大直徑泥水盾構試驗臺的控制系統設計

馮培培，卜壯志

(中鐵隧道裝備制造有限公司，鄭州 450000)

0 引言

隨著地下空間建設的蓬勃發展，出現了越來越多的公路過海、過江隧道建設工程［1］，相應的工程機械設備——大直徑泥水盾構應運而生。目前，大直徑泥水盾構的設計制造主要集中在英國、日本、法國等少數幾個國家，我國對泥水盾構的研究還處于摸索階段［2］。文獻［3-4］僅針對盾構采購用戶的選型問題，介紹大直徑泥水盾構的泥漿循環系統、泥水處理系統、運輸系統等輔助系統的工作原理及泥水盾構主機推進速度與泥漿系統能力的匹配關系，文獻［5-6］介紹了海瑞克和NFM的泥水盾構的改造工作。從以上文獻資料可以看出，近年來盾構行業技術人員所作的工作一直都缺少對大直徑泥水盾構關鍵控制技術的研究;為此，2010年，中國中鐵股份公司成立了“大直徑泥水盾構控制系統的消化吸收與設計”科研項目，并由中鐵裝備制造公司承擔該項目的實施。本文重點介紹項目實施過程中盾構機主要系統的控制設計方案與功能實現過程。

1 控制系統設計方案

考慮到直接聯機試驗帶來的安全風險，同時為避免大直徑泥水盾構控制系統的研發與盾構產品生產調試之間的矛盾，以盾構控制系統檢測試驗臺［7-8］為載體，借用其機械結構及液壓部件，重新設計PLC控制系統和上位機監控系統，最后進行試驗。控制系統的設計工作主要實現以下幾個系統功能:刀盤驅動系統、推進系統和泥水輸送系統。

1.1 刀盤驅動系統

目前常用的刀盤驅動方式有3種:變頻電機驅動、定速電機驅動和液壓驅動。根據變頻電機驅動的技術優勢(如調速范圍寬、調速精度高、動態響應快、運行效率高、功率因數高、操作方便且便于維護等)，最終采用變頻電機驅動方式。選擇行星齒輪減速機，其優點是結構緊湊、回程間隙小、精度較高、使用壽命長、額定輸出扭矩大且可反向傳動。刀盤驅動系統設計為5臺15kW電機驅動，采用5臺變頻器按照“一拖一”的方式驅動。PLC通過總線方式實現對變頻器［9］的控制。刀盤驅動電機布局如圖1所示。

圖1 刀盤驅動電機布局圖Fig.1 Layout of cutterhead driving motors

1.2 推進系統

推進系統采用液壓驅動，推進泵為15 kW電機。共12根推進油缸，按照“2-3-4-3”(分別對應A，B，C，D分區油缸數量)方式分布為4個區，實現分區控制和單獨控制，從而模擬盾構機掘進過程中的推進工作模式和管片安裝工作模式。PLC對推進系統的控制是通過與分布式I/O站點之間的通信實現的。推進油缸的分區如圖2所示。

圖2 推進油缸布置圖Fig.2 Layout of thrust cylinders

1.3 泥水輸送系統

泥水輸送系統是泥水盾構機整個控制系統中的重要部分，其通過送漿和排漿把刀盤切削下來的黏土等輸送到地面上的泥水分離站。根據不同工況要求，泥水輸送系統在以下幾種工作模式之間切換:開挖模式、旁通模式和隔離模式。泥水輸送系統的設計為1臺7.5 kW的送漿泵，1臺7.5 kW的排漿泵和1臺7.5 kW的變頻器驅動。速度調節方式采用無級調速模式。

1.4 PLC控制系統

PLC控制系統的設計包括硬件設計和軟件設計。硬件采用模塊化設計，根據系統功能需求對施耐德PLC進行選型和模塊配置，PLC與外圍設備之間通過現場總線的方式進行數據交換，可極大地提高數據運行效率并充分發揮PLC的邏輯功能與通信功能;軟件方面，在施耐德PL7 Pro+ibus編程環境下進行程序設計，包括PLC的硬件組態、變量聲明、Profibus總線組態、通信程序和邏輯控制程序等。

1.5 加載系統

為了在試驗中更加真實地反映盾構機掘進工況，采用實物加載來仿真驗證所設計的大直徑泥水盾構控制系統能否滿足要求。刀盤驅動系統是在刀盤前部設置一個增速器帶動小排量液壓馬達對刀盤扭矩加載;推進系統是在盾殼后部設置幾根油缸對盾殼拖拉實現加載，拖拉油缸的布置采用內置式。

2 控制系統的實施過程

2.1 系統硬件組成

原有盾構試驗臺的控制系統選用的是西門子S7-400 PLC，主機架下擴展2個擴展機架，主機架通過Profibus總線與ET200M的分布式I/O之間連接［10］。

在本項目中，將使用施耐德Premium系列PLC作為主控單元。CPU型號選擇TSX P57353AM，配置1個標準主機架，安裝以太網模塊、Profibus DP總線模塊、模擬量輸入/輸出模塊和數字量輸入/輸出模塊等。以太網模塊應用于PLC與上位機之間的通信，Profibus DP總線模塊應用于PLC與分布式I/O、PLC與變頻器之間的通信。系統設計在利用原西門子分布式I/O的基礎上，增加了倍福分布式I/O的應用，通過Profibus總線充分發揮分布式I/O站的分散優勢，實現分散式控制。選用倍福的分布式I/O是因其具有兼容性好、使用簡單方便、體積小、性價比高等優點，可以將其布置在體積較小的電控柜中，便于安裝在盾體內，用于刀盤本地控制、推進閥組的控制輸出以及刀盤轉速等信息的采集。原有的3個西門子分布式I/O的分配:1個用于推進系統的本地控制，2個分別用于泥水輸送系統的進漿泵和排漿泵的控制，并采集進漿/排漿的流量、壓力等信息。刀盤變頻驅動系統的變頻器選用帶Profibus通信卡的施耐德ATV71系列，此系列變頻器是高性能磁通矢量控制變頻器，擁有良好的低頻特性，可以很好地滿足盾構刀盤啟動對低頻區的要求，根據刀盤電機實際情況選擇變頻器功率為15 kW。泥水輸送系統的變頻器仍然利用原有的安川7.5 kW變頻器，通過西門子ET200M對變頻器進行端子控制。

圖3反映了施耐德PLC通過Profibus總線與變頻器、分布式I/O之間通信的硬件系統組成情況。從圖中可以看出，本系統與原系統相比雖然都采用分布式I/O控制方案，但存在以下區別:1)選用了施耐德PLC，但是為了有效利用原系統資源就采用了第三方現場總線協議Profibus DP，擴大了施耐德PLC的兼容性;2)增加了高性價比的倍福分布式I/O的應用，考慮到行業發展的經濟效益，該技術將會應用到泥水盾構的樣機制造中。

圖3 硬件系統圖Fig.3 Hardware system

2.2 控制系統的程序設計與功能實現

PLC對盾構刀盤驅動的控制是通過總線對變頻器相關參數進行讀寫實現的。一是讀取變頻器狀態字ETA，判斷變頻器故障、報警、準備好等狀態，讀取變頻器的實際輸出頻率、電流、扭矩等參數信息;二是向變頻器發送命令字CMD，控制變頻器的啟動、停車、正/反轉、故障復位等動作，向變頻器發送頻率設定值、扭矩限幅等參數設定值。由于PLC與變頻器之間經Profibus總線進行數據交換，因此，在程序設計時需要進行PLC的硬件組態(導入GSD文件)和軟件組態(分配變頻器輸入/輸出參數的尋址地址)。根據刀盤在實際施工中的要求，該部分程序主要設計了刀盤電機的啟動預選、刀盤無級調速、刀盤正/反轉、刀盤同步扭矩保護、變頻器的故障報警、變頻器復位、刀盤轉速以及變頻器輸出頻率、電流、功率等的信號采集。為了保證刀盤變頻驅動控制系統的同步性能，必須對變頻器參數進行合理設置。本系統主要針對變頻器滑差控制模式(自適應方式)來設置參數，包括電機的額定電壓、額定電流、額定轉速、額定功率、扭矩限幅、電流限幅、通訊字等。

PLC對推進系統和對泥水輸送系統的控制都是通過總線與分布式I/O站進行數據交換實現的。首先，基于I/O站點的類型進行總線組態，包括硬件組態(導入GSD文件)和軟件組態(I/O站點的變量地址分配);然后，根據系統功能要求，PLC按照規定的尋址方式對分布式I/O站點進行相關操作，編寫邏輯控制程序和數據處理程序。推進系統的程序設計分2個方面:1)盾構機在掘進模式下12組油缸的同伸、油缸壓力調節、油缸速度調節、油缸伸出位移和壓力的采集，并計算推進速度;2)盾構機在管片安裝模式下推進油缸的選擇(單獨控制)、伸出/收回、油缸位移和壓力等信息的采集。泥水輸送系統根據實際施工情況，設計了3種工作模式:1)當盾構機正常掘進時，泥水輸送系統工作在開挖模式，此時打開前盾開挖室的進漿閥和排漿閥，并根據氣倉內泥漿高程、壓力及所要求的排渣流量，調整進漿泵和排漿泵的轉速進行泥水循環;2)當盾構機停止掘進執行其他功能時(如安裝管片襯砌環時，切換泥水系統到旁通模式，又稱待機模式)，此時開挖室的進/排漿閥關閉，并打開旁通閥，將開挖室隔離，隧道內各泥漿泵根據泵的超載壓力和所要求的排渣流量來控制轉速保持泥水循環;3)當盾構機停止掘進并進行泥漿管道延長時，需要將泥水系統切換到隔離模式(又稱管路延伸模式)，此時要關閉開挖室和隧道內的所有泥漿閥，打開隔離閥，使隧道里的泥漿管道系統與地面泥水分離系統處于完全隔離的狀態，但此時設在地面的泥水分離站和泥漿制備站之間的回路仍保持連通。PLC程序除了在以上3種工作模式之間切換以外，還需采集泥漿輸送回路的流量、壓力、泵站壓力、泵站轉速、泥水倉的液位、壓力等信息，通過對這些信息的監控了解泥水輸送系統的工作狀況，從而采取相應操作。

控制程序是在施耐德PL7 Profibus軟件中編寫的。按照系統功能，進行模塊化設計，實現單元級控制;按照任務優先級，將功能邏輯控制、數據運算等放在主任務中執行，將Profibus總線數據交換放在快速任務中執行，保證時效性。

2.3 試驗驗證

試驗條件:通過空氣壓力平衡系統(是獨立于PLC系統之外的一套自動控制系統)調節泥水倉壓力為300 kPa，泥水輸送系統選擇掘進模式，同時推進系統也選擇掘進模式，比例溢流閥給定50%。在此實驗條件下所得的試驗數據見表1，通過實驗數據，表明大直徑泥水盾構試驗臺的各項檢測數據均符合控制要求，能夠仿真泥水盾構的實際工況。

另外根據刀盤主驅動的5臺變頻器輸出扭矩值，繪制成如圖4所示的曲線圖。從中可以看出，每臺電機輸出扭矩基本相同，刀盤驅動電機同步性能良好。

3 結論與討論

以盾構控制系統檢測試驗臺為依托，通過實物仿真建立大直徑泥水盾構的控制系統，經試驗得到的各項監控數據均滿足控制精度要求。

通過本文內容可以了解大直徑泥水盾構主要系統的工作原理、控制邏輯和操作流程，對其有一定的初步認識，為后續研究奠定了一定基礎。當然，本項目仍存在以下問題:

1)本文僅對泥水盾構的3個主要系統進行了設計并試驗，缺少破碎機、注漿、水循環等輔助系統的研究設計。

2)受試驗條件限制，在程序設計時缺少相關聯鎖條件，如液壓油箱液位、油溫、EP2油脂泵狀態、HBW油脂泵狀態、水箱液位等條件信息。

3)后續工作需要完善整套控制系統。

表1 試驗數據Table 1 Test data

圖4 刀盤主驅動變頻器的輸出扭矩Fig.4 Output torque of frequency converter of main drive of cutterhead

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