盾構(gòu)機PLC電氣控制系統(tǒng)淺析

鄭偉

摘 要：盾構(gòu)機是在隧道掘進施工中重要的應(yīng)用設(shè)備，主要完成城市地下隧洞的施工修建任務(wù)，集機械、電氣、液壓、測控、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、人員工作強度低等優(yōu)點。盾構(gòu)機電氣設(shè)備數(shù)量多、功耗大，工作時很容易發(fā)生電氣設(shè)備損壞事故，所以要仔細(xì)分析各個設(shè)備各個部件的各個方面，以保證盾構(gòu)機電氣體系的安全、正常運行和使用。

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

目前進行地下暗挖工作時，首要的選擇是盾構(gòu)施工法，該工法主要依賴于全機械化的施工，完成盾構(gòu)設(shè)備在地下向前推進工作的同時，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，并依附千斤頂對管片的壓力來進行頂進工作，從而完成裝配預(yù)制好的管片，最終形成隧道的機械化施工措施。盾構(gòu)機的機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)險預(yù)控，對盾構(gòu)機電氣系統(tǒng)常見故障進行說明，并提出方案，保證盾構(gòu)機正常安全使用。

1 盾構(gòu)的發(fā)展史和發(fā)展趨勢

1818年，法國的布魯諾爾（M.I.Brune1），最早提出了用盾構(gòu)法建設(shè)隧道的設(shè)想，并在英國取得了專利。1825年，他第一次在倫敦泰晤河下開始用一個斷面高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作用;20世紀(jì)初盾構(gòu)法已經(jīng)在西方發(fā)達國家普遍使用，但氣壓法對于地質(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年代日本和德國的工程師在總結(jié)以往施工經(jīng)驗的前提下更新提高了設(shè)計模型，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，中國上海市城建局隧道處開始塘橋試驗隧道工程采用直徑為4.16m的一臺普通敞胸 盾構(gòu)，在兩種有代表性的地層下進行掘進試驗，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推進系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制研究

在土壓平衡式盾構(gòu)機中，盾構(gòu)機的掘進系統(tǒng)分為：刀盤系統(tǒng)、推進系統(tǒng)、螺旋輸送機系統(tǒng)，這三者之間又擁有著很強的耦合性，要想實現(xiàn)盾構(gòu)的正常掘進工作的順利進行，對推進系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制進行深入研究顯得尤為重要。隨著科技的進步，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，大大減小了完成科研的時間，縮減了科研的成本以及風(fēng)險。完成推進系統(tǒng)液壓控制的液壓仿真工作，為后續(xù)編寫盾構(gòu)機推進系統(tǒng)PLC控制程序奠定基礎(chǔ)。為了更好的完成推進系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，而且目前投入使用的盾構(gòu)機中，主要采用的是以工控機為上位機、PLC為下位機的電氣控制系統(tǒng)。依據(jù)推進系統(tǒng)所要實現(xiàn)的主要功能，對推進系統(tǒng)的各個輸入點位進行分配。完成了推進和管片拼裝兩種模式下，推進系統(tǒng)的PLC控制程序的編寫，并就推進系統(tǒng)中的主要控制部分，進行PLC控制程序的詳細(xì)設(shè)計。將編寫完成的PLC控制程序，下載到盾構(gòu)機中，完成了實際的調(diào)試工作，達到了預(yù)期的效果。

2.2基于模糊PID的密封倉土壓平衡控制

目前，大多數(shù)的盾構(gòu)機采用控制密封土倉內(nèi)土壓的動態(tài)平衡，完成對盾構(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)定好密封土倉內(nèi)土壓的設(shè)定值，并檢測土壓實時值信號;其次，計算土壓實時值和設(shè)定值之間的誤差;最后，依據(jù)該誤差信號，對螺旋輸送機、推進速度進行實時優(yōu)化控制，從而實現(xiàn)密封土倉內(nèi)壓力的穩(wěn)定。土壓實時值信號是通過安裝在密封土倉內(nèi)的土壓計進行檢測，土壓設(shè)定值是根據(jù)當(dāng)前盾構(gòu)機所處地層條件以及開挖狀態(tài)，經(jīng)理論計算得到。合理設(shè)置密封土倉壓力，是盾構(gòu)機掘進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;（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、流動性;（3）保證經(jīng)由螺旋輸送機排出的渣土量和刀盤切削下來進入密封土倉的渣土量相同，從而實現(xiàn)密封土倉的壓力動態(tài)平衡的效果。推進液壓缸中安裝有行程傳感器，利用該傳感器實時檢測推進液壓缸的速度信息，將其與推進速度的目標(biāo)值予以比較，與此同時，推進油缸的速度信號會 造成密封土倉內(nèi)的壓力發(fā)生一定程度上的波動，設(shè)置好密封土倉中土壓目標(biāo)值信號之后，實時檢測密封土倉的壓力實際值，并將兩者進行比較之后，利用調(diào)節(jié)器2中的模糊PID控制模塊運算之后，輸出一個控制量信號，該信號經(jīng)轉(zhuǎn)換之后，去控制螺旋輸送機變量泵的輸出流量，達到改變螺旋輸送機的轉(zhuǎn)速的目的，從而影響密封土倉的排土量，最終實現(xiàn)對密封土倉內(nèi)的壓力進行實時、動態(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，主要完成對數(shù)據(jù)的采集、處理。本設(shè)計中，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)部存儲器和外部存儲器控制器高達165個I/O管腳、一個8通道的12位ADC、5個UART、1個6輸出的通用PWM等，可以滿足本次涉及的需要。（2）電源模塊：該模塊主要完成對主控芯片LPC1788以及其他外圍芯片的供電，使各芯片可以進行正常工作。（3）時鐘模塊：該模塊為泡沫系統(tǒng)提供精準(zhǔn)的時間信息，實現(xiàn)記錄泡沫系統(tǒng)的故障發(fā)現(xiàn)時間、數(shù)據(jù)采集時間等時間信息。同時，進行歷史事件的查詢是以時間為基準(zhǔn)，因此，需要提供精準(zhǔn)的時間信息。（4）鍵盤顯示模塊：根據(jù)此次泡沫系統(tǒng)的需要我們設(shè)計兩個物理按鍵，分別為復(fù)位按鍵和喚醒按鍵，多個虛擬按鍵，進行泡沫系統(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)計中，設(shè)有多個I/O接口，用以數(shù)據(jù)的采集以及被控制信息的輸出。（6）人機界面：本次設(shè)計的人機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、被控對象、信號調(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)動程序和應(yīng)用程序的編寫。

3 結(jié)束語

盾構(gòu)機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)機的設(shè)計是針對性的，因此在實踐作業(yè)中，盾構(gòu)機的使用需要根據(jù)具體施工工程進行考慮。電氣工程系統(tǒng)可靠合理的設(shè)計及規(guī)范使用，以加強保障盾構(gòu)施工的安全和過程風(fēng)險的防范。

參考文獻：

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