基于PLC 和變頻器的頂管機(jī)泡沫控制系統(tǒng)

李 兵

（中國鐵建重工集團(tuán)股份有限公司，湖南長沙 410100）

0 引言

伴隨我國城市化進(jìn)程的不斷加快，對大城市地下空間建設(shè)的需求和要求也在不斷提高。為了避免因為道路施工造成城市出現(xiàn)大范圍擁堵，在盡可能地減少開挖城市地表的大背景下，傳統(tǒng)的施工技術(shù)已無法滿足現(xiàn)代化工程建設(shè)的需要，非開挖技術(shù)應(yīng)運而生，其中就包括矩形頂管技術(shù)[1]。

矩形頂管法是在城市管網(wǎng)和換乘通道施工建設(shè)環(huán)節(jié)中運用了特殊的施工技術(shù)，對地面盡量少的明挖，得以使對城市地貌和人文環(huán)境的破壞降低到最小程度，這對提升城市文明施工及地下管廊合理規(guī)范化建設(shè)起到了更為有益的作用[2]。因我國幅員遼闊地貌各異，不同區(qū)域的工程地質(zhì)調(diào)節(jié)成分、滲透系數(shù)、含水量等各項指標(biāo)差異很大，需要對刀盤開挖下來的碴土予以改良使之更有助于土壓平衡矩形頂管機(jī)的施工。目前常用的主要碴土改良系統(tǒng)有膨潤土系統(tǒng)、泡沫系統(tǒng)等，其中泡沫系統(tǒng)因具有改善土倉壓力、降低刀盤扭矩、降低土體的滲透系數(shù)，提高止水性、減小地層擾動、防止刀盤結(jié)泥餅、減少機(jī)件磨損和降低刀具消耗等功能而應(yīng)用最為廣泛[3]。

泡沫改良法作為一種比較先進(jìn)的改善土體性質(zhì)的方法，在土壓平衡頂管機(jī)發(fā)揮著重要作用。然而由于傳統(tǒng)控制方法對泡沫系統(tǒng)各控制對象無法到達(dá)精確地控制，從而無法發(fā)揮泡沫的最大改良作用，與此同時造成了泡沫等原料的浪費。由于泡沫原液價格較昂貴，這一現(xiàn)象在一定程度上制約了泡沫改良法在土壓平衡矩形頂管機(jī)上的應(yīng)用。為此設(shè)計了一種泡沫精準(zhǔn)控制系統(tǒng)，采用西門子PLC 作為控制核心、觸摸式顯示屏為人機(jī)界面、變頻器和電動閥為執(zhí)行元件，通過PID 算法調(diào)節(jié)實現(xiàn)泡沫混合比的準(zhǔn)確控制，從而達(dá)到降本增效的作用。同時該系統(tǒng)配置了智能網(wǎng)關(guān)模塊，可以進(jìn)行遠(yuǎn)程跨城市的在線故障診斷功能。

1 泡沫電氣硬件系統(tǒng)

1.1 泡沫系統(tǒng)硬件

硬件系統(tǒng)由泡沫補(bǔ)水管路、原液泵、原液箱、氣動球閥、混合液箱、混合液泵、壓縮空氣管路、混合液管路、泡沫發(fā)生器等部件組成。泡沫原液和水按照設(shè)定的配方，注入到泡沫混合液罐；再由泡沫混合液泵將混合液注入到泡沫發(fā)生器，泡沫發(fā)生器內(nèi)部由多層網(wǎng)格構(gòu)成的裝置，氣液混合體通過后就可以產(chǎn)生大量泡沫。

1.2 電氣硬件系統(tǒng)

電氣硬件系統(tǒng)結(jié)如圖1 所示。

圖1 電氣硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電氣硬件系統(tǒng)組成如下：

（1）PLC：采用西門子CPU-1512 作為主CPU，該CPU 具有一個集成3 端口交換機(jī)的PROFINET 接口（X1P3），可與組態(tài)系統(tǒng)、上位網(wǎng)絡(luò)（路由器、Internet）或其他設(shè)備或自動化單元進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。軟件編程平臺為西門子Portal 編程軟件。采用ET200SP 作為泡沫系統(tǒng)子站進(jìn)行泡沫各信號的采集和輸出控制。

（2）觸摸屏與工控機(jī)：采用西門子IPC 系列工控機(jī)。工控機(jī)與下位機(jī)之間采用PROFINET 通信，并在觸摸屏上集成顯示和作為人機(jī)接口。

（3）變頻器：進(jìn)行電機(jī)的速度控制。為了減少變頻器的干擾，電機(jī)電纜采用帶屏蔽層的電纜，電纜首末雙端接地。

（4）智能網(wǎng)關(guān)：智能網(wǎng)關(guān)支持以太網(wǎng)、Wi-Fi、全網(wǎng)通3G/4G聯(lián)網(wǎng)，可以實現(xiàn)PLC 控制器的遠(yuǎn)程編程和數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)異地跨區(qū)域的故障在線診斷和遠(yuǎn)程調(diào)試。

1.3 上位機(jī)設(shè)計

上位機(jī)操作界面由顯示、控制、數(shù)據(jù)存儲3 個區(qū)域構(gòu)成（圖2）。顯示區(qū)域可查看泡沫各成分的實時數(shù)據(jù)和報警信息，供操作手作出判斷；控制區(qū)域可設(shè)定原液配比、控制6 路通道的啟停、設(shè)定6 路混合液電機(jī)轉(zhuǎn)速；數(shù)據(jù)存儲區(qū)域統(tǒng)計了每一環(huán)原料用量，并存儲了歷史數(shù)據(jù)信息，可導(dǎo)出為EXCEL 表格查看。

圖2 泡沫上位機(jī)界面

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 控制流程

泡沫系統(tǒng)運行的前提條件是首先確保配電斷路器、變頻器、原液和供水正常。當(dāng)滿足以上條件后，首先進(jìn)行原液與水配比參數(shù)設(shè)置；下一步進(jìn)行混合液液位判斷，當(dāng)液位低限時，系統(tǒng)自動按配比好的參數(shù)控制原液泵的輸出，加水和原液，達(dá)到高液位時停止補(bǔ)給；然后操作手根據(jù)需要選擇所需注入的通道，按下啟動按鈕，混合液電機(jī)和空氣電動閥運行以向開挖倉注入泡沫。電氣控制流程如圖3 所示。

圖3 泡沫系統(tǒng)工作流程

2.2 程序設(shè)計

程序設(shè)計使用了西門子Portal 軟件進(jìn)行PLC 的編程和組態(tài)，主要采用的是LAD（梯形圖）和SCL（結(jié)構(gòu)化控制語言）兩種編程語言。LAD 梯形圖編程直觀易懂，有著很好的邏輯性和可維護(hù)性，在進(jìn)行開關(guān)量邏輯控制時優(yōu)勢突出。SCL 是作為一種高級編程語言，非常適合于下列任務(wù)：①復(fù)雜的計算功能；②復(fù)雜的數(shù)學(xué)函數(shù)；③數(shù)據(jù)的管理；④過程的優(yōu)化[4]。

程序采集數(shù)字量輸入模塊的實體按鈕的啟動和停止信號、配電斷路器的開關(guān)和閉合信號、泡沫原液罐的液位信號、泡沫混合液罐的液位信號；模擬量輸入模塊的泡沫進(jìn)水壓力信號、泡沫進(jìn)水流量信號、泡沫原液流量信號、泡沫混合液變頻器輸出速度信號。程序根據(jù)采集到的信號判斷泡沫系統(tǒng)是否滿足正常運行條件，將不滿足條件的信號以報警信息顯示在觸屏上以供操作手排除故障；滿足系統(tǒng)條件后程序以收到觸摸屏的設(shè)置參數(shù)，開啟補(bǔ)水閥和泡沫原液泵電機(jī)，按照程序內(nèi)的功能塊fbPumpPID 實現(xiàn)泡沫原液泵的PID 控制。原液流量計與給定值其中給定值（由觸摸屏設(shè)定的配比參數(shù)和水流量計算所得）進(jìn)行比對，通過程序內(nèi)PID 計算后以0～10 V 電壓信號傳遞給變頻器控制其輸出頻率，從而控制原液電機(jī)的轉(zhuǎn)速。泡沫原液PID負(fù)反饋控制原理如圖4 所示。

圖4 泡沫原液PID 負(fù)反饋控制原理

圖中PID 控制器計算原理為：誤差信號ev（t）進(jìn)入PID 控制器后進(jìn)行運算：

式（1）中，控制器的輸入信號ev（t）=sp（t）-pv（t）；sp（t）為設(shè)定值；pv（t）為過程變量（反饋值）；mv（t）是控制器的輸出信號；K為比例系數(shù)；TI為積分時間常數(shù)；TD為微分時間常數(shù)；M 是積分部分的初始值。

采樣離散化后的差分近似表達(dá)式為：

式（2）中，TS為采樣周期。

PID 控制的有點是：①不需要被控對象的數(shù)學(xué)模型；②結(jié)構(gòu)簡單，易于構(gòu)建，程序開發(fā)簡潔，計算處理工作量小，各變量均有確切的物理意義，變量調(diào)整方便快捷；③有極佳的敏捷性和適用性。

在程序設(shè)定過程中只需要設(shè)定K、TI、TD及TS即可。4 個參數(shù)的意義和調(diào)整總原則為：

（1）K 的影響：比例調(diào)節(jié)可以根據(jù)誤差的大小成比例的作出速度調(diào)節(jié)，有助于降低系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。但比例調(diào)節(jié)的參數(shù)值不宜設(shè)置的過大，當(dāng)K 值過大時會破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。應(yīng)選取適當(dāng)?shù)谋壤齾?shù)值，避免過小的K 值造成系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度過慢。

（2）TI的影響：積分調(diào)節(jié)的作用是用來消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差。積分作用的強(qiáng)弱與TI的大小成反比，但這不意味著積分作用越強(qiáng)越好，積分作用太強(qiáng)會使控制不平穩(wěn)，應(yīng)根據(jù)實際項目情況正確取用。

（3）TD的影響：微分調(diào)節(jié)根據(jù)是誤差發(fā)展的趨勢，預(yù)先走出相應(yīng)的調(diào)節(jié)。但微分作用過強(qiáng)，也會造成系統(tǒng)失穩(wěn)。此參數(shù)應(yīng)根據(jù)實際項目而作出相應(yīng)調(diào)整。

（4）TS采樣周期：需考慮傳感器的采樣周期[5]。

3 應(yīng)用實例

應(yīng)用于某市的地鐵換乘站項目的土壓平衡矩形頂管機(jī)，在對該項目進(jìn)行地質(zhì)分析主要為粉細(xì)沙層（含云母、氧化鐵、有機(jī)質(zhì)、局部粉夾土）和粉質(zhì)黏土層，整機(jī)設(shè)計時增加了泡沫土壤改良系統(tǒng)。泡沫系統(tǒng)采用7 個ABB 變頻器，其中1 個控制泡沫原液電機(jī)轉(zhuǎn)速，6 個控制泡沫混合液電機(jī)轉(zhuǎn)速。在設(shè)置變頻器參數(shù)時，根據(jù)負(fù)載特性和應(yīng)用需求，其中部分參數(shù)可以直接采用變頻器標(biāo)準(zhǔn)宏自帶參數(shù)，只需對部分參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。變頻器的主要設(shè)置參數(shù)見表1[6]。

表1 變頻器參數(shù)設(shè)置

在工廠進(jìn)行了泡沫系統(tǒng)調(diào)試后應(yīng)用于項目工地，主要考察了泡沫系統(tǒng)的發(fā)泡效果和穩(wěn)定性。該項目的泡沫運行穩(wěn)定，發(fā)泡效果達(dá)到預(yù)期，應(yīng)用效果如圖5 所示。

圖5 應(yīng)用效果

4 結(jié)語

基于PLC 和變頻技術(shù)的泡沫控制系統(tǒng)，集采樣、計算、報警、數(shù)據(jù)儲存、報表導(dǎo)出和遠(yuǎn)程在線診斷等功能于一體，實現(xiàn)泡沫混合液罐的自動補(bǔ)給和停止，原液與水按預(yù)定配比進(jìn)行配方。經(jīng)過工廠數(shù)次試驗并應(yīng)用于工程項目，該系統(tǒng)泡沫發(fā)泡效果與控制精度都達(dá)到預(yù)期的效果，達(dá)到降本增效的目的。由于PLC 和變頻器對周圍環(huán)境要求苛刻，使得該方案的使用場景受限，相信隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步未來一定有更加完善的方案問世。