试验平台结构设计论文

曾经，她的梦是蓝色的、绿色的、白色的、玫瑰色的，五光十色，七彩斑斓。那是在自由放飞想象的校园。最终，浅显归于深沉，纷繁趋于简单，一双追求人生崇高理想的大眼睛，紧紧盯住了燃烧的、拥有千度以上高温的金黄色！那是钢花的颜色！钢花，最富有热情和硬度的花，最为灿烂夺目的花！就这样，她寻梦首钢，从西北名城一路走来。下面小编整理了一些《试验平台结构设计论文(精选3篇)》，供大家参考借鉴，希望可以帮助到有需要的朋友。

试验平台结构设计论文 篇1：

超高速低真空磁浮管道试验平台建造关键技术研究

摘要 超高速低真空管道磁浮交通系统利用超导磁悬浮技术减弱车轨振动、消除车轨摩擦，通过建立低真空运行环境大幅降低气动噪声和空气阻力，超导同步直线电机技术实现了动力系统外置获得更大有效载荷及速度，可实现最高速度1 000 km/h的“近地飞行”。通过研究国内外关于超高速低真空磁浮管道交通系統技术现状为切入点，针对真空、管（隧）、强电磁环境的影响及桥梁带来的低真空环境与车/管荷载的作用，开展超高速低真空磁浮管道试验平台建造技术攻关研究，为今后工程化试验线建设及相关标准制定奠定坚实的基础。

关键词 低真空;管梁;试验平台;真空度;电磁阻力

0 引言

我国高速铁路建造技术日趋完善，但是由于建造方式受空气阻力、噪声、车轨摩擦、车轨振动等技术因素影响，很难进一步实现新的突破。超高速低真空管道磁悬浮交通系统作为国际最先进的地面交通技术，具有极强的产业带动性，在钢铁、基建等传统产业的基础上，还将带动电力电子、先进制造、人工智能、大数据等一大批“高精尖”产业发展，为我国经济高质量发展提供新动能[1]。

1 国内、外研究现状

1.1 美国

2020年7月，美国运输部明确将超级高铁有关计划正式划归联邦铁路局管辖，并且认同超级高铁项目具有申请联邦援助资金的资格。目前美国方面技术研发主要由Virgin Hyperloop One公司（简称VHO）、Hyperloop Transportation Technologies（简称Hyperloop TT）两家公司主导，两家公司均采用电动磁悬浮制式作为主要技术途径，受美国交通部支持，目前正在世界各地推动真空工程线建设，并已与沙特、阿联酋、印度等多国签署合作协议。

1.2 日本

日本自1962年开始研究超导磁悬浮铁路，前期通过修建480 m长的原理试验线验证了悬浮推进原理，中期修建7 km宫崎试验线分别对倒T形轨和U形轨进行了性能验证，对试验车进行了载人舒适性、可靠性及安全性性能验证。后期修建了42.8 km山梨试验线，完成了编组列车的载人高速运行试验（试验速度达到603 km/h），对列车的可靠性和耐久性进行了验证，积累了大量的试验数据，为转入商业运营奠定了基础。

1.3 国内研究现状

我国相关研究单位从21世纪起开始关注超高速低真空管道交通，在交通运输部指导下，通过二十年的技术引进和自主创新，形成了一定技术基础。2018年，相关单位设立了“低真空管（隧）道高速磁悬浮铁路发展战略研究”重大咨询项目[2]。2019年国务院正式印发的《交通强国建设纲要》中明确提出“合理统筹安排低真空管道高速列车等技术储备研发”。从技术发展来看，利用管道结合真空技术能有效降低空气阻力和噪声，减小系统能耗，提升系统经济性，是发展600 km/h以上高速交通系统的有力手段。

考虑到载人运营需求，按照单线单管设计，管道直径一般不小3 m，大于一般轨道交通梁高，因此管道有条件作为纵向受力构件承受自重及车辆活载。管道内部需形成U形构造，U形腹板侧面安装电磁线圈与车载磁体相互感应，实现悬浮及导向。设计确定将实现真空环境的密闭管道和承载列车荷载的梁部二者相结合的结构形式是较为合理的选择，这种结构形式称为“管梁” 。

2 真空试验平台概述

中铁六局集团丰桥桥梁有限公司在北京市平谷区建设完成了全国第一个全尺寸超高速低真空管道磁浮交通系统试验平台，试验平台包括：21 m nu钢-混管梁、6 m 钢管梁、控制检测室、真空泵房、管梁基础及相关配套设施等六部分组成，试验平台承担着管道梁体主体结构的设计施工方案验证、管道梁体力学性能、管道电磁环境、大体积真空环境建立、维持及监测技术等一系列低真空管道关键技术问题的验证和科研任务，如图1。

3 结构型式方案

针对高动态荷载、温度荷载等耦合荷载带来的管梁设计问题，需开展“一体式管梁”和“分体式管梁”结构论证方案研究，并完成多种荷载工况下的荷载及变形特性研究。

3.1 nu梁结构

21 m钢-混管梁采用分体式“nu”结构。上半部采用外包钢板焊接成“n”型结构，下半部采用外包钢板与预应力混凝土“u”形叠合结构，通过螺栓摩擦副、钢板焊接以及密封材料将二者进行连接成整体结构共同受力，混凝土梁外包钢板主要起真空密闭作用。钢结构材料采用Q355D钢材，端部采用16 mm厚钢板，跨中采用8 mm钢板。梁体混凝土等级为C50，预应力体系采用铁路桥梁预应力钢绞线成品束，锚固体系采用自锚式拉丝体系。

3.2 全圆管梁结构

6 m钢-混管梁采用全圆钢管构造，管内浇筑混凝土实现U形结构。管梁梁长6.4 m，内径6 m。钢结构材料采用Q355D钢材，全部采用16 mm厚钢板，梁体混凝土等级为C50，圆管内混凝土采用非预应力张拉体系。

4 建造步骤

4.1 nu梁施工步骤

工厂加工u型节段 → 在桥位处焊接成整体 → 调整设计高程 → 氦气检漏 →在外包钢板内绑扎钢筋 → 安装预应力管道 → 设置预埋件 → 灌注混凝土 → 养护 → 张拉预应力钢束 → 压浆、封端 → 安装n型钢管 → 焊接封头 → 灌注环氧树脂胶密封 → 安装逃生舱门 →  开展试验。

4.2 全圆管梁施工步骤

制作钢管节段并焊接成管梁 → 将管梁吊至桥位处 → 调整设计高程 → 氦气检漏 → 在管梁内部绑扎钢筋 → 安装模板 → 设置预埋件 → 灌注混凝土 → 养护 → 安装封头 → 开展试验。

5 建造关键技术要求

低真空区域控制范围为103～102 Pa，如何保证试验平台在建造完成后能够具有稳定的密封性能，并保证长期维持低真空度是建造过程中关键技术之一。通过试验多种低磁导率材料并优化设计、研究、建造，使之匹配可以达到车体悬浮姿态要求是另一项关键技术。综上，试验平台建造的核心词就是“真空度控制”和“低磁导率控制”。

5.1 外包钢板焊接

u型钢板长度分为十二段下料切孔，尺寸压型分别为 2件（14 mm*2 680 mm）、 10件（6 mm*2 500 mm），转机加开单V坡口，宽度对接焊缝偏离中心200 mm处分成两段下料，注意开孔位置，开单V坡口对接，要求熔透焊。数控切割或者等离子切割下料，下料开坡口后压弯成型，坡口预制采用铣边机加工，按图纸尺寸在平台上对接成型2段，错开拼接焊缝，点焊半米字拉筋支撑。严格控制外包钢板拼接公差、长度尺寸、直线度及平面度和平行度公差（参照长度尺寸公差B级和直线度等公差F级标准），特规定u梁长度尺寸不大于12 mm，直线度和平面度及平行度不大于12 mm，如图2。

5.2 氦气检漏

氦质谱检漏法是利用氦质谱检漏仪的氦分压力测量原理，实现被检件的氦泄漏量测量。外包钢板最终确定采用真空法氦质谱检漏方案。采用真空法检漏时，需要利用辅助真空泵或检漏仪对外包钢板焊缝处内部密封室抽真空，采用氦罩的方法在外表面施加氦气，当外包钢板表面有漏孔时，氦气就会通过漏孔进入焊接点内部，再进入氦质谱检漏仪，从而实现泄漏量测量。最终外包钢板焊缝总漏率的测量结果表明，总漏率满足设计要求，图3为氦气检漏示例。

5.3 低磁导率材料应用

按照低磁导率设计在u型结构内侧布置了917低磁钢筋，917低磁钢筋弹性模量应不小于180 GPa，屈服强度不应小于335 MPa，应满足《45Mn17A13低磁钢型钢》（GJB93—90）中相对磁导率的指标要求;除最外侧钢筋外，其余位置不同钢筋处均需采用热缩套管进行绝缘处理，热缩套管长度不应小于2d且不应大于3d（d是钢筋直径），绝缘电阻试验应符合GB/T1410中相关标准要求;在线圈板中采用GFRP玻璃纤维筋，具有质量轻、耐腐蚀、抗老化、绝缘性能好等特点，具有可有效降低磁导率的优势。GFRP材料性能需满足《纤维增强复合材料筋混凝土桥梁技术标准》（CJJ/T 280—2018）要求，同时还应满足《结构工程用纤维增强复合材料筋》（GB/T 26743—2011）的相关要求。

5.4 钢筋混凝土线圈板的预制与安装精调

预制线圈板采用钢筋混凝土结构，通过预埋孔位固定电磁线圈，由于电磁线圈的精准定位决定了车体的运行姿态，所以其位置的精度控制尤为重要。通过对预制线圈板的模型设计制作、钢筋绝缘处理、安装精调装置设计等方面进行完善预制安装方案，在建造过程中提高预制线圈板的预制和安装精度（六个方向安装精度均控制在±1 mm范围）。为达到建立磁浮环境的电机模组提供支撑平台的目的，最终本试验平台安装了5块线圈板，均通过了精准测量和安装验证，证明了建造过程工艺控制的可行性，电磁线圈板安装精调如图4。

5.5 低真空环境的建立

试验平台由两台罗茨泵、一台螺杆泵、热交换器以及水压控制器、电器控制柜等设备组成真空泵機组，能够满足真空环境的建立和维持要求。从大气压到500 Pa仅需4 h，压升率不超过10 Pa/h，试验时真空度最低可达100 Pa。采用传感器（莱宝精度为0.2%）布置在真空管道内部，监测管梁内的温度、噪声、真空度，安装摄像头对管梁内部进行视频监测，通过对监测数据进行实时显示与存储实现管梁真空度全面监控和数据分析工作。

6 结语

试验平台的竣工完成，标志着超高速低真空磁浮交通系统由研发设计向工程实践应用已迈出了关键的第一步。试验平台具备支撑大型真空管道系统密封、温度变形补偿、电气设备真空适应性等技术课题攻关验证，通过相关试验测试表明已经能够攻克大尺寸管梁密封、大尺寸薄壁管道变形控制等核心技术，后续还能为各领域提供真空测试环境及验证实验。由于此项建造技术研究在国内尚属首例，过程中仍存在着部分技术课题需要攻关和验证工作，今后会在低真空环境下混凝土结构性能、梁间密封结构设计及建造、管梁运架技术、大型高可靠真空系统及设备等方面进一步探索和研究。

参考文献

[1]赵大亮， 刘书斌， 王冰. 低真空管道高速磁浮铁路桥梁结构关键技术的探讨[J]. 机车电传动， 2020（6）： 38-41.

[2]冯仲伟， 方兴， 李红梅. 低真空管道高速磁悬浮系统技术发展研究[J]. 中国工程科学， 2018（6）： 105-111.

作者：杨学昆

试验平台结构设计论文 篇2：

绚丽钢花别样红

曾经，她的梦是蓝色的、绿色的、白色的、玫瑰色的，五光十色，七彩斑斓。那是在自由放飞想象的校园。最终，浅显归于深沉，纷繁趋于简单，一双追求人生崇高理想的大眼睛，紧紧盯住了燃烧的、拥有千度以上高温的金黄色！

那是钢花的颜色！钢花，最富有热情和硬度的花，最为灿烂夺目的花！

就这样，她寻梦首钢，从西北名城一路走来。很快，她青春的脉搏和着首钢前进的脚步一起跳动，一起感受改革的阵痛与欢欣，一起追逐火红的世纪之梦。

她是幸运的，一位年轻的女工程师，刚出校门就被首钢科研部门委以重任，科学的用人机制让她因压力和责任的提前到来而迅速成长。几年来，她硬是靠边干边学、勇于实践和不息开拓，在首钢乃至全国钢铁行业打出了一片属于自己的新天地。她在科研领域闯关夺寨、一路向前、硕果累累，先后获得全国三八红旗手、首都巾帼十杰、北京市经济技术创新工程标兵、北京市优秀青年工程师、首钢劳动模范等荣誉称号，并成为首钢最年轻的学科专业技术带头人。

她的业绩令人赞叹；她的成功之路，已成为首钢青年竞相效仿的楷模。

面对挑战，一路埋头前行

她叫金茹。铿锵又轻柔，尊贵而亲和，一个与钢铁有着某种联系的名字。

但是，她的涉世之初并不像她的名字那样只有诗意。

2000年4月，金茹大学毕业刚到首钢技术研究院不久，就被院领导叫去了。

院领导开门见山：“小金，现在有一个研究项目，叫‘首钢连铸结晶器电磁搅拌技术的开发与应用’，想交给你负责，你敢不敢接？”

刚刚走出校园的金茹，猛然感受到了一种从未有过的沉重。

此前她也听说，院领导一向特别注重青年科技人员的培养，并且从来都是不遗余力，但此时此刻她还是有些不知所措。不仅仅是因为肩上突然落下重担，而是当时她对这个项目一无所知，甚至连电磁搅拌器是什么样都不知道，更没有丝毫的现场经验。她是老虎吃天——没法下口啊！

院领导能够预料新手的种种顾虑和难处，但压力就是动力，不敢往稚嫩肩膀加担子，也就不可能快速成长。院长并不过多地对金茹提研究工作的难度，只说：“你就大胆地干吧，有什么问题可以随时找我。”

金茹心情忐忑，硬着头皮把这个项目接了过来。“别了，浪漫美丽的校园；别了，纸上谈兵的岁月！从今往后，自己再不是那个无忧无虑的大女孩了，自己已是首钢的的普通一分子了，今后会有太多太多不可预知的困难在等待着自己！”

金茹明白，上马这个项目对双高产品的生产是何等的重要。当时，首钢第一炼钢厂停产，向第三炼钢厂转移，生产新型产品。为此，就必须把原先的连铸机改造成为品种铸机，并尝试研制开发国内先进的1：1比例的电磁搅拌试验平台，专门用于电磁搅拌设备的研制、试验和进行电磁搅拌的冶金工艺优化试验。

上世纪80年代，公司花费一千多万元从德国ＡＥＧ进口的连铸结晶电磁搅拌系统，因其性能和寿命等诸多弱点，被厂子弃之不用已有多年，此前，先后有两拨技术人员参与此系统的改造，但都是一般性的修修补补，并没从根本上解决问题。这次，金茹带领的课题组，志在对此系统进行富有成效的大改造。

改造过程中，电磁搅拌技术是一项不可缺少的关键技术。从国外进口的电磁搅拌器，每台价值20多万元，使用寿命仅有一年，维修时还要远涉重洋运到原厂家，各项费用加起来也要20万，并且还要等两个月的时间。要想从根本上解决这一问题，就必须实现电磁搅拌技术的国产化。可金茹当时，对电磁搅拌器的机理还是一无所知啊！

金茹在为难的同时，也激起了骨子里的那股倔劲：“开弓没有回头箭。不干则已，要干就干出个样子——我豁出去了！”

不会就学，不耻下问。金茹取来一台废旧电磁搅拌器，予以层层解剖，同时办了借书证，经常到国家图书馆查阅资料。短短一个月时间，就把电磁搅拌器的基本构造和工作原理搞清楚了。

做钢液模需要用伍德合金，金茹给北京市所有的有色单位打了一遍电话，最后终于在北苑的一家有色稀土研究所找到了这种合金。试验中，所需许多部件为非标件，只能请老师傅拿出所有的经验手工操作，费时又费力，反复不断。那年9月最后一天，下午两点多钟，金茹还在一家机械厂盯着自己的部件，而下午4点多钟她就要登上前往东北的火车。不是出差，更不是去旅行，而是去办自己人生中最重要的一件事：与相恋多年的另一半完婚。

好在苍天怜人，那个部件终于在登车时间秒针逼人的时刻加工完毕。

金茹在婆家只待了4天，就行色匆匆地返回单位。

当年12月份的一天，院领导看过金茹的试验后大加表扬，不料，前脚刚走，熔化的伍德合金在结晶器中进行搅拌时又出问题了：合金从结晶器底部泄露。

金茹被这一难题困扰了很长时间，查阅了大量资料，请教了很多专家，才最终查出了原因。后改用其它材料替代，问题才得以而解。

历经风霜千般苦，终得腊梅放清香。

2002年9月，金茹课题组负责的“首钢连铸结晶器电磁搅拌技术的开发与应用”这个项目该项目通过了北京市科技成果鉴定，并获得了冶金科学技术三等奖，北京市科学技术三等奖。

该项目让首钢的结晶器电磁搅拌系统形成了产品设计、制造、检测、试验、应用的一体化体系，开创了具有自主知识产权的电磁搅拌技术，打破了国外对电磁搅拌技术的垄断。该项目的总体水平达到了国际先进水平，其工业化生产应用，极大地提高了连铸坯的质量，年经济效益达到733.71万元。目前，此项研究成果已经成功地应用在首钢第三炼钢厂、第二炼钢厂和西宁特钢厂，初步完成了技术的产业化和推广应用。

困难如山，一山一处风景

刚刚完成连铸结晶器电磁搅拌项目之后，金茹接着转向与之相连带的凝固末端电磁搅拌技术的研究。这是生产高质量产品，尤其是高碳钢和合金钢必不可少的技术手段。金茹为此下足了功夫，绞尽了脑汁。她在制定了正确的技术开发路线之后，在制作第一套凝固末端电磁搅拌系统时，又遇到了很多预想不到的困难。

困难折磨人哪，金茹常常为此食不甘味、夜不能寐，常常带着黑眼圈去上班。但她也始终坚信这样一个道理，困难再多也是有限的，解决一个就少一个，只要抱有蚂蚁啃骨头的精神，就能看到最后的胜利。

几个月后，这套崭新的凝固末端电磁搅拌系统终于诞生了！

安装时，金茹自始至终待在现场，48小时没合眼。回到院里，碰到她的人都笑了。以往，她属于爱美又时尚的年轻女性，此时却是头发凌乱、满手油垢，脸上也是黑一道、白一道的，自己却浑然不觉。

2003—2004年，经国家标准委员会批准，金茹负责起草了“连铸电磁搅拌器行业标准”。金茹通过对电磁搅拌器的解体剖析和试验，对结构设计、技术条件等进行了消化，对方坯连铸电磁搅拌器的技术指标、试验方法、检验规则、运行环境条件等做出了明确的规定。

该标准的水平接近国际水平，填补了国内相关标准的空白，促进了产品的市场化竞争，有利于界定生产单位与使用单位的责任权限。该行业标准的出台，无论从安全、技术进步、占有市场、加快与国际同类产品标准接轨的角度，还是从促进民族工业的成熟发展看，都具有十分重要的意义。

2003年，她还参加了全国劳动技能鉴定连铸工种的试题编审，分别完成了初、中、高级的试题编写。

莫道困难如山路难行，登顶回首均是好风景。

2000年—2004年，作为主要参加人完成了“小方坯高效曲面结晶器的开发与应用”项目。该项目致力于高效铸机对结晶器的要求，根据结晶器内铸坯的凝固收缩特点，研制出了满足高效铸机的抛物线连续曲面结晶器。该结晶器具有适用寿命长，铸坯质量优良的特点，其生产应用在两年内产生了3206万元的经济效益。该项目通过了北京市科技成果鉴定，获得了首钢科学技术二等奖，北京科学技术三等奖。开发的结晶器在生产中应用后，金茹又搜集整理了5年的生产数据，分析了高效曲面结晶器的应用状况及存在的问题，不断地优化加工制造工艺。该项目已在首钢、抚顺钢厂和湘钢等钢厂推广应用。

从试验室到进入现场试验，金茹一样要面对许多全新的问题。这就是，如何与现场人员打交道。由于走出校门时间不长，没有与工人们打交道的经验，不和谐的事情时有发生，她甚至还为此哭过鼻子。但工作不能不做，她也只好耐着性子、硬着头皮慢慢积累经验。

渐渐，她悟出这样一个道理：不管与哪些人打交道，首先要态度诚恳、平易近人和尊重对方，最好的表情是发自内心的微笑。常言“铁金刚不打笑脸客”，何况都是本公司的员工。就这样，金茹很快和现场工人打成了一片，每次配合都默契有加，气氛也是相当的欢快、融洽。

青春无悔，永远开拓不息

进入2005年以来，金茹在由工艺技术研究转向产品开发的工作中，十分注重不断加强专业技术的学习和不断扩大技术领域，以充分适应新的工作要求。

在首钢对外搭建的三个合作研究平台中，金茹在东北大学——首钢宽厚板联合研发平台中承担了重要的任务，主要负责七个高等级宽厚板产品的实验室研究工作，重点负责大型石油储备罐用高强度钢板和塑料模具钢板的研发。

结合首秦的工装设备特点及产品的性能要求，在产品的前期调研、成分设计及实验方案的设计中，遵循低成本、高效益、简洁生产的原则，优化产品的成份设计和生产工艺路线，在试验室摸索了产品的成份和生产工艺。

作为平台的对外联系负责人，她及时地将双方研究人员的意见进行反馈交流，协调平台的工作计划与试验研究工作，2006年顺利地开展了小炉冶炼、小轧机试验、热模拟试验、热处理试验等工作。

为了高效细致的开展试验，最大程度地服务于首秦的生产条件，她每月定期对试验研究工作进行技术总结，及时发现试验研究中出现的问题并给与纠正，使研发中心的各项科研课题都完成了预定的计划与目标。

为了保证首秦4300mm宽厚板生产线的顺利稳产，金茹深入首秦生产、建设现场，系统分析了4300mm轧机生产线工装设备的特点、能力，通过计算车间的钢铁物流走向，分析了4300mm生产线钢铁物流的瓶颈因素。同时调研分析了国内外同类先进企业的生产装备配置特点，编写了“首秦4300mm宽厚板生产线工装设备及主要开发产品的分析报告”，提出了需要改进的措施。

为了推进首钢产业结构的调整，金茹对国内外宽厚板生产企业的产品结构、生产技术等进行了调研分析，提出了首钢三条中厚板生产线的产品分工定位，出色地完成了公司关于“提升首钢中厚板竞争力”的工作任务。

作为首钢专业技术带头人，金茹还继续担任首钢高级技师的培养和职业技能鉴定工作，不断为首钢三地建设培养优秀的基层专业能手。

金茹和丈夫在上大学时就确定了恋爱关系，2000年研究生毕业后，俩人又同工作于首钢技术研究院工作。2001年秋天，俩人走进了婚姻的殿堂。婚后，金茹和丈夫商量先不要孩子，等专心工作几年、事业有了一定基础再作考虑。

“好！我们就先拼几年事业，到那时，我们的孩子在娘胎里也会因袭父母的创业精神。”丈夫完全赞同金茹的建议，还经常鼓励妻子去做新时期的优秀女性，在追求家庭和谐进步的同时，还要学会独立和注重自我价值的实现。对爱自己、更懂自己的丈夫，金茹永远心存感激。她常常以为，这是上苍厚待一个“事业狂”女子，才赐给她这样一位坚强而宽厚的男人。她为此感到幸福而知足……

2003年，金茹怀孕了。可自2000年接过“连铸结晶器电磁搅拌技术的开发与应用”这个项目后，设计、试验任务不断，时间紧迫又都是环环相扣，她始终难有喘息的机会。一天，她正在医院做检查，安装现场来电话了。是设备在调试中出现的新问题，非她解决不可。当时金茹已经怀孕六七个月了，但她首先想到的不是自己，而是如何保质保量地完成公司交给的任务。她经过紧张思考拿出应对方案后，就立即在电话中“遥控指挥”，对每个细节的安排都是详尽之至。问题得到解决之后，她仍不放心，第二天一大早就直奔那里。

在休产假的那几个月，金茹也没闲着。她让丈夫负责进行职业技能鉴定的培训，回家后再讲给她听。随后，她白天在家边看孩子、边出题，晚上再由丈夫接着出。根据课题的进展情况，她还要对所有的课题报告和试验方案进行一次次修改。经过炎热的夏天，俩人终于完成了首钢技能鉴定的试题库的编写。

为了全身心地投入工作，金茹在产假结束之前，就把远在东北的公公婆婆接到了北京，让刚刚离休的两位老人照顾孩子。

金茹对疼爱自己的公公婆婆充满感激，无论自己取得多大的成绩，都与他们的帮助与呵护紧密相联。

2007年，金茹被首钢派往英国伯明翰大学深造。

伯明翰大学材料系世界有名，这次深造让金茹的知识上升到一个更高的层面。归国后，金茹致力于首钢中厚板基地的科研发展。

“科学技术的竞争，在某种意义上讲，其实就是产品高附加值的竞争和企业品质的竞争。面对市场挑战，也更需要每位员工的积极开拓和无私奉献。我知道，自己只是首钢平凡普通的一朵钢花，但我力争让自己的生命沸腾起来，燃烧起来，成为首钢科学发展洪流中的推动力量！”

7年前，金茹寻梦首钢；今日，金茹与首钢一起寻梦!

作者：路长青

试验平台结构设计论文 篇3：

基于PLC的果蔬气调保鲜环境自动调控系统的设计

摘要：通过搭建气调保鲜试验平台，以SIMENS S7-300为主控制器设计了基于PLC（可编程逻辑控制器）的果蔬气调保鲜环境自动调控系统，提出了基于低温保护优先的控制策略，采用双限值的控制方法，实现了对气调保鲜环境的自动控制。以脐橙为试验物料，开展液氮充注气调保鲜试验。结果表明，系统工作稳定性良好，综合实现了数据采集、滤波、计算、控制、反馈、人机对话和实时监测等功能。研究结果为开发液氮充注气调保鲜运输装备提供了参考依据。

关键词：PLC（可编程逻辑控制器）；气调保鲜；调控系统；试验

气调保鲜是现阶段较为先进的一种食品保鲜方法，满足消费者对食品安全和品质的严格要求，气调保鲜环境自动调控系统是气调保鲜技术的核心，直接影响保鲜环境的调控质量[1-8]。以往气调保鲜系统多采用单片机作为控制系统核心，实现自动控制、气调参数实时测控和远程无线监控等功能[9-12]。由于更多的电子设备和计算机通信技术在气调保鲜运输上的普遍应用，对控制系统可靠性、抗干扰能力、远程通信技术等提出了新的要求。单片机系统成本低，但抗干扰能力较差、系统运行不够稳定、远程通信复杂等特点给气调保鲜运输系统的研究和应用带来不便[13-16]。可编程控制器具有可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、通用性强、使用方便等特点，已经在工程自动化控制领域得到广泛应用[17]。本研究结合国内果蔬保鲜运输现状和特点，设计了基于PLC（可编程逻辑控制器）的气调保鲜环境自动调控系统，为进一步气调保鲜运输研究提供了试验控制平台。

1 果蔬气调保鲜环境自动调控系统的设计

气调保鲜环境自动调控系统应能实时采集厢体内温度、湿度、气体（氧气和二氧化碳）体积分数等参数，并能与预先设定的对应参数进行对比，继而实现厢体内温度、湿度和气体成分实时综合调节的控制目标。对气调保鲜环境自动调控系统的要求包括：（1）为防止液氮充注对货物造成低温冻伤，控制系统应基于低温保护优先；（2）系统能快速调节厢体内环境参数；（3）系统能完成规定的检测、控制、反馈和显示功能；（4）降低系统能耗，起到节能的效果。PLC是逻辑控制的理想控制器，它以高可靠性、逻辑功能强大、体积小、可在线修改程序、易于与计算机接口、能对模拟量进行控制等特点已广泛应用于各种工业生产的自动化控制领域[18]。因此，设计了基于PLC的气调保鲜环境自动调控系统。

1.1 系统整体结构设计

控制系统由PLC主控制器、液氮充注系统、制冷系统、加湿系统、风速控制机构和通风控制机构等组成（图1）。PLC主控制器负责通过处理温度传感器、湿度传感器、氧气传感器和二氧化碳传感器的信息，根据当前厢体内的温度值、湿度值、氧气和二氧化碳浓度值作出控制决策。液氮充注系统通过自增压液氮罐充氮电磁阀控制液氮的出口流量，使液氮流经汽化盘管在厢体内达到加速汽化的效果，从而实现厢体内的快速降氧；制冷系统采用机械制冷机组实现制冷；加湿系统采用超声波加湿方式，通过超声波雾化头（12个）的振荡作用，将部分液态水变成细小水滴通过加湿装置的水雾槽送进保鲜区内实现加湿的效果；风机控制系统通过变频器改变离心风机的工作频率，从而达到风速变频调节的目的；通风控制系统通过进气电磁阀和排气电磁阀控制厢体内的进气和排气，达到气体交换的目的。

液氮充注系统、制冷系统、加湿系统、风机控制系统和通风控制系统都是由PLC主控制器集中控制，通过传感器组进行反馈监控。控制系统的人机交互界面由触摸屏（HMI）构成，并通过MPI线与PLC进行通信，实时监控厢体内温度、湿度、氧气体积分数和二氧化碳体积分数等参数。无纸记录仪记录各传感器的监测值，并与PC机实现试验数据的实时传送和存储。气调保鲜环境自动调控平台见图2。

1.2 设备选型

主控制器设计采用SIMATIC S7-300可编程控制器，是德国西门子公司针对中低性能要求设计的模块化中小型PLC，最多可扩展32个模块。S7-300的CPU单元采用CPU314，装配有微处理器、扩展存储器和多点接口MPI。微处理器每条二进制指令执行时间约100 ns，每条浮点数运行指令约3 μs；微存储卡作为程序的装载存储器；内置MPI接口可以最多同时建立12个与S7-300/400或与PG、PC、OP的连接。

果蔬气调保鲜环境自动调控系统需完成以下任务：（1）通过PLC与触摸屏（HMI）通信，决策当前设定的系统参数；（2）采集温度、濕度、氧气和二氧化碳传感器数据；（3）计算出充氮电磁阀、制冷机组、超声波加湿装置、进气电磁阀、排气电磁阀、变频器频率等控制状态；（4）接受温度、湿度、氧气和二氧化碳传感器的反馈信息，调整控制量；（5）保持相关数据，如遇系统故障，发出警报信号。

主控制器系统由电源模块（PS300）、主机模块（CPU314）、模拟量输入模块（SM331）、数字量输入输出模块（SM323）和触摸屏（HMI）等组成，控制系统主控制器硬件配置见表1。

控制系统的硬件配置还包括温度传感器、湿度传感器、氧气传感器、二氧化碳传感器等反馈装置和自增压液氮罐、充氮电磁阀、制冷机组、超声波加湿装置、进气电磁阀、排气电磁阀、变频器、离心风机等执行设备。控制系统主要设备的硬件配置见表2。

2 控制策略

主控制器功能主要在定时器中断服务程序中实现，定时器中断服务程序流程见图3。STEP7提供了一个以固定间隔循环运行（定时中断）的组织块OB35，用于实现控制系统的定时中断服务。系统工作周期T（采样周期）设定为100 ms，控制量刷新周期为800 ms（8×T）。这样设定目的在于对传感器采样的数据进行8次平均值滤波处理。主程序完成程序初始化后，每次定时中断服务程序（周期T）均读取厢体内传感器的数据，判断控制量刷新周期是否已到，若未到则结束，否则进行控制量计算，刷新控制量输出并保存当前相关数据。

为防止货物低温冻害，在气调环境调控过程中，厢体内的温度值设定为控制系统的最优先控制因素，采用基于低温保护优先的双限值控制策略。当开孔隔板处温度传感器接收到实际温度值低于温度设定极限值时，关闭液氮充注系统和制冷系统，直至隔板处温度值高于温度设定极限值+2 ℃或当厢体后部温度传感器接收到的实际温度值低于温度设定下限值时，关闭液氮充注系统和制冷系统，直至厢体后部温度值高于温度设定下限值+2 ℃，以免造成厢体内温度过低。

在人机交互界面上设定参数控制的上限值、下限值和极限值。结合项目经验，控制系统流程分为首次降氧和非首次降氧阶段。系统处于首次降氧时，为缩短气调环境调控时间，根据初始温度值条件，计算液氮充注和制冷之间的耦合关系，实现降氧和降温的综合控制。根据预试验，液氮充注使厢体内氧气浓度从21%降至氧气设定下限值的过程，环境温度降低了T1；液氮充注和制冷同时开启完成降氧过程环境温度降低了T2。為防止厢体内温度低于设定下限值，当初始环境温度与温度设定下限值之差T-T0≤T1时，只开启液氮充注；当T-T0≥ T2时，同时开启液氮充注和制冷；当T1

3 试验结果与分析

选用脐橙作为试验材料，总质量500 kg，采购自华南农业大学水果农贸市场，未经任何催熟处理，果实8成熟，大小规则，无病虫害，无机械损伤，表皮呈橘黄色。将脐橙放入冷库预冷，直至果肉平均温度达到5 ℃，装入水果塑料筐，并置于试验厢体内进行气调保鲜试验。据相关文献[19-20]，结合脐橙的气调保鲜环境参数，设定控制系统温度上限值为10 ℃，下限值为5 ℃，极限值（隔板处温度值）为-0.8 ℃；设定湿度上限值为90%，下限值为85%；设定氧气体积分数上限值为9%，下限值为6%，极限值为5%；设定二氧化碳体积分数极限值为5%。结合预试验数据分析，首次充氮或制冷阶段，变频器设定频率为42 Hz；环境微调阶段，换气、制冷、加湿和气调过程变频器设定频率依次为31.5、21.0、10.5、10.5 Hz；执行设备不工作时，变频器设定频率为0 Hz。设定T0为5 ℃，T1为3 ℃，T2为12 ℃，S=34-（T-8）/0.2813。将设定值通过人际交互界面上载至PLC主控制器，启动控制系统，进行参数调控试验，验证系统工作稳定性。气调保鲜环境参数调控曲线见图6。

从图6可以看出，在持续4 d的试验数据中，厢体内温度、湿度、氧气体积分数和二氧化碳体积分数均控制在设定值范围内，控制系统工作稳定可靠，具备良好的人机交互。其中氧气体积分数调控实现了快速降氧的目标，气调过程工作平稳；湿度控制存在一定的超调现象，原因是湿度控制具有明显的滞后性，充氮和降温过程对湿度存在一定的影响。试验过程系统的能耗为10.66 kW·h，消耗液氮量14.6 kg。

4 结论

以SIMENS S7-300为主控制器设计了基于PLC的气调保鲜环境自动调控系统，搭建了该控制系统下的试验平台，控制策略采用基于低温保护优先的双限值自动控制方法，试验结果表明，系统工作稳定性良好，参数控制平稳；控制系统实现了数据采集、滤波、计算、控制、反馈、人机对话和实时监测等功能；系统能耗较低，节能效果明显。

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作者：王广海　吕恩利　陆华忠等