基于傳感技術(shù)的盾構(gòu)在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

蒙先君， 劉瑞慶， 吳朝來(lái)

(中鐵隧道局集團(tuán)有限公司專用設(shè)備中心， 河南 洛陽(yáng) 471009)

0 引言

隨著盾構(gòu)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，國(guó)內(nèi)也逐步開展盾構(gòu)技術(shù)的研發(fā)，主要應(yīng)用于隧道和地鐵施工項(xiàng)目中。為了保證隧道和地鐵施工過(guò)程中盾構(gòu)設(shè)備安全、穩(wěn)定、可靠，在設(shè)備實(shí)施過(guò)程中需要不斷地進(jìn)行維修和監(jiān)測(cè)，不僅耗費(fèi)大量人力和財(cái)力，而且很難保證實(shí)時(shí)性，同時(shí)工作強(qiáng)度較大，監(jiān)測(cè)精度還存在人為誤差[1-4]。為了降低成本，減少開支，提高監(jiān)測(cè)精度，亟需設(shè)計(jì)一種基于傳感技術(shù)的運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以保證盾構(gòu)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而提高工程管理的信息化水平。

國(guó)內(nèi)外在線監(jiān)測(cè)技術(shù)相對(duì)成熟，主要應(yīng)用于風(fēng)電狀態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備，尚未在盾構(gòu)機(jī)械設(shè)備中推廣應(yīng)用。目前，盾構(gòu)設(shè)備中的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是控制系統(tǒng)自帶的監(jiān)測(cè)裝置，主要針對(duì)單個(gè)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，設(shè)備結(jié)構(gòu)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，檢測(cè)數(shù)據(jù)有限。盾構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)估主要采用離線式油液檢測(cè)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障分析與診斷等技術(shù)，這些監(jiān)測(cè)技術(shù)不能對(duì)設(shè)備進(jìn)行連續(xù)、全面的檢測(cè)[5-8]。由于盾構(gòu)工作環(huán)境復(fù)雜，對(duì)設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，不僅需要成熟的傳感器技術(shù)，還需要成熟的通訊技術(shù)。而設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)的位移、速度、加速度和其采樣方式及評(píng)價(jià)的依據(jù)，沒有國(guó)家統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，需要進(jìn)一步去研究和探索。

本文在已有在線監(jiān)測(cè)技術(shù)[9-11]的基礎(chǔ)上，以PLC為開發(fā)語(yǔ)言，采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的模塊化管理。該系統(tǒng)主要包括5種模塊： 振動(dòng)信息采集模塊、溫度信息采集模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、電源穩(wěn)壓模塊和TTL轉(zhuǎn)RS232信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊，通過(guò)傳感技術(shù)檢測(cè)盾構(gòu)關(guān)鍵部件各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度和溫度，結(jié)合通訊技術(shù)將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)傳輸至控制器進(jìn)行分析處理，對(duì)盾構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證盾構(gòu)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的合理性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

盾構(gòu)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要由盾構(gòu)設(shè)備、電源模塊、顯示模塊、振動(dòng)信息采集模塊、溫度信息采集模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊以及穩(wěn)壓模塊等組成。

圖1 盾構(gòu)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 General structure of on-line monitoring system for shield

1.2 工作原理

根據(jù)盾構(gòu)設(shè)備在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)的相關(guān)要求，將傳感器布置在盾構(gòu)的待測(cè)點(diǎn)位置，狀態(tài)在線信息采集模塊實(shí)時(shí)采集盾構(gòu)主泵站、軸承及減速器等關(guān)鍵部件工作狀態(tài)的位移、速度、加速度、溫度信息的特性信息，將采集到的信息傳遞至單片機(jī)主控程序室，并對(duì)信息進(jìn)行分析和處理，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)盾構(gòu)的工作狀態(tài)。

利用盾構(gòu)在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)主驅(qū)動(dòng)、主泵站等關(guān)鍵部位的振動(dòng)速度、溫度、壓力等狀態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)采集與分析。

2 系統(tǒng)主要模塊設(shè)計(jì)

2.1 振動(dòng)信息采集模塊

振動(dòng)信息采集模塊主要用來(lái)采集盾構(gòu)在工作過(guò)程中的振動(dòng)位移、速度和加速度。由于盾構(gòu)的工作環(huán)境復(fù)雜(空間狹小、環(huán)境惡劣、濕度高)，受污染程度大，工作過(guò)程中安裝更換困難，對(duì)振動(dòng)信息采集模塊中振動(dòng)傳感器的靈敏度、測(cè)量范圍、可靠性、精確度和響應(yīng)特性[10-11]要求較高，選用型號(hào)為CYT9200的一體化振動(dòng)變送器。振動(dòng)信息采集模塊電路圖如圖2所示。一體化振動(dòng)變速器安裝方式包括水平安裝和垂直安裝，工作電壓為24 V，輸出電流為4～20 mA，量程為0～50 mm/s，靈敏度為50 mV/(mm/s)，頻率響應(yīng)為5～1 000 Hz，振動(dòng)速度測(cè)量為0～50 mm/s，振動(dòng)位移測(cè)量為 0～500 μm，振動(dòng)加速度最大測(cè)量范圍為10g，振動(dòng)變速器上設(shè)置有固定螺栓孔，安裝方便，采用不銹鋼材質(zhì)，適用于空氣濕度大的環(huán)境。

2.2 溫度信息采集模塊

溫度信息采集模塊主要用來(lái)監(jiān)測(cè)被測(cè)物體表面工作溫度變化幅度，溫度傳感器通過(guò)測(cè)量電阻的變化檢測(cè)不同時(shí)刻被測(cè)物體表面工作溫度參數(shù)，根據(jù)被測(cè)對(duì)象及溫度測(cè)試范圍選用K型貼片式表端面熱電偶冷壓鼻探頭PT100溫度傳感器。溫度信息采集模塊電路圖如圖3所示。貼片式熱電偶K型采用純銅鍍銀貼片，彈簧護(hù)套，高溫抗干擾金屬屏蔽線，使用溫度為-50～420 ℃，導(dǎo)熱性能好，不易斷線，響應(yīng)時(shí)間短，可以準(zhǔn)確測(cè)量物體表面的溫度。

1—3表示接觸點(diǎn)。

圖3 溫度信息采集模塊電路圖Fig. 3 Circuit diagram of temperature information acquisition module

2.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊是將振動(dòng)信息采集模塊和溫度信息采集模塊采集到的振動(dòng)位移、速度、加速度和溫度模擬量信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信息，供單片機(jī)主控程序讀取。根據(jù)選用的一體化振動(dòng)變送器型號(hào)、K型貼片式溫度傳感器以及各參數(shù)的測(cè)量范圍，選用型號(hào)為ADS1118的16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有集成MUX、PGA、溫度傳感器、振蕩器等的小型16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，精度高，耗電低，包含冷端補(bǔ)償和軟件，支持860次/s采樣的數(shù)據(jù)速率等優(yōu)點(diǎn)。模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊電路圖如圖4所示。

1—10表示接觸點(diǎn)。

2.4 電源及穩(wěn)壓模塊

由于所選一體化振動(dòng)變送器的工作電壓為24 V，故選擇電壓為直流12 V的2節(jié)蓄電池串聯(lián)。由于系統(tǒng)選用的供電電源為24 V，而單片機(jī)的供電電源為5 V，系統(tǒng)通過(guò)降壓與單片機(jī)供電。根據(jù)輸入直流電壓為3～35 V，輸出直流電壓為1.5～35 V(可連續(xù)調(diào)節(jié))，且輸入直流電壓超過(guò)輸出直流電壓的1.5倍時(shí)，最大輸出電流不超過(guò)3 A的特性，選用型號(hào)為L(zhǎng)M2596S DC-DC降壓模塊，降壓模塊轉(zhuǎn)換效率為92%。降壓模塊電路圖如圖5所示。

1—3表示接觸點(diǎn)。

2.5 單片機(jī)監(jiān)測(cè)程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)監(jiān)測(cè)程序結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖6所示。主要由單片機(jī)、一體化振動(dòng)變送器、PT100溫度傳感器、電源、LM2596S DC-DC降壓模塊、ADS1118 16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、TTL轉(zhuǎn)RS232信號(hào)模塊、盾構(gòu)等部分組成。

圖6 單片機(jī)監(jiān)測(cè)程序結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig. 6 Structure sketch of SCM monitoring program

在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作時(shí)，傳感器檢測(cè)到盾構(gòu)關(guān)鍵部件(主泵站、軸承及減速器)的振動(dòng)信息和溫度信息，由A/D轉(zhuǎn)換模塊將采集到的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，通過(guò)單片機(jī)的IO接口傳遞至單片機(jī)主控程序，經(jīng)單片機(jī)運(yùn)算處理后，再由TTL轉(zhuǎn)RS232信號(hào)模塊轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的信號(hào)傳送至在線監(jiān)測(cè)設(shè)備[12-13]。單片機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)流程圖如圖7所示。

圖7 單片機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)流程圖Fig. 7 Flowchart of SCM detection system

3 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)條件與方法

2017年5—7月，在施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)基于傳感技術(shù)的盾構(gòu)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)。為了測(cè)試盾構(gòu)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能和監(jiān)測(cè)精度，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝調(diào)試完成后，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)各個(gè)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)采集，每個(gè)點(diǎn)采集 20 000多個(gè)數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)如圖8所示。

圖8 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)Fig. 8 Test photo of on-line monitoring system

對(duì)盾構(gòu)關(guān)鍵部件主泵站、軸承及減速器等運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)測(cè)試，測(cè)點(diǎn)分布如表1所示。

表1 盾構(gòu)測(cè)點(diǎn)分布Table 1 Layout of monitoring points on shield

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

本次主要對(duì)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度和溫度進(jìn)行分析，得出振動(dòng)速度和溫度曲線如圖9—11所示。由圖9(a)、10(a)、11(a)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度離散圖可以看出： 2#刀盤驅(qū)動(dòng)泵測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度為1.5 mm/s左右； 1#主驅(qū)動(dòng)減速機(jī)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度為1～1.5 mm/s； 2#主軸承測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度為1～1.4 mm/s。盾構(gòu)關(guān)鍵部件各測(cè)點(diǎn)的速度值滿足正常運(yùn)行狀態(tài)的工作要求。由圖9(b)、10(b)、11(b)測(cè)點(diǎn)溫度曲線圖可以看出： 2#刀盤驅(qū)動(dòng)泵測(cè)點(diǎn)溫度為25～45 ℃； 1#主驅(qū)動(dòng)減速機(jī)測(cè)點(diǎn)溫度為20～40 ℃； 2#主軸承測(cè)點(diǎn)溫度為25～40 ℃。盾構(gòu)關(guān)鍵部件各測(cè)點(diǎn)的溫度值滿足正常運(yùn)行狀態(tài)的工作要求。

(a) 測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度曲線

(b) 測(cè)點(diǎn)溫度曲線圖9 2#刀盤驅(qū)動(dòng)泵電機(jī)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度和溫度曲線Fig. 9 Curves of vibration velocity and temperature of monitoring point on electric motor of #2 cutterhead drive

(a) 測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度曲線

(b) 測(cè)點(diǎn)溫度曲線圖10 1#主驅(qū)動(dòng)減速機(jī)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度和溫度曲線Fig. 10 Curves of vibration velocity and temperature of monitoring point on reduction box of #1 main drive

(a) 測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度曲線

(b) 測(cè)點(diǎn)溫度曲線圖11 2#主軸承測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度和溫度曲線Fig. 11 Curves of vibration velocity and temperature of monitoring point on #2 main bearing

4 結(jié)論與討論

1)以盾構(gòu)為監(jiān)測(cè)對(duì)象，采用了模塊化的設(shè)計(jì)方法，從而實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的模塊化管理。該系統(tǒng)主要包括振動(dòng)信息采集模塊、溫度信息采集模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、電源穩(wěn)壓模塊和TTL轉(zhuǎn)RS232信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊。通過(guò)傳感技術(shù)監(jiān)測(cè)盾構(gòu)關(guān)鍵部件各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度和溫度，結(jié)合通訊技術(shù)將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)傳輸至控制器進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)的在線監(jiān)測(cè)，保證盾構(gòu)設(shè)備施工過(guò)程中的安全、穩(wěn)定、可靠。

2)關(guān)鍵部件各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度范圍和溫度范圍滿足盾構(gòu)正常運(yùn)行狀態(tài)的工作要求，系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)符合盾構(gòu)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

由于盾構(gòu)工作環(huán)境復(fù)雜，對(duì)設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，需要更成熟的傳感技術(shù)、通訊技術(shù)和國(guó)家統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，本文所研究的盾構(gòu)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)僅針對(duì)自己的產(chǎn)品進(jìn)行研究，使用范圍較小，存在一定的局限性，需要進(jìn)一步去研究和探索。