可視化附著式振搗器控制系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用

(中國水利水電第七工程局有限公司，成都，610213)

1 概述

近年來，國內(nèi)地鐵建設(shè)項(xiàng)目高速發(fā)展，盾構(gòu)法施工中的主要部件地鐵盾構(gòu)管片的質(zhì)量直接關(guān)乎地鐵隧道實(shí)體質(zhì)量。在盾構(gòu)管片生產(chǎn)中，混凝土振搗工序是管片生產(chǎn)中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到盾構(gòu)管片的密實(shí)度、平整度、氣泡現(xiàn)象等實(shí)體和外觀質(zhì)量，因而控制盾構(gòu)管片混凝土振搗質(zhì)量至關(guān)重要。

在管片施工領(lǐng)域，大多數(shù)盾構(gòu)管片混凝土澆搗工藝采用附著式振搗器進(jìn)行振搗。傳統(tǒng)的附著式振搗方式多采用氣動(dòng)回路直接驅(qū)動(dòng)附著式振搗器實(shí)現(xiàn)混凝土振搗，該方式施工粗放，勞動(dòng)強(qiáng)度高，振搗頻率、振搗時(shí)間、氣動(dòng)壓力、振幅等參數(shù)無法監(jiān)測(cè)，混凝土振搗過程不可控，容易產(chǎn)生過振、欠振現(xiàn)象并引起管片表面氣泡、空洞、蜂窩、麻面等質(zhì)量問題。工人的熟練程度和責(zé)任心直接影響混凝土振搗質(zhì)量，難以保證盾構(gòu)管片混凝土施工質(zhì)量。

在中電建成都混凝土制品有限公司新津管片廠建設(shè)時(shí)，筆者所在的科研團(tuán)隊(duì)為摒棄傳統(tǒng)附著式振搗器施工粗放，勞動(dòng)強(qiáng)度高，振搗頻率、振搗時(shí)間、氣動(dòng)壓力、振幅等參數(shù)無法監(jiān)測(cè)，混凝土振搗過程不可控等缺點(diǎn)，自主研發(fā)了一種可視化附著式振搗器控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了振搗頻率、振搗時(shí)間、振幅和氣動(dòng)壓力等參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和程序化控制，有效避免了過振、欠振現(xiàn)象，消除了盾構(gòu)管片氣泡、空洞、蜂窩、麻面等混凝土質(zhì)量問題，確保了盾構(gòu)管片混凝土施工質(zhì)量。

2 控制系統(tǒng)原理

可視化附著式振搗器控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)氣壓調(diào)節(jié)閥精確控制氣動(dòng)壓力，通過調(diào)節(jié)電磁閥開度大小來精確控制振搗頻率，并通過PLC中央處理單元精確控制振搗時(shí)間。控制系統(tǒng)上位機(jī)采用工業(yè)組態(tài)軟件進(jìn)行畫面組態(tài)，通過PROFINET通訊協(xié)議與PLC中央處理單元連接，從而在上位機(jī)上實(shí)現(xiàn)振搗頻率、振搗時(shí)間、振幅和氣動(dòng)壓力等參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和程序化控制。可視化附著式振搗控制系統(tǒng)模塊見圖1，原理見圖2。

圖1 可視化附著式振搗控制系統(tǒng)系統(tǒng)模塊示意

圖2 可視化附著式振搗器控制系統(tǒng)原理框

3 控制系統(tǒng)動(dòng)作流程

附著式振搗器控制系統(tǒng)啟動(dòng)后，上位機(jī)將預(yù)設(shè)的氣動(dòng)壓力、振搗時(shí)間、振搗頻率等參數(shù)值，通過通訊模塊傳輸至PLC中央處理單元，PLC中央控制單元通過輸出模塊D/A轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)氣壓調(diào)節(jié)和電磁閥動(dòng)作，附著式振搗器開始工作，并按照振搗程序預(yù)設(shè)優(yōu)先進(jìn)入弱振階段，弱振結(jié)束后進(jìn)入強(qiáng)振階段。振搗過程中，壓力傳感器、頻率傳感器和位移傳感器將檢測(cè)到的氣動(dòng)壓力、振搗頻率、振幅等數(shù)據(jù)通過輸入模塊A/D轉(zhuǎn)換傳輸至PLC中央處理單元，PLC中央處理單元將各實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)參數(shù)通過通訊模塊傳輸至上位機(jī)顯示，并對(duì)各參數(shù)的預(yù)設(shè)值和實(shí)際值進(jìn)行比較運(yùn)算，若氣動(dòng)壓力的實(shí)際檢測(cè)值與預(yù)設(shè)值有偏差，則調(diào)整氣壓調(diào)節(jié)閥大小來調(diào)整氣動(dòng)壓力；若振搗頻率的實(shí)際檢測(cè)值與預(yù)設(shè)值有偏差，則調(diào)節(jié)電磁閥開度大小來調(diào)整通氣量，以達(dá)到控制振搗頻率的目的。當(dāng)弱振時(shí)間計(jì)時(shí)達(dá)到預(yù)設(shè)值，則進(jìn)入強(qiáng)振階段，當(dāng)強(qiáng)振時(shí)間計(jì)時(shí)達(dá)到預(yù)設(shè)值，強(qiáng)振結(jié)束，整個(gè)控制系統(tǒng)工作完成。可視化附著式振搗器控制系統(tǒng)動(dòng)作流程見圖3。

圖3 可視化附著式振搗器控制系統(tǒng)動(dòng)作流程

步驟1：系統(tǒng)通電后，配電柜開始為PLC中央處理單元、輸入模塊、輸出模塊、上位機(jī)、傳感器、控制按鈕、信號(hào)指示燈等進(jìn)行供電。切換按鈕“自動(dòng)/手動(dòng)”，若為“自動(dòng)”狀態(tài)，則系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)模式，反之，進(jìn)入手動(dòng)操作模式。

步驟2：系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)模式后，上位機(jī)設(shè)置氣動(dòng)壓力、振搗頻率、振搗時(shí)間等參數(shù)預(yù)設(shè)值，并將參數(shù)傳輸至PLC中央處理單元。

步驟3：點(diǎn)擊“啟動(dòng)”按鈕，系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)行模式。

步驟4：空壓機(jī)首先啟動(dòng)運(yùn)行，空壓機(jī)產(chǎn)生氣體，氣體經(jīng)壓力罐中間壓縮后通過管路進(jìn)入氣壓調(diào)節(jié)閥，然后進(jìn)入分氣缸，氣體經(jīng)分氣缸分成各支路后，經(jīng)管路傳輸至電磁閥，并進(jìn)入附著式振搗器，并驅(qū)動(dòng)振搗器振搗。

步驟5：系統(tǒng)開始進(jìn)入弱振階段，“弱振指示燈”亮，同時(shí)弱振開始計(jì)時(shí)，當(dāng)弱振時(shí)間達(dá)到預(yù)設(shè)值，弱振結(jié)束，“弱振指示燈”熄滅；系統(tǒng)依次進(jìn)入強(qiáng)振階段，“強(qiáng)振指示燈”亮，強(qiáng)振開始計(jì)時(shí)，當(dāng)強(qiáng)振時(shí)間達(dá)到預(yù)設(shè)值，強(qiáng)振結(jié)束，“強(qiáng)振指示燈”熄滅，“振搗完成指示燈”亮。

步驟6：振搗過程中，位移傳感器、頻率傳感器、壓力傳感器將實(shí)時(shí)檢測(cè)的數(shù)據(jù)經(jīng)輸入模塊傳輸至PLC中央處理單元。上位機(jī)通過PROFINET通訊協(xié)議與PLC中央處理單元連接，實(shí)時(shí)監(jiān)控振搗頻率、振幅、氣動(dòng)壓力、振搗時(shí)間等參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)人機(jī)間的數(shù)據(jù)交互。

步驟7：振搗過程中，頻率傳感器將實(shí)時(shí)檢測(cè)的振搗頻率經(jīng)輸入模塊傳輸至PLC中央處理單元，PLC中央處理單元對(duì)檢測(cè)頻率進(jìn)行處理，若頻率檢測(cè)值等于其預(yù)設(shè)值，則保持電磁閥開度大小穩(wěn)定不變；若頻率檢測(cè)值大于其預(yù)設(shè)值，則調(diào)小電磁閥開度，以降低振搗頻率；若頻率檢測(cè)值小于其預(yù)設(shè)值，則調(diào)大電磁閥開度，以提高振搗頻率。

步驟8：振搗過程中，壓力傳感器將實(shí)時(shí)檢測(cè)的氣動(dòng)壓力經(jīng)輸入模塊傳輸至PLC中央處理單元，PLC中央處理單元對(duì)檢測(cè)的氣動(dòng)壓力進(jìn)行處理，若氣動(dòng)壓力檢測(cè)值等于其預(yù)設(shè)值，則保持氣壓調(diào)節(jié)閥開度大小穩(wěn)定不變；若實(shí)際壓力檢測(cè)值大于其預(yù)設(shè)值，則調(diào)小氣壓調(diào)節(jié)閥開度，以降低氣動(dòng)壓力；若實(shí)際壓力檢測(cè)值小于其預(yù)設(shè)值，則調(diào)大氣壓調(diào)節(jié)閥開度，以提高氣動(dòng)壓力。

步驟9：振搗過程中若點(diǎn)擊“停止”按鈕，則系

統(tǒng)停止振搗。振搗時(shí)若遇到緊急情況，點(diǎn)擊“緊急停止”按鈕，控制系統(tǒng)立即停止運(yùn)轉(zhuǎn)，振搗瞬間停止，以確保人員設(shè)備安全。

步驟10：振搗過程自動(dòng)結(jié)束。

4 工程應(yīng)用實(shí)例

中電建成都混凝土制品有限公司新津管片廠主要有兩條生產(chǎn)線，2+5管片生產(chǎn)線及其控制系統(tǒng)全部由廠家設(shè)計(jì)完成，另一條2+4管片生產(chǎn)線機(jī)械部分由廠家提供，生產(chǎn)線電氣及控制系統(tǒng)全部由我們自主研發(fā)，并將可視化附著式振搗器控制系統(tǒng)嵌入其中。通過生產(chǎn)運(yùn)行實(shí)際證明，由廠家設(shè)計(jì)的2+5管片生產(chǎn)線2條作業(yè)線同時(shí)施工生產(chǎn)節(jié)拍為6min，而我們自主設(shè)計(jì)的2+4管片生產(chǎn)線，由于采用了彈性可調(diào)節(jié)的可視化智能控制系統(tǒng)，優(yōu)化了生產(chǎn)流程、振搗與養(yǎng)護(hù)參數(shù)，在2條作業(yè)線同時(shí)投入使用、交替作業(yè)時(shí)，生產(chǎn)節(jié)拍可控制在5min(即單片管片施工等效節(jié)拍時(shí)間為5min)，較廠家設(shè)計(jì)生產(chǎn)線節(jié)拍少1min，月產(chǎn)量較廠家生產(chǎn)線多生產(chǎn)約134環(huán)管片。在理論每月滿負(fù)荷生產(chǎn)情況下，理論上年度可多生產(chǎn)管片1608環(huán)，生產(chǎn)效率提高16.6%。按3萬元/單環(huán)計(jì)算，每年可產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益約4824萬元。

5 結(jié)語

通過新津管片廠生產(chǎn)實(shí)踐證明，可視化附著式振搗器控制系統(tǒng)摒棄了傳統(tǒng)附著式振搗器施工粗放，勞動(dòng)強(qiáng)度高，振搗頻率、振搗時(shí)間、氣動(dòng)壓力、振幅等參數(shù)無法監(jiān)測(cè)，混凝土振搗過程不可控等缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了振搗頻率、振搗時(shí)間、振幅和氣動(dòng)壓力等參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和程序化控制，有效避免了過振、欠振現(xiàn)象，消除了盾構(gòu)管片氣泡、空洞、蜂窩、麻面等混凝土質(zhì)量問題，確保了盾構(gòu)管片混凝土施工質(zhì)量。通過在新津管片廠的應(yīng)用，有力地提高了盾構(gòu)管片生產(chǎn)質(zhì)量和效率，確保了成都軌道交通18號(hào)線盾構(gòu)管片的生產(chǎn)供應(yīng)任務(wù)，滿足了盾構(gòu)隧道的施工進(jìn)度和成型質(zhì)量要求，為成都軌道交通18號(hào)線盾構(gòu)施工提供了強(qiáng)有力的后盾。