1、箱梁預應力張拉自動控制系統研究與應用作者：葉劍波、郝金杰單位：河北益鐵機電科技有限公司引言高速鐵路無砟軌道由于其良好的軌道平順性和持久可靠的穩定性及高效率 的運能、極少的線路維修量、 社會經濟效益顯著等優點， 在國內外受到高度重視， 已成為國內外客運專線、 高速鐵路建設的發展方向， 越來越多的國家都在致力應 用和發展無砟軌道工程技術。 由于無砟軌道橋梁具有占有量大、 加工精度高的特 點，快速、有效的進行橋梁預制是無砟軌道施工的一個關鍵環節。橋梁預應力張拉是橋梁制作過程中一個重要環節， 預應力張拉涉及到預應力 損失、溫度效應等諸多因素的影響， 是一個復雜的非線性的力的分配和傳遞過程。 預應力張拉

2、精度是決定預應力結構安全與正常運營的首要條件， 一旦預應力張拉 精度失控，輕則會引起結構出現錨固端的縱向裂紋、 反拱過大， 重則會引起結構 出現橫向裂縫、 預應力筋拉斷等事故， 由于預應力張拉精度失控造成預應力結構 失效、破壞以及生命財產巨大損失的事故時有發生。當前高速鐵路橋梁為無粘結預應力鋼絞線束后張法施工工藝。 張拉過程中涉 及到預應力損失、 張拉系統摩阻、 張拉系統精度、 操作人員熟練度等諸多因素的 影響，難以保證精度。 預應力張拉精度是決定預應力結構安全與長期穩定性的重 要條件之一。傳統的后張法工藝為由人工看壓力表手動操作泵站完成張拉。在測量技術 上，通過讀取液壓系統的壓力， 并按照液

3、壓系統與張拉力的對照表， 換算出張拉 力；使用直尺等量具人工測量出張拉的伸長值。 這種張拉過程摻入了大量的人工 干預，操作過程繁雜， 測量精度低， 難以保證張拉的質量， 張拉效率低下。 并且， 由于后張法傳統工藝的特殊性， 張拉后的預應力鋼筋進行錨封， 張拉結果由人工 填寫表格，對張拉質量無法進行檢測，張拉過程不可回溯分析。在信息化管理高速發展的現今， 生產數據信息自動化采集已成為現代管理的 重要組成，原始的張拉方法已不能滿足現代生產的需要。由于高速鐵路建設的特殊性， 建設單位為臨時組建單位， 主要精力用于組織 建設，進度及質量監督等方面的工作， 無暇組織新技術新產品的研發， 大西客專 股份有

4、限公司針對大西鐵路工程建設提出“百年工程”的口號，按照 工程施工 質量是由施工準備、 工序操作質量決定的， 或者說工程施工質量是在 施工過程中形成的，而不是最后檢驗出來的 質量管理理念，要保證工程 施工質量，就必須加強施工過程控制。工欲善其事，必先利其器，研發能夠保證 預應力施工質量的箱梁預應力張拉自動控制施工設備是預應力施工環節質量保 證的關鍵。預應力張拉自動控制系統的核心技術是超高壓電液控制及配套測量技術， 在 傳統的流體傳動與控制基礎上，吸收和融合當代超高壓電液控液壓油路開關技 術、 PLC、傳感測量、計算機等新技術形成的技術結合體。在高速鐵路CRTS-型軌道板和 CRTS- 型軌道板預

5、應力張拉施工中已經有成熟應用。箱梁預應力張拉自動控制系統1 系統簡介YL-01 型箱梁預應力張拉自動控制系統主要是為解決傳統橋梁張拉工藝中 存在人為控制、手動測量、人工計算、人工記錄、精度低、不可控的問題而研制 的程序控制全自動化張拉設備，由 2對千斤頂（ 4個），4臺電動液壓站、 8個高 精度壓力傳感器、 4 個非接觸式高精度位移傳感器、 PLC控制器、主機（一體化 工作站）、無線網絡交換機和 1 套標準力校準系統等組成，可同時控制 2 對千斤 頂同步工作，構成平衡的雙向張拉，同時根據張拉工藝不同也可單側 2 錨或 4 錨張拉。微電腦預設張拉工藝， 一鍵操作實現張拉過程的自動化控制， 伸長值

6、顯 示，張拉數據實時曲線采集及校核報警， 張拉結果記錄存儲、 無線數據傳輸以及 網絡傳輸，信息化管理。系統結構圖如下，其中液壓站采用超高壓電液控液壓油路開關專利技術， 高壓、超高壓液壓油 路的通、斷控制實現了穩定可靠的電動控制。 在每臺電動液壓站連接千斤頂的打 壓端和回油端分別安裝液壓傳感器， 減小了油壓低頻振動對壓力的干擾。 同時在 每臺千斤頂上安裝非接觸式位移傳感器，實時監測張拉伸長值的變化。本系統的特點是可靠性好， 操作簡單， 伸長值自動測量和記錄， 張拉控制精 度可達到 1%要求。集成了計算機自動控制技術、無線傳輸技術、數據監控分析 技術于一體。把梁場橋梁的張拉、數據傳輸、監控、管理等

7、一系列功能緊密地結合起來， 從張拉現場到梁場信息化管理中心甚至甲方客專信息化管理中心通過寬帶信息 網實現高速實時互聯，達到信息的快速流通，實現橋梁張拉的現代化管理。采用分布式數據庫技術， 后臺安全傳輸模式，網絡斷開時單機可以正常工作。2 工作原理首次使用時，操作人員要通過主機（一體化工作站）進行系統的標定，將隨機配套的標準力校準系統與張拉設備配套安裝到校準工裝上，如下圖：啟動液壓泵站， 用標定系統對張拉系統進行標定， 主機自動對壓力傳感器信 號數據進行計算處理，使主機張拉力值顯示與標準儀表的示值一致，可標定 16 點。標定結束后， 系統直接顯示標準張拉力值， 自動剔除千斤頂磨阻等環節對張 拉力

8、的影響，形成液壓系統的壓力與張拉力的線性關聯曲線。系統完成標定后，操作人員按橋梁張拉工藝圖規定張拉工藝通過主機的觸摸 屏手寫輸入或虛擬鍵盤設定輸入初張拉力值、 初張持荷時間、 終張拉力值、 終張 持荷時間、 伸長校核目標值等參數， 然后一鍵啟動自動完成張拉過程。 在張拉過 程中，系統自動跟蹤采集 4 臺千斤頂相應的張拉力值和伸長值控制液壓站的高壓 電磁換向閥組平衡同步張拉。即主機實時通過系統 PLC 擴展 AI/DO 模塊讀取 4 臺千斤頂的壓力傳感器信號和位移傳感器信號， 經運算處理為標準預應力鋼束張 拉力值和伸長值， 然后判斷當前預應力鋼束的張拉力值和伸長值是否同步， 然后 對控制 4 臺

9、千斤頂的高壓電磁換向閥組發出相應的控制指令， 保證 4 臺千斤頂的 張拉力值和伸長值同步平衡增長。 預應力鋼束的伸長值作為系統的參考和張拉工 藝的輔助參數， 當伸長值變化量過大， 即張拉速度過快時， 系統自動控制油泵高 壓電磁換向閥組調節千斤頂的張拉速度。 當張拉力值和伸長值對應數據發生異常 時，報警提示進行人工干預， 處理后再繼續自動張拉。 當采集張拉力值達到初張 張拉目標值后， 關閉電磁換向閥組停止打壓， 進入初張持荷計時， 在持荷過程中 由于預應力鋼束持續伸長張拉力值會減小，低于目標張拉力值1%時系統自動控制液壓泵站補壓， 保持張拉力在目標值± 1%以內。 從而保證張拉精度。

10、初張持荷 完成后，自動記錄張拉數值， 然后繼續下一過程的張拉， 系統仍然自動跟蹤采集 4 臺千斤頂相應的張拉力值和伸長值控制液壓站同步張拉。 當采集張拉力值達到 終張張拉目標值后， 停止打壓， 進入終張持荷計時， 在持荷過程中張拉力值低于 目標張拉力值 1%時系統自動控制液壓泵站補壓， 保持張拉力在目標值± 1%以內。 終張持荷完成后， 記錄并計算張拉結果值。 系統打開緩釋閥組， 千斤頂在預應力 鋼束回縮力作用下開始緩慢卸荷過程， 同時跟蹤采集張拉力值， 當張拉力值變化 為 0 后，記錄并計算預應力鋼束回縮值。 然后控制液壓站使千斤頂回位， 整個單 次自動張拉控制過程結束。 張拉過程

11、中系統通過無線網絡將張拉采集曲線及張拉 控制結果傳輸給梁場信息化管理中心計算機。 再經專用網絡將所有數據信息傳送 給大西客專信息中心。3 系統各組成部分設計說明3.1 鐵路梁專用自動張拉油泵 液壓站的工作壓力 70 Mpa，流量 2L/min 。采用超高壓電液控液壓油路開關 技術，用于高壓、超高壓液壓油路的通、斷控制。液壓系統高于 31.5Mpa 為超高壓系統，鐵路箱梁預應力張拉系統壓力在 34Mpa以上，系統的穩定性及長期使用可靠性是決定系統成敗的關鍵。本液壓站核心技術是采用超高壓電液控液壓油路開關技術， 它能有效地自動 控制液壓油路的通斷及轉換， 并且適用工作環境范圍廣， 不僅能在 31.

12、5Mpa 以下 的工作環境下長時間工作，而且還能在 40-80Mpa 的超高壓環境下長時間工作， 基本不會產生內泄， 從而可有效地提高工作油路的壓力及控制的可靠性， 提高產 品的使用壽命，實現電液控自動控制液壓油路。由于液壓系統經常工作在超高壓力環境下， 故油路設計時采取了相應的安全 保障措施， 油管采用耐壓超過 60MPa帶鋼絲層的高壓膠管， 防止管路崩斷而造成 安全事故。 另外油路設計時采用溢流閥保持工作壓力在規定安全壓力以下， 超出 則溢流保護。3.2 YDC3000 型千斤頂 YDC3000型千斤頂是預應力錨固體系中通用系列液壓穿心式千斤頂的一種， 額定張拉力 3000kN。根據用戶需

13、要配置相應的限位板、工具錨等附件。可用于 XM、XYM、QM、OVM及其他系列錨固體系的張拉。頂上安裝高精度非接觸式位移傳感器，千斤頂的液壓油管采用快速接頭與液壓站連接。 系統也可在梁場原有千斤頂上增加安裝高精度非接觸式位移傳感器機械固 定裝置進行改造， 加裝位移傳感器測量系統后可在系統中一樣使用。 節約了梁場 購買新千斤頂的支出。3.3 高精度壓力測量傳感器高精度壓力傳感器安裝在每臺電動液壓站連接千斤頂的打壓端和回油端。 測 量范圍為 050MPa，對應的輸出為 420mA電流信號，激勵電源為 24V 直流電 源， 綜合精度 0.2%FS，線性度達到 0.5%。信號線采用 3 芯屏蔽電纜連接

14、到 14 位 PLC擴展 AI/DO 模塊。系統通過 AI/DO 模塊實時獲取壓力傳感器數據， 運算處 理后得出實時測量的張拉力值。3.4 專用位移測量裝置張拉過程中由于預應力鋼束自身的應力變化或釋放， 張拉千斤頂的頂出活塞 筒與外缸體之間會發生切向角度偏移， 使用普通拉桿式位移傳感器的拉桿會因此 而變形損壞， 造成系統無法正常工作。 所以采用專用位移測量裝置測量千斤頂頂 出活塞筒相對于油缸的位移， 即預應力鋼絞線的拉伸長度。 系統選用的非接觸式 位移傳感器量程為 50 400mm，測量精度為 0.1mm，其輸出信號為 420mA電流 信號，激勵電源為 24 V直流電源。信號線連接至到系統 P

15、LC擴展 AI/DO模塊， 系統通過 AI/DO 模塊來實時獲取位移傳感器的伸長量。3.5 主控 PLC設計其硬件結構框圖 ：2路標準位移信號主控 PLC6路AI/DO4路標準壓力信號 擴展模塊高壓電磁閥組6路AI/DO 擴展模塊2路標準位移信號4路標準壓力信號23高壓電磁閥組程序設計流程圖：3.5.1 自動平衡同步張拉編程設計原理 首先設定張拉自動平衡條件參數， 如張拉力最大差值和伸長值最大差值， 張 拉過程中系統通過 PLC擴展 AI/DO模塊來實時獲取位移傳感器的伸長量和壓力傳 感器的數據計算的張拉力值， 判斷 4 臺千斤頂的實時伸長值或張拉力值中的最大 和最小值之差如果大于或等于自動平

16、衡條件中的張拉力或伸長值參數， 調節最大 值對應的千斤頂的打壓速度，使 4 臺千斤頂同步平衡張拉。3.5.2 PLC 對張拉力的閉環控制 預應力自動張拉過程的閉環控制方式是控制張拉力、 液壓系統壓力等連續變 化的模擬量， 控制電磁換向閥使系統壓力始終與負載所需壓力相等， 實現負載傳 感檢測控制。當前系統選用的 PLC本身具有 PID控制功能指令， PID控制原理框圖如下圖所 示。閉環控制的預應力張拉系統 PID控制程序流程圖如下圖所示3.6 標準力校準系統標準力校準系統由 1 個環形高精度測力傳感器和 1 臺專用測力儀表組成， 此 系統在出廠前經國家省級計量檢測部門在標準測力機校準合格并出具檢

17、定合格 證書。用于自動張拉設備初始使用前和使用中周期性對千斤頂摩阻、 液壓系統等 環節的壓力校準為標準拉力。4 主要功能及技術指標4.1 主要設計功能4.1.1 自動平衡同步張拉張拉過程中自動控制預應力鋼束兩端伸長量保持一致， 同步張拉，最終以設 計張拉力為控制目標，嚴禁張拉不到位或超張拉。4.1.2 方便的輸入功能可方便地輸入箱梁編號、 型號、 張拉力目標值及伸長量校核值、 持荷時間等 張拉技術參數， 也可在管理計算機上分梁型設定張拉技術參數通過無線通訊或 U 盤下發。4.1.3 聲光報警功能具有在張拉不同階段進行聲光提示功能， 提示操作人員進行初始和控制階段工具夾片外露量的測量，系統工作異

18、?；驈埨瓟祿顣r自動報警。4.1.4 斷點恢復功能工作過程中停電系統自動保存當前數據， 重新上電后可由斷點處繼續完成自 動張拉過程。4.1.5 標定功能可連接標準測力環系統對系統張拉力進行標定和檢測。4.1.6 直接顯示拉力值及自動測量張拉伸長值 系統標定完成由壓力傳感器測量并直接顯示張拉力值， 由位移傳感器測鋼絞 線伸長量，直接在觸摸屏上顯示。4.1.7 打印功能張拉完成，打印張拉記錄表。4.1.8 數據傳輸功能張拉實時數據通過通訊接口以無線方式傳入信息化管理系統， 可以實時顯示張拉數據、張拉力曲線及伸長量曲線，并保存記錄，張拉數據可導出為Excel1%F.S0.2mm雙頂對拉不平衡度20

19、KN液壓站工作電壓380±10%控制系統工作電壓220±10%使用溫度20 504.2.2 標定系統滿量程2744KN準確度0.3%F.S使用電壓220±10%電子表格文件。同時通過網絡可以上傳。4.2 設計技術指標4.2.1 張拉系統技術指標測力系統精度 位移測量精度使用溫度20 504.2.3 液壓站最大油壓電機功率使用電壓4.2.4 拉千斤頂公稱張拉力 公稱油壓 張拉面積 理論張拉力 穿心孔徑 張拉行程 主機重量外形尺寸50MPa2L/min4.5KW380V3000KN52MPa257727mm 23035KN145mm200mm260kg 375

20、5;380mm5 箱梁預應力張拉自動控制信息化系統客運專線建設總的目標是達到世界一流客運專線水平。 這就需要線路基礎設 施實現中的設計、施工、監理、工程管理達到一流，使工程質量達到國際客運專 線建設標準， 經得起運營的檢驗、 歷史的檢驗。橋梁更是客運專線重要的基礎設 施，在橋梁生產中加強信息化建設，提高現代信息化管理水平顯得尤為重要。實現企業信息化標準管理，建立信息化服務平臺，把每天的工作要求和工作 進展情況通過信息服務平臺提交給上級主管領導， 領導根據現場實際情況合理安 排各項施工工序，從而保證了施工生產的有序推進。預應力張拉是橋梁質量保證的關鍵工序，為了很好控制質量，使主管領導可 以實時查

21、看到現場張拉情況，特開發該信息化系統。箱梁預應力張拉自動控制信息化系統需要在大西客專、 梁場和現場張拉設備 之間組建網絡，系統網絡圖如下：本系統有以下幾大功能特點：在硬件選擇上 根據施工現場情況采用無線網絡信息傳輸技術代替有線網絡傳輸。 采用高速率無線數傳電臺，它是一種遠距離無線數據傳輸產品，它體積 小，金屬外殼，屏蔽性能好，抗干擾性強，內部采用集成功放， TCXO等高可靠 性器件，內置看門狗， 產品的穩定性及可靠性極高。 采用先進的 GFSK調制方式， 提高了頻率資源的利用率和產品的抗干擾能力， 半雙功的通訊方式， 能方便為用 戶提供雙向的數據信號傳輸、 檢測和控制。 收發時間小于 18mS

22、（9600bps 通訊數 率），適時性強。在軟件設計上 采用多種開發軟件混合編程技術，發揮各自優勢提高了系統的整體功 能，使性能達到最優 軟件操作簡單，采用 Windows 資源管理器的操作界面，醒目直觀 網絡傳輸采用滑動窗口式通訊協議，數據傳輸速度快、性能穩定 通訊校驗采用 CRC 校驗，糾錯能力強，防止了通訊錯誤產生的影響 全雙工通訊方式，網絡連通后可以進行數據發送和接收5.1 系統總體結構及工作原理5.1.1 、硬件組成本系統以張拉控制平板電腦為核心，配以無線高速數傳電臺、中心服務器 其結構框圖如下：5.1.1.1 張拉控制設備 該部分是全系統控制與管理的核心， 采用性能穩定、 抗震性好

23、、處理速度快、 硬盤空間大、具有觸摸功能的工業平板電腦；配備高性能、響應速度快、性價比 高的 PLC。5.1.1.2 傳輸設備 高速數傳電臺，采用具有體積小、金屬外殼，屏蔽性能好，抗干擾性強、壽命長的設備。5.1.2 工作原理 大西客專各梁場張拉系統統一編號， 通訊時根據編號來識別各張拉設備， 每 臺張拉控制系統配備， 用于實時打包、 發送現場張拉數據， 梁場數據服務器實時 接收各張拉設備的張拉數據， 經過數據解包、 處理后在管理界面上實時顯示現場 各梁張拉情況，并把張拉數據通過梁場至大西總部的寬帶網絡實時發送到大西數 據服務器，供領導查詢。5.1.3 性能指標（ 1）、壓縮率： 3048%（

24、2）、平均傳輸率： 9.6kBytes/s（3）、工作頻率： 400 - 470MHz，也可提供 868/915MHz 等頻率（4）、傳輸距離： 0 8Km（5）、低功率：接收電流 <30mA，發射電流 <1.5A，休眠時電流 <1mA5.2 軟件設計本系統張拉控制系統是用組態軟件加 PLC 執行機構開發的，上位機管理軟 件是用 Visual Basic開發的，壓縮算法用 C 語言編制的。組態軟件便于工業控制， 界面直觀，方便操作； Visual Basic 是微軟的開發軟件，適用于數據通訊軟件的 開發；C 語言方便靈活，功能強大，便于開發低層功能控件或動態庫。程序設計 采用了模塊化結構設計方法， 程序結構緊湊， 功能模塊區