混凝土箱梁蒸汽养护温度控制系统的下位机设计.doc

第1章 绪论
1.1研究背景
近年来，随着基础建设的迅速发展，越来越多的高层建筑基础施工采用大体积混凝土。大体积混凝土的界定，各国也不尽相同。美国混凝土学会规定：“任何现浇大体积混凝土，其尺寸之大，必须要求采取措施解决水化热及随之引起的体积变形问题没，以最大限度减少开裂。”日本建筑学会标准规定：“结构断面最小厚度在80cm以上，同时水化热引起混凝土内部的最高温度与外界气温之差，预计超过25℃的混凝土，称之为大体积混凝土。”我国工程界一般认为当混凝土结构断面尺寸大于1m时，就称之为大体积混凝土。
在建筑工程中，大体积混凝土具有下述共同特征：结构厚实，混凝土用量大，工程条件复杂，施工技术要求高，工程有特殊要求（不允许开裂，受力复杂等）；由于水泥水化热产生的温度较高，可能使结构产生温度裂缝。在灌注混凝土箱梁时，混凝土中的水泥在水化硬结过程中，会发生数量可观的水化热，使混凝土的温度发生显著上升，然后逐渐散发。一般混凝土的最高温度可比浇筑时高出7~35℃，由此可知混凝土内温度升值是相当高的。
水泥的水化热发生的过程集中在早期，温度越高，水化反应越快，往往在最初几天内就会发生绝大部分的水化热量，从而使混凝土在浇筑后的最初几天里，内部温度很快上升。当达到最高温度值后，温度开始下降。但因混凝土是一种导温性质极为不良的材料，如果任其自然散发往往需要较长时间。当混凝土内部温度与外部温度相差悬殊，温度梯度很陡时，就容易在混凝土表面和内部引起巨大拉力和出现开裂现象。这种裂缝，不仅有碍于观瞻，而且会改变混凝土结构的受力条件，严重的将直接影响到建筑物的安全。所以必须采取相应的技术措施，以尽可能的减少温度变形引起的开裂。上个世纪50年代至70年代，由于人们对大体积混凝土的裂缝的形成机理没有充分的认识，或没有找到适当的措施来防止大体积混凝土的开裂，尤其是对大体积混凝土内部温度进行施工控制，国内外都有许多大体积混凝土结构物出现严重裂缝的实例，严重影响了工程的质量，以致不得不采取补救措施，费时费力，耗资巨大。
众所周知，大体积混凝土一般出现的问题，不是力学上的结构问题，而是由于温度变化而产生的裂缝，导致混凝土的抗渗、抗裂、抗侵蚀性能下降，影响整个结构的耐久性。混凝土箱梁就属于这种大体积混凝土建筑，因此，对混凝土进行有效的温度监测控制，较好的掌握混凝土箱梁温度变化规律以及各种材料在不同条件下对温度的影响，如何做到提高混凝土箱梁结构的耐久性能，就成为工程技术人员急需解决的重要问题。

目前我国在大体积混凝土温度控制领域的研究还不够深入和全面，有关的规范条文还不够完善，很多工程实践中的问题只能依靠经验，缺乏理论依据。因此，对于大体积混凝土温度控制还有待于进一步深入研究。
在我国的工程施工中，随着施工技术水平和机械化程度的提高，不同程度地使用了蒸汽养护技术，它可以有效提升混凝土箱梁的品质，明显缩短混凝土箱梁的施工周期，并能较严格的保证产品的技术指标。但是，目前蒸养设备简陋，精度较低，温度的控制主要靠人工间歇性的测量和调整，很难保证蒸养各阶段温控的有效性和精确性，特别是升温和降温速率难以控制，严重限制了该技术的广泛应用。基于虚拟仪器方法开发的混凝土箱梁蒸汽养护相对于传统的养护方法，它具有精度高，可控性强和自动化的特点。本设计针对施工中存在的设备简陋、温控粗放等问题提出了一套完善的温度自动控制系统，使混凝土的蒸养工艺更加成熟、完备、可靠。
1.2大体积混凝土温度裂缝控制的研究现状
混凝土结构出现裂缝是一个相当普遍的现象，近代科学关于混凝土强度的微观研究，以及大量工程实践所提供的经验都说明，结构的裂缝是不可避免的，科学的要求是将其有害程度控制在允许范围内。裂缝控制主要包括裂缝的预测、预防和处理工作。
大体积混凝土的裂缝问题在国外研究较早。从1900年到1930年，建成的混凝土大坝施工中，已经开始对大体积混凝土防裂措施进行研究。1915年，美国在爱德荷州建成了世界上第一座高于100m的混凝土大坝（坝高107m），即箭石坝（Arrow Rock）。在施工中，开始用坍落度测稠度、塑制试件测定抗压强度，但对加水量仍无严格控制，拌制的混凝土仍很稀。由于施工技术上的缺陷，那时的混凝土坝出现了严重的裂缝。1930年后，开始注意到大坝混凝土的裂缝问题。到1933年，美国开始修建世界上第一座高于200m的混凝土坝——胡佛坝（221m高），对大体积混凝土进行了全面的研究。第一次采用了温度控制措施，主要包括横缝分布均为15m，混凝土的水泥用量为223kg/m3,采用低热水泥，建筑层厚1.5m并限制间歇期、预埋冷却水管等。结果表明这些温控防裂措施是比较成功的。美国在对水工大体积混凝土温度控制裂缝方面，在20世纪60年代初已形成了一套比较定型的设计、施工模式。前苏联在1977年修建了托克托古尔电站，也形成了一套行之有效的大体积混凝土温度控制防裂措施，即托克托古尔法。
我国的大体积混凝土水工工程的建设起步较晚，从20世纪50年代开始研究混凝土的温度裂缝问题。初期修建丹江口工程时，混凝土出现了大量裂缝，后经过停工整顿，在现场进行了历时数年的调查研究工作，总结了设计、施工方面的经验，提出了防裂措施，一是严格控制基础允许温差、新老混凝土上下层温差和内外温差；二是严格执行新浇混凝土的表面保护；三是提高混凝土的抗裂能力。复工后，没有出现严重危害性的贯穿裂缝或深层裂缝。表面裂缝也很少出现，为以后防裂技术奠定了基础。随后，水工方面防裂技术发展迅速、日趋成熟。跨世纪宏伟工程三峡大坝能够顺利建设的前提之一正是大体积混凝土防裂技术的成熟。

目前交通、市政、建筑等工程，也随着设计理论的成熟、施工技术水平的不断提高、施工设备能力的增强，出现了大体积混凝土。由于这些混凝土结构的边界条件与水工工程结构的边界条件不同，因此近年来专题性问题讨论较多，但就目前各国的规范来看，混凝土的温度控制裂缝提及很少。如美国规定大体积混凝土的浇筑温度不超过32℃；日本土木工程学会施工规范规定不超过30℃，日本建筑学会规范规定不超过35℃；前苏联规范规定：当浇筑表面系数大于3的结构时，混凝土从搅拌站运出时的温度不应超过30-35℃；原西德规范规定：新拌混凝土卸车时的温度不超过30℃。在我国，《水工混凝土结构工程施工及验收规范》（SDJ207-82）《混凝土结构工程施工及验收规范》规定：大体积混凝土浇筑温度不宜超过28℃。我国《电力建设施工及验收规范》规定不超过30℃。
而对于大体积混凝土内外温差不宜超过25℃。混凝土内部温度一般不宜超过70℃，否则会影响混凝土的强度。
目前关于大体积混凝土温度控制的研究还不是很多，并且在建设实践中概念比较混乱。但是广大科技工作者也正在对这个问题作积极努力的探索，从材料、机理、施工、监测、边界条件等各个方面进行研究，争取早日制订出一套适用于交通工程的大体积混凝土温度控制防裂施工技术。
1.3混凝土蒸养的温度历程
混凝土蒸养温度历程简称蒸养制度，一般可划分为预养期（Y）、升温期（S）、恒温期（H）、降温期（J）等四个阶段。这里的Y、S、H、J分别代表预养时间、升温时间、恒温（热养）时间和降温时间（小时）。
混凝土蒸养温度历程曲线如下图图1-1所示：

预养期亦称前置期或静置（停）期，一般是指从混凝土构件灌注成型之后（有的也从拌合好混凝土后）到供汽升温之前这一段在常温下的放置时间。在此期间内水泥已进行了一定程度的水化，混凝土已获得了一定程度的初期结构强度，据此已可以抵抗在升温期中出现的肿胀作用。也就是说，预养期的长短将关系到混凝土初期结构强度的高低，关系到混凝土肿胀（残余）变形的大小，也关系到混凝土的强度发展及其它技术特性。可见，预养期在整个的蒸养过程中有着十分重要的意义，但是预养期的长短与水泥品质、混凝土配合比、恒温温度及升温速度等诸多因素有关，所以最好通过具体的实验确定。
升温期是指从预养期开始温度逐渐上升到恒温期之前的阶段。在升温期内通常只是关心热养介质及混凝土构件的温度问题，对于介质湿度一般是不注意的，因为供入的多是饱和蒸汽，热蒸汽在与冷混凝土表面相接触时又要凝结成水，表面水也有从外向内（从热向冷）的转移趋势。在实际的生产中，升温速度通常是按构件周围的蒸汽空气混和物的介质温度来进行控制的，而混凝土构件内部各不相同点的升温过程则是随许多因素（特别是厚薄程度）而有差异的。预养时间或初期结构强度和升温速度是互为影响的，预养时间比较长或初期结构强度比较高时，升温过程可适当加快；反过来，预养时间比较短或初期结构强度比较低时，则需要缓慢升温。据建材院资料，“初期快速升温对砂浆或混凝土的结构破坏最大，因为预养期较短时，砂浆和混凝土的初期结构强度较低，对温度引起的结构破坏无足够的抵抗力，因此以慢速升温为宜。随着时间的延续，砂浆和混凝土结构形成的加速提高了初期结构强度，对温度引起的结构破坏有了足够的抵抗力，故升温后期采用快速升温也不致引起结构破坏。”多伦多混凝土专家Gordon E. Brown建议高强混凝土最高温度最好不要超过60℃，最大温度梯度不超过30℃。混凝土的结构损伤主要发生在升温期，由于混凝土的初始结构强度随温度的升高而不断增大，本设计采用先慢速后快速的分段式升温方案。
恒温期也称热养期或高温期，混凝土的强度主要是在这一阶段内获得，尽管水泥水化反应主要是在升温期内进行的。这一阶段有两个重要的参数，即恒温温度和恒温时间，一般说来，这两个参数是互为影响的，温度低，时间要长；温度高，时间可短。恒温温度主要与水泥品种及混凝土所需要的硬化速度有关，恒温时间取决于水泥品种和标号、预养时间、升温速度及恒温速度。本设计根据《客运专线铁路桥涵工程施工技术指南》要求，恒温时养护的蒸汽温度不超过45℃，芯部混凝土温度不能超过60℃。

降温期是指混凝土构件在蒸汽养护中经历预养、升温、恒温之后的降温阶段。降温速率过高会导致梁内外温差过大，梁体裂缝；降温速率太低，影响施工周期。在降温过程中，表层降温快，收缩亦快；内层降温慢(因混凝土导热系数较小），收缩亦慢。于是就要在构件表里之间产生温差，在表层混凝土中产生拉应力以致产生裂缝。对于混凝土温度应力或降温裂缝问题，可从两个方面研究解决：一方面要控制混凝土的降温速度，不使出现过大的温差和过大的拉应力；另一方面则要保证混凝土具有足够高的抗拉强度或配有必要数量的钢筋，以承受温度拉应力，使不至于造成损害。对于像箱梁这样的厚大尺寸构件，需要缓慢降温，减少温差，以避免出现过大的收缩拉应力。本设计根据混凝土自身特性和施工要求，降温速度控制在10℃/h以下。降温附以通风方案，有计算机自动控制调整降温速度。
第2章 总体方案设计概述

混凝土箱梁蒸汽养护温度控制系统主要由上位机和下位机两大块组成。为了实现温度控制的自动化，确保温度控制的精确性，上位机是基于LabVIEW软件开发的混凝土箱梁蒸汽养护温度自动监控系统界面。工作人员通过操作自动控制系统界面，设定蒸汽养护各个阶段的养护参数（预养时间和预养温度、升温速度和升温时间、恒温时间和恒温温度、降温速度和降温时间），这些参数通过数据传输线传送到下位机——PLC控制器。根据设计要求，上位机可以同时控制4台PLC共16路温度传感器（每台PLC控制4路温度传感器），并可以读取任一路的温度值。
下位机接受上位机发过来的参数值并储存在某一存储区内，通过特定的指令从温度扩展模块中读取现场采集到的温度值，然后运行温度控制程序把从现场采集到的温度值或经过运算的升降温速率和上位机发过来的设定值进行比较。通过控制电磁阀的开启控制蒸汽的开通实现升温，控制通风机的开启实现降温，且电磁阀和通风机不能是同时开启的，也就是说，当电磁阀开启时通风机是关闭的，当通风机开着时电磁阀是关闭的，否则会出现错误。最终实现对混凝土箱梁现场的温度自动控制，并且升降温速率上下波动不超过±2℃。
本设计为混凝土箱梁蒸汽养护温度控制系统的下位机设计。
第3章 硬件系统设计

3.1 硬件系统的构成
混凝土箱梁蒸汽养护温度控制系统的硬件系统，主要是由控制主机（上位机）、PLC主机(下位机)、温度控制模块、温度传感器、电磁阀、通风机等组成。控制主机（上位机）可以连接多个（可扩展）PLC主机，在本设计中每个PLC主机(下位机)连接四个温度传感器分别测量混凝土箱梁的顶部、底部、外部、内部的温度。由PLC主机(下位机)根据控制主机（上位机）发过来的参数值结合温度传感器采集到的温度值控制电磁阀的开启和关闭来实现供应蒸汽的通断，通风机的启动和开启则由PLC主机(下位机)直接控制。
3.2 工作原理概述
温度模块通过温度传感器在现场采集温度，然后把测得的温度（模拟信号）通过A/D转换转化成PLC主机可以识别的数值量信号，并把转换后的数值量信号存在PLC主机的某一数据存储区，以备上位机随时查询。各个温度传感器所测部位所处的蒸养参数（预养期的时间和温度、升温期的升温速度，升温时间、恒温期的恒温时间和恒温温度、降温期的降温速度等）是由控制主机（上位机）设定的。若控制主机（上位机）发过来的参数值高于温度传感器从现场采集到的温度值，则PLC主机(下位机)会开启电磁阀使蒸汽开通，同时并确保通风机是关闭的，这样以来，混凝土箱梁的温度就会逐渐上升，直至达到所需要的温度。若控制主机（上位机）发过来的参数值低于温度传感器从现场采集到的温度值，则PLC主机(下位机)会关闭电磁阀使蒸汽停止开通，同时并打开通风机，混凝土箱梁的温度就会逐渐降低，直至达到所需要的温度。原理框图如下图图3-1所示：
PLC主机
控制主机
电磁阀
图3-1 温度控制原理框图

温度模块
通风机
温度传感器

3.3 硬件系统各部分选型
3.3.1工业控制机的选择
工业控制计算机主要用于工业实时测量和控制系统，与一般的计算机有着不同的特点。主要表现如下：
（1） 可靠性高、维修性能好；
（2） 环境适应性强；
（3） 控制的实时性，配有实时控制和中断系统；
（4） 完善的输入输出通道。为了对生产过程进行控制，需要给工业控制机配备完善的输入输出通道，如模拟量输入、模拟量输出、开关量输入、开关量输出、人—机通行设备等；
（5） 丰富的软件。工业控制计算机应配备较完整的操作系统、适合生产过程控制的应用程序。
3.3.2 PLC主机的选择
根据设计要求，本设计选用台达的DVP系列可编程序控制器SS模块式标准功能型主机DVP14SS11R2，主机电源是DC24V，它是提供14点数的主机及8~16点扩展，最大输入/输出扩展分别可达128点。输入点数为8点，形式是DC24V/5mA Sink或Source，本设计采用Sink形式；输出点数为6点，继电器输出。电源单元与主机分离，体积小，安装容易。其功能规格如下表3-1所示：
表3-1 PLC主机功能规格图
专案
规格
备注
演算控制方式
内存程序。往返来回扫描方式

输入/输出控制方式
结束再生方式(当执行至END指令)
仅主机的I/O有立即刷新指令
演算处理速度
基本指令（数个us）
应用指令（10~数百us）
程序语言
指令+梯形图+SFC
含步进电机指令
程序容量
3792Steps
具有内藏EEPROM
指令种类
基本顺序指令32个
应用指令107种
步进继电器(停电保持用)
初始步进点
10点
S0-S9
一般步进点
118点
S10-S127
辅助继电器
一般用
512+232点
M0~M511+M768~M999
停电用
256点
M512~M767
特殊用
280点
M1000~M1279
定时器
数字式
64点
T0~T63(100ms时基)
63点
T64~T126(10MS时基。由M1028 On时)
1点
T127（1ms时基）
计数器
一般用
112点
C0-~C111
停电保持用
16点
C112~C127
高速用
13点1相10KHz，2相7KHz
C235~C254（全部停电保持）
资料寄存器

一般用
408点
D0~D407
停电保持用
192点
D408~D599
特殊用
200点
D1000~D1143
指标
P
64点
P0~P63
间接指定寄存器
E/F
2个
E=D1028，F=D1029
定数
10进制
16位-32768~32767
32位
16进制
16位0000~FFFF
32位
串联通讯口
RS-232C，RS-485
自我诊断/保护
输出/入检查、系统执行时间超时检查及密码设定
监测/除错
程序执行时间显示、位元/字符、元件设定

3.3.2.1 PLC标准功能主机及扩展配置图
电源模块
标准功能主机
扩展模块
DVPPS02
DVP14SS11R2
DVP04PT-S

图3-2标准功能主机及扩展配置图
3.3.2.2 PLC标准功能主机盘内安装
DVP系列PLC在安装时，要装配在封闭的控制箱内，其周围应保持一定的空间，以确保PLC散热功能正常。其安装尺寸如下图图3-3所示：

图3-3 PLC安装尺寸
3.3.3 温度模块的选择
根据设计要求，每台PLC要连接四个温度传感器，从功能的实现和性价比综合考虑，选择温度模块（PT100）DVP04PT-S。这是因为它有四个模拟量信号输入通道，可以接受外部4点铂金属温度传感器（PT100 3线 100Ω3850 PPM/℃），将之转换成14位的数字信号。可以通过主机DVP-PLC程序以指令FROM/TO来读写模块的内部资料，模块内有49个CR(Controlled Register)寄存器，每个寄存器的空间是一个字。多个DVP04PT-S模块与主机DVP-PLC串联连接时，编号以靠近主机的顺序自动编号由0到7，最大可连接8台且不占用数字量I/O点数。 DVP04PT-S的输入温度范围是-200℃-600℃，而蒸汽养护的温度范围在20℃-80℃之间，完全可以满足需要。此外，DVP04PT-S温度模块还具有可经由RS-485通讯来更新系统版本，电源单元与模块分离，体积小，安装方便的优点。
其功能规格如下表3-2所示：
表3-2 温度模块功能规格表
温度测量(04PT)模块
摄氏（℃）
华氏（℉）
电源电压
24VDC
模拟信号输入通道
4通道/台
适合传感器形式
3-WIRE PT100Ω 3850PPM/℃
驱动电流
1mA
输入温度范围
-200℃~600℃
-328℉~1112℉
数字转换范围
K-2000~K6000
K-3280~K11120
响应时间
200ms×通道数
总和精密度
±0.5%在（25℃，77℉）范围内满刻度时，±1%在（0~55℃，32~131℉）范围内满刻度时
隔离方式
数字区与模拟区有隔离，通道间无隔离
平均功能
有（CR#2~CR#5可设定，范围K1~K4096）
通讯模式（RS-485）
包含ASC11/RTU模式，通讯速率可选（4800/9600/19200/38400/57600/115200）
与DVP-PLC主机串接说明
模块编号以靠近主机的顺序自动编号由0到7，最大可连接8台且不占用数字I/O点数

3.3.3.1 DVP04PT-S温度模块温度/数字特性曲线
DVP04PT-S温度模块有两种温度测量模式：摄氏温度测量模式和华氏温度测量模式。本设计为了与国际单位接轨故采用摄氏温度测量模式。摄氏温度测量模式的温度/数字特性曲线如下图图3-4所示：

图3-4 摄氏温度测量模式温度/数字特性曲线
3.3.4温度传感器的选择
考虑到使用热电偶传感器价格较高，故本设计选用热电阻传感器来测量混凝土箱梁的温度。
常见的热电阻传感器有铂热电阻传感器、铜热电阻传感器和镍热电阻传感器三种。下面就这三种热电阻传感器分别简单介绍其各自的特征和适用范围，选出最合适的热电阻。
3.3.4.1铂热电阻
铂热电阻是用高纯度的铂丝制成的，通常用W100=R100/R0为100℃时和0℃时的铂电阻的比值，称铂的纯度。只有一定比值纯度的铂才能做热电阻用，其比值不得小于1.9325。
当温度在-200~0℃之间时，其电阻数值和温度的关系为公式3-1：
Rt=R0[1+At-Bt2+Ct3(t-100)] （公式3-1）
当温度在0~650℃之间时，其电阻数值和温度的关系为公式3-2：
Rt=R0(1+At+Bt2) （公式3-2）
根据我国标准的规定，对于工业铂电阻，上列各式的系数为：
A =3.9687×10-3℃-1
B = - 5.84×10-7℃-2
C = - 4.22×10-12℃-4
国家统一规定的热电阻的技术特性详见下表3-3所示：
表3-3 热电阻的技术特性
名称
代号
温度范围
/℃
分度号
R0
精度等级
W100（R100/R0）
最大允许误差/℃
名义值/Ω
允许误差（%）
铂热电阻（WZP）
-200~650
BA1（Pt50）
46.00（50.00）
±0.05
Ⅰ
1.3910±0.0007
Ⅰ级：-200~0℃，±（0.15+4.5×10-3t）
0~650℃, ±（10.15+3×10-3t）
±0.1
Ⅱ
1.391±0.001
BA2（Pt100）
100.00
±0.05
Ⅰ
1.3910±0.0007
Ⅱ级：-200~0℃，±（0.3+6.0×10-3t）
0~650℃, ±（0.3+4.5×10-3t）
±0.1
Ⅱ
1.391±0.001
BA3（Pt300）
300.0
±0.1
Ⅱ
1.391±0.001
铜热电阻（WZC）
-50~150
G
53.0
±0.1

±0.1
Ⅱ

Ⅱ
1.425±0.001
1.425±0.001
±（0.3+3.5×10-3t）

±（0.3+6.0×10-3t）
Cu50
50.0
Cu100
100.0
镍热电阻（WZN）
-60~180
Ni100
100.0
±0.0
__
1.617±0.003
-60~0℃, ±（0.2+2×10-2t）0~180℃, ±（0.2+1×10-2t）
Ni300
300.0
Ni500
500.0
凡是铂热电阻的R0（0℃时的电阻值）及W100（100℃时和0℃时的电阻比值）符合上表中所规定的数值，则它们的电阻和温度的分度关系可由公式3-1和公式3-2决定，并制成统一的标准化的分度表。
由于铂的稳定性好，又可得到非常纯的铂丝，所以，标准热电阻目前均采用铂电阻，其R0的复现性可达零点几毫开（mK）的水平，是测温仪表中精确度最高的一种。
3.3.4.1铜热电阻
工业用铜电阻的测温范围为：-50~150℃，其电阻与温度的关系为：
Rt=R0（1+At+Bt2+Ct3) （公式3-3）
式中，R0、Rt的意义同上。
对于铜热电阻，我国也有标准化的统一规定，见表2-1。此时，公式3-3中的系数A、B、C也是一定的，分别为：
A =4.28899×10-3℃-1
B = - 2.133×10-7℃-2
C = 1.233×10-9℃-3
因此，根据公式3-3，也可制成铜热电阻的标准化分度表。
3.3.4.1镍热电阻
由于镍热电阻的温度系数较大，故其灵敏度高。我国目前虽已定其为标准化热电阻，但还未制定出相应的标准化分度表，故目前多用于温度变化范围小，但灵敏度要求高的场合，如精密恒温等。
本设计根据温度模块和设计精度的需要，选择分度号是BA2与温度变化呈良好的线性关系的铂金属温度传感器（PT100 3线 100Ω3850 PPM/℃）。
3.3.5电源模块的选择
DVPPS系列电源模块依据输出电流的不同分为2种：PS01和PS02。PS1提供的输出电源是24VDC，1A电流。PS2提供的输出电源是24VDC，2A电流。DVPPS系列电源模块适用于台达DVP系列产品并与主机分离，体积小，安装容易。因为考虑到电源模块要同时给PLC主机DVP14SS11R2和温度测量模块（PT100）DVP04PT-S供电，所以选择DVPPS02型电源模块比较合适。
3.4 硬件系统功能实现
目前，各个部分的型号已经选定，具体接线图请见附录B。
3.4.1PLC主机接线

PLC主机的接线包括PLC与上位机的连接、PLC与电源模块的连接、PLC输入点配线、PLC输出点配线、PLC与扩展模块的连接等。

3.4.1.1与上位机的连接
RS-232是目前串行通信中最常用的总线，其标准RS-232C是美国电子工业协会EIA制定的串行物理接口协议。RS-232接口的特征是负逻辑、单端驱动、共地接收，只适用于点对点通信。当信号线上的电平为-3~15V时，表示逻辑“1”；当信号线上的电平为+3~+15V时表示逻辑“0”。通信双方使用一条公共信号地线作电平参考。RS-232C标准规定，驱动器放在电容不超过2500pF，通信距离受此电容的限制。另外，RS-232属于单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制的共模干扰；因此其通信距离限15m以下，通信速率限于20kbps以下。
当通信距离为几十米至上千米时，广泛采用RS-485总线。RS-485总线采用平衡驱动和差分接收，具有抑制共模干扰的能力。RS-485接收器灵敏度可达±200mV，因而大大延长了通信距离。在高达100kbps的速率下，电缆长度可达1200m；如果通信距离缩短，最大速率可达10Mbps。RS-485总线上允许带多个驱动器和接收器，可用于构建多点通信网络。
综上所述，RS-485具有设备简单、价格低廉、能进行长距离通信的特点，故在此设计中与上位机的通讯采用RS-485串行通讯口，每台上位机连接4个PLC主机，每个PLC主机上连接4路温度传感器。PLC主机通过数据信号线把温度模块采集到的温度值传到上位机，上位机通过RS-485串行通讯口把设置的系统参数发送到下位机（PLC主机）。PLC与上位机的连接图如下3-5图所示：

上
位
机
1# PLC
主机
2# PLC
主机
3# PLC
主机
4# PLC
主机
图3-5上位机和PLC连接图

3.4.1.2 PLC与电源模块的连接
PLC与电源模块的连接非常简单，就是直接把PLC主机的+24V端和电源模块的+24V输出相连，PLC主机的0V端和电源模块的0V相连，PLC主机的接地端和电源模块的接地端相连。

3.4.1.3 PLC输入点配线
输入点信号为直流电源DC输入，DC形式共有两种接法：SINK及SOURCE，其定义如下：
SINK形式是指电流流入共用端S/S的接线形式，如下图图3-6所示：

图3-6 SINK形式接线图
SOURCE形式是指电流流出共用端S/S的接线形式，如下图图3-7所示：

图3-7 SOURCE形式接线图
本设计采用SINK形式接线，故PLC主机DVP14SS11R2输入点的S/S端接电源模块的正极+24V，PLC输入点X0接一常开的按钮作为启动按钮与电源模块的负极相连。启动按钮X0的作用就是只有在按钮X0被按下的情况下，才进入蒸汽养护温度控制系统。PLC输入点X1所接的常闭按钮是紧急停止按钮，它的作用是当发生紧急情况整个控制过程需要停止时，按下此按钮，则温度控制过程就会停下来。
3.4.1.4 PLC输出点配线
DVP-S系列PLC输出有两种形式：继电器输出和晶体管输出。本设计选用的主机DVP14SS11R2是继电器输出。输出端在实际配线时，应特别注意共用端的连接，这是因为同是DVP-S系列不同型号的PLC主机，其公用端也是不一样的。DVP14SS11R2的输出端Y0用一个C0共用端，另外Y1用C1，Y2~Y5共用C2，如下图图3-8所示：

图3-8 DVP14SS11R2共用端内部连接图
DVP-S系列PLC内部回路与输入模块之间使用光电耦合器作信号隔离，能够较好的防止输入回路和输出回路产生干扰作用。输出点配线如下图图3-9所示：

图3-9 输出点配线图
图中①突波吸收二极体：可增加接点寿命
②紧急停止：使用外部开关
③保险丝：使用5~10A的保险丝容量于输出接点的共用点，保护输出点回路。④突波吸收器：可减少交流负载上的杂讯
⑤直流电源供给
⑥指示灯：氖灯
⑦交流电源供给
⑧白炽灯（电阻性负载）
⑨互斥输出：利用外部电路形成互锁，配合PLC内部程序，确保任何异常突发状况发生时，均有安全的保护措施。
3.4.1.5 PLC与温度扩展模块配线
PLC主机DVP14SS11R2与温度扩展模块（PT100）DVP04PT-S上有专门的扩展连接口，两者通过扩展连接线（七根）连接起来，如下图3-10所示：

PLC主机
温度扩展模块
图3-10 PLC与温度模块连接图

3.4.2 温度扩展模块接线
温度扩展模块的接线包括温度扩展模块和PLC主机的连接、温度扩展模块和温度传感器的连接。温度扩展模块和PLC主机的连接在前面3.4.1.5中已经介绍，这里就不再赘述。下面就主要针对温度扩展模块和温度传感器的接线进行介绍。
DVP04PT-S温度模块使用于外部模拟量输入的配线应采用PT 100温度传感器的连接线或双绞隔离线且应与其他电源线或可能引起杂讯的接线分开。每个DVP04PT-S温度模块连接四个温度传感器PT 100，PT 100应使用3线式温度传感器。温度传感器PT 100的正极和温度控制模块的L+相连，温度传感器PT 100的负极和温度控制模块的L-相连，温度传感器PT 100的另一端和温度控制模块的I-相连。如果杂讯过大应将FG端和接地端子相连，同时将电源模块的接地端和DVP-04PT-S温度测量模块的接地端连接到系统接地点，在将系统接地点作为第三种接地或接到配电箱的机壳上。其外部配线图如图3-11所示：

图3-11 温度模块外部配线图
第4章 软件系统设计
软件系统设计主要是应用PLC编程软件WPLSoft2.08对混凝土箱梁蒸汽养护的各个阶段温度控制的程序设计。
4.1 WPLSoft2.08简介及系统需求
WPLSoft为台达电子 - 可编程序控制器DVP系列在WINDOWS操作系统环境下所使用之程序编程软件。WPLSoft除了一般PLC程序的规划及WINDOWS的一般编辑功能（例如：剪切、粘贴、复制、多窗口……）外，另提供多种中/英文批注编辑及其它便利功能（例如：寄存器编辑、设定、文件读取、存盘及各接点图标监测与设定等等…）。
安装WPLSoft编程软件的基本需求如下表4-1所示：
  表4-1 安装WPLSoft编程软件的基本需求表
项 目
系 统 需 求
操作系统
Windows 98/2000/NT/ME/XP
CPU
Pentium 100以上机种
内存
16MB以上（建议使用32MB以上）
磁盘驱动器
硬盘容量：至少50MB以上空间
光驱一部（安装本软件时使用）
显示器
分辨率：800×600 以上
鼠标
一般用鼠标或Windows兼容的装置
打印机
具Windows驱动程序的打印机
RS-232端口
至少需有一个RS-232端口可与PLC连接
适用PLC机种
台达DVP-PLC全系列

4.2温度控制原理
通过热电阻温度传感器测得现场的温度数据，经过温度模块转换成数字量并储存在温度模块的存储区，PLC主机通过FROM指令读取温度模块的数值，经数据信号线传送到工业控制计算机（上位机）；工业控制计算机（上位机）把设定的蒸汽养护各个阶段的参数发送到下位机，下位机根据上位机发过来的参数值调整控制算法，发出控制量。

为了实现温度控制的连续可调性控制，采用PID调节方式，预先设定速度参数值，通过PID调节自动跟随所设定的速度值。
4.2.1PID控制原理
按偏差的比例（Proportionl）、积分（Integral）和微分（Derivative）进行控制的控制器，简称PID控制器或PID调节器，它是实际控制中应用最为广泛的一种调节器。PID控制器的结构简单，参数易于调整，操作方便，可靠性高，特别是在控制对象的数学模型难以建立的工业控制过程中，系统参数又经常发生变化，运用现代控制理论进行分析、综合要耗费很大代价进行模型辩识，且往往不能达到预期的效果，所以人们常用PID调节器，并根据经验进行参数整定。应用更为广泛。在长期的工程实践中，人们己经积累了有关如何用好PID控制策略的丰富经验。
常规PID控制系统原理框图如图4-1所示：
r(t)
Ki
+
Kp
+
——
模拟量输出
Kd
——
+
c(t)
被控对象
e(t)
u(t)

图4-1 PID控制原理图

PID控制器是一种线性控制器，它根据设定值r(t)与被控过程变量测量值c(t)构成控制偏差如下：
(公式4-1)
将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称作PID控制器。其控制规律为：

(公式4-2)
或写成传递函数形式：
(公式4-3)

式中 ——比例系数；
——积分时间常数；
——微分时间常数。
对于计算机采样控制系统，上式必须离散化。将式中的积分用求和代替，微分用差分代替，则得到离散PID算式为：
（公式4-4）
式中 T为采样周期；
上式的算法提供了执行机构的位置量，称为位置式算法。
位置式PID数字调节器的输出u(kT)是全量输出，是执行机构所应达到的位置，数字调节器的输出u(Kt)与过去的状态有关，计算机的运算工作量大，需要对e(kT)作累加，而且，计算机的故障有可能使作u(kT)大幅度的变化，这种情况往往是生产实践中不允许的，而且有些场合会造成严重的事故。当执行机构需要的不是控制量的绝对数值，而是其增量时，我们应采用增量式PID算法，得到增量式算法公式为：
(公式4-5)
增量式算法与位置式算法比较，有下列优点：
(1) 位置式算法每次输出与整个过去状态有关，计算式中要用到过去偏差的累加值，容易产生较大的累积误差，而增量式算法只需计算增量，计算误差或精度不足时对控制量的计算影响小。
(2) 控制方式由手动到自动或由自动到手动双向切换时，使用增量式算法易于实现双向平衡无扰动切换。
(3) 增量式算法中不需要做累加，增量只跟最近的几次采样有关，容易获得较好的控制效果。由于增量式算法中无累加，消除