基于純壓式灌漿的壓力控制系統設計

馮思維，于 軍，張建敏

（江漢大學，武漢 430056）

0 引言

地下水和滲漏水是影響工程使用效果、壽命以及隧道安全的主要因素之一［1］。為了避免地鐵隧道被地下水侵蝕，減少周圍土層結構的沉降，增強隧道整體結構的結構耐久性與穩定性，在地鐵隧道施工及維修過程中灌漿是必須的過程。

灌漿工藝可以調節地質結構，增強地層的強度，實現防水、調節地面的水平度，是地下巖土工程建設中不可或缺的一個關鍵環節［2-3］。1884年英國工程師將灌漿法引入隧道開挖工程中，灌漿理論也隨著灌漿法的發展而產生［4］。灌漿過程主要分為以下幾個步驟：鉆孔、沖孔、灌漿、收孔［5］。在灌漿過程中，某些工藝要求對灌漿壓力的控制非常嚴格，以保障地面的水平或地質結構的強度［6］。灌漿工藝分為循環式和純壓式兩種。循環式灌漿是指漿液始終保持循環，進入孔段的漿液一部分進入地層裂隙擴散，余下漿液返回地面可重復使用；純壓式灌漿是漿液向地層裂隙擴散，人為控制不讓漿液返回［7］。循環式灌漿多使用閥控，多用于水利工程中；純壓式灌漿多使用泵控，適用于大裂隙、大滲透量的地層，多用于微擾動灌漿、地鐵隧道維修中［8］。

本系統應用對象為地鐵隧道維修，以純壓式灌漿為主要研究對象［9］，使用泵控無回漿結構。針對此應用場景設計專用控制器，并對控制算法進行優化，設計出一款更加穩定的灌漿壓力控制系統。

1 總體方案

純壓式灌漿壓力控制系統使用單片機控制變頻器，變頻器輸出頻率量控制泵的轉速，進而控制管道內水泥漿液的流量，間接控制管道內的壓力。系統主要結構如圖1 所示。

圖1 壓力控制灌漿系統總體結構

微控制器是整個控制系統的核心，完成變頻器的控制量輸出，壓力信號的采集，控制算法的運行。本系統選用STM32F103RCT6 單片機，具有小尺寸、高性能、外部接口豐富等特點［10-11］。控制器與上位機使用CAN 通信，CAN總線通信成本低、實時處理能力強、在強電磁干擾環境下工作可靠［12-14］。系統使用變頻器對電機進行控制，采用轉速控制模式，直接控制灌漿流量，間接控制灌漿壓力。人機交互界面由西門子HMI屏幕和面板按鈕組成，方便現場工人進行控制。

2 硬件設計與選型

硬件部分主要包括主控制板、變頻器、人機交互界面、上位機。其中以主控制板作為核心，變頻器為執行器件，對被控對象進行控制。

2.1 主控制板

主控板上需要有的各個模塊，主要是圍繞著單片機小系統電路、電源電路、通信電路（CAN 和RS485）、開關量輸入輸出電路、A／D、D／A 電路。如圖2 所示。主控制板上有兩個串口通信電路，分別與HMI設備和變頻器通信，使用RS485 串行總線標準；一個CAN 通道，與上位機進行通信；8 個24 V開關量輸入和8 個24 V開關量輸出，用來檢測面板上各按鈕狀態、控制繼電器和指示燈；8 個A／D采樣通道，采集壓力傳感器信號，壓力傳感器產生的4 ～20 mA 信號通過信號隔離器變為0 ～5 V 的電壓信號輸入單片機。

圖2 主控電路板模塊

2.2 關鍵器件選型

變頻器型號為臺達變頻高性能電流矢量型變頻器G500型，額定輸出功率為15 kW。單片機通過串口與變頻器通信，使用Modbus RTU 協議，單片機為主機，變頻器為從機。單片機向變頻器發送控制命令和數據讀取命令。選用速度控制模式。

西門子Smart 700 觸摸屏是一種廣泛應用于工業現場人機交互的屏幕系統。HMI 屏幕型號為西門子SMART LINE 700 IE。單片機與屏幕通過串口通信，使用Modbus RTU協議，HMI設備為主機，單片機為從機。HMI 設備輪詢發送讀取數據命令和控制命令，周期為1 s。屏幕上可以顯示實時灌漿壓力、灌漿流量、工作時間、變頻器的頻率等關鍵數據；同時可以由人工設定需要的灌漿壓力或者選擇自動灌漿模式，以便現場工人可以實時控制。

上位機為PC設備，使用LabVIEW 軟件作為開發工具。在PC機上實時顯示各種信息。LabVIEW 使用圖形化編程語言編寫程序，操作方便靈活，程序移植性強［15］。利用CAN 通信實現與上位機通信，可以實現調試功能以及灌漿數據收集的功能。主要信息：流量（由轉速和排量換算）；壓力（由壓力傳感器直接采集）；吃漿量（實時估計產生）；流體總剛度；變頻器控制量；工作階段中的設定壓力和實際壓力差。提供以上信息進行后續處理和算法優化。

主控板電路部分依據系統要求進行硬件設計，主要是對壓力信號、面板開關信號的采集，對變頻器控制量的輸出。變頻器采用轉速控制模式，控制管道內流量進而控制管道內壓力。人機界面上顯示各種關鍵參數，輸入設定值。上位機接收存儲相關數據進行后期分析，方便調試。

3 軟件與算法設計

軟件部分包括硬件驅動程序和控制算法程序。由于地鐵灌漿施工過程中，地層中的裂縫逐漸被水泥漿液填滿，地層的吸漿性在不停地變化，對控制穩定性產生影響，于是決定定義參考剛度來描述與估計地層的吸漿性。

3.1 參考剛度

根據實際過程中參數變化，轉換為兩個參數：參考剛度Kα和壓力誤差E。通過這兩個參數因素，調節PID參數，再將當前的PID參數引入PID算法，得到控制量。參考剛度Kα定義如下：

式中：P為管道中的實際壓力；Q 為變頻器當前輸出的頻率值。

參考剛度Kα的物理意義為水泥漿在地下的滲透能力，在一定壓力下，地層裂隙越大，則水泥漿越容易滲透，流量越大，參考剛度Kα越小。在灌漿過程中，地層裂隙被逐漸填滿，水泥漿滲透能力減弱，Kα逐漸增大。在程序運行中，流量值無法直接得到，由于使用泵控，則變頻器輸出的頻率值和管道內流量成正比，則參考剛度可等價于壓力和變頻器頻率之比，如式（2）所示。

式中：Pfreq為變頻器實時輸出頻率，由變頻器通過串口發送給單片機。

通過參考剛度可以估計水泥漿的滲透能力，修正控制參數。

3.2 變結構PID的實現

在程序運行時，由壓力傳感器采集數據，得到此時壓力值，并與上一次壓力值進行比較，得到偏差E，由壓力值和輸出變頻器頻率得出參考剛度Kα，根據兩者大小選擇PID參數，將偏差E輸入增量式PID 公式，得出控制量，發送給變頻器運行。控制算法流程如圖3 所示。與傳統PID的不同之處：根據參考剛度Kα和壓力誤差E自適應地選擇不同的PID 參數，使整個控制結構成為變結構PID控制。通過對自適應算法的引入，克服了灌漿過程中參數變化帶來的影響，可以改善控制效果。

圖3 核心控制算法流程

4 調試過程及結果

將該灌漿壓力控制系統拿到現場進行調試。調試過程中發現，壓力值上下波動非常厲害，使得壓力控制非常困難。在控制程序中加上濾波程序后，壓力波動幅度仍然較大，濾波效果不明顯。

4.1 調試過程

經分析可知，由于灌漿系統中，泵的類型為柱塞泵，壓力會周期性上下波動。項目的實際要求：壓力最大值不要超過其設定值，以防止因壓力過大導致地層斷裂、抬動和變形等。結合實際要求，決定將控制重點放在控制壓力最大值。

為了簡化程序，系統增加了一個行程開關。當柱塞泵向外推到接近最外端時，觸發行程開關，行程開關發出一個低電平信號給單片機，此時單片機開始采集壓力值。即通過行程開關的運動狀況采集系統需要的最大壓力值，大大簡化了數據處理要求。將壓力傳感器和行程開關連上示波器觀察可知：柱塞泵在柱塞的一次往返運動中，壓力會有一高一低兩個峰值，其中更高的峰值為柱塞往外推到極限時對應的壓力值；在行程開關觸發時，正好可以采集到壓力最大峰值。

4.2 控制效果對比

灌漿壓力的控制要求是管道內壓力值盡可能地接近設定壓力值，但不能超過設定壓力值。在灌漿進行過程中，地層的吸漿性會越來越差。現場測試時，分別使用傳統PID 控制與變結構PID控制，將單片機采集到的壓力值描點繪圖，如圖4所示，此時設定壓力值為350 kPa。圖中橙色線為傳統PID控制，藍色線為變結構PID控制。從圖中可以看出，在灌漿進行一段時間之后，傳統PID 控制的灌漿壓力便會出現失控情況，最高壓力超過設定壓力，不符合設計性能要求；變結構PID控制的灌漿壓力可以一直穩定在設定壓力之內，穩定性更好。通過增加行程開關和使用變結構PID控制，控制效果有顯著提升，壓力相較于改進之前更加穩定，能更好地滿足設計需求。現場測試，壓力0.5 MPa以下時，誤差小于0.05 MPa；壓力0.5 ～1 MPa時，誤差小于0.1 MPa；壓力1 MPa 以上時，誤差小于0.15 MPa。性能指標滿足設計要求。

圖4 傳統PID控制與變結構PID控制效果對比

5 結束語

本文基于純壓式灌漿設計了一款地鐵隧道灌漿壓力控制系統，該系統主要功能：動態檢測灌漿壓力并對其進行實時控制，顯示灌漿關鍵參數并記錄存儲和上位機記錄調試功能。硬件部分使用單片機作為主控，西門子HMI設備為人機交互單元，PC 機作為上位機，使用變頻器速度控制模式直接控制管道內流量，間接控制管道內壓力。算法部分在傳統PID控制的基礎上定義引入參考剛度Kα，根據偏差E和Kα的大小選擇不同的PID控制參數，實現變結構PID控制。相比于傳統PID控制，提高了控制精度，減少了壓力波動，解決了傳統PID控制精度較差、穩定性較弱的問題。解決了壓力灌漿過程中由于地層吸漿性和水泥滲透性變差引起的灌漿壓力不穩定問題，在灌漿進行的過程以及不同地質條件下均能穩定控制灌漿壓力，將誤差穩定在設定值之內，達到實際項目中工程控制要求。