以太網技術在盾構機數據控制系統中的應用

奚淵峰（上海城建隧道裝備有限公司，上海 200032）

隨著城市地下空間的不斷被利用，盾構機在城市內的隧道掘進施工越來越復雜，對于盾構機的監控要求不斷提高，同時以太網和信息技術（Internet Technology，簡稱 IT）正逐漸成為當今自動化技術中使用的既定標準。將信息技術集成到盾構機的自動化系統中，可以在盾構機的自動化系統、結構擴展、診斷可能性以及系統范圍的服務功能之間提供更好的通信選項[1]。工業以太網以及基于其開發的工業控制總線（如 Modbus TCP/IP、PROFINET、Ethernet/IP等）具有應用廣泛、技術成熟、通信速率高、資源共享能力強、可持續發展潛力大等優勢，具有實時性高、可靠性、安全性和數據完整性好等優點。

上海市域機場聯絡線盾構機的數據控制系統網絡采用了以工業以太網為主干的新型監控網絡設計。盾構機的數據控制系統網絡基于以太網的物理層、數據鏈路層、網絡層及傳輸層構建，分為監控層及控制層兩部分：監控層（盾構數據網絡）采用了基于以太網通訊標準的工業以太網結構，使得盾構機能夠將其各類傳感器數據通過以太網協議方便的接入整個數據監控網絡，以實現盾構機數據系統的數字化應用；控制層（盾構控制網絡）則使用基于以太網的 PROFINET 工業控制總線技術，使得盾構機能通過其技術實現控制系統對盾構機設備的快速、精確控制，此外上海市域機場聯絡線盾構機的數據控制網絡基于以太網會話層、表示層及應用層構建了盾構機的智能網絡管理層，以實現盾構機的 Internet網絡遠程監控、智能管理系統、云計算等功能，如圖 1 所示。

圖1 盾構機網絡結構

1 以太網技術在盾構機控制系統中的應用

上海市域機場聯絡線盾構機的控制系統運用了PROFINET 總線技術，PROFINET總線技術是由 PROFIBUS國際組織推出的新一代基于工業以太網技術的自動化總線標準，PROFINET 技術作為目前工業 4.0 自動化技術的通信主干，由于其開放式的體系結構，使得所有基于以太網的IT功能都完全可用。除了實現對設備的開放式訪問，PROFINET總線技術還能實現其他標準（如 OPC UA）的輕松集成[2]。PROFINET 網絡由于引入了以太網技術，因此其網絡拓撲結構比起其他總線技術也將更加靈活，其除了總線拓撲結構外，還支持星型、樹形和環形拓撲結構[3]。對于設備及系統技術人員 PROFINET 總線技術能降低設備的設計、安裝、調試成本，其系統具有高可用性、易于擴展、維護要求低等優點[4]。

PROFINET 系統（圖 2）包括至少一個 IO 控制器、一個或多個 IO 設備、連接用于安裝、調試或者排除故障的 IO 監控器設備。PROFINET總線技術遵循生產者/消費者模型進行數據交換，IO 控制器和 IO 設備都會自發地獨立發送循環數據[5]。

圖2 PROFINET 系統的通信路徑

IO 控制器：通常為運行自動化程序的可編程邏輯控制器（PLC）。IO 控制器是其配置的 IO 設備輸出數據的提供者以及輸入數據的使用者。

IO 設備：通過 PROFINET 總線連接到一個或多個 IO 控制器的分布式 IO現場設備。IO 設備是輸入數據的提供者，也是 IO 控制器輸出數據的使用者。

IO 監控器：通常為調試或診斷用的編程設備（PG）、電腦（PC）或人機界面（HMI）。

1.1 PLC 通過 PROFINET 網絡直連控制盾構機設備

PROFINET 的等時實時通道（IRT）技術，采用帶寬預留，嚴格定義傳輸路徑，精確對時等技術使得盾構機可編程邏輯控制器（PLC）能通過以太網直連控制盾構機設備，實現盾構機部分設備（推進千斤頂、變頻器等）的等時實時控制需求，其反應時間 ＜1 ms。

上海市域機場聯絡線盾構機創新性地使用了推拼同步技術，為了滿足推拼同步施工技術中對盾構機每個推進千斤頂行程、速度實時監視及控制的需要，因此需要采用 PLC 直連控制盾構機推進千斤頂設備。選型采用了巴魯夫第七代磁致伸縮位移傳感器 BTL7-V50T 作為千斤頂行程傳感器，數據通信格式為帶正負號的 32 位實數，傳感器行程分辨率精度為 1 μm，速度分辨率精度為 0.1 mm/s。

鑒于推進千斤頂行程傳感器的安裝方式（安裝于千斤頂內部）以及在施工時盾構機機頭內部的惡劣環境，如果在施工過程中發生行程傳感器損壞的情況，維修、更換千斤頂行程傳感器的工作將非常困難。為了避免因其中一個傳感器損壞導致整個行程傳感器網絡癱瘓，應放棄通過總線型拓撲結構來連接千斤頂行程傳感器，以保證千斤頂行程傳感器數據傳輸的穩定性和獨立性。

經過穩定性與經濟性的綜合考慮，盾構機推進千斤頂傳感器網絡采用樹形與星型拓撲結構相結合的方式，將多個工業交換機串聯后連接盾構機 PLC 的 PROFINET 通訊模塊組成主干網絡（樹形結構），傳感器根據推進千斤頂分區各自通過網線連接工業交換機接入網絡（星型結構）。對設備進行組態，設置設備名稱（Devicename）、IP 地址、測量范圍、測量分辨率精度、數據輸出精度等參數。根據設備數據報文信息及組態后配置的數據寄存器地址信息編寫 PLC 控制程序，實現對推進千斤頂的精確控制。

1.2 PLC 通過PROFINET網絡連接 IO 設備站控制盾構機

相比驅動變頻器等設備的工作要求，盾構機部分設備（輔助系統等）根據需求可采用 PROFINET 等時通道（RT）技術，通過縮減通信棧占用的運行時間、優化報文的轉發方式，提高過程數據刷新速率、傳輸速率，以便實現設備的實時通信，盾構機 PLC 通過以太網連接 IO 設備站控制盾構機設備，其反應時間＜10 ms。

因此，綜合考慮后上海市域機場聯絡線盾構機輔助系統采用 PLC 通過PROFINET 網絡連接分布式 IO 設備的連接方式。設備的安裝環境具備快速檢修、更換的條件，網絡結構采用星型與總線型拓撲結構結合的方式，盾構機 PLC 的PROFINET 通訊模塊及部分 IO 設備站通過連接工業交換機接入網絡（星型結構），IO 設備站根據各自的輔助功能及在盾構機車架上的位置通過網線進行串聯（總線型結構）。對輔助系統的分布式 IO 設備站進行組態，設置分布式 IO 設備站的設備名稱（Devicename）、IP 地址、輸入、輸出、模擬量、開關量信號配置，編寫 PLC 控制程序對盾構機輔助系統進行監視、控制。

1.3 PLC 通過工業以太網連接人機控制界面 HMI

為了對盾構機的設備進行控制，人機控制界面 HMI 必不可少。傳統一般依賴控制按鈕和指示燈作為操作的顯示終端，隨著工業以太網的興起，基于以太網與盾構機 PLC 通信的工業觸摸屏應運而生，它可以用來控制設備、設置參數、顯示數據、監控設備狀態。具有界面豐富、操作靈活、功能強大、通訊接口簡單統一、傳輸速率快、穩定性高等優點。觸摸屏與 PLC 的以太網通訊設置、面板上的操作和顯示內容皆可通過軟件編程來進行實現、編輯。

2 以太網技術在盾構機數據系統中的應用

2.1 盾構機數據采集系統

上海市域機場聯絡線盾構機數據采集系統具有數據采集、顯示、存儲和分析等功能，是在施工過程中十分重要的管理工具。隨著盾構機電子技術的發展，計算機信息化技術在盾構機中運用得越來越廣泛，盾構數據監控系統對于隧道施工和工程信息化、數字化管理變得越來越重要。數據采集系統通過工業以太網與盾構機 PLC 設備進行通信，實現盾構機數據交互功能，同時也能通過互聯網將盾構機采集到的數據傳輸至遠程數據中心方便對盾構機施工的管理。

2.2 盾構機導向系統

近些年盾構機導向系統已實現自動化導向，取代了傳統人工測量，實現了盾構施工導向精度高、速度快、性能穩定、實時自動導向的需求，同時也能避免盾構掘進嚴重偏離的重大工程事故，滿足現代工程建設快速發展的要求。上海市域機場聯絡線自動化導向系統使用工業計算機搭配控制軟件作為系統核心對盾構機的姿態測量設備進行自動控制、計算，并通過以太網絡與盾構機 PLC 通訊，互相傳輸盾構機推進參數。導向系統軟件編程則采用面向對象程序設計，使得操作界面友好，測量操作和使用辦公軟件一樣簡單。該系統具有操作簡單、方便、易于維護等特點。

2.3 數字化視頻系統

盾構機在地下施工推進時，管理者不僅依賴數據及導向系統，視頻監控系統也是施工工作中重要的組成部分。舊有盾構機的視頻監控系統往往采用模擬視頻設備：模擬攝像機通過同軸電纜向地下視頻監控設備（硬盤錄像機）傳輸模擬信號，在向地上遠距離傳輸時必須額外設備對模擬信號進行轉碼并通過 SHDSL 來向地上的實際監控設備傳輸視頻數據。因模擬設備的技術限制導致該系統數據傳輸帶寬較低、視頻效果不佳、抗干擾能力較弱、維護性不佳等問題。將盾構機內的視頻設備進行數字化升級能很好地解決模擬設備的問題。

新的數字化盾構視頻系統的網絡拓撲結構構建基于以太網，使用以太網來傳輸視頻數據，并利用 POE 技術免去額外的電源布線，POE (Power Over Ethernet)技術指的是采用以太網供電協議標準、利用現有的以太網布線基礎架構、并且不作任何改動的情況下，通過網線為基于 IP 的終端設備（如網絡攝像機等）提供直流供電并同時傳輸數據信號的技術。

該系統采用 POE 網絡攝像機、POE 供電交換機、網絡硬盤錄像機（也可使用 POE 網絡硬盤錄像機）等設備，利用屏蔽網線作為傳輸介質，組建以太網。POE 網絡攝像機即為可通過 POE 方式進行供電的網絡數字攝像機，將采集的視頻信號數字化編碼并通過以太網來傳輸數據。POE供電交換機的作用是實現普通交換機的數據傳輸功能同時對網絡終端進行供電。網絡硬盤錄像機通過以太網訪問、采集需要的數字視頻信號，解碼后顯示并將需要的視頻數字信號進行存儲。

同時，為了將地下視頻監控信號長距離無損地傳輸到地面控制室，采用光纖收發器將以太網使用的電信號與光纖使用的光信號進行轉換，通過光纖將地面與地下的網絡連接起來，形成一個完整的以太網。

該數字化視頻系統具有抗干擾能力強、布線方便、操作簡單、視頻效果好、成本低廉、維護簡單等優點，已經在上海市域機場聯絡線等盾構機中大量使用。圖 3 為盾構視頻網絡拓撲結構。

圖3 盾構視頻網絡拓撲結構

3 以太網在盾構機智能系統中的應用

隨著人工智能 2.0 和工業 4.0 時代的到來，智能建造理念也已進入了地下施工領域。隨著以大數據、云計算、移動互聯網等為代表的新一代信息技術的不斷滲透，相關學科已成為未來盾構機制造變革的重要引擎。盾構法施工雖有掘進速率快、施工質量高、對周邊環境干擾小、施工安全性較高等優勢，但因盾構施工地質環境和工藝流程的復雜性、精密性，對操作人員經驗和素質要求高。而施工人員素質參差不齊、施工標準不固定等原因則會造成施工不當，引起地面沉降、軸線偏離、隧道滲漏、設備非正常損壞等事故，制約著盾構機的施工效率。如何有效地避免這些問題，加快盾構施工進度，節約人力成本，提高施工智能化，是盾構行業一直關心的問題和研究探索方向。隨著新一代信息技術的發展，信息化、自動化與智能化已成為盾構施工的主要發展方向之一。現上海市域機場聯絡線盾構機已率先嘗試引入推拼同步、自動巡航等技術開始了盾構機智能化施工的探索。

4 結 語

隨著自動化技術的不斷發展以及以太網技術在現場總線技術中開始使用，代表了一個重要的發展方向，盾構機的控制系統從低速的集中式自動化系統遷移到高速的分散式自動化系統成為必然。以太網技術及其相關設備在盾構機上的不斷應用將不斷推動盾構機技術的發展，將動態管理、輔助決策、盾構機設備全生命周期管理等集于一體，更直觀、更便捷地掌握盾構機施工中的實時動態，更全面、更智能地深入分析盾構機狀態，更好、更快地推動盾構機的信息化、自動化、智能化發展進程，通過引入以太網、互聯網連接盾構機的功能數據服務器、智能管理服務器、云計算平臺等功能，通過大數據服務器、云計算平臺等信息技術建立盾構機自動化控制模型，探索實現盾構機智能化施工輔助決策、施工工藝操作指導、推拼同步控制、自動巡航、自動拼裝、自動化推進等功能，使得盾構機的技術發展更能滿足如今日益增長的控制需求。