盾構(gòu)機中推進控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究

杜金峰

(中鐵十八局集團有限公司，天津 300222)

0 引言

隨著我國綜合國力的不斷提升，每年均在加大對全國公路及鐵路的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，城市的地鐵建設(shè)也成為城市發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。盾構(gòu)機作為隧道施工挖掘的重要設(shè)備，已得到了廣泛應(yīng)用[1]。但隨著自動化、智能化控制技術(shù)的不斷發(fā)展，原有的盾構(gòu)機控制系統(tǒng)及模式已無法滿足當(dāng)前盾構(gòu)機隧道開挖建設(shè)的控制需求，不斷將更加先進的控制元器件及控制技術(shù)應(yīng)用到盾構(gòu)機的推進控制中，提升盾構(gòu)機的挖掘效率及穩(wěn)定性，降低其設(shè)備的故障率，已成為當(dāng)前企業(yè)研究及改進的重要方向[2]。以廈門地鐵1號的盾構(gòu)機掘進工作為例，在該項目盾構(gòu)機的掘進過程中，由于島內(nèi)的地質(zhì)較特殊，施工過程中出現(xiàn)很多地勘未探測到的小型孤石，對施工進度和刀盤刀具造成了較大影響。經(jīng)過方案改變后，將推進系統(tǒng)的啟動條件與泡沫系統(tǒng)進行聯(lián)動，將泡沫系統(tǒng)的啟動設(shè)置作為推進系統(tǒng)啟動的必要條件，確保泡沫在刀盤轉(zhuǎn)動前噴出，對刀具起到了有效的保護作用，并降低了泡沫管端頭堵塞的頻率，給盾構(gòu)順利出洞提供了有力保障。此案例充分證明控制系統(tǒng)之間的相互聯(lián)動控制，對提高設(shè)備的掘進效率至關(guān)重要。

本文分析了盾構(gòu)機的結(jié)構(gòu)特點及工作原理，開展了盾構(gòu)機推進控制系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計及關(guān)鍵部分研究，通過對控制系統(tǒng)的現(xiàn)場測試，驗證了該系統(tǒng)的可靠性及可行性，達到了預(yù)期效果，這對提高盾構(gòu)機的綜合性能及企業(yè)的經(jīng)濟效益具有重要意義。

1 盾構(gòu)機結(jié)構(gòu)特點及推進原理分析

盾構(gòu)機作為公路或隧道施工開采的關(guān)鍵設(shè)備，集成了機械、電氣、控制、液壓、測控等多學(xué)科技術(shù)，整體復(fù)雜程度相對較高[3]。根據(jù)所開采隧道的大小，可選擇不同直徑的盾構(gòu)機。盾構(gòu)機包括手掘式、機械式、擠壓式、壓縮空氣式、土壓平衡式、泥水加壓等類型，市場上應(yīng)用較多的是土壓平衡式盾構(gòu)機。土壓平衡式盾構(gòu)機結(jié)構(gòu)主要由刀盤、刀盤驅(qū)動系統(tǒng)、盾殼、螺旋輸送機、皮帶輸送機、推動油缸、同步注漿等部分組成[4]，通過驅(qū)動系統(tǒng)帶動刀盤旋轉(zhuǎn)，以此來完成對土體的切削作業(yè)。盾構(gòu)機的工作原理為：通過刀盤系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)對土體的切削開挖，所產(chǎn)生的土渣則通過刀盤上的開口處逐步進入后端的密封艙中，螺旋輸送機由于前端侵入至密封艙底部，故所產(chǎn)生的土渣能直接掉至螺旋輸送機上，以此完成對土渣的傳送輸送[5]。土壓平衡式盾構(gòu)機的工作原理如圖1所示。

圖1 土壓平衡式盾構(gòu)機工作原理圖

2 推進控制技術(shù)總體設(shè)計

根據(jù)盾構(gòu)機的使用工況特點，開展了盾構(gòu)機推進控制系統(tǒng)的設(shè)計研究。所設(shè)計的控制系統(tǒng)主要由工控機、PLC以及各類傳感器、控制閥及控制按鈕等組成，包括壓力傳感器、速度傳感器、行程傳感器、比例調(diào)速閥、電磁換向閥組、位移傳感器、液位傳感器、溫度傳感器等。各傳感器主要負責(zé)對盾構(gòu)機中相關(guān)參數(shù)的實時數(shù)據(jù)進行采集，所采集數(shù)據(jù)類型相對較多，并能將所采集數(shù)據(jù)通過RS485接口傳輸至控制器中進行分析處理。當(dāng)盾構(gòu)機運行后，通過該控制系統(tǒng)，首先對系統(tǒng)中的各類開關(guān)控制信號進行循環(huán)掃描，之后將數(shù)據(jù)信號傳輸至PLC中，對接收數(shù)據(jù)進行A/D數(shù)字轉(zhuǎn)換、分析、運行及邏輯判斷，將判斷結(jié)果通過Profibus總線方式傳輸至上位機的工控機中進行實時顯示和控制，并調(diào)用相關(guān)子程序，執(zhí)行對盾構(gòu)機液壓系統(tǒng)的驅(qū)動控制。同時，所匹配的工控機能對盾構(gòu)機的運行情況進行參數(shù)顯示、設(shè)置及數(shù)據(jù)分析，操作人員可通過工控機來掌握盾構(gòu)機的運行情況，從而有效實現(xiàn)了對盾構(gòu)機的穩(wěn)定控制。所設(shè)計的盾構(gòu)機控制系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。

圖2 盾構(gòu)機控制系統(tǒng)總體框圖

3 推進控制系統(tǒng)關(guān)鍵部分設(shè)計

3.1 PLC選型設(shè)計

根據(jù)盾構(gòu)機的現(xiàn)場使用特點，選用了西門子S7-300PLC。該控制器主要包括機架、CPU中央處理器、模擬量輸入、IM接口模塊、RS485接口等，通過該控制器，能實時接收推進傳感器、旋轉(zhuǎn)速度傳感器、功率傳感器等儀器所檢測的相關(guān)數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行分析、運算、判斷，并將判斷結(jié)果及控制命令輸出至顯示器及執(zhí)行單元中[6]。在整套控制系統(tǒng)中，選用了PS407電源模塊給整個PLC供電；模擬量輸入模塊選用了8通道中的3個，以此完成對盾構(gòu)機中閥門、變頻器控制信號、傳感器信號等信號的檢測；數(shù)字量輸入模塊采用了9個32點，負責(zé)盾構(gòu)機中的各類按鈕信號的檢測及輸出。由此，可有效保障整個盾構(gòu)機的高效快速控制。

3.2 控制程序設(shè)計

采用STEP7軟件對整套系統(tǒng)的控制程序進行編寫。在程序編寫中，采用了LAD梯形圖方式進行編寫。整套盾構(gòu)機的控制流程如下：首先在完成推進液壓泵使能編寫后，開始液壓泵的啟停控制，在判斷盾構(gòu)機滿足推進開始條件后，開始管片的拼裝及各類閥組的控制，以實現(xiàn)液壓泵推進速度及壓力的供給；在管片拼裝時需首先將液壓缸縮回，為管片拼裝機的安裝提供安裝位置；在此控制過程中，若推進壓力不足，則需通過程序?qū)組、B組等相關(guān)控制閥的壓力進行調(diào)節(jié)，以達到最佳推進壓力值的目的；最后，通過伸出和縮回按鈕，實現(xiàn)對推進液壓泵的伸出和縮回控制。整個盾構(gòu)機控制系統(tǒng)的控制流程圖如圖3所示。

圖3 盾構(gòu)機控制系統(tǒng)控制程序流程圖

3.3 電源模塊電路設(shè)計

控制系統(tǒng)中所涉及到的用電元器件工作電壓為DC24 V、DC12 V、DC5 V等，如LPC1788供電芯片采用3.3 V，需設(shè)計專門的電源模塊將外部AC220 V電源轉(zhuǎn)為直流電源，從而為相關(guān)元器件供電。因此，設(shè)計了一套電源模塊電路，在該電路中匹配了變頻器、電阻、電容等元器件，安裝了AMS1117芯片，能將電壓轉(zhuǎn)換為5 V及3.3 V等電壓值，其中，該芯片內(nèi)部設(shè)計了限流及高溫斷路等功能，能滿足整個芯片-35 ℃～120 ℃的作業(yè)需求，電壓轉(zhuǎn)換精度達到了0.01。另外，在電路中設(shè)計了D100和D101，可用于對電流的導(dǎo)通作業(yè)，保險絲F100則可針對電路的過流現(xiàn)象啟動從而起到切斷電路的保護作用。整個電源模塊電路如圖4所示。

圖4 電源模塊電路圖

4 控制系統(tǒng)現(xiàn)場調(diào)試

在完成盾構(gòu)機推進控制系統(tǒng)的總體設(shè)計后，為驗證該系統(tǒng)的可靠性及可行性，對該系統(tǒng)進行了現(xiàn)場測試。測試中，主要對控制系統(tǒng)中的配電柜、液壓驅(qū)動系統(tǒng)、控制邏輯、刀盤驅(qū)動系統(tǒng)等進行了測試，盾構(gòu)機控制系統(tǒng)現(xiàn)場測試圖如圖5所示。在測試過程中，盾構(gòu)機通電后，各部件均可正常運行，刀盤系統(tǒng)轉(zhuǎn)動均勻且穩(wěn)定，螺旋輸送機能穩(wěn)定地將土渣輸送至外部空間。同時，基于PLC控制系統(tǒng)中的推進液壓缸控制程序、液壓缸伸縮控制程序等完全符合盾構(gòu)機的現(xiàn)場作業(yè)邏輯。工控機上也能及時地將盾構(gòu)機上的諸多檢測數(shù)據(jù)進行實時顯示，操作人員可根據(jù)顯示的狀態(tài)參數(shù)對設(shè)備進行遠程控制。據(jù)相關(guān)專家評價，該控制系統(tǒng)運行效果相比傳統(tǒng)系統(tǒng)具有更高的穩(wěn)定性及控制精度，刀盤驅(qū)動系統(tǒng)的切削效率和土渣輸送效率更高，可使整個盾構(gòu)機的運行效率提高30%以上，盾構(gòu)機的故障率降低35%以上，整體控制系統(tǒng)達到了預(yù)期效果。

圖5 盾構(gòu)機測試圖

5 結(jié)論

本文在分析盾構(gòu)機結(jié)構(gòu)特點及工作原理基礎(chǔ)上，開展了盾構(gòu)機推進控制系統(tǒng)的總體設(shè)計及關(guān)鍵部分研究，并對控制系統(tǒng)進行了測試驗證。驗證結(jié)果顯示：所設(shè)計的推進控制系統(tǒng)整體運行更加穩(wěn)定，各項檢測數(shù)據(jù)、控制邏輯、作業(yè)狀態(tài)顯示等方面均達到了現(xiàn)場運行要求，可使整個盾構(gòu)機的運行效率提高30%以上，使盾構(gòu)機的故障率降低35%以上，整體控制系統(tǒng)達到了預(yù)期效果，具有較高的實際應(yīng)用價值。