基于純壓式灌漿的壓力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馮思維，于 軍，張建敏

（江漢大學(xué)，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?chē)翆咏Y(jié)構(gòu)的沉降，增強(qiáng)隧道整體結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)耐久性與穩(wěn)定性，在地鐵隧道施工及維修過(guò)程中灌漿是必須的過(guò)程。

灌漿工藝可以調(diào)節(jié)地質(zhì)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)地層的強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)防水、調(diào)節(jié)地面的水平度，是地下巖土工程建設(shè)中不可或缺的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)［2-3］。1884年英國(guó)工程師將灌漿法引入隧道開(kāi)挖工程中，灌漿理論也隨著灌漿法的發(fā)展而產(chǎn)生［4］。灌漿過(guò)程主要分為以下幾個(gè)步驟：鉆孔、沖孔、灌漿、收孔［5］。在灌漿過(guò)程中，某些工藝要求對(duì)灌漿壓力的控制非常嚴(yán)格，以保障地面的水平或地質(zhì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度［6］。灌漿工藝分為循環(huán)式和純壓式兩種。循環(huán)式灌漿是指漿液始終保持循環(huán)，進(jìn)入孔段的漿液一部分進(jìn)入地層裂隙擴(kuò)散，余下漿液返回地面可重復(fù)使用；純壓式灌漿是漿液向地層裂隙擴(kuò)散，人為控制不讓漿液返回［7］。循環(huán)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(dòng)灌漿、地鐵隧道維修中［8］。

本系統(tǒng)應(yīng)用對(duì)象為地鐵隧道維修，以純壓式灌漿為主要研究對(duì)象［9］，使用泵控?zé)o回漿結(jié)構(gòu)。針對(duì)此應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)計(jì)專用控制器，并對(duì)控制算法進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)出一款更加穩(wěn)定的灌漿壓力控制系統(tǒng)。

1 總體方案

純壓式灌漿壓力控制系統(tǒng)使用單片機(jī)控制變頻器，變頻器輸出頻率量控制泵的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制管道內(nèi)水泥漿液的流量，間接控制管道內(nèi)的壓力。系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 壓力控制灌漿系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

微控制器是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，完成變頻器的控制量輸出，壓力信號(hào)的采集，控制算法的運(yùn)行。本系統(tǒng)選用STM32F103RCT6 單片機(jī)，具有小尺寸、高性能、外部接口豐富等特點(diǎn)［10-11］?？刂破髋c上位機(jī)使用CAN 通信，CAN總線通信成本低、實(shí)時(shí)處理能力強(qiáng)、在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下工作可靠［12-14］。系統(tǒng)使用變頻器對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，采用轉(zhuǎn)速控制模式，直接控制灌漿流量，間接控制灌漿壓力。人機(jī)交互界面由西門(mén)子HMI屏幕和面板按鈕組成，方便現(xiàn)場(chǎng)工人進(jìn)行控制。

2 硬件設(shè)計(jì)與選型

硬件部分主要包括主控制板、變頻器、人機(jī)交互界面、上位機(jī)。其中以主控制板作為核心，變頻器為執(zhí)行器件，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。

2.1 主控制板

主控板上需要有的各個(gè)模塊，主要是圍繞著單片機(jī)小系統(tǒng)電路、電源電路、通信電路（CAN 和RS485）、開(kāi)關(guān)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(gè)串口通信電路，分別與HMI設(shè)備和變頻器通信，使用RS485 串行總線標(biāo)準(zhǔn)；一個(gè)CAN 通道，與上位機(jī)進(jìn)行通信；8 個(gè)24 V開(kāi)關(guān)量輸入和8 個(gè)24 V開(kāi)關(guān)量輸出，用來(lái)檢測(cè)面板上各按鈕狀態(tài)、控制繼電器和指示燈；8 個(gè)A／D采樣通道，采集壓力傳感器信號(hào)，壓力傳感器產(chǎn)生的4 ～20 mA 信號(hào)通過(guò)信號(hào)隔離器變?yōu)? ～5 V 的電壓信號(hào)輸入單片機(jī)。

圖2 主控電路板模塊

2.2 關(guān)鍵器件選型

變頻器型號(hào)為臺(tái)達(dá)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(jī)通過(guò)串口與變頻器通信，使用Modbus RTU 協(xié)議，單片機(jī)為主機(jī)，變頻器為從機(jī)。單片機(jī)向變頻器發(fā)送控制命令和數(shù)據(jù)讀取命令。選用速度控制模式。

西門(mén)子Smart 700 觸摸屏是一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)交互的屏幕系統(tǒng)。HMI 屏幕型號(hào)為西門(mén)子SMART LINE 700 IE。單片機(jī)與屏幕通過(guò)串口通信，使用Modbus RTU協(xié)議，HMI設(shè)備為主機(jī)，單片機(jī)為從機(jī)。HMI 設(shè)備輪詢發(fā)送讀取數(shù)據(jù)命令和控制命令，周期為1 s。屏幕上可以顯示實(shí)時(shí)灌漿壓力、灌漿流量、工作時(shí)間、變頻器的頻率等關(guān)鍵數(shù)據(jù)；同時(shí)可以由人工設(shè)定需要的灌漿壓力或者選擇自動(dòng)灌漿模式，以便現(xiàn)場(chǎng)工人可以實(shí)時(shí)控制。

上位機(jī)為PC設(shè)備，使用LabVIEW 軟件作為開(kāi)發(fā)工具。在PC機(jī)上實(shí)時(shí)顯示各種信息。LabVIEW 使用圖形化編程語(yǔ)言編寫(xiě)程序，操作方便靈活，程序移植性強(qiáng)［15］。利用CAN 通信實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)試功能以及灌漿數(shù)據(jù)收集的功能。主要信息：流量（由轉(zhuǎn)速和排量換算）；壓力（由壓力傳感器直接采集）；吃漿量（實(shí)時(shí)估計(jì)產(chǎn)生）；流體總剛度；變頻器控制量；工作階段中的設(shè)定壓力和實(shí)際壓力差。提供以上信息進(jìn)行后續(xù)處理和算法優(yōu)化。

主控板電路部分依據(jù)系統(tǒng)要求進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，主要是對(duì)壓力信號(hào)、面板開(kāi)關(guān)信號(hào)的采集，對(duì)變頻器控制量的輸出。變頻器采用轉(zhuǎn)速控制模式，控制管道內(nèi)流量進(jìn)而控制管道內(nèi)壓力。人機(jī)界面上顯示各種關(guān)鍵參數(shù)，輸入設(shè)定值。上位機(jī)接收存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行后期分析，方便調(diào)試。

3 軟件與算法設(shè)計(jì)

軟件部分包括硬件驅(qū)動(dòng)程序和控制算法程序。由于地鐵灌漿施工過(guò)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(duì)控制穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，于是決定定義參考剛度來(lái)描述與估計(jì)地層的吸漿性。

3.1 參考剛度

根據(jù)實(shí)際過(guò)程中參數(shù)變化，轉(zhuǎn)換為兩個(gè)參數(shù)：參考剛度Kα和壓力誤差E。通過(guò)這兩個(gè)參數(shù)因素，調(diào)節(jié)PID參數(shù)，再將當(dāng)前的PID參數(shù)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(shí)際壓力；Q 為變頻器當(dāng)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(guò)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(yùn)行中，流量值無(wú)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(nèi)流量成正比，則參考剛度可等價(jià)于壓力和變頻器頻率之比，如式（2）所示。

式中：Pfreq為變頻器實(shí)時(shí)輸出頻率，由變頻器通過(guò)串口發(fā)送給單片機(jī)。

通過(guò)參考剛度可以估計(jì)水泥漿的滲透能力，修正控制參數(shù)。

3.2 變結(jié)構(gòu)PID的實(shí)現(xiàn)

在程序運(yùn)行時(shí)，由壓力傳感器采集數(shù)據(jù)，得到此時(shí)壓力值，并與上一次壓力值進(jìn)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(jù)兩者大小選擇PID參數(shù)，將偏差E輸入增量式PID 公式，得出控制量，發(fā)送給變頻器運(yùn)行?？刂扑惴鞒倘鐖D3 所示。與傳統(tǒng)PID的不同之處：根據(jù)參考剛度Kα和壓力誤差E自適應(yīng)地選擇不同的PID 參數(shù)，使整個(gè)控制結(jié)構(gòu)成為變結(jié)構(gòu)PID控制。通過(guò)對(duì)自適應(yīng)算法的引入，克服了灌漿過(guò)程中參數(shù)變化帶來(lái)的影響，可以改善控制效果。

圖3 核心控制算法流程

4 調(diào)試過(guò)程及結(jié)果

將該灌漿壓力控制系統(tǒng)拿到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，壓力值上下波動(dòng)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(dòng)幅度仍然較大，濾波效果不明顯。

4.1 調(diào)試過(guò)程

經(jīng)分析可知，由于灌漿系統(tǒng)中，泵的類(lèi)型為柱塞泵，壓力會(huì)周期性上下波動(dòng)。項(xiàng)目的實(shí)際要求：壓力最大值不要超過(guò)其設(shè)定值，以防止因壓力過(guò)大導(dǎo)致地層斷裂、抬動(dòng)和變形等。結(jié)合實(shí)際要求，決定將控制重點(diǎn)放在控制壓力最大值。

為了簡(jiǎn)化程序，系統(tǒng)增加了一個(gè)行程開(kāi)關(guān)。當(dāng)柱塞泵向外推到接近最外端時(shí)，觸發(fā)行程開(kāi)關(guān)，行程開(kāi)關(guān)發(fā)出一個(gè)低電平信號(hào)給單片機(jī)，此時(shí)單片機(jī)開(kāi)始采集壓力值。即通過(guò)行程開(kāi)關(guān)的運(yùn)動(dòng)狀況采集系統(tǒng)需要的最大壓力值，大大簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)處理要求。將壓力傳感器和行程開(kāi)關(guān)連上示波器觀察可知：柱塞泵在柱塞的一次往返運(yùn)動(dòng)中，壓力會(huì)有一高一低兩個(gè)峰值，其中更高的峰值為柱塞往外推到極限時(shí)對(duì)應(yīng)的壓力值；在行程開(kāi)關(guān)觸發(fā)時(shí)，正好可以采集到壓力最大峰值。

4.2 控制效果對(duì)比

灌漿壓力的控制要求是管道內(nèi)壓力值盡可能地接近設(shè)定壓力值，但不能超過(guò)設(shè)定壓力值。在灌漿進(jìn)行過(guò)程中，地層的吸漿性會(huì)越來(lái)越差?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，分別使用傳統(tǒng)PID 控制與變結(jié)構(gòu)PID控制，將單片機(jī)采集到的壓力值描點(diǎn)繪圖，如圖4所示，此時(shí)設(shè)定壓力值為350 kPa。圖中橙色線為傳統(tǒng)PID控制，藍(lán)色線為變結(jié)構(gòu)PID控制。從圖中可以看出，在灌漿進(jìn)行一段時(shí)間之后，傳統(tǒng)PID 控制的灌漿壓力便會(huì)出現(xiàn)失控情況，最高壓力超過(guò)設(shè)定壓力，不符合設(shè)計(jì)性能要求；變結(jié)構(gòu)PID控制的灌漿壓力可以一直穩(wěn)定在設(shè)定壓力之內(nèi)，穩(wěn)定性更好。通過(guò)增加行程開(kāi)關(guān)和使用變結(jié)構(gòu)PID控制，控制效果有顯著提升，壓力相較于改進(jìn)之前更加穩(wěn)定，能更好地滿足設(shè)計(jì)需求?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，壓力0.5 MPa以下時(shí)，誤差小于0.05 MPa；壓力0.5 ～1 MPa時(shí)，誤差小于0.1 MPa；壓力1 MPa 以上時(shí)，誤差小于0.15 MPa。性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 傳統(tǒng)PID控制與變結(jié)構(gòu)PID控制效果對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于純壓式灌漿設(shè)計(jì)了一款地鐵隧道灌漿壓力控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要功能：動(dòng)態(tài)檢測(cè)灌漿壓力并對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，顯示灌漿關(guān)鍵參數(shù)并記錄存儲(chǔ)和上位機(jī)記錄調(diào)試功能。硬件部分使用單片機(jī)作為主控，西門(mén)子HMI設(shè)備為人機(jī)交互單元，PC 機(jī)作為上位機(jī)，使用變頻器速度控制模式直接控制管道內(nèi)流量，間接控制管道內(nèi)壓力。算法部分在傳統(tǒng)PID控制的基礎(chǔ)上定義引入?yún)⒖紕偠菿α，根據(jù)偏差E和Kα的大小選擇不同的PID控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)變結(jié)構(gòu)PID控制。相比于傳統(tǒng)PID控制，提高了控制精度，減少了壓力波動(dòng)，解決了傳統(tǒng)PID控制精度較差、穩(wěn)定性較弱的問(wèn)題。解決了壓力灌漿過(guò)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(wěn)定問(wèn)題，在灌漿進(jìn)行的過(guò)程以及不同地質(zhì)條件下均能穩(wěn)定控制灌漿壓力，將誤差穩(wěn)定在設(shè)定值之內(nèi)，達(dá)到實(shí)際項(xiàng)目中工程控制要求。