当浸泡过程结束而试件未完全进入干燥阶段前,高层控制单
元提前通知红外灯、通风和温湿度控制子系统,调整风机转速和红外灯强度以及蒸
发器和空调器的运行状态,逐渐将试验箱内的温湿度和光照情况稳定在期望范围内,
以加速实现试件的干燥过程。

通过在高层控制单元中工控机上编程,可以为试验装置设定不同的工作模式,比如每
日相同和每日不同的工作模式,也可以根据加速试验的要求设定干湿循环制度和各
种环境条件的参数,干湿时间比例可以根据试验目的进行设置,试验装置的环境温度
设置范围为0～50 ℃,相对湿度范围为10%～100%,温度范围为10～50 ℃,风速范围为0～6 m/s。

通过潮汐控制系统使试验箱中的混凝土试件交替处于浸润和干燥状态,通过红外灯、温湿度和通风控制子系统,模拟处于海洋潮汐区的混凝土周期性浸润和干燥的过程。

一旦在工控机程序中设置好工作模式,试验装置能够按照设定程序自动运行,整个过
程无需人为参与。

工作流程见图5。

依据加速试验必须具备自然环境试验的真实性、可靠性、重现性好等原则,利用所
设计的控制系统,在试验装置内进行波特兰P.I 52.5水泥混凝土30 d 的干湿循环氯盐加速侵蚀,研究控制系统作用下干湿时间比、温度、光照、相对湿度和风速等参
数对混凝土氯盐传输的影响。

试验对象为6个尺寸为100 mm×100 mm×300 mm的棱柱体试件,标准养护28 d进行氯盐传输加速试验。

在高层控制单元的工控
机程序中设置环境参数见表1(表中θ为温度，H为相对湿度，v为风速，t为干湿时间比，t1为光照时间，t2为试验时间),一个干湿循环周期取1 d。

试验结束后对不同环境条件下混凝土试件中氯离子含量进行测定，结果见图6(图中h为距离混凝土表面的深度，c为氯离子含量)。

通过比较图6中曲线P1、P2和P3可知，由于干湿比例不同氯离子所受的迁移动力不同,干湿循环时间比对氯离子的迁移情况有相当大的影响。

另外,通过加入了红外灯控制,配合温湿度和通风控制,实现了试验箱内光照、风速和温湿度参数的准确跟踪,比较图6中曲线P4、P5和P6可以发现,光照、温度和风速等环境参数与氯离子的侵入速度是正比例关系,而湿度与氯离子的侵入速度是反比例关系,试验结果与现有理论研究的一致性,说明了控制系统设计对于参数控制的准确性和试验的合理性。

同时,由于采用了高层控制单元对各个子系统进行工序协调和优化,与传统试验装置相比,试验进度得到了一定的加速。

针对现有人工海洋环境试验装置设计上的不足,利用控制理论相关的知识和工具,开发了一种新型的稳定性高、结构简单、能够实现精确环境参数下开展自动化潮汐作用试验的控制系统。

通过设计包括红外灯控制子系统、潮汐控制子系统、温湿度控制子系统和通风控制子系统在内的底层控制单元,实现各个子系统对环境参数的准确控制,保证了试验的可信性和可重现性；通过高层控制单元,实现了子系统之间的协调和工序优化,解决了以往的试验方法需要大量人力和时间参与的问题,实现了装置的全自动化改造,起到了试验加速的目的。

经过前期测试表明,该试验装置的应用效果好、稳定性高,可进一步应用于各种类型混凝土结构的耐久性试验研究。

【相关文献】
[1] 金伟良,袁迎曙,卫军,等.氯盐环境下混凝土结构耐久性理论与设计方法[M]. 北京:科学出版
社,2011.
[2] 牛荻涛. 混凝土结构耐久性与寿命预测[M]. 北京:科学出版社,2003.
[3] Xiang T, Zhao R. Reliability evaluation of chloride diffusion in fatigue damaged concrete[J]. Engineering structures,2007,29(7):1539-1547.
[4] Ye H,Jin N,Jin X,et al. Model of chloride penetration into cracked concrete subject to drying-wetting cycles[J]. Construction & Building Materials,2012,36(4):259-269.
[5] 金伟良,金立兵,延永东,等.海水干湿交替区氯离子对混凝土侵入作用的现场检测和分析[J]. 水利学报,2009,40(3):364-371.
[6] 李春秋,李克非. 干湿交替下表层混凝土中氯离子传输:原理、试验和模拟[J]. 硅酸盐学
报,2010,38(4):581-589.
[7] Maaddawy T E,Soudki K. Model for prediction of time from corrosion initiation to corrosion cracking[J]. Cement and Concrete Composition，2007,39(3):168-175.
[8] 张庆章,黄庆华,张伟平,等. 潮汐区海水侵蚀混凝土结构加速模拟试验装置[J]. 实验室研究与探索,2011,30(8):4-7.
[9] 金伟良,许晨. 用于模拟海洋潮汐环境的自动化试验装置:中国,CN101871877A[P]. 2010-10-27.
[10] 张庆章,黄庆华,张伟平,等.海水潮汐区混凝土氯盐侵蚀加速试验方法研究[J].结构工程
师,2010,26(3):145-153.
[11] 施勤龙,赵晓栋,周枫,等. 一种改进的海洋腐蚀模拟试验装置的设计[J]. 科学时代,2010(7):59-60.
[12] 王受和,江鲁,王俊,等,海洋环境腐蚀模拟试验装置的优化设计与研制[J].环境技术,2014(1):55-59.
[13] 侯保荣,李言涛,黄彦良,等. 模拟海洋环境腐蚀试验装置:中国,CN2421640[P]. 2001-02-28.。