CN101921134B - 混凝土智能冷却通水系统 - Google Patents

Abstract

一种混凝土智能冷却通水系统：1)在混凝土中安装温度传感器测量混凝土温度；2)在冷却水管上安装流量传感器、温度传感器和电动控制阀；3)在电动控制阀附近安装有测控装置，测控装置通过电缆与传感器和电动控制阀连接；4)多个测控装置通过工业总线与工控机连接；5)根据测控装置采集的温度、流量信号以及开度信息，工控机内的程序发出对电动控制阀的控制信号，由测控装置实施对电动控制阀的开度控制，调节通水流量和通水水温，从而实现最大限度的降低温度梯度，降低混凝土温度拉应力，达到防止混凝土出现裂缝的效果。

Description

混凝土智能冷却通水系统

技术领域

本发明涉及一种混凝土通水冷却温度控制系统。

背景技术

水利水电工程大体积混凝土的通水冷却降温，是解决水利水电工程大坝混凝土水化热引起的温度应力和达到设计要求的封拱灌浆温度必须采取的技术措施。水利水电工程通水冷却技术复杂，为工程建设设计与研究重要内容，目前通水冷却的监控为人工记录，然后根据记录数据进行人工调控。

通水冷却需根据具体施工情况分别采取初期、中期、后期通水，而且需根据仪器监测的温度变化来指导调整冷却通水流量，在总结得出通水降温规律后，形成相对完善的通水流量控制办法，同时需根据温度监控情况和边界条件采取个性化通水措施。需根据具体情况，检测每根冷却水管的温度与流量，检测坝块温度或坝块间灌缝张开度，控制总通水量等工作。

混凝土坝块的冷却水管与监控仪器通常引入施工或交通廊道内，其监控环境恶劣，监控调控工作量非常大，同时需根据监控数据进行整理分析，然后进行调控，导致调控滞后，且需人工一个一个数据的检测，每天检测数据有限，对温控通水突然变化不能及时反馈，对某些混凝土块温度陡升陡降等不利因素不能做出及时的反馈与调控，无法对大坝空间温度场突变做出及时有效的监控，影响大坝通水冷却质量，不利于工程质量的控制与管理。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种混凝土智能冷却通水系统，可以使混凝土降温更加均衡，最大限度降低混凝土温度拉应力，防止混凝土出现裂缝。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种混凝土智能冷却通水系统：

1）在混凝土中安装温度传感器测量混凝土温度；

2）在冷却水管上安装有电动控制阀、流量传感器，进、出水端安装有温度传感器；

3）在电动控制阀附近安装有测控装置，测控装置通过电缆与传感器和电动控制阀连接；

4）多个测控装置通过工业总线与工控机连接；

5）根据测控装置采集的温度、流量信号以及电动控制阀的开度信息，工控机内的程序发出对电动控制阀的控制信号，由测控装置实施对电动控制阀的控制以调节流量和选择不同水温，从而实现最大限度的降低温度梯度，降低混凝土温度拉应力，达到防止混凝土出现裂缝的效果。

所述的电动控制阀安装在冷却水管的主管或支管上，每组水管安装1-2个；采用一种水温的冷却通水系统安装1个，采用两种水温的冷却通水系统安装2个，每个与不同温度的主水管连通。

温度传感器同时安装在每组冷却水管主管或支管的进水端和出水端，温度传感器与测控装置通过电缆连接。

流量传感器安装在每组冷却水管主管或支管的进水端或出水端，流量传感器通过电缆与测控装置连接。

所述的冷却水管为多组，每组为一个测量单元，一个测控装置同时测控多个测量单元，多个测控装置通过工业总线与工控机连接。

所述的工控机内的程序可实现定时对所有连接的测量单元的巡检，程序将巡检数据与设定的控制曲线进行比较计算，并据此向测控装置发出调整开度指令，通过测控装置控制开度实现冷却水管的流量调节和不同水温的选择。

所述的控制曲线根据混凝土温度设计要求、通水参数、混凝土特性与边界条件以及相邻块混凝土温度场确定，动态调整。

本发明提供的一种混凝土智能冷却通水系统，通过传感器采集混凝土内的温度、冷却水管的进、出水温度和流量，测控装置通过遥测采集上述温度和流量信息以及电动控制阀的开度信息，通过工业总线传送给工控机，然后工控机通过内置程序比较控制曲线，由程序发送控制指令给测控装置，由测控装置控制冷却水管上的电动控制阀的开度，从而实现冷却水流量的控制和水温的选择。

通过测控装置的优化设计和优化的工业总线结构，测控的单元总数可以达到5000个左右，从而实现大型水电工程大体积混凝土的冷却通水自动化测控。

通过程序和程序内部的控制参数的设定，程序除了可以控制不同冷却水管的冷却水流量，更可以控制电动控制阀连通不同温度的主水管，从而实现最大限度的降低温度梯度，降低混凝土温度拉应力，达到防止混凝土出现裂缝的效果。

附图说明

图1为本发明的流程图。

具体实施方式

实施例1：

以混凝土智能冷却通水系统一个控制单元结构为例：

1）在混凝土中安装温度传感器测量混凝土实测温度；

2）在冷却水管上安装有电动控制阀、流量传感器，进、出水端安装有温度传感器；

3）在电动控制阀附近安装有测控装置，测控装置通过电缆与传感器和电动控制阀连接，从而获取混凝土的温度信息冷却水管的温度、流量信息以及电动控制阀开度信息，并给电动控制阀发送控制信号；

4）多个测控装置通过工业总线与工控机连接，每个测控装置可控制的测控单元可达50个，总的测控单元达到5000个；

5）根据测控装置采集的温度、流量信号，工控机内的程序经过与预设的控制曲线计算比较后，发出对电动控制阀的控制信号，由测控装置实施对电动控制阀的控制，主要是控制电动控制阀的开度，从而实现流量的控制。电动控制阀为智能型，测控装置从工控机得到每个电动控制阀的开度指令，开度指令通过电流大小实现，电流范围4-20mA，开度指令传送到智能电动控制阀作为调整球阀开度的设定值，电动控制阀的智能控制执行器控制球阀的开度与设定值一致。并且，以电流方式输出球阀的实际开度，测控装置采集这个4-20mA的电流信号，并通过总线网络将这个数据传送给工控机。具体网络的组件和连接在下一个实施例中进一步说明。

实施例2：

应该注意的是，不同的混凝土块需要不同水温的冷却水进行降温，所以在许多工程会布置一套以上的冷却水管体系，通常为两种不同水温的冷却水管。作为优化方案，相比上一个实施例，在冷却水管的进水口或出水口安装2个或2个以上电动控制阀，分别与不同水温的主水管连通。

如图1中，以一个控制单元结构为例，需要采集的传感器数据有流量、进水温度、出水温度、混凝土温度；需要控制的为电动控制阀，采集和控制信号均通过测控装置和现场总线与工控机连接，实现数据自动采集，然后通过计算分析对电动控制阀实施开度控制，其中开度控制的设定值由工控机经过复杂计算后给出。

测控装置的采样间隔时间小于30秒，完成一次采集最大为30分钟，每个单元采集的物理量为三个温度值，一个电动控制阀阀位开度，一个流量值。

以50个测控单元组成为一个测控点，在这个测控点上，共有50个电动控制阀的开度的测量(4-20mA输入)、50个电动控制阀开度控制(4-20mA),50个流量脉冲测量，以及150个温度测量点，其中混凝土温度传感器50个，进水温度传感器50个，出水温度传感器50个。需要说明的是，这个数量值并不是固定不变的，例如前面提到的冷却水管连接不同水温的主水管时，则一个冷却水管需要安装2个或2个以上的电动控制阀，因为开度检测信号和开度控制信号的数量也会相应的发生变化。

具体的温度数据采集以及流量数据的采集如下：

A/D转换器采用ADC7109，在采用6MHz晶振时，每秒转换12次。最高转换可达30次/秒。对于作为电动控制阀的电动控制阀开度控制输出由50个D/A转换器组成，D/A转换器输出经变换电路，变为标准4-20mA输出，作为电动控制阀开度设定值。

在测控装置中，两个CPU共用一个铁电存储器，其容量为32kb，存贮采集的数据。用一个CPU与以太网适配器相连，由以太网RJ55插口连接到外部以太网或Wifi模块。用于采集电动控制阀开度数据的CPU同时与组成微型单总线网络的CPU相互交换数据，所有采集的温度数据存入铁电存贮器，由以太网通讯的CPU将数据发送到工控机。

测控装置中的单总线微型局域网是由单总线驱动器DS18B20、单线温度传感器、双绞线和电缆组成。从多个温度传感器不可以同时连接到一个主干线上，而是分为50个支干线，每个分支的连接控制由DS2409接口芯片来完成。在每一个时刻，切断49个支干线，在每个分干线上连接三个单线温度传感器，那么对于总干线负载将大大减轻，从而保证数据采集的可靠性。由于DS2409不包含可编程存储器，所以必须加入一个DS2502单线存贮器，标识连接到单总线的支路。

为了保证单总线不受外界强电场干扰，在总线或分支干线上加装DS9502ESD保护极管。干线、分支线、温度传感器的连接采用5类非屏蔽双绞线。单总线温度传感器安装距离可达150m-200m。

测控装置安装于大坝内部，工作环境恶劣，易受高温、高湿、低温等环境因素影响。测控装置需防强电磁干扰和雷击，所以机箱设计为全密封设计，全部引出线采用防水航空插头座，引入、引出数为200-250线左右。设计线数为250线。

电源设计为采用AC/DC将220V交流变换为+12V直流，在每个测控装置机箱内采用DC/DC变换器使整个电源系统整齐划一，可靠性高，电源的平均无故障时间为20000小时。

测控装置设计原则是高可靠性，元器件全部采用工业级或军品级产品，印制板设计采用高可靠性设计。后备电源采用UPS。可支持断电两小时。

5000个控制单元需要100台测控装置，共需要32口HUB 4台，一个8口交换机，就可以完成单总线测控与以太网接口，组成一个以太网为主干网，单总线微型局域网为分支网的测控网络系统，微型局域网是使用一根数据线与一根返回线实现数据通信的主从式网络，其最大的特点是使用一对双绞线，实现数据通信、寻址和控制，是一种低开销的数字局域网方案。

本方案同时实现了基于Wifi无线局域网和以太网混合的主干网，通过Wifi模块和Wifi路由器将各个测控装置联网，节省大量布线成本和工作量。

工控机内的程序根据一组冷却水管控制的混凝土温度与相邻块混凝土温度差和/或混凝土温度设计要求确定电动控制阀开度的控制曲线，并按控制曲线不断调整电动控制阀开度实现不同通水流量，和/或连通不同水温的主水管使混凝土温度均衡下降，最大限度降低温度梯度，降低混凝土温度拉应力，防止混凝土出现裂缝。

控制程序应具有较强的数据存取的能力，建议采用sql server数据库。具有将数据发布到互联网上的能力。控制程序可方便地查看指定坝块的温度时间曲线等各种数据，并按照一定的报表格式预览和打印报表。

智能控制算法，要求能根据设计的要求和采集到的混凝土内部温度和冷却水的温度和历史流量等计算出下一步冷却水流量，并执行冷却水流量调节。最终实现混凝土温度平稳变化，并满足设计要求。

Claims (6)

1.一种混凝土智能冷却通水系统，其特征在于：

1）在混凝土中安装温度传感器测量混凝土温度；

2）在冷却水管上安装有电动控制阀、流量传感器，进、出水端安装有温度传感器；

3）在电动控制阀附近安装有测控装置，测控装置通过电缆与传感器和电动控制阀连接；

4）多个测控装置通过工业总线与工控机连接；

5）根据测控装置采集的温度、流量信号以及电动控制阀的开度信息，工控机内的程序发出对电动控制阀的控制信号，由测控装置实施对电动控制阀的控制以调节流量和选择不同水温；

所述的工控机内的程序可实现定时对所有连接的测量单元的巡检，程序将巡检数据与设定的控制曲线进行比较计算，并据此向测控装置发出调整开度指令，通过测控装置控制开度实现冷却水管的流量调节和不同水温的选择，从而实现最大限度的降低温度梯度，降低混凝土温度拉应力，达到防止混凝土出现裂缝的效果。

2.根据权利要求1所述的一种混凝土智能冷却通水系统，其特征在于：所述的电动控制阀安装在冷却水管的主管或支管上，每组水管安装1-2个；采用一种水温的冷却通水系统安装1个，采用两种水温的冷却通水系统安装2个，每个与不同温度的主水管连通。

3.根据权利要求1所述的一种混凝土智能冷却通水系统，其特征在于：温度传感器同时安装在每组冷却水管主管或支管的进水端和出水端，温度传感器与测控装置通过电缆连接。

4.根据权利要求1所述的一种混凝土智能冷却通水系统，其特征在于：流量传感器安装在每组冷却水管主管或支管的进水端或出水端，流量传感器通过电缆与测控装置连接。

5.根据权利要求1所述的一种混凝土智能冷却通水系统，其特征在于：所述的冷却水管为多组，每组为一个测量单元，一个测控装置同时测控多个测量单元，多个测控装置通过工业总线与工控机连接。

6.根据权利要求1所述一种混凝土智能冷却通水系统，其特征在于：所述的控制曲线根据混凝土温度设计要求、通水参数、混凝土特性与边界条件以及相邻块混凝土温度场确定，动态调整。

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