倪 晨（上海隧道工程有限公司，上海 200082）

對(duì)引進(jìn)地鐵盾構(gòu)拼裝機(jī)控制鏈路的技術(shù)改造

The Influence on Neighboring Environment Generated by Gridding Deep Excavation in Huge Complicated Site

倪 晨（上海隧道工程有限公司，上海 200082）

針對(duì)進(jìn)口海瑞克地鐵盾構(gòu)拼裝機(jī)的有線(xiàn)控制鏈路的工程應(yīng)用問(wèn)題，提出了無(wú)線(xiàn)控制鏈路的技術(shù)改造方案。分析了無(wú)線(xiàn)頻段的選擇、通信方式和可靠性設(shè)計(jì)、硬件接口和軟件程序設(shè)計(jì)、PLC邏輯編程設(shè)計(jì)等技術(shù)關(guān)鍵。最后總結(jié)了對(duì)盾構(gòu)拼裝機(jī)無(wú)線(xiàn)控制鏈路技術(shù)改造成果。這對(duì)改進(jìn)地鐵存量盾構(gòu)的拼裝機(jī)有線(xiàn)控制鏈路的技術(shù)性能具有一定參考意義。

盾構(gòu)；拼裝機(jī)；無(wú)線(xiàn)控制；PLC；step7；Profibus-DP

筆者多年從事現(xiàn)場(chǎng)機(jī)電維修保養(yǎng)工作，在對(duì)地鐵盾構(gòu)維修過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，早先引進(jìn)的地鐵盾構(gòu)拼裝機(jī)的操作盒大都為有線(xiàn)模式，其缺點(diǎn)是：拼裝操作盒拖著電纜進(jìn)行移動(dòng)，既不方便，又容易受機(jī)械損傷。如果固定安裝拼裝操作盒，拼裝盲區(qū)會(huì)帶來(lái)極大的風(fēng)險(xiǎn)，拼裝機(jī)的大臂移動(dòng)一旦操作失誤，對(duì)下方拼裝指揮人員將造成傷害。如何降低拼裝操作盒移動(dòng)電纜在狹小空間環(huán)境受機(jī)械損傷引起的電氣故障概率，如何改善拼裝作業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度，是現(xiàn)場(chǎng)施工操作人員需要解決的問(wèn)題。

1 技術(shù)方案和技術(shù)關(guān)鍵

在消化吸收引進(jìn)的新型地鐵盾構(gòu)拼裝機(jī)無(wú)線(xiàn)控制鏈路技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合存量地鐵盾構(gòu)的拼裝機(jī)控制接口和控制邏輯特點(diǎn)，采用無(wú)線(xiàn)控制技術(shù)替代有線(xiàn)控制電纜。拼裝機(jī)有線(xiàn)控制鏈路改造成無(wú)線(xiàn)控制鏈路需要解決的技術(shù)關(guān)鍵主要有：

(1) 無(wú)線(xiàn)電頻率的選擇。該頻率必須滿(mǎn)足國(guó)家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定以及盾構(gòu)機(jī)施工的工況條件。

(2) 電磁波干擾問(wèn)題。在狹小空間近距離大容量盾構(gòu)電氣設(shè)備的電磁場(chǎng)環(huán)境下，確保無(wú)線(xiàn)發(fā)射距離和強(qiáng)度，避免盾構(gòu)大容量電機(jī)強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾。

(3) 可靠性問(wèn)題。避免通信誤碼，確保無(wú)線(xiàn)傳輸信息的正確性。

(4) 與原有盾構(gòu)硬件接口和軟件接口的系統(tǒng)整合，包括PLC 的通信協(xié)議、各類(lèi)開(kāi)關(guān)量和模擬量的輸入輸出、控制保護(hù)邏輯等等。

(5) 系統(tǒng)集成和調(diào)試應(yīng)用。

2 施工環(huán)境問(wèn)題及技術(shù)措施

2.1 施工環(huán)境問(wèn)題

隧道施工在環(huán)形的管片內(nèi)進(jìn)行，地鐵盾構(gòu)管片拼裝就是將 6 塊預(yù)制的管片用拼裝機(jī)將其拼裝成環(huán)形。無(wú)線(xiàn)電通信在管片內(nèi)發(fā)射和接收信號(hào)，在傳播過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生反射波，產(chǎn)生干擾。

2.2 避免反射波技術(shù)措施

結(jié)合國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，甚高頻 (VHF) 波具有反射能力強(qiáng)穿透性弱特點(diǎn)。所以選用 418 MHz 頻段，發(fā)射功率＜10 mW，接收靈敏度≥ 20 dB 的技術(shù)指標(biāo)。為了避免干擾，可將基站放置于橋架最前端靠近拼裝機(jī)處，并且通信電纜使用帶屏蔽的電纜進(jìn)行連接。

3 變頻器等機(jī)電設(shè)備干擾問(wèn)題及技術(shù)措施

盾構(gòu)內(nèi)大容量電機(jī)及變頻器高次諧波的電磁場(chǎng)干擾。選型設(shè)計(jì)應(yīng)避開(kāi)盾構(gòu)電氣設(shè)備電磁場(chǎng)干擾。主要采取在既定頻率下調(diào)整頻率的“頻點(diǎn)”，即在調(diào)整頻率后的小數(shù)位，避免干擾的發(fā)生。所選 418 MHz 頻率的頻點(diǎn)為 418.775 MHz，通過(guò)無(wú)線(xiàn)遙控器廠家提供的“晶振”實(shí)現(xiàn)。使用不同的“晶振”就可以將頻率進(jìn)行區(qū)分，從而避免設(shè)備間的干擾，

4 拼裝機(jī)運(yùn)作可靠性問(wèn)題及技術(shù)措施

盾構(gòu)拼裝環(huán)境狹小，管片重達(dá)十幾噸，施工人員幾乎接近管片操作，所以必須確保通信正確可靠。選擇何種編碼方式和調(diào)制方式的無(wú)線(xiàn)遙控設(shè)備就顯得尤為關(guān)鍵。通常無(wú)線(xiàn)遙控設(shè)備有 PPM (pulse position modulation 縮寫(xiě)，簡(jiǎn)稱(chēng)脈位調(diào)制)和 PCM (pulse-code modulation 縮寫(xiě)，簡(jiǎn)稱(chēng)脈碼調(diào)制)兩種編碼方式。調(diào)制方式有“AM”調(diào)幅和“FM”調(diào)頻。目前比較常用的組合有 PPM/AM、PPM/FM、PCM/FM。PPM 編碼在強(qiáng)干擾環(huán)境和超出控制范圍時(shí)會(huì)產(chǎn)生誤動(dòng)作，并且需要先開(kāi)終端后開(kāi)基站，先關(guān)基站后開(kāi)終端。這種開(kāi)關(guān)次序顯然也不符合正常的盾構(gòu)施工，所以 PPM 這種模式不適合在盾構(gòu)機(jī)內(nèi)使用。PCM/FM 就沒(méi)有這一問(wèn)題，而且 PCM/FM 具有高可靠性和高抗干擾性，并且具有無(wú)信號(hào)自動(dòng)回中位功能，這一特性也保證了拼裝機(jī)不會(huì)有誤動(dòng)作的發(fā)生。所以在無(wú)線(xiàn)遙控器編碼調(diào)制模式上選擇 PCM/FM。

5 拼裝機(jī)接口配合問(wèn)題及 PLC 接口編程設(shè)計(jì)

5.1 硬件接口

選擇海瑞克 S225、S226 地鐵盾構(gòu)拼裝機(jī)作為改造對(duì)象。兩者使用的 PLC 系統(tǒng)為西門(mén)子 S7-400，如果要將拼裝機(jī)有線(xiàn)控制鏈路改造成無(wú)線(xiàn)控制鏈路，勢(shì)必需要選擇支持Profibus-DP 協(xié)議的無(wú)線(xiàn)拼裝操作盒。目前主要生產(chǎn)工業(yè)無(wú)線(xiàn)操作盒的廠家有 HBC (海希)、NBB、Hetronic。由于是海瑞克盾構(gòu)，所以主要運(yùn)用Hetronic 產(chǎn)品。為了能夠便于以后的維修保養(yǎng)，此次改造選擇 Hetronic (海德)的產(chǎn)品進(jìn)行改造。通過(guò)以上要求進(jìn)行選型，選擇的產(chǎn)品型號(hào)基站：H/E-22VR Erektor Funk/Profi EMCT。

5.2 通信接口

將基站的通信口連接到已有的 PLC 網(wǎng)絡(luò)，考慮到通信距離，基站離操作室距離比較遠(yuǎn)，所以串聯(lián)到原來(lái)Profibus 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)會(huì)衰減導(dǎo)致中斷，因此組網(wǎng)時(shí)可以使用西門(mén)子的 RS-485 中繼器來(lái)增強(qiáng)信號(hào)。RS-485 的作用是延長(zhǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的通信距離，增強(qiáng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)目，并且可以將總線(xiàn)進(jìn)行光電隔離，防止共模電壓干擾。根據(jù) RS-485 的樣本，將基站接入已有 Profibus 網(wǎng)絡(luò)，通信連接圖如圖 1 所示。

圖 1 Proifbus 組網(wǎng)圖

5.3 PLC Profibus-DP 總線(xiàn)組態(tài)

完成組網(wǎng)后，需要對(duì)硬件進(jìn)行組態(tài)。通過(guò) step7 硬件進(jìn)行組態(tài)，硬件的信息可以在電子設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)文件 (GSD)中找到。導(dǎo)入設(shè)備商提供的 GSD 文件，并使用 Step7 將無(wú)線(xiàn)遙控設(shè)備基站連接到盾構(gòu)機(jī) Profibus-DP 總線(xiàn)系統(tǒng)中，如圖 2 所示。

圖 2 Profibus 通信配置

圖 2 中站地址 64 的 Prof_HET_Hr 為新增的無(wú)線(xiàn)拼裝機(jī)鏈路基站，站號(hào)可以設(shè)置原系統(tǒng)中未使用的任一站號(hào)，此處設(shè)置站號(hào)為 64。

6 拼裝機(jī)無(wú)線(xiàn)控制的 PLC 邏輯編程設(shè)計(jì)

拼裝機(jī)的施工工藝主要有左右旋轉(zhuǎn)、前后平移、大臂的伸縮、翻板的前后左右搖擺、鉗體的伸縮，主要分為開(kāi)關(guān)量的輸入輸出和全比例的輸入輸出。

6.1 控制流程框圖

通過(guò) Hetronic 公司提供的地址表，能夠了解各個(gè)開(kāi)關(guān)的功能，為之后的編程做準(zhǔn)備。默認(rèn)的地址范圍為 I240 至I253，Q243 至 Q251，也可以根據(jù)實(shí)際需要對(duì)地址進(jìn)行修改。配置完成后可以監(jiān)控一下各個(gè)點(diǎn)位有無(wú)輸入輸出的響應(yīng)，如果有響應(yīng)表示通信和組態(tài)正常，可以進(jìn)行下一步的軟件編程。編程邏輯見(jiàn)圖 3。

圖 3 PLC邏輯編程功能框圖

6.2 控制功能模塊

程序改動(dòng)主要集中在拼裝機(jī)、推進(jìn)千斤頂和喂片機(jī)。喂片機(jī)和推進(jìn)千斤頂?shù)某绦蛳鄬?duì)比較簡(jiǎn)單，主要是開(kāi)關(guān)量的輸入和輸出。為了兼容原有有線(xiàn)拼裝操作盒，原來(lái)的開(kāi)關(guān)量輸入和輸出地址可以不作改動(dòng)，將無(wú)線(xiàn)拼裝操作盒的開(kāi)關(guān)量輸入、輸出地址用“或門(mén)”或者“與門(mén)”并聯(lián)在相應(yīng)的程序段內(nèi)，即可實(shí)現(xiàn)所對(duì)應(yīng)的功能。大部分的開(kāi)關(guān)量輸入輸出都是做這樣的改動(dòng)。當(dāng)然也可以不保留原來(lái)有線(xiàn)拼裝操作盒的功能，完全替換原來(lái)有線(xiàn)輸入輸出的點(diǎn)位。以“4 號(hào)推進(jìn)油缸伸”為例，如圖 4 所示。

圖 4 4號(hào)推進(jìn)油缸無(wú)線(xiàn)拼裝操作盒程序的添加

FC 功能模塊是針對(duì)推進(jìn)油缸伸縮編輯的功能，所有程序一致的推進(jìn)油缸伸、縮的程序都可以調(diào)用該功能 FC。TFK1 為油缸伸輸入、TFK2 為油缸縮輸入、RS_0 為油缸停止輸入，通過(guò)增加 2 個(gè)“或門(mén)”和 1 個(gè)“與門(mén)”使無(wú)線(xiàn)拼裝操作盒的功能得以添加，從而能夠使用無(wú)線(xiàn)拼裝操作盒對(duì)推進(jìn)油缸電磁閥進(jìn)行控制，其他的數(shù)字量的輸入輸出程序也按照以上原則進(jìn)行修改。

6.3 操作手柄邏輯

拼裝機(jī)的操作是由左右兩個(gè)搖桿進(jìn)行控制的。這兩個(gè)搖桿分別控制拼裝機(jī)的不同動(dòng)作，并且是全比例控制的。其中左搖桿控制拼裝機(jī)的左回轉(zhuǎn)、右回轉(zhuǎn)、向前平移、向后平移，右搖桿控制拼裝機(jī)大臂藍(lán)、紅 2 個(gè)油缸的伸和縮，且可以同時(shí)控制伸縮，如圖 5 所示。

圖 5 無(wú)線(xiàn)拼裝操作盒左右搖桿布置與功能

雖然同為搖桿，但是這兩個(gè)搖桿的輸入方式是不同的，左搖桿為模擬量輸入、右搖桿為格雷碼輸入，兩者的不同是，格雷碼輸入的目的是將數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量，兩個(gè)搖桿的區(qū)別在于右搖桿中位是 0，而左搖桿中位是左右上下的中間值，不同的控制方式使得這兩個(gè)搖桿的輸入程序也不同。所以在對(duì)這兩個(gè)程序編程時(shí)需要有兩個(gè)不同的功能 FC 將輸入進(jìn)行轉(zhuǎn)換。假設(shè)左搖桿的功能為 FC1，右搖桿的功能為FC2，F(xiàn)C1 的功能為將輸入 0 到 127 的值轉(zhuǎn)換為 -127 到127，中位為 105。FC2 的功能是將不等于 0 的值進(jìn)行轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后進(jìn)行模擬量的輸出。

7 安裝調(diào)試及應(yīng)用效果

完成編程后，S225 和 S226 盾構(gòu)經(jīng)單機(jī)、聯(lián)動(dòng)、整裝調(diào)試等各環(huán)節(jié)，拼裝機(jī)功能都達(dá)到了和有線(xiàn)操作一致的要求，并且在改造完成后完成了天津 1 號(hào)線(xiàn)奧體中心站至?xí)怪行?，?huì)展中心站至緯三路站兩個(gè)區(qū)間的掘進(jìn)。經(jīng)過(guò)了實(shí)際工程的檢驗(yàn)，信號(hào)強(qiáng)度、干擾等問(wèn)題并沒(méi)有出現(xiàn)，可靠性是有保證的，證明選型是正確的。由于無(wú)線(xiàn)終端(拼裝操作盒)更換并不需要對(duì)其他部件進(jìn)行改造，所以維修也非常方便，在上海電力隧道區(qū)間掘進(jìn)中 S225 盾構(gòu)更換了新的終端(拼裝操作盒)，在使用中也沒(méi)有碰到任何問(wèn)題。

8 結(jié) 語(yǔ)

拼裝機(jī)鏈路的無(wú)線(xiàn)化改造在實(shí)際盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中得到了檢驗(yàn)，功能效果和最新的海瑞克地鐵盾構(gòu)沒(méi)有任何區(qū)別，特別當(dāng)終端(無(wú)線(xiàn)操作盒)損壞時(shí)，可以立即使用其他終端(無(wú)線(xiàn)操作盒)進(jìn)行替換。不僅提高了生產(chǎn)效率，降低了故障率，而且方便了備件的采購(gòu)和成本的控制。作為成熟的產(chǎn)品，理論上該系統(tǒng)可以使用在任意盾構(gòu)中，不僅支持像海瑞克這種 Profibus－DP 總線(xiàn)協(xié)議的盾構(gòu)，同樣也可以使用在日系三菱 PLC cc-link 通信協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)中，通過(guò)增加QJ71PB92V 模塊，將該套系統(tǒng)接入 cc-link 網(wǎng)絡(luò)，在技術(shù)上是完全可行的。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，更輕更方便的拼裝機(jī)鏈路會(huì)被運(yùn)用在工程中，同時(shí)大量的老盾構(gòu)為了滿(mǎn)足最新的施工要求有待改造，運(yùn)用最新的技術(shù)和設(shè)備改造原有的盾構(gòu)機(jī)設(shè)備也將成為行業(yè)的趨勢(shì)。

TU50

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1674-814X(2017)03-0063-04

2017-02-10

倪晨，現(xiàn)供職于上海隧道工程有限公司。

作者通信地址：上海市徐匯區(qū)宛平南路1099號(hào)，郵編：200082。