馮培培，卜壯志

(中鐵隧道裝備制造有限公司，鄭州 450000)

0 引言

隨著地下空間建設(shè)的蓬勃發(fā)展，出現(xiàn)了越來(lái)越多的公路過(guò)海、過(guò)江隧道建設(shè)工程［1］，相應(yīng)的工程機(jī)械設(shè)備——大直徑泥水盾構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生。目前，大直徑泥水盾構(gòu)的設(shè)計(jì)制造主要集中在英國(guó)、日本、法國(guó)等少數(shù)幾個(gè)國(guó)家，我國(guó)對(duì)泥水盾構(gòu)的研究還處于摸索階段［2］。文獻(xiàn)［3-4］僅針對(duì)盾構(gòu)采購(gòu)用戶(hù)的選型問(wèn)題，介紹大直徑泥水盾構(gòu)的泥漿循環(huán)系統(tǒng)、泥水處理系統(tǒng)、運(yùn)輸系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)的工作原理及泥水盾構(gòu)主機(jī)推進(jìn)速度與泥漿系統(tǒng)能力的匹配關(guān)系，文獻(xiàn)［5-6］介紹了海瑞克和NFM的泥水盾構(gòu)的改造工作。從以上文獻(xiàn)資料可以看出，近年來(lái)盾構(gòu)行業(yè)技術(shù)人員所作的工作一直都缺少對(duì)大直徑泥水盾構(gòu)關(guān)鍵控制技術(shù)的研究;為此，2010年，中國(guó)中鐵股份公司成立了“大直徑泥水盾構(gòu)控制系統(tǒng)的消化吸收與設(shè)計(jì)”科研項(xiàng)目，并由中鐵裝備制造公司承擔(dān)該項(xiàng)目的實(shí)施。本文重點(diǎn)介紹項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中盾構(gòu)機(jī)主要系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)方案與功能實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

考慮到直接聯(lián)機(jī)試驗(yàn)帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)為避免大直徑泥水盾構(gòu)控制系統(tǒng)的研發(fā)與盾構(gòu)產(chǎn)品生產(chǎn)調(diào)試之間的矛盾，以盾構(gòu)控制系統(tǒng)檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)［7-8］為載體，借用其機(jī)械結(jié)構(gòu)及液壓部件，重新設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)和上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，最后進(jìn)行試驗(yàn)?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計(jì)工作主要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)系統(tǒng)功能:刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)和泥水輸送系統(tǒng)。

1.1 刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

目前常用的刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)方式有3種:變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)、定速電機(jī)驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)。根據(jù)變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)(如調(diào)速范圍寬、調(diào)速精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、運(yùn)行效率高、功率因數(shù)高、操作方便且便于維護(hù)等)，最終采用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。選擇行星齒輪減速機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、回程間隙小、精度較高、使用壽命長(zhǎng)、額定輸出扭矩大且可反向傳動(dòng)。刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為5臺(tái)15kW電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用5臺(tái)變頻器按照“一拖一”的方式驅(qū)動(dòng)。PLC通過(guò)總線方式實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器［9］的控制。刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)電機(jī)布局如圖1所示。

圖1 刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)電機(jī)布局圖Fig.1 Layout of cutterhead driving motors

1.2 推進(jìn)系統(tǒng)

推進(jìn)系統(tǒng)采用液壓驅(qū)動(dòng)，推進(jìn)泵為15 kW電機(jī)。共12根推進(jìn)油缸，按照“2-3-4-3”(分別對(duì)應(yīng)A，B，C，D分區(qū)油缸數(shù)量)方式分布為4個(gè)區(qū)，實(shí)現(xiàn)分區(qū)控制和單獨(dú)控制，從而模擬盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中的推進(jìn)工作模式和管片安裝工作模式。PLC對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)的控制是通過(guò)與分布式I/O站點(diǎn)之間的通信實(shí)現(xiàn)的。推進(jìn)油缸的分區(qū)如圖2所示。

圖2 推進(jìn)油缸布置圖Fig.2 Layout of thrust cylinders

1.3 泥水輸送系統(tǒng)

泥水輸送系統(tǒng)是泥水盾構(gòu)機(jī)整個(gè)控制系統(tǒng)中的重要部分，其通過(guò)送漿和排漿把刀盤(pán)切削下來(lái)的黏土等輸送到地面上的泥水分離站。根據(jù)不同工況要求，泥水輸送系統(tǒng)在以下幾種工作模式之間切換:開(kāi)挖模式、旁通模式和隔離模式。泥水輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為1臺(tái)7.5 kW的送漿泵，1臺(tái)7.5 kW的排漿泵和1臺(tái)7.5 kW的變頻器驅(qū)動(dòng)。速度調(diào)節(jié)方式采用無(wú)級(jí)調(diào)速模式。

1.4 PLC控制系統(tǒng)

PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，根據(jù)系統(tǒng)功能需求對(duì)施耐德PLC進(jìn)行選型和模塊配置，PLC與外圍設(shè)備之間通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，可極大地提高數(shù)據(jù)運(yùn)行效率并充分發(fā)揮PLC的邏輯功能與通信功能;軟件方面，在施耐德PL7 Pro+ibus編程環(huán)境下進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，包括PLC的硬件組態(tài)、變量聲明、Profibus總線組態(tài)、通信程序和邏輯控制程序等。

1.5 加載系統(tǒng)

為了在試驗(yàn)中更加真實(shí)地反映盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)工況，采用實(shí)物加載來(lái)仿真驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的大直徑泥水盾構(gòu)控制系統(tǒng)能否滿(mǎn)足要求。刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是在刀盤(pán)前部設(shè)置一個(gè)增速器帶動(dòng)小排量液壓馬達(dá)對(duì)刀盤(pán)扭矩加載;推進(jìn)系統(tǒng)是在盾殼后部設(shè)置幾根油缸對(duì)盾殼拖拉實(shí)現(xiàn)加載，拖拉油缸的布置采用內(nèi)置式。

2 控制系統(tǒng)的實(shí)施過(guò)程

2.1 系統(tǒng)硬件組成

原有盾構(gòu)試驗(yàn)臺(tái)的控制系統(tǒng)選用的是西門(mén)子S7-400 PLC，主機(jī)架下擴(kuò)展2個(gè)擴(kuò)展機(jī)架，主機(jī)架通過(guò)Profibus總線與ET200M的分布式I/O之間連接［10］。

在本項(xiàng)目中，將使用施耐德Premium系列PLC作為主控單元。CPU型號(hào)選擇TSX P57353AM，配置1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)主機(jī)架，安裝以太網(wǎng)模塊、Profibus DP總線模塊、模擬量輸入/輸出模塊和數(shù)字量輸入/輸出模塊等。以太網(wǎng)模塊應(yīng)用于PLC與上位機(jī)之間的通信，Profibus DP總線模塊應(yīng)用于PLC與分布式I/O、PLC與變頻器之間的通信。系統(tǒng)設(shè)計(jì)在利用原西門(mén)子分布式I/O的基礎(chǔ)上，增加了倍福分布式I/O的應(yīng)用，通過(guò)Profibus總線充分發(fā)揮分布式I/O站的分散優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)分散式控制。選用倍福的分布式I/O是因其具有兼容性好、使用簡(jiǎn)單方便、體積小、性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，可以將其布置在體積較小的電控柜中，便于安裝在盾體內(nèi)，用于刀盤(pán)本地控制、推進(jìn)閥組的控制輸出以及刀盤(pán)轉(zhuǎn)速等信息的采集。原有的3個(gè)西門(mén)子分布式I/O的分配:1個(gè)用于推進(jìn)系統(tǒng)的本地控制，2個(gè)分別用于泥水輸送系統(tǒng)的進(jìn)漿泵和排漿泵的控制，并采集進(jìn)漿/排漿的流量、壓力等信息。刀盤(pán)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的變頻器選用帶Profibus通信卡的施耐德ATV71系列，此系列變頻器是高性能磁通矢量控制變頻器，擁有良好的低頻特性，可以很好地滿(mǎn)足盾構(gòu)刀盤(pán)啟動(dòng)對(duì)低頻區(qū)的要求，根據(jù)刀盤(pán)電機(jī)實(shí)際情況選擇變頻器功率為15 kW。泥水輸送系統(tǒng)的變頻器仍然利用原有的安川7.5 kW變頻器，通過(guò)西門(mén)子ET200M對(duì)變頻器進(jìn)行端子控制。

圖3反映了施耐德PLC通過(guò)Profibus總線與變頻器、分布式I/O之間通信的硬件系統(tǒng)組成情況。從圖中可以看出，本系統(tǒng)與原系統(tǒng)相比雖然都采用分布式I/O控制方案，但存在以下區(qū)別:1)選用了施耐德PLC，但是為了有效利用原系統(tǒng)資源就采用了第三方現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議Profibus DP，擴(kuò)大了施耐德PLC的兼容性;2)增加了高性?xún)r(jià)比的倍福分布式I/O的應(yīng)用，考慮到行業(yè)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)效益，該技術(shù)將會(huì)應(yīng)用到泥水盾構(gòu)的樣機(jī)制造中。

圖3 硬件系統(tǒng)圖Fig.3 Hardware system

2.2 控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)

PLC對(duì)盾構(gòu)刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)的控制是通過(guò)總線對(duì)變頻器相關(guān)參數(shù)進(jìn)行讀寫(xiě)實(shí)現(xiàn)的。一是讀取變頻器狀態(tài)字ETA，判斷變頻器故障、報(bào)警、準(zhǔn)備好等狀態(tài)，讀取變頻器的實(shí)際輸出頻率、電流、扭矩等參數(shù)信息;二是向變頻器發(fā)送命令字CMD，控制變頻器的啟動(dòng)、停車(chē)、正/反轉(zhuǎn)、故障復(fù)位等動(dòng)作，向變頻器發(fā)送頻率設(shè)定值、扭矩限幅等參數(shù)設(shè)定值。由于PLC與變頻器之間經(jīng)Profibus總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，因此，在程序設(shè)計(jì)時(shí)需要進(jìn)行PLC的硬件組態(tài)(導(dǎo)入GSD文件)和軟件組態(tài)(分配變頻器輸入/輸出參數(shù)的尋址地址)。根據(jù)刀盤(pán)在實(shí)際施工中的要求，該部分程序主要設(shè)計(jì)了刀盤(pán)電機(jī)的啟動(dòng)預(yù)選、刀盤(pán)無(wú)級(jí)調(diào)速、刀盤(pán)正/反轉(zhuǎn)、刀盤(pán)同步扭矩保護(hù)、變頻器的故障報(bào)警、變頻器復(fù)位、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速以及變頻器輸出頻率、電流、功率等的信號(hào)采集。為了保證刀盤(pán)變頻驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的同步性能，必須對(duì)變頻器參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)置。本系統(tǒng)主要針對(duì)變頻器滑差控制模式(自適應(yīng)方式)來(lái)設(shè)置參數(shù)，包括電機(jī)的額定電壓、額定電流、額定轉(zhuǎn)速、額定功率、扭矩限幅、電流限幅、通訊字等。

PLC對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)和對(duì)泥水輸送系統(tǒng)的控制都是通過(guò)總線與分布式I/O站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換實(shí)現(xiàn)的。首先，基于I/O站點(diǎn)的類(lèi)型進(jìn)行總線組態(tài)，包括硬件組態(tài)(導(dǎo)入GSD文件)和軟件組態(tài)(I/O站點(diǎn)的變量地址分配);然后，根據(jù)系統(tǒng)功能要求，PLC按照規(guī)定的尋址方式對(duì)分布式I/O站點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)操作，編寫(xiě)邏輯控制程序和數(shù)據(jù)處理程序。推進(jìn)系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)分2個(gè)方面:1)盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)模式下12組油缸的同伸、油缸壓力調(diào)節(jié)、油缸速度調(diào)節(jié)、油缸伸出位移和壓力的采集，并計(jì)算推進(jìn)速度;2)盾構(gòu)機(jī)在管片安裝模式下推進(jìn)油缸的選擇(單獨(dú)控制)、伸出/收回、油缸位移和壓力等信息的采集。泥水輸送系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際施工情況，設(shè)計(jì)了3種工作模式:1)當(dāng)盾構(gòu)機(jī)正常掘進(jìn)時(shí)，泥水輸送系統(tǒng)工作在開(kāi)挖模式，此時(shí)打開(kāi)前盾開(kāi)挖室的進(jìn)漿閥和排漿閥，并根據(jù)氣倉(cāng)內(nèi)泥漿高程、壓力及所要求的排渣流量，調(diào)整進(jìn)漿泵和排漿泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行泥水循環(huán);2)當(dāng)盾構(gòu)機(jī)停止掘進(jìn)執(zhí)行其他功能時(shí)(如安裝管片襯砌環(huán)時(shí)，切換泥水系統(tǒng)到旁通模式，又稱(chēng)待機(jī)模式)，此時(shí)開(kāi)挖室的進(jìn)/排漿閥關(guān)閉，并打開(kāi)旁通閥，將開(kāi)挖室隔離，隧道內(nèi)各泥漿泵根據(jù)泵的超載壓力和所要求的排渣流量來(lái)控制轉(zhuǎn)速保持泥水循環(huán);3)當(dāng)盾構(gòu)機(jī)停止掘進(jìn)并進(jìn)行泥漿管道延長(zhǎng)時(shí)，需要將泥水系統(tǒng)切換到隔離模式(又稱(chēng)管路延伸模式)，此時(shí)要關(guān)閉開(kāi)挖室和隧道內(nèi)的所有泥漿閥，打開(kāi)隔離閥，使隧道里的泥漿管道系統(tǒng)與地面泥水分離系統(tǒng)處于完全隔離的狀態(tài)，但此時(shí)設(shè)在地面的泥水分離站和泥漿制備站之間的回路仍保持連通。PLC程序除了在以上3種工作模式之間切換以外，還需采集泥漿輸送回路的流量、壓力、泵站壓力、泵站轉(zhuǎn)速、泥水倉(cāng)的液位、壓力等信息，通過(guò)對(duì)這些信息的監(jiān)控了解泥水輸送系統(tǒng)的工作狀況，從而采取相應(yīng)操作。

控制程序是在施耐德PL7 Profibus軟件中編寫(xiě)的。按照系統(tǒng)功能，進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)單元級(jí)控制;按照任務(wù)優(yōu)先級(jí)，將功能邏輯控制、數(shù)據(jù)運(yùn)算等放在主任務(wù)中執(zhí)行，將Profibus總線數(shù)據(jù)交換放在快速任務(wù)中執(zhí)行，保證時(shí)效性。

2.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)條件:通過(guò)空氣壓力平衡系統(tǒng)(是獨(dú)立于PLC系統(tǒng)之外的一套自動(dòng)控制系統(tǒng))調(diào)節(jié)泥水倉(cāng)壓力為300 kPa，泥水輸送系統(tǒng)選擇掘進(jìn)模式，同時(shí)推進(jìn)系統(tǒng)也選擇掘進(jìn)模式，比例溢流閥給定50%。在此實(shí)驗(yàn)條件下所得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，表明大直徑泥水盾構(gòu)試驗(yàn)臺(tái)的各項(xiàng)檢測(cè)數(shù)據(jù)均符合控制要求，能夠仿真泥水盾構(gòu)的實(shí)際工況。

另外根據(jù)刀盤(pán)主驅(qū)動(dòng)的5臺(tái)變頻器輸出扭矩值，繪制成如圖4所示的曲線圖。從中可以看出，每臺(tái)電機(jī)輸出扭矩基本相同，刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)電機(jī)同步性能良好。

3 結(jié)論與討論

以盾構(gòu)控制系統(tǒng)檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)為依托，通過(guò)實(shí)物仿真建立大直徑泥水盾構(gòu)的控制系統(tǒng)，經(jīng)試驗(yàn)得到的各項(xiàng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)均滿(mǎn)足控制精度要求。

通過(guò)本文內(nèi)容可以了解大直徑泥水盾構(gòu)主要系統(tǒng)的工作原理、控制邏輯和操作流程，對(duì)其有一定的初步認(rèn)識(shí)，為后續(xù)研究奠定了一定基礎(chǔ)。當(dāng)然，本項(xiàng)目仍存在以下問(wèn)題:

1)本文僅對(duì)泥水盾構(gòu)的3個(gè)主要系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)并試驗(yàn)，缺少破碎機(jī)、注漿、水循環(huán)等輔助系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)。

2)受試驗(yàn)條件限制，在程序設(shè)計(jì)時(shí)缺少相關(guān)聯(lián)鎖條件，如液壓油箱液位、油溫、EP2油脂泵狀態(tài)、HBW油脂泵狀態(tài)、水箱液位等條件信息。

3)后續(xù)工作需要完善整套控制系統(tǒng)。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Test data

圖4 刀盤(pán)主驅(qū)動(dòng)變頻器的輸出扭矩Fig.4 Output torque of frequency converter of main drive of cutterhead

［1］ 段悟哲.過(guò)海、過(guò)江(河)隧道線路設(shè)計(jì)淺析［J］.隧道建設(shè)，2008，28(4):178-181.(DUAN Wuzhe.Analysis on alignment design of sub-sea tunnels and river-crossing tunnels［J］.Tunnel Construction，2008，28(4):178-181.(in Chinese))

［2］ 項(xiàng)兆池，樓如月，傅德明.最新泥水盾構(gòu)技術(shù)［R］.上海:上海隧道工程股份有限公司施工技術(shù)研究情報(bào)室，2001:3-11.

［3］ 張寧川.泥水盾構(gòu)主機(jī)推進(jìn)速度與泥漿系統(tǒng)能力的匹配［J］.隧道建設(shè)，2007，27(6):7-9.(ZHANG Ningchuan.Matching between thrust speed of main shield machine and capacity of slurry system［J］.Tunnel Construction，2007，27(6):7-9.(in Chinese))

［4］ 張學(xué)軍.城市大直徑泥水盾構(gòu)施工輔助設(shè)備配備［J］.隧道建設(shè)，2008，28(3):378-381.(ZHANG Xuejun.Matching of ancillary construction equipment for large-diameter slurry shields used in urban areas［J］.Tunnel Construction，2008，28(3):378-381.(in Chinese))

［5］ 陳建，張寧川，呂建樂(lè).S259號(hào)泥水平衡盾構(gòu)機(jī)改造［J］.隧道建設(shè)，2007，27(6):71-75.(CHEN Jian，ZHANG Ningchuan，LV Jianle.Refurbishment of S259 slurry balanced shield machine［J］.Tunnel Construction，2007，27(6):71-75.(in Chinese))

［6］ 王偉.武漢長(zhǎng)江隧道泥水盾構(gòu)的改造［J］.隧道建設(shè)，2010，30(4):476-481.(WANG Wei.Modification of slurry shield originally used in Yangtze River in Wuhan［J］.Tunnel Construction，2010，30(4):476-481.(in Chinese))

［7］ 陳饋，韓亞麗.泥水盾構(gòu)控制系統(tǒng)模擬試驗(yàn)臺(tái)［J］.建筑機(jī)械化，2007(4):30-63.(CHEN Kui，HAN Yali.Simulation test-bed of slurry shield control system［J］.Construction Mechanization，2007(4):30-63.(in Chinese))

［8］ 何於璉.泥水盾構(gòu)控制系統(tǒng)檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)的研制［J］.工程機(jī)械，2007(11):28-31，6.(HE Yulian.Shield control system performance simulation inspection test bench［J］.Construction Machinery and Equipment，2007(11):28-31，6.(in Chinese))

［9］ 吳忠智，吳加林.變頻器原理及應(yīng)用指南［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2007.

［10］ 蒲曉波.西門(mén)子PLC在盾構(gòu)控制系統(tǒng)檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)的應(yīng)用［J］.隧道建設(shè)，2009，29(1):127-129.(PU Xiaobo.Application of siemens PLC in test-bed for shield machine control system［J］.Tunnel Construction，2009，29(1):127-129.(in Chinese))