盾構(gòu)機(jī)PLC電氣控制系統(tǒng)淺析

鄭偉

摘 要：盾構(gòu)機(jī)是在隧道掘進(jìn)施工中重要的應(yīng)用設(shè)備，主要完成城市地下隧洞的施工修建任務(wù)，集機(jī)械、電氣、液壓、測(cè)控、PLC等多門學(xué)科技術(shù)于一身，具備開挖速率快及施工質(zhì)量高、人員工作強(qiáng)度低等優(yōu)點(diǎn)。盾構(gòu)機(jī)電氣設(shè)備數(shù)量多、功耗大，工作時(shí)很容易發(fā)生電氣設(shè)備損壞事故，所以要仔細(xì)分析各個(gè)設(shè)備各個(gè)部件的各個(gè)方面，以保證盾構(gòu)機(jī)電氣體系的安全、正常運(yùn)行和使用。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)機(jī);PLC電氣系統(tǒng);控制系統(tǒng);調(diào)試

目前進(jìn)行地下暗挖工作時(shí)，首要的選擇是盾構(gòu)施工法，該工法主要依賴于全機(jī)械化的施工，完成盾構(gòu)設(shè)備在地下向前推進(jìn)工作的同時(shí)，并通過盾構(gòu)的外殼及混凝土管片支撐著施工隧道四周的巖土，從而避免隧道周圍的土體呈現(xiàn)出向隧道內(nèi)坍塌的現(xiàn)象，并依附千斤頂對(duì)管片的壓力來進(jìn)行頂進(jìn)工作，從而完成裝配預(yù)制好的管片，最終形成隧道的機(jī)械化施工措施。盾構(gòu)機(jī)的機(jī)械能來源是取決于設(shè)備本身配備的電氣系統(tǒng)，如果人員操作不當(dāng)容易引起設(shè)備故障，間接導(dǎo)致設(shè)備不能正常工作，通過分析問題、解決問題和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控，對(duì)盾構(gòu)機(jī)電氣系統(tǒng)常見故障進(jìn)行說明，并提出方案，保證盾構(gòu)機(jī)正常安全使用。

1 盾構(gòu)的發(fā)展史和發(fā)展趨勢(shì)

1818年，法國(guó)的布魯諾爾（M.I.Brune1），最早提出了用盾構(gòu)法建設(shè)隧道的設(shè)想，并在英國(guó)取得了專利。1825年，他第一次在倫敦泰晤河下開始用一個(gè)斷面高6.8米、寬11.4米的矩形盾構(gòu)修建隧道，但先后兩次被淹。1843年，在后續(xù)氣壓平衡的加入下，經(jīng)過18年施工，完成了全長(zhǎng)458米的第一條盾構(gòu)法隧道。在倫敦地下隧道施工的過程中，氣壓盾構(gòu)法的施工工藝不斷的革新，使得盾構(gòu)得到了相當(dāng)程度的發(fā)展，與此同時(shí)格雷賽德還提出了在盾尾后面的襯砌外環(huán)中充填漿液加固的施工方法，為盾構(gòu)的發(fā)展起到了重大的推動(dòng)作用;20世紀(jì)初盾構(gòu)法已經(jīng)在西方發(fā)達(dá)國(guó)家普遍使用，但氣壓法對(duì)于地質(zhì)的氣密性，人員的安全性，施工效率等方面還比較落后，直到20世紀(jì)60年代日本和德國(guó)的工程師在總結(jié)以往施工經(jīng)驗(yàn)的前提下更新提高了設(shè)計(jì)模型，提出了半氣壓、泥水平衡和土壓平衡盾構(gòu)，發(fā)展并完善了相應(yīng)的施工工藝和相應(yīng)的配套設(shè)備，慢慢形成了今天的盾構(gòu)工法。1962年2月，中國(guó)上海市城建局隧道處開始塘橋試驗(yàn)隧道工程采用直徑為4.16m的一臺(tái)普通敞胸 盾構(gòu)，在兩種有代表性的地層下進(jìn)行掘進(jìn)試驗(yàn)，用降水或氣壓來穩(wěn)定粉砂層及軟粘土地層。在經(jīng)過反復(fù)的論證和地面試驗(yàn)之后，選用由螺栓連接的鋼筋混疑土管片作為隧道襯徹，環(huán)氧煤焦油作為接縫防水材料試驗(yàn)獲得成功，并采集了大量盾構(gòu)法隧道數(shù)據(jù)資料。

2 土壓平衡式盾構(gòu)PLC電氣控制系統(tǒng)

2.1推進(jìn)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制研究

在土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)中，盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)系統(tǒng)分為：刀盤系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、螺旋輸送機(jī)系統(tǒng)，這三者之間又擁有著很強(qiáng)的耦合性，要想實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)的正常掘進(jìn)工作的順利進(jìn)行，對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制進(jìn)行深入研究顯得尤為重要。隨著科技的進(jìn)步，越來越多的仿真技術(shù)被予以應(yīng)用，它提升人們科研技術(shù)的同時(shí)，大大減小了完成科研的時(shí)間，縮減了科研的成本以及風(fēng)險(xiǎn)。完成推進(jìn)系統(tǒng)液壓控制的液壓仿真工作，為后續(xù)編寫盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)PLC控制程序奠定基礎(chǔ)。為了更好的完成推進(jìn)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，而且目前投入使用的盾構(gòu)機(jī)中，主要采用的是以工控機(jī)為上位機(jī)、PLC為下位機(jī)的電氣控制系統(tǒng)。依據(jù)推進(jìn)系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的主要功能，對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)的各個(gè)輸入點(diǎn)位進(jìn)行分配。完成了推進(jìn)和管片拼裝兩種模式下，推進(jìn)系統(tǒng)的PLC控制程序的編寫，并就推進(jìn)系統(tǒng)中的主要控制部分，進(jìn)行PLC控制程序的詳細(xì)設(shè)計(jì)。將編寫完成的PLC控制程序，下載到盾構(gòu)機(jī)中，完成了實(shí)際的調(diào)試工作，達(dá)到了預(yù)期的效果。

2.2基于模糊PID的密封倉(cāng)土壓平衡控制

目前，大多數(shù)的盾構(gòu)機(jī)采用控制密封土倉(cāng)內(nèi)土壓的動(dòng)態(tài)平衡，完成對(duì)盾構(gòu)前方開挖面穩(wěn)定性的控制。土壓平衡控制方法的工作原理為：首先，設(shè)定好密封土倉(cāng)內(nèi)土壓的設(shè)定值，并檢測(cè)土壓實(shí)時(shí)值信號(hào);其次，計(jì)算土壓實(shí)時(shí)值和設(shè)定值之間的誤差;最后，依據(jù)該誤差信號(hào)，對(duì)螺旋輸送機(jī)、推進(jìn)速度進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化控制，從而實(shí)現(xiàn)密封土倉(cāng)內(nèi)壓力的穩(wěn)定。土壓實(shí)時(shí)值信號(hào)是通過安裝在密封土倉(cāng)內(nèi)的土壓計(jì)進(jìn)行檢測(cè)，土壓設(shè)定值是根據(jù)當(dāng)前盾構(gòu)機(jī)所處地層條件以及開挖狀態(tài)，經(jīng)理論計(jì)算得到。合理設(shè)置密封土倉(cāng)壓力，是盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中控制土壓的關(guān)鍵性參數(shù)。在開挖過程中，密封土倉(cāng)土壓平衡狀態(tài)必須滿足：（1）開挖過程中，開挖面上的土體既不出現(xiàn)向上隆起，也不出現(xiàn)向下塌陷的態(tài)勢(shì);（2）在施工過程中，必須保證密封艙內(nèi)的渣土具有一定的止水性、可塑性、流動(dòng)性;（3）保證經(jīng)由螺旋輸送機(jī)排出的渣土量和刀盤切削下來進(jìn)入密封土倉(cāng)的渣土量相同，從而實(shí)現(xiàn)密封土倉(cāng)的壓力動(dòng)態(tài)平衡的效果。推進(jìn)液壓缸中安裝有行程傳感器，利用該傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)推進(jìn)液壓缸的速度信息，將其與推進(jìn)速度的目標(biāo)值予以比較，與此同時(shí)，推進(jìn)油缸的速度信號(hào)會(huì) 造成密封土倉(cāng)內(nèi)的壓力發(fā)生一定程度上的波動(dòng)，設(shè)置好密封土倉(cāng)中土壓目標(biāo)值信號(hào)之后，實(shí)時(shí)檢測(cè)密封土倉(cāng)的壓力實(shí)際值，并將兩者進(jìn)行比較之后，利用調(diào)節(jié)器2中的模糊PID控制模塊運(yùn)算之后，輸出一個(gè)控制量信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換之后，去控制螺旋輸送機(jī)變量泵的輸出流量，達(dá)到改變螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速的目的，從而影響密封土倉(cāng)的排土量，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)密封土倉(cāng)內(nèi)的壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的控制。

2.3主要分為以下模塊

（1）處理器模塊：處理器作為泡沫系統(tǒng)的核心單元，主要完成對(duì)數(shù)據(jù)的采集、處理。本設(shè)計(jì)中，選用NXP的EPC1788作為核心單元，它是一款基于ARM Cortex-m的處理器，包含有內(nèi)部存儲(chǔ)器和外部存儲(chǔ)器控制器高達(dá)165個(gè)I/O管腳、一個(gè)8通道的12位ADC、5個(gè)UART、1個(gè)6輸出的通用PWM等，可以滿足本次涉及的需要。（2）電源模塊：該模塊主要完成對(duì)主控芯片LPC1788以及其他外圍芯片的供電，使各芯片可以進(jìn)行正常工作。（3）時(shí)鐘模塊：該模塊為泡沫系統(tǒng)提供精準(zhǔn)的時(shí)間信息，實(shí)現(xiàn)記錄泡沫系統(tǒng)的故障發(fā)現(xiàn)時(shí)間、數(shù)據(jù)采集時(shí)間等時(shí)間信息。同時(shí)，進(jìn)行歷史事件的查詢是以時(shí)間為基準(zhǔn)，因此，需要提供精準(zhǔn)的時(shí)間信息。（4）鍵盤顯示模塊：根據(jù)此次泡沫系統(tǒng)的需要我們?cè)O(shè)計(jì)兩個(gè)物理按鍵，分別為復(fù)位按鍵和喚醒按鍵，多個(gè)虛擬按鍵，進(jìn)行泡沫系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的設(shè)定工作。（5）I/O接口：本次泡沫系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，設(shè)有多個(gè)I/O接口，用以數(shù)據(jù)的采集以及被控制信息的輸出。（6）人機(jī)界面：本次設(shè)計(jì)的人機(jī)界面上主要完成泡沫系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的顯示、設(shè)置工作，使得人與設(shè)備之間的交互更加友好。整個(gè)控制系統(tǒng)主要分為兩大部分：硬件部分和軟件部分，硬件電路主要有：LPC1788主控器、電源電路、復(fù)位電路、被控對(duì)象、信號(hào)調(diào)理電路、反饋電路。軟件部分主要有：UC/OS‖操作系統(tǒng)的移植、任務(wù)的創(chuàng)建與調(diào)度、底層驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序的編寫。

3 結(jié)束語

盾構(gòu)機(jī)是市政工程中常見的大型專業(yè)施工設(shè)備，根據(jù)不同工程不同的地質(zhì)條件，盾構(gòu)機(jī)的設(shè)計(jì)是針對(duì)性的，因此在實(shí)踐作業(yè)中，盾構(gòu)機(jī)的使用需要根據(jù)具體施工工程進(jìn)行考慮。電氣工程系統(tǒng)可靠合理的設(shè)計(jì)及規(guī)范使用，以加強(qiáng)保障盾構(gòu)施工的安全和過程風(fēng)險(xiǎn)的防范。

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