淺談頂管機電控系統設計

余用木

(廈門海投房地產有限公司，福建 廈門 361026)

1 控制系統設計

傳統的頂管控制屏普遍采用指示燈、按鈕開關、儀表盤組成，功能簡單，不能實現復雜的控制，已滿足不了當下施工的需要。隨著自動化技術的發展，越來越多控制設備逐步采用PLC技術。頂管的控制及數據采集可以由1個或多個PLC完成。使用1個PLC的技術即集中控制方式，PLC安裝在一控制柜中，通過多芯信號控制線連接各設備單元如果控制單元數量較多，則相應的線路也要增加，設備布置分散就會使走線復雜，不便于維護，故障率也會增加，可靠性相對較差。使用多個獨立的PLC，分別控制各系統設備運行，各自為政，相互獨立不便于聯動。這兩類方式都不大適用于本系統，如何才能實現既能分散控制，又能互相聯動?

為此，在本工程中引入了網絡型的分布式I/O控制方式。以PLC為控制核心，采用主從式、分布式結構，遵循“集中監測、分散控制”的原則，將集中控制和分散控制相結合，數據計算與邏輯控制用集中控制方式，輸入輸出則分散處理，這樣既保證了數據處理的完整性、統一性，實現了設備的聯動控制，又避免了控制中心過于龐大、連接電纜過多的弊端，從而提高了系統的可靠性和穩定性。

2 硬件設計

硬件設計首要是安全，要防短路，另外還需要考慮抗干擾設計，如隔離、屏蔽和布線等。目前市場上PLC產品眾多，為了保證整個系統的穩定性，本系統采用三菱PLC。

依據本頂管機的工藝流程和復雜程度進行估算，輸入輸出點數統計如表1所示。另外還需要PID控制、網絡傳輸等功能，屬于中等規模的系統，三菱FX2N系列PLC就能滿足該控制要求。由此選定主站PLC∶FX2N－80MR+FX2N－32CCL+FX2N－48ER+2×FX2N－5A+FX2N－8AD:從站 PLC∶FX2N－48MR+2×FX2N－16EYR;主從站各配置一通訊模塊FX2NC－485ADP，之間采用三菱M∶N網絡，通過RS－485通訊連接，實現軟元件相互鏈接的功能;主站還通過RS－232C端口連接1個GT11系列人機界面(HMI)，與開關按鈕、指示燈等構成下位機:其中FX2N－32CCL為上位機通訊功能預留了拓展模塊，2個5A模塊中一個用于變頻調速，另外一個備用。主站設在控制臺4中，從站設在低壓柜1/2中，之間只需采用1根二芯屏蔽雙絞線連接，配線簡單。

表1 輸入輸出點示意

3 軟件設計

在硬件設計的同時，還要進行軟件設計開發工作。軟件設計的主要任務是按照控制要求將工藝流程轉換為程序語言，即PLC梯形圖，并將所有相關數據及狀態信息以直觀的方式一一呈現給用戶，即界面程序。程序的編制有一定的難度，存在諸多技術問題，比方說聯鎖保護、故障診斷等。

3.1 各模塊介紹

為了解決這類問題，將PLC程序按模塊化進行開發。把一個總的控制目標程序分成多個子任務程序，分別編寫調試，最后合并組成一個完整的程序。因為各功能模塊相對獨立，所以程序易于調試修改，邏輯關系簡單明了，易于理解。分部分項完成各子系統的控制要求，然后根據各設備間的邏輯關系，可以很方便地建立相應的聯鎖保護，從而降低誤操作的概率，減少故障的發生，保障設備人身安全。按照本頂管機的功能特性，將其分成刀盤、出土、項進、糾偏和輔助5個子系統，功能劃分清晰，標識明顯，便于操作:還有為了快速排障，設計了故障報警與數據預警功能。

(1)刀盤模塊:負責刀盤電機的啟動以及正反轉動作，對刀盤油壓進行監測，一旦大于上限值，自動停止轉動;刀盤未轉動的情況下禁止系統頂進，防止悶頂造成土體隆起。

(2)出土模塊:負責整個出土系統，包含變頻器、螺旋機、攪拌泵、閘門以及進排泥泵的啟停控制，實時監測土倉內的壓力值，通過PID變頻調節螺旋機轉速，實現挖掘面土體的壓力平衡，提升施工效率。

(3)項進模塊:后座主頂及任意指定的多個中繼環的聯動控制，根據控制要求或操作指令，手動或自動操作中繼環以及后座頂進，提高施工效率。

(4)糾偏模塊:負責主副糾偏，共計8組油缸的伸縮動作，同時監測其油壓和行程，并加以限位保護，防止偏離設計路徑。

(5)輔助模塊:配套設備包含加水泵、冷卻泵、潤滑泵、空壓機等設備的啟停控制，并監測潤滑系統是否堵塞，保證設備正常運行。

(6)故障診斷模塊:對重要的運行部件進行實時數據監控，超出設定范圍時進行預警提示;實時監視所有配套設備的運行情況，一旦發生跳閘或過電流等故障時發出報警指令，實現快速排障，保證了設備人身安全。

3.2 技術難題的克服

軟件編制過程中克服了不少技術難題，尤其是土倉壓力與螺旋機轉速、頂進系統之間的聯動，潤滑系統與刀盤、刀盤轉動與頂進、油壓等各類動作的聯鎖保護。充分考慮到設備的故障誤動作和人工誤操作的各種可能性，對應設計了故障診斷機制和各類動作的聯鎖保護，并對一些重要的運行數據進行限位保護，以避免各類故障隱患的發生，從而保證設備人身安全，提高系統穩定性和可靠性。

本工程中最為關鍵的就是土倉壓力與螺旋機轉速、頂進系統之間的聯動。頂管前端刀盤旋轉掘削地層土體，切削下來的土體進入土艙，當土體充滿土艙時，其被動土壓與掘削面上的土、水壓基本相同，故掘削面實現土壓平衡(即穩定)，并由螺旋輸送機的轉速或閘門開度來控制出土量，以確保掘削面穩定。當出現壓力過大或過小等失穩現象時就會引起地表隆起或沉降，輕則影響工程質量，重則造成設備人身安全事故。

因此要嚴格控制土艙壓力在某一區間范圍內，這里設計有2個聯鎖，若超出范圍則發出聲光報警并做出相應處理。若減慢或加速螺旋機還仍無法達到平衡的，壓力過小時系統將會自動停止螺旋機出土，直至壓力上升到平衡區間內方可再次出土，直至壓力過大時將會自動停止頂進系統，直至壓力降到平衡區間內方可頂進。

3.3 HMI人機界面

除了PLC程序的設計外，另外還有人機界面HMI程序的設計，有主監控、狀態、設置和報警4個畫面。

通過主監控畫面可以監視整個項管機系統的運行狀況:狀態畫面則可以詳細地看到各子系統、電機或泵的具體工作狀態;設置畫面對一些重要的數據參數設置初始值、上下限位，起到預警作用:報警畫面可以查閱到當前及歷史報警信息，供施工人員快速排障。

該HMI與控制面板所組成的平臺是面向最終用戶的，也就是所謂的下位機。另外，該套系統開發出了上位機和遠程監視客戶端，使用戶能夠實現上、下位機以及更高層次的廠級聯網，即達成了將頂管下位機信息傳送到中控室上位機，然后再傳至項目部辦公室集中監控的目的。

4 結束語

本電控系統具有實時性快、可靠性高、穩定性好、界面直觀、簡單易用等優點，先進的分布式網絡控制架構在頂管機中的應用，實現了制造、使用、檢修和維護等環節上的便利和快捷，采用該方案是符合項管機產品特征和使用特性的，同樣也適用于盾構掘進機及相關領域。

[1]馬立明，李申山.土壓平衡式盾構PLC電氣控制系統分析[J].筑路機械與施工機械化，2009(9):65—67.