基于PLC 的大跨度悬索桥缆索牵引架设智能监测方法

张成伟，张建强，高亚伟

（1.中建宜昌伍家岗大桥建设运营有限公司，湖北 宜昌 443001；2.武汉智汇高桥科技股份有限公司，湖北 武汉 430000）

最近几十年，大跨度悬索桥的建设已成为众多国家推动城市现代化与交通发展的重要工程之一。而悬索桥缆索作为大跨度悬索桥的重要组成部分，对桥梁的安全性和运行效率起着至关重要的作用。因此，如何对悬索桥缆索进行智能化监测和维护，已经成为当前大跨度悬索桥技术研究的焦点和热点问题。目前，悬索桥缆索的监测和维护往往需要使用大量的人力和物力，并且存在一定的安全风险。随着科技的不断进步和发展，基于PLC的大跨度悬索桥缆索牵引架设智能监测方法日益成熟，已经成为悬索桥缆索智能化管理的重要手段［1］。本文旨在探讨基于PLC的大跨度悬索桥缆索牵引架设智能监测方法的研究背景、研究目的、研究意义及可行性。通过对大量文献资料及案例的分析，将基于PLC的大跨度悬索桥缆索牵引架设智能监测方法与传统监测方法进行比较，证明其卓越优势及其应用前景，以期提供解决悬索桥缆索监测和维护难题的有效途径，为国家交通建设做出贡献。

1 大跨度悬索桥缆索监测架设

1.1 大跨度悬索桥监测系统安装要求

大跨度悬索桥是一种受力较大、受环境温度和风速等因素影响较大的特殊型桥梁，需要进行定期的监测和维护。悬索桥监测系统的安装是悬索桥可靠性保障的重要组成部分，以下是相关的要求：

（1）安装前需要进行详细的规划设计，对于悬索桥的结构、系统维护要求、应急系统部署等方面进行充分考虑，确保监测系统的安装不会对原有桥梁结构造成损害。

（2）需要选择高品质的监测设备，设备的选型要依据桥梁的结构、尺寸和运营条件等因素做出合理的选择。

（3）悬索桥监测系统的布置要分别从结构监测和环境监测两个方面来考虑，最好是在桥梁出入口处、桥塔顶部和各个节点处设置监测传感器，以实现全方位的数据检测。

（4）必须采用高可靠性的集中控制设备进行数据管理与处理，系统的控制器、数据采集系统、通讯设备及所需的所有重要配件都需要经过严格筛选和质量检验。总之，在大跨度悬索桥的监测系统安装过程中，必须严格按照相应规范进行操作，选择高品质的设备和控制器，布置合理的监测传感器，才能确保监测系统的准确性和可靠性，为悬索桥的安全运行提供坚实的保障［2］。

1.2 缆索监测架设及作用原理

缆索是桥梁主要承重结构之一，其负责承受桥梁的自重和运行载荷。因此，对缆索进行定期监测和维护至关重要。缆索监测架设是用于安装和固定缆索传感器以及采集和处理缆索数据的重要装置。以下是相关的作用原理和注意事项：

（1）缆索监测框架应该是一个稳固的钢制结构，以确保传感器的准确性和安全性，同时，为防止数据被损坏或丢失，所有数据记录设备应该安装在监测框架上。

（2）在缆索监测框架安装过程中，传感器的几何布置和方向以及振动传感器的安装位置和方式等都是非常重要的。在不同桥梁的不同悬挂位置或模式下，传感器的数量、类型和布置方式都有所不同。

（3）缆索监测系统一般是通过连接到监测控制中心的监视器来实现实时监测。当数据超过预设值时，系统会发送警报，这样操作员就可以及时采取相应的措施，以确保缆索的安全运行。

（4）缆索监测系统需要使用高精度的传感器来实现对缆索位移和振动等数据的采集和分析。传感器通过获取缆索的变形值和振动幅度等信息，通过无线传输或有线传输方式将数据送回到数据处理系统进行处理，并根据预先设定的规则对数据进行分析，以便及时发现缆索的各种异常情况。在缆索监测框架的安装过程中，应当仔细考虑信号传输的稳定性和传感器的准确性，并通过适当的布置和监控等手段来提高缆索的安全性［3］。

2 基于PLC的大跨度悬索桥缆索牵引架智能监测方法

2.1 PLC 应用介绍

PLC（Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器） 是一种以工业现场控制为目标的高性能工业计算机，具有强大的数据处理与通信能力。PLC被广泛应用于各种控制系统中，可以实现自动化控制，例如在工厂生产流程中进行控制，或者在机器人和运输系统中进行控制等［4-5］。在大跨度悬索桥缆索牵引架智能监测领域，PLC可以提供高效稳定的控制和监测功能。通过PLC可以实时监测缆索牵引架的相关参数，例如温度、压力、电流等，进而实现对设备的智能控制和监测［6-7］。PLC具有良好的实时性和准确性，可以及时响应控制指令，保证设备的安全性能，PLC控制系统框图如图1所示。

图1 PLC控制系统框图

此外，PLC具有可编程的特点，易于实现不同场合的控制功能。在大跨度悬索桥缆索牵引架智能监测方法中，PLC的应用可以实现对传感器数据的采集、处理和传输，并将处理后的数据发送到监测终端进行分析和处理。同时，PLC还能实现高效的报警机制，能及时发现和处理设备的异常情况，以保障设备的安全可靠性［8］。总之，PLC在大跨度悬索桥缆索牵引架智能监测领域有着广泛的应用前景。通过PLC的高效稳定性和良好的可编程特性，可以实现设备的智能化控制和监测，能够提高设备的安全性能和工作效率。

2.2 监测系统设计方案

监测系统设计方案是基于PLC的大跨度悬索桥缆索牵引架智能监测的关键环节。该监测系统主要由以下组件构成：传感器、信号调理器、数据采集卡、PLC、监测终端等。其中，传感器用于采集缆索牵引架的各项参数，例如温度、电流、压力等；信号调理器用于调整和处理传感器的信号，并保证其精度和稳定性；数据采集卡用于将处理后的传感器数据转换为数字信号，输入到PLC中进行进一步的处理和控制；PLC用于对输入的传感器数据进行逻辑处理、运算和控制，实现对设备的智能化监视和控制；监测终端主要用于提供监测系统的可视化操作界面，方便用户实时监测设备的运行状态，悬索桥监测设备安装示意图如图2所示。

图2 悬索桥监测设备安装示意图

针对该监测系统，可以设计出一个状态矩阵来描述设备的运行状态。假设设备有三个状态：正常、告警、故障。则该状态矩阵可以表示为：

其中，√表示该组件可以正常运行，×表示该组件无法正常运行。

针对监测系统的数据处理及控制，设计出以下公式来进行操作：

其中，设备状态数值表示当前设备的状态，即正常、告警或故障；传感器数值1、传感器数值2、…、传感器数值n则表示不同传感器所采集到的传感器数值，用于计算设备的状态数值。通过该公式，能有效掌握和处理设备的运行状态，能及时发现和处理设备的异常情况，能保障设备的安全可靠性。

2.3 传感器的选型和布置

为了实现基于PLC的大跨度悬索桥缆索牵引架的智能监测，需要选用合适的传感器，并安排好它们的布置位置。在选择传感器时，要考虑所需要监测的参数、传感器的精度、响应时间、稳定性等因素，并根据实际情况进行选择。对于悬索桥缆索牵引架的监测，通常需要选择应变传感器、温度传感器、加速度传感器和位移传感器等。应变传感器用于测量索条和吊杆的应变，温度传感器用于测量索条和吊杆的温度变化，加速度传感器用于检测索条振动情况，位移传感器用于监测结构位移变化。在传感器布置方面，需要将传感器布置在合适的位置，以最大限度地获取准确的监测数据，例如：应变传感器需要粘贴在索条和吊杆的表面，以测量应变变化；温度传感器需要直接固定在表面，以保持良好的接触状态，确保温度的准确测量；加速度传感器需要固定在结构上，以便监测索条的振动情况；位移传感器需要放置在结构重要位移的位置，以精确测量位置偏差。另外，在布置传感器时，还需要考虑传感器之间的位置和相互影响，应选择合理的布置方案。

传感器的选型和布置对于基于PLC的大跨度悬索桥缆索牵引架智能监测至关重要。只有选择合适的传感器并合理布置，才能有效地获取准确的监测数据，并确保悬索桥结构的安全和稳定。

2.4 PLC程序设计及其功能实现

在大跨度悬索桥的缆索牵引架智能监测系统中，PLC程序设计是关键环节之一。通过合理设计控制程序，可以实现对悬索桥缆索牵引架的监测和控制。PLC可以采集来自传感器的数据，并根据预设的控制策略执行相应的动作。PLC程序的功能主要包括传感器数据采集、数据处理分析及控制指令的输出等。其中，程序中的关键部分是数据处理分析，对于采集数据的处理和计算就可以实现对悬索桥缆索牵引架状态的监测。

在PLC程序中，数据处理分析包括对温度、应力、材料弹性模量等多个方面的监测。例如在监测缆索的应力状态时，可以通过如下公式计算出缆索的应力：

式中，σ为缆索应力，F为偏离垂直线的力，A为缆索截面积。这个公式可以在传感器采集F和A的数据后进行计算，进而判断缆索是否超出安全工作范围。此外，在PLC程序的设计中还应结合实际悬索桥的设计参数进行算法的优化，使得监测结果更加准确和可靠。

总之，基于PLC的大跨度悬索桥缆索牵引架智能监测方法是实现悬索桥缆索牵引架的智能化监测和控制的有效手段。其中PLC程序设计是其中的重要环节，通过采集和处理传感器数据，实现对缆索应力等重要参数的实时监测。此外，PLC程序还可以结合实际桥梁参数进行算法的优化，提高监测结果的准确性和可靠性。

2.5 监测数据的处理方法

在大跨度悬索桥的缆索牵引架智能监测系统中，监测数据的处理方法是非常重要的。为了实现对缆索牵引架状态的实时监测和控制，需要对传感器采集的各种数据进行处理和分析，得到有意义的结论。其中，矩阵运算是常见的处理方法之一。

在矩阵运算中，常见的方法包括矩阵求逆、矩阵乘法和特征值分解等。例如在监测缆索的挠度变化时，可以采用矩阵求逆的方法进行计算。具体而言，可以将采集的缆索挠度数据以矩阵形式表示为：

其中，d1，d2，d3，…，dn为缆索在不同位置处的挠度数据。将该矩阵与缆索的自然频率矩阵K相乘，即可得到相应的缆索刚度矩阵K′。将K′求逆即可得到该悬索桥缆索牵引架的刚度特性。

除了求逆、乘法外，特征值分解也是常用的监测数据处理方法之一。在特征值分解中，可以通过计算缆索的特征向量和特征值，得到缆索的结构信息和变形情况。具体而言，可以将传感器采集的悬索桥缆索牵引架的振动数据以矩阵形式表示为：

其中，d1，d2，d3，…，dn为缆索在不同时间点处的振动数据。对该矩阵进行特征值分解，得到缆索的特征向量和特征值。根据特征向量可以判断缆索的振动模式，而根据特征值可以得到缆索的结构参数和状态信息。

3 案例分析

3.1 统计监测数据

通过在实际的桥梁工程项目中应用该方法进行数据监测和统计分析，探索其可行性和有效性。根据监测数据，结合现场实际情况进行分析，监测系统在悬索桥中的安置示意图如图3所示。

图3 监测系统在悬索桥中的安置示意图

从图中可以看出，整个监测期间悬索桥各缆索牵引力基本保持在稳定水平。从1月份开始到3月份结束，缆索1、2的牵引力波动较小，缆索3、4波动略大，但整体趋势仍然保持平稳。4月份后整个悬索桥的缆索牵引力略有上升，但是在正常的载荷变化范围内波动。同时，还需要注意的是，在1月24日和2月5日左右，部分缆索牵引力出现了类似于失荷状态的情况，但时间比较短暂，也许是由于天气或其他因素导致的。

对于每个缆索的平均牵引力进行对比，可以看到缆索1、2的平均牵引力略高于缆索3、4，但差距不大。对于缆索牵引力的波动范围，缆索1、2的变化相对较小，而缆索3、4的变化相对较大。这可能与缆索3、4所处的位置较靠近桥塔有关，因此承受的悬挂荷载也相对较大。

3.2 系统稳定性评估

为了确保基于PLC的大跨度悬索桥缆索牵引架设智能监测系统的可靠性和稳定性，这里对监测系统的稳定性进行了评估分析。首先，对于监测系统的输出信号进行了采集和记录，通过对记录的历史数据进行反复比对和确认，发现系统的输出信号相对稳定，误差较小，符合要求。同时，系统能够及时在线获取并处理各缆索的牵引力变化情况，实现了对桥梁各部位状态的实时监测和追踪。其次，对于监测系统的硬件设备进行了检查和维护。结果表明，各传感器和连接线路没有出现松动、脱落等问题，PLC主机工作正常，没有出现卡顿、停机等故障。监测系统硬件设备的稳定运行为后续数据的准确性和可信度提供了保障。最后，对于监测系统的软件算法进行了评估和优化。通过与专业软件进行比对和验证，该监测系统的算法准确性较高，基本符合实际情况。同时，还对于系统的故障处理能力进行了测试，系统在遭受干扰或出现异常情况时，能够及时诊断和处理故障，从而保障了监测系统的稳定运行。基于PLC的大跨度悬索桥缆索牵引架设智能监测方法具有较高的稳定性和可靠性，为桥梁工程的安全运行提供了强有力的技术支持。

3.3 故障模拟实验

通过对架设过程中可能会出现的故障进行模拟，验证该监测方法的准确性和实用性。

实验设备为一根长20米的模拟缆索，通过PLC控制缆索运动模拟实际架设过程中的拉拔过程。采用传感器对缆索张力、伸长变形、弯曲变形等参数进行实时监测。在模拟过程中，分别设置了不同的故障点，如缆索断裂、缆索固定点松动、缆索变形等。

在模拟过程中，通过传感器对缆索的各项参数进行实时监测，并将数据传输至PLC进行集中处理。当出现故障时，在PLC设定的故障识别算法的作用下，可实时判断故障发生的位置和类型，并及时报警通知人员进行处置。同时，通过对实时监测的数据进行分析处理，可及时评估缆索的健康状况，为后续维护提供便利。

4 结论

本方法通过在悬索桥架设过程中，采用PLC实时监测缆索状态，并通过传感器对缆索张力、伸长变形、弯曲变形等参数进行实时监测，以此发现故障。同时，利用PLC设定的故障识别算法对数据进行分析处理，可判断故障发生的位置和类型，并及时通知实时进行处置。此方法的应用能够有效提高大跨度悬索桥架设的安全性和工作效率。通过实验表明，该监测方法具有较高的准确性和实用性，能够有效避免工作人员在危险情况下作业或缆索断裂等重大事故的发生。该方法为悬索桥后续维护和管理提供了数据支持，也为大跨度悬索桥工程施工提供了技术支撑和思路借鉴。