基于PLC刀盤刀具破巖模態(tài)實驗平臺控制系統(tǒng)設(shè)計

張合沛，李鳳遠，王助鋒

(1．盾構(gòu)及掘進技術(shù)國家重點實驗室，鄭州 450001;2．中鐵隧道集團有限公司，河南洛陽 471009)

0 引言

盾構(gòu)在硬巖及復(fù)合地層掘進過程中，盤形滾刀是破巖最有效的工具之一，盤形滾刀破巖機制的研究對盾構(gòu)及掘進機關(guān)鍵參數(shù)(如推力、刀盤扭矩、刀間距等)的地層適應(yīng)性設(shè)計有非常重要的影響，對規(guī)范國內(nèi)盾構(gòu)的刀盤刀具設(shè)計具有重大意義。

根據(jù)不同巖石的物理特性，合理設(shè)計盤形滾刀的刀間距尤為重要。查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻，有一些學(xué)者或機構(gòu)進行了滾刀破巖機制方面的研究，但大部分處于初步理論模型研究階段，A．Bruland于1976年提出的NTNU理論模型，其中提及節(jié)理傾向?qū)L刀破巖速率的影響，但并沒有對破巖角進行量化研究。馬洪索等［1］介紹了節(jié)理傾向?qū)L刀破巖速率的影響，文中根據(jù)室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)重點分析節(jié)理傾向?qū)L刀破巖速率的影響，對破巖角和盤形滾刀刀間距優(yōu)化設(shè)計沒有過多的研究，在工程施工過程中更關(guān)注的是盤形滾刀的破巖速率和破巖效率，而不同巖層破巖角的合理確定則直接影響到盤形滾刀的破巖速率和破巖效率。

為了把盤形滾刀對不同巖石的刀間距優(yōu)化設(shè)計上升到參數(shù)化計算階段，本文重點介紹和分析刀盤刀具破巖模態(tài)實驗平臺的控制系統(tǒng)設(shè)計，同時針對破巖角進行數(shù)據(jù)采集、分析、處理和計算，以期為盤形滾刀刀間距優(yōu)化設(shè)計提供一種方法。

1 控制系統(tǒng)設(shè)計

該實驗平臺主要利用盤形滾刀對不同巖樣進行滾壓破巖實驗，通過數(shù)據(jù)采集分析儀器對滾壓破巖實驗過程中巖樣破裂狀態(tài)數(shù)據(jù)實時采集，然后分析、計算得到不同巖樣的破巖角、貫入度等參數(shù)。通過實驗分析，確定最優(yōu)的刀間距，為刀盤設(shè)計和刀具選型做出理論指導(dǎo)，并得出巖石破碎的有效推力，從而規(guī)范、指導(dǎo)盾構(gòu)推力參數(shù)設(shè)計。

實驗平臺借助PLC控制實驗進程、狀態(tài)參數(shù)，聲發(fā)射采集儀實時記錄滾刀破巖的聲發(fā)射信號，然后分析、計算巖樣的破巖角，得出不同巖樣在同等受力及同等巖樣在不同受力狀態(tài)下的破巖角、貫入度等參數(shù)，為以后盾構(gòu)施工過程中刀盤刀具的選型設(shè)計、施工過程控制等提供理論依據(jù)。聲發(fā)射檢測系統(tǒng)目前對巖石在外力作用下破裂狀態(tài)信息的檢測、處理、分析方面的理論和技術(shù)日趨成熟。其控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集、處理方案如圖1所示。

圖1 實驗臺控制系統(tǒng)Fig．1 Control system of test platform

2 控制系統(tǒng)分析

2．1 控制系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集、處理

對巖樣做破巖實驗的時候如何快速、可靠采集到巖樣破裂過程的狀態(tài)信息是本實驗的重難點所在。通過傳感器采集到的信息，繪出巖樣在外力作用下的破裂狀態(tài)信息圖，通過軟件近似計算出滾刀破巖角，通過破巖角、貫入度等參數(shù)來分析滾刀的破巖機制。巖樣在變形、破裂過程中會產(chǎn)生微震波信號和電荷感應(yīng)信號，同時巖石的電阻率會實時變化，巖石受外力作用過程中巖樣破裂過程的狀態(tài)信息采集可以采用如下方法進行。

1)巖石破裂過程中電阻率的變化采集。電阻率是巖石的重要電性參數(shù)，巖體的破碎程度對電阻率的影響較大。一般有裂紋的地方，電阻率會產(chǎn)生突變［2］。在巖石上鉆孔實時監(jiān)測巖石在加載應(yīng)力水平增加過程中巖石破裂狀態(tài)下的電阻率變化，不同檢測位置對應(yīng)的電阻率變化不同，由多點檢測，通過數(shù)據(jù)分析近似繪制出巖石的破裂狀態(tài)［3］。

2)巖石破裂過程中電荷感應(yīng)信號采集。巖石在變形破裂過程中產(chǎn)生電荷感應(yīng)信號，并能夠被研制的電荷傳感器檢測到;電荷感應(yīng)信號是瞬時脈沖，隨著加載應(yīng)力水平的增加，電荷感應(yīng)信號強度增強，在峰值應(yīng)力前，電荷感應(yīng)信號強度達到最大值;在破裂面接收到的電荷感應(yīng)信號較強，主破裂面接收到的信號最強，因而電荷的產(chǎn)生和巖石的破裂有很大的關(guān)系。作為正在探索的檢測巖石破壞過程的手段之一，電荷感應(yīng)方法是一種很具潛力的方法，值得深入研究。同樣，如果通過檢測巖石在加載應(yīng)力水平增加過程中感應(yīng)電荷信號，需要設(shè)置多組檢測點，根據(jù)檢測的數(shù)據(jù)利用數(shù)據(jù)分析軟件近似繪制巖石樣本的破裂狀態(tài)［4］。

3)巖石破裂過程中聲發(fā)射信號采集。聲發(fā)射(A-coustic Emission，AE)是研究脆性材料失穩(wěn)破裂演化過程的一個良好工具，因為它能連續(xù)、實時地監(jiān)測在荷載作用下脆性材料內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生和擴展，能實時檢測整個斷裂過程并實現(xiàn)對其破壞位置的定位，對斷裂信號的處理和分析就可以表征斷裂過程的開始、擴展和斷裂等不同階段，并且這是其他任何實驗方法都不具有的特點，已被廣泛應(yīng)用于研究巖石、混凝土等材料的破裂失穩(wěn)機制。目前，很多巖石力學(xué)工作者借助聲發(fā)射技術(shù)研究巖石漸進破裂失穩(wěn)過程，并已經(jīng)取得了很多研究成果［5］。

從以上分析可以看出，通過測試巖樣破裂過程中巖石電阻率變化的方法可以知道巖樣出現(xiàn)裂口，但這種檢測方法有它自身的局限性，就是需要預(yù)先知道巖樣破裂口的具體方位，需要對巖樣鉆孔處理，工序復(fù)雜、準(zhǔn)確度低;通過測試巖樣在變形破裂過程中產(chǎn)生的電荷感應(yīng)信號的方法，并能夠被研制的電荷傳感器檢測到，但該項技術(shù)還處于研究階段，目前，只有遼寧工程技術(shù)大學(xué)在做這個方面的基礎(chǔ)理論研究，開發(fā)設(shè)計出的非接觸方式、高放大倍數(shù)、高效率的電荷傳感器來檢測巖樣在外力作用下破裂過程中自電位的變化;聲發(fā)射檢測技術(shù)可以精確地檢測出巖樣的破裂狀態(tài)，并可通過分析軟件近似繪制出巖石的破裂狀態(tài)。

聲發(fā)射采集儀采用時差定位法確定微震震源位置，時差定位是通過對各個聲發(fā)射通道信號到達時間差、波速和探頭間距等參數(shù)的測量及一定的算法運算，來確定聲源的坐標(biāo)或位置。時差定位是一種精確而又復(fù)雜的定位方式，廣泛用于試樣和構(gòu)件的檢測［6］。

巖石破壞而產(chǎn)生的裂紋擴展必將產(chǎn)生一系列向四周傳播的微震波，微震波被布置在巖樣周圍的傳感器采集到。根據(jù)各傳感器采集微震波的到時差，形成一系列的方程組，求解方程組，可確定微震震源位置，進而計算出裂縫分布的方位、長度、高度等巖層參數(shù)。聲發(fā)射采集儀數(shù)據(jù)處理流程圖如圖2所示。

圖2 聲發(fā)射采集儀數(shù)據(jù)處理流程圖Fig．2 Data processing flowchart of acoustic emission and acquisition device

2．2 控制系統(tǒng)中硬件設(shè)計

實驗臺的控制系統(tǒng)由西門子S7-200 PLC和數(shù)據(jù)采集模塊組成，控制系統(tǒng)中模擬量采用高靈敏度、高精度傳感器采集并傳送至數(shù)據(jù)采集模塊處理，上傳PLC分析、處理和保存。

2．2．1 CPU 模塊

采用PLC作為實驗平臺的核心控制器，可以增強系統(tǒng)的抗干擾能力及數(shù)據(jù)的實時處理能力。S7-200系列是一種可編程序邏輯控制器(Micro PLC)，它能夠控制各種設(shè)備以滿足自動化控制需求。S7-200的用戶程序中包括了位邏輯、計數(shù)器、定時器、復(fù)雜數(shù)學(xué)運算以及與其他智能模塊通訊等指令內(nèi)容，從而使它能夠達到監(jiān)視輸入狀態(tài)、改變輸出狀態(tài)的控制目的。緊湊的結(jié)構(gòu)、靈活的配置和強大的指令集使S7-200成為各種控制應(yīng)用的理想解決方案。S7-200 CPU將微處理器、集成電源、輸入電路和輸出電路集成在一個緊湊的外殼中，從而形成了一個功能強大的Micro PLC。下載程序之后，S7-200將保留所需的邏輯，用于監(jiān)控應(yīng)用程序中的輸入輸出設(shè)備，本控制系統(tǒng)選用CPU 226［7］。PLC硬件參數(shù)介紹如表1所示。

表1 PLC硬件參數(shù)配置表Table 1 Parameters of PLC hardware

2．2．2 信號輸入輸出模塊

選用西門子S7-200配套的模擬量采集模塊，4個模擬量輸入端口，1個模擬量輸出端口模塊EM235。工作功耗為2 W，輸入電流信號范圍為0～20 mA DC，輸入電壓信號范圍為0～10 V DC。

EM235作為西門子S7-200系列PLC配套的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，為控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)實時處理提供了可靠保證。利用EM235的模擬量輸出端控制液壓泵站的比例伺服閥，根據(jù)液壓缸壓力傳感器采集的數(shù)據(jù)與上位機設(shè)定工作壓力對比，形成閉環(huán)控制，實時調(diào)節(jié)液壓泵站的比例伺服閥，實現(xiàn)實驗臺液壓缸工作壓力的精確可調(diào);利用EM235的另外一個模擬量控制變頻器，根據(jù)轉(zhuǎn)速傳感器采集的數(shù)據(jù)與設(shè)定轉(zhuǎn)速對比，形成閉環(huán)控制，實時控制變頻器，實現(xiàn)實驗臺電機轉(zhuǎn)速的精確可調(diào)，進一步提高系統(tǒng)控制精度。實驗臺控制系統(tǒng)Ⅰ/O地址配置如表2所示。

2．2．3 數(shù)據(jù)采集模塊

在做滾刀破巖實驗的時候需要實時檢測刀具對巖石樣本的作用扭矩、推進缸的工作壓力、檢測泵的出口壓力及推進油缸移動的距離，這些參數(shù)選擇傳感器進行數(shù)據(jù)采集、處理。實驗臺電機的扭矩為0～300N·m;液壓泵的出口壓力為0～30 MPa;系統(tǒng)液壓的工作壓力為0～20 MPa;刀盤刀具移動位移的測量為0～800 mm。選用進口的傳感器，進一步增強控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的實時性和可靠性。根據(jù)以上參數(shù)，傳感器選型如表3所示。

表2 控制系統(tǒng)Ⅰ/O地址配置Table 2 Ⅰ/O address configuration of control system

表3 傳感器參數(shù)配置表Table 3 Parameters of sensors

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

編程軟件選擇西門子PLC的配套編程軟件STEP 7-Micro/WⅠN，該編程軟件為用戶開發(fā)、編輯和監(jiān)控自己的應(yīng)用程序提供了良好的編程環(huán)境。為了能快捷高效地開發(fā)應(yīng)用程序，STEP 7-Micro/WⅠN軟件提供了3種程序編輯器:功能塊、語句表及梯形圖。本控制程序采用梯形圖編寫，數(shù)據(jù)采集處理部分采用對各個A/D信號輪詢的方式將數(shù)據(jù)信號經(jīng)采集、處理后上傳至人機界面。上傳PLC模擬量數(shù)據(jù)處理程序流程如圖3所示。

PLC軟件程序設(shè)計采用自由通訊口模式，波特率采用9 600，8個數(shù)據(jù)位，1個停止位;SMB87=2#10 110 000為允許接收信息;SMB89=16#0D作為結(jié)束信息;SMB90=5為檢測空閑狀態(tài)時間，定時器使用內(nèi)部定時器;SMB94為最大接收字節(jié)數(shù)存儲器。初始化處理部分代碼如圖4所示。

4 系統(tǒng)組態(tài)軟件設(shè)計

人機界面采用西門子的組態(tài)軟件Wincc6．2設(shè)計，控制實驗臺的運行及對采集的數(shù)據(jù)進行實時分析。根據(jù)工藝要求與控制需求，該系統(tǒng)有刀盤刀具三維模型示意圖、參數(shù)實時記錄曲線、實時報警指示、歷史報警記錄、多參數(shù)設(shè)置和系統(tǒng)操作控制等。該控制系統(tǒng)將液壓泵站工作壓力、液壓油缸工作壓力、刀盤扭矩等信號在計算機上以動態(tài)圖形顯示。系統(tǒng)的各種控制參數(shù)、工藝參數(shù)及生成的數(shù)據(jù)均可自動存儲，實時查詢，同時根據(jù)用戶需求進行報表打印。當(dāng)系統(tǒng)有異常發(fā)生時，立即以變色、閃爍等各種形式向操作人員報警，危險時可自動停止系統(tǒng)運行。人機界面設(shè)置為啟動工控機自動啟動實驗操作界面，界面設(shè)置有用戶權(quán)限登錄控制，通過設(shè)定操作權(quán)限提高系統(tǒng)的安全性。用戶可根據(jù)操作指示調(diào)用目標(biāo)畫面。根據(jù)操作說明進行具體操作，提高了工作效率。

根據(jù)滾刀在巖樣上的貫入距離通過位移傳感器采集、處理可以得到滾刀對巖石的實時貫入度。通過PLC實時采集液壓油缸的工作壓力、刀盤的推進位移、電機的轉(zhuǎn)速和刀盤扭矩等參數(shù)，實時處理后，結(jié)合聲發(fā)射采集儀處理的參數(shù)構(gòu)成整個實驗平臺的數(shù)據(jù)，并上傳至上位機處理，最終以Excel表格形式記錄、輸出，供后期數(shù)據(jù)調(diào)用及處理，部分組態(tài)畫面如圖5所示。

圖5 基本參數(shù)設(shè)置畫面Fig．5 Ⅰnterface of basic parameters set

5 數(shù)據(jù)處理、分析

聲發(fā)射采集儀通過分布在巖樣上的探頭實時采集、存儲聲發(fā)射信號。通過聲發(fā)射采集儀數(shù)據(jù)處理軟件對實驗得到的大量三維數(shù)據(jù)進行相關(guān)處理，可以近似得到某一時段巖樣在滾刀破碎時聲發(fā)射信號在巖樣中的三維定位圖，如圖6所示。

從圖6可以看出巖石樣本在滾刀破碎時聲發(fā)射信號在巖石樣本中的三維分布情況，要計算出滾刀對巖石樣本的破巖角，需要對聲發(fā)射采集儀采集的聲發(fā)射定位信號進行如下處理。

1)根據(jù)滾刀對巖石樣本的貫入度確定定位點三維分布圖的基準(zhǔn)面。

圖6 定位點三維分布圖Fig．6 3D distribution of positioning points

2)把每個時段的定位點的三維分布數(shù)據(jù)進行到基準(zhǔn)面的投影，可以得到定位點在基準(zhǔn)面上的分布情況，如圖7所示。

圖7 定位點在基準(zhǔn)面的分布Fig．7 Distribution of positioning points on reference surface

3)將定位點靠下并集中的位置作為最深處位置，根據(jù)貫入度h可以得出z0坐標(biāo)，對基準(zhǔn)面上的投影點通過軟件根據(jù)兩點確定一條直線、計算多組點的斜率，由((y0，z0)，(y1，z1)，(y2，z2)，…，(yn，zn))得到 (k1，k2，…，kn)，進行數(shù)據(jù)分析和相關(guān)處理，得到基準(zhǔn)面上的定位點擬合直線圖，如圖8所示。

圖8 定位點擬合直線圖Fig．8 Fitting line of positioning points

根據(jù)三角函數(shù)公式可以計算出破巖角θ=2arctan((zn-z0)/h)。通過對不同地層的巖石做滾刀破碎實驗，可以得到同一種滾刀對不同地層巖石的破巖角、不同型號滾刀對同一地層巖石的破巖角等相應(yīng)數(shù)據(jù)，為盾構(gòu)在不同地層施工時，刀具的優(yōu)化選擇提供一定的指導(dǎo)作用。

6 結(jié)論與建議

通過大量實驗可以得到不同巖石在相同作用力下的破巖角和貫入度等關(guān)系，為后期盾構(gòu)機刀盤刀具的設(shè)計提供重要理論依據(jù)，為以后同行業(yè)對刀盤刀具進一步深入研究提供一些參考。存在的不足之處是該實驗裝置控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、處理部分沒有把實現(xiàn)系統(tǒng)控制的數(shù)據(jù)信號采集環(huán)節(jié)(液壓泵站的壓力信號、系統(tǒng)工作壓力信號、刀盤的扭矩信號、電機的轉(zhuǎn)速信號)與實現(xiàn)巖樣數(shù)據(jù)分析的數(shù)據(jù)信號采集環(huán)節(jié)(刀盤刀具的位移信號)分離。建議把刀盤刀具的位移信號通過傳感器直接傳送到聲發(fā)射采集儀，通過聲發(fā)射采集儀的外部參數(shù)接口處理數(shù)據(jù);對聲發(fā)射采集儀的軟件進行二次開發(fā)，或者讓專業(yè)公司技術(shù)人員進行軟件升級，改造后的控制系統(tǒng)與原來的控制系統(tǒng)相比有如下優(yōu)點:

1)把傳感器采集的刀盤刀具的位移數(shù)據(jù)通過聲發(fā)射采集儀的外部參數(shù)接口直接傳送給聲發(fā)射采集儀進行數(shù)據(jù)及時處理、分析，可以提高實驗數(shù)據(jù)的實時性;

2)可以提高該實驗裝置的整體抗干擾能力，尤其是可以增強抑制現(xiàn)場噪聲干擾的能力，提高該實驗裝置的數(shù)據(jù)處理、分析的準(zhǔn)確度;

3)可以為后期該實驗裝置的改造、升級做一個指導(dǎo)性說明。

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