文／陳義軍 中交二航局第三工程有限公司 江蘇鎮(zhèn)江 212000

引言：

傳統(tǒng)頂管施工主要采用的是繼電器控制方式，且需要連接多芯電纜，并以人工方式湖區(qū)表盤讀數(shù)，不僅施工技術(shù)難度較高，而且在控制精度和可靠性方面也存在明顯的不足之處，難以適應(yīng)現(xiàn)代長距離頂管施工的實際需要。而且由于長距離頂管施工是一項較為復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，涉及大量的人員設(shè)備，對設(shè)備的聯(lián)動性以及數(shù)據(jù)通訊的即時性等都有很高的要求，因此在長距離頂管施工實踐中應(yīng)積極應(yīng)用具有較高自動化以及信息化水平的PLC 控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)實時采集各傳感器數(shù)據(jù)信息，對長距離頂管設(shè)備中繼環(huán)、工具頭以及相關(guān)配套設(shè)備的控制，并自動發(fā)出故障報警信息，從而為長距離頂管施工的順利實施提供重要支撐。

1、長距離頂管施工中PLC 自動化控制系統(tǒng)概述

1.1 長距離頂管施工概述

在地下管道的施工中，非開挖性的頂管施工技術(shù)由于具有較好的施工安全性以及技術(shù)適應(yīng)性，且對地面交通所造成的影響相對較小，在施工過程中產(chǎn)生的振動、粉塵以及噪聲污染也比較少，因此在城市各類地下管網(wǎng)工程中得到了廣泛應(yīng)用[1]。近年來地下管網(wǎng)工程規(guī)模不斷擴大，長距離頂管施工對施工控制精度以及施工效率都提出了新的要求，施工單位應(yīng)積極加強PLC 自動化控制系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)的運用，全面提高長距離頂管施工的技術(shù)水平。

1.2 PLC 自動化控制系統(tǒng)概述

所謂PLC 自動化控制系統(tǒng)也就是可編程式邏輯控制裝置，其主要通過可編程存儲器實現(xiàn)存儲內(nèi)部程序以及邏輯計算分析，并可以根據(jù)用戶預(yù)設(shè)指令進(jìn)行運算、定時以及計數(shù)等操作。PLC 自動化控制系統(tǒng)是通過輸入或輸出模擬量以及數(shù)字化信息實現(xiàn)對機械設(shè)備動作狀態(tài)以及生產(chǎn)過程的精確控制[2]。隨著PLC 自動化控制系統(tǒng)的發(fā)展，它在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。運用PLC 自動化控制系統(tǒng)控制長距離頂管施工能夠有效提高施工的質(zhì)量和效率，更好的保證施工安全。

2、PLC 自動化控制系統(tǒng)在長距離頂管施工中的運用分析

2.1 長距離頂管施工中PLC 自動化控制系統(tǒng)基本功能

在長距離頂管施工中應(yīng)積極應(yīng)用具有較高可靠性的OLC自動化控制技術(shù)，以提高對頂管施工的管理以及控制水平。PLC 自動化控制系統(tǒng)采用的是分布式I/O 以及現(xiàn)場總線技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)信息的實時采集和傳輸，不僅信息化、自動化程度較高，而且功能豐富、便于維護(hù)，為長距離頂管施工控制提供了重要的技術(shù)支撐。

在長距離頂管施工中運用PLC 自動化控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)工具頭控制、中繼環(huán)控制、配套設(shè)備控制以及相關(guān)的數(shù)據(jù)通信等多項功能，各項功能則需要依靠PLC 自動化控制系統(tǒng)的上位機、下位機、主站、從站、中繼器等部分實現(xiàn)。其中，PLC 自動化控制系統(tǒng)的下位機功能主要是控制工具頭。下位機具有一定的獨立性，能夠?qū)Φ侗P動作、液壓升降、姿態(tài)糾偏、進(jìn)泥、排泥以及其他輔助設(shè)備進(jìn)行精確控制。同時，下位機還可以對各種傳感器所獲取的掘進(jìn)設(shè)備的土壓油壓、設(shè)備姿態(tài)以及轉(zhuǎn)速等各項模擬量進(jìn)行實時采集和處理分析，一旦發(fā)現(xiàn)存在異常數(shù)據(jù)時能夠自動發(fā)出預(yù)警信息或者進(jìn)行故障報警，且在施工過程中可以根據(jù)工藝設(shè)定自動采取聯(lián)鎖保護(hù)動作。PLC 自動化控制系統(tǒng)的中繼環(huán)控制主要是通過上位機以及后座主千斤頂?shù)仍O(shè)備來實現(xiàn)對多個中繼環(huán)的聯(lián)動遠(yuǎn)程控制。同時，PLC 自動化控制系統(tǒng)還能夠?qū)﹂L距離頂管施工中所使用地面配套設(shè)備（如泥漿泵、引水泵以及高壓泵等）和管內(nèi)配套設(shè)備（如排泥進(jìn)水接力泵、送漿泵以及壓漿泵等）進(jìn)行集中控制[3]。此外，PLC 自動化控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸一般需要通過下位機和網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)，且需要結(jié)合上位機完成對各種設(shè)備運行狀態(tài)、施工數(shù)據(jù)以及故障信息的計算分析。PLC 自動化控制系統(tǒng)上位機還具有自動報表、遠(yuǎn)程控制長距離頂管設(shè)備工具頭等功能。通過PLC 自動化控制系統(tǒng)的運用，對配套設(shè)備以及中繼環(huán)的控制能力明顯提高，能夠滿足3km 距離內(nèi)的施工控制要求。

2.2 長距離頂管施工中PLC 自動化控制系統(tǒng)架構(gòu)分析

在長距離頂管施工中，應(yīng)按照分散控制以及集中監(jiān)測這一基本原則進(jìn)行PLC 自動化控制系統(tǒng)架構(gòu)的構(gòu)建。在PLC自動化控制系統(tǒng)中，控制長距離頂管施工流程應(yīng)通過PLC 來實現(xiàn)，同時應(yīng)采用現(xiàn)能夠?qū)Ａ繑?shù)據(jù)信息進(jìn)行高效處理分析并傳輸控制指令的現(xiàn)場總線CC-Link 為施工現(xiàn)場的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，以便集中監(jiān)控長距離頂管施工的所有施工環(huán)節(jié)。現(xiàn)場總線CC-Link 與連接介質(zhì)之間一般采用的是雙絞線結(jié)構(gòu)形式，能夠為64 個從站提供支撐，同時其所采用的輪詢廣播方式能夠使數(shù)據(jù)傳輸速度達(dá)到10Mbps；而其結(jié)合中繼器使用后能夠?qū)鬏斁嚯x延長至13.2km 左右[4]。因此現(xiàn)場總線CC-Link 的運用可以滿足長距離頂管施工要求，有效簡化長距離頂管施工現(xiàn)場配線，提高系統(tǒng)的兼容性以及抗噪能力，降低操作難度和使用成本。長距離頂管施工中PLC 自動化控制系統(tǒng)的上位機既為計算機，其是PLC 自動化控制系統(tǒng)的操作平臺以及顯示平臺。而系統(tǒng)的主控制器是主站，其作為PLC 自動化控制系統(tǒng)的核心承擔(dān)著控制所有從站，并對地面配套設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控的任務(wù)。施工單位應(yīng)根據(jù)長距離頂管施工的實際需要合理確定從站數(shù)量，以便按照主站指令對所對應(yīng)的管道泵以及中繼環(huán)等設(shè)備進(jìn)行控制。系統(tǒng)的下位機為觸摸屏，其與從站PLC 之間可采用RS-232C 連接方式，以實現(xiàn)對長距離頂管工具頭的單獨控制。

2.3 長距離頂管施工中PLC 自動化控制系統(tǒng)硬件應(yīng)用分析

為保證長距離頂管施工的順利進(jìn)行，在運用PLC 自動化控制系統(tǒng)時應(yīng)采用性能較好的硬件設(shè)備，特別是作為PLC 自動化控制系統(tǒng)核心部分的CPU、CC-Link 現(xiàn)場總線、上位機以及變頻器等硬件設(shè)備，其各項指標(biāo)性能參數(shù)均應(yīng)滿足長距離頂管施工控制的實際需要。同時，隨著頂管施工距離的增加，應(yīng)相應(yīng)的增加通訊中繼器的設(shè)置數(shù)量，一般應(yīng)按照每1000m 設(shè)置一個的原則進(jìn)行中繼器的布設(shè)，以確保PLC 自動化控制系統(tǒng)能夠充分發(fā)揮器應(yīng)有的作用。

2.3.1 自動化PLC 控制系統(tǒng)主站和上位機結(jié)構(gòu)

長距離頂管施工中PLC 自動化控制系統(tǒng)的主站根據(jù)實際情況可采用QJ61BT11N 模塊，并結(jié)合Q64DA、Q02HCPU、QY10、QX40 以及Q68AD 等[5]。PLC 自動化控制系統(tǒng)的上位機應(yīng)采用工控計算機設(shè)備。同時為適應(yīng)長距離頂管施工的實際需要應(yīng)能夠與多個從站相連，且應(yīng)充分考慮地面配套設(shè)備的使用數(shù)量，科學(xué)確定模擬量輸入、輸出線路以及開關(guān)量輸入輸出線路的數(shù)量，且余量應(yīng)充足合理，以實現(xiàn)對所有施工設(shè)備的有效控制。

2.3.2 自動化PLC 控制系統(tǒng)從站和下位機結(jié)構(gòu)

結(jié)合長距離頂管施工的實際需要，PLC 自動化控制系統(tǒng)的1 號從站一般可采用FX2N-8AD 模塊、FX2N-128MR模塊、FX2N-32CCL 模塊以及FX2N-48ER 模塊各一個，并采用FX@N-5A 模塊2 個。同時在PLC 自動化控制系統(tǒng)中可采用GT1575-WBA 型號觸摸屏作為洗胃機，以完成對主站之間16b 以及128b 數(shù)據(jù)的通訊欻數(shù)。此外，為確保能夠下位機能夠在相對獨立條件下監(jiān)測控制長距離頂管施工工具頭動作，應(yīng)合理確定其模擬量和開關(guān)量的輸入輸出線路數(shù)量。

2.3.3 自動化PLC 控制系統(tǒng)其他從站結(jié)構(gòu)

在長距離頂管施工中運用PLC 自動化控制系統(tǒng)時，去除1 號從站外的其他PLC 從站可以采用FX2N-32CCL 模塊、FX2N-32MR 模塊以及FX2N-4AD 模塊構(gòu)成，以實現(xiàn)與主站之間傳輸4 級32 位數(shù)據(jù)的要求，且應(yīng)合理確定模擬量輸入線路、開關(guān)量輸入以及開關(guān)量輸出線路的數(shù)量。隨著頂管施工距離的增強，為保證數(shù)據(jù)通訊的可靠性和時效性，應(yīng)按照每100m一個的原則增加通信中繼器的設(shè)置數(shù)量，且通信中繼器應(yīng)設(shè)置在相鄰從站處。目前在長距離頂管施工長PLC自動化控制系統(tǒng)運用實踐中，AJ65SBT-RPT 型號的中繼器被廣泛應(yīng)用于主從站數(shù)據(jù)通訊。

3、長距離頂管施工中PLC 自動化控制系統(tǒng)軟件應(yīng)用

在長距離頂管施工中運用PLC 自動化控制系統(tǒng)時，PLC自動化控制系統(tǒng)各部分功能的實現(xiàn)還需要依賴于相關(guān)軟件程序的應(yīng)用。技術(shù)人員可根據(jù)長距離頂管施工的實際需要以及PLC 自動化控制系統(tǒng)特點，合理選擇相應(yīng)的開發(fā)軟件編制相關(guān)控制程序。例如可以通過組態(tài)王軟件進(jìn)行上位機程序的編制，而在編制主從站程序時則可以采用GPPW 等MELSOT系列軟件并結(jié)合梯形圖PLC 語言進(jìn)行編程開發(fā)。其中PLC自動化控制系統(tǒng)的上下位機程序是直接面對用戶的顯示界面和操作平臺，而主從站程序則是PLC 自動化控制系統(tǒng)中各硬件設(shè)備的驅(qū)動程序，在編制PLC 自動化控制系統(tǒng)程序軟件時，應(yīng)充分考慮長距離頂管施工中繼環(huán)和主頂設(shè)備之間的聯(lián)動控制要求、相關(guān)配套設(shè)備聯(lián)動控制要求、施工設(shè)備在運行過程中各動作自動聯(lián)鎖保護(hù)要求、自動化故障報警要求以及數(shù)據(jù)實時監(jiān)測要求等多種因素，確保軟件程序編制科學(xué)合理，有效解決傳統(tǒng)人工操作以及中繼器控制方式中存在的誤動作等問題。同時應(yīng)在PLC 自動化控制系統(tǒng)軟件中設(shè)置設(shè)備故障在線自動檢測以及聯(lián)鎖保護(hù)機制，并合理設(shè)定各項指標(biāo)參數(shù)的控制范圍，以提高PLC 自動化控制系統(tǒng)運行的可靠性和穩(wěn)定性，為長距離頂管施工的順利實施奠定良好的基礎(chǔ)。

3.1 長距離頂管施工中自動化PLC 控制系統(tǒng)上位機軟件應(yīng)用

運用PLC 自動化控制系統(tǒng)進(jìn)行長距離頂管施工控制時，可以采用高度集成的數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)控制、圖形編輯技術(shù)以及人機界面等多種技術(shù)的組態(tài)王軟件進(jìn)行上位機程序的開發(fā)編制，其能夠通過報表編制、定態(tài)顯示、趨勢分析以及報警控件等相關(guān)組件便捷快速的完成軟件編制任務(wù)，且其導(dǎo)向式刨邊的使用較為靈活簡便，結(jié)合腳本語言強大的處理能力和多元化設(shè)備支持庫，能夠使軟件更好的滿足長距離頂管施工要求。PLC 自動化控制系統(tǒng)的上位機程序一般通過初始顯示界面、設(shè)置畫面以及手動和自動畫面這4 個圖形界面呈現(xiàn)在用戶面前，長距離頂管施工人員可以通過畫面操作獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，對長距離頂管施工工藝進(jìn)行總結(jié)分析以便進(jìn)行工藝優(yōu)化調(diào)整。此外，其還可以提供長距離頂管施工實時數(shù)據(jù)以及歷史數(shù)據(jù)報表打印等服務(wù)功能。PLC 自動化控制系統(tǒng)與用戶間的信息交互主要通過上位機來實現(xiàn)，在長距離頂管施工中，施工人員可以直接通過上位機下達(dá)指令信息，對施工工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，讀取施工設(shè)備的實時狀態(tài)數(shù)據(jù)并接收反饋數(shù)據(jù)等。

3.2 長距離頂管施工中自動化PLC 控制系統(tǒng)主從站軟件應(yīng)用

運用PLC 自動化控制系統(tǒng)進(jìn)行長距離頂管施工控制時，系統(tǒng)核心是主站程序，通過主站程序完成對本站設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)測控制，同時輸入或輸出開關(guān)量以及模擬量，以確保本站能夠與其他各從站相互協(xié)調(diào)配合。在長距離頂管施工過程中，為實現(xiàn)根據(jù)系統(tǒng)指令對設(shè)備啟停進(jìn)行控制，并向系統(tǒng)反饋開關(guān)信號，對設(shè)備運行狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測，采集模擬量信息，對變頻器工作頻率以及模擬量輸出值進(jìn)行調(diào)節(jié)，在主從站程序編制時可以設(shè)置五個功能模塊，以完成相關(guān)任務(wù)。

首先應(yīng)設(shè)施監(jiān)控工具頭模塊，以便對長距離頂管施工中整個頂管設(shè)備工具頭的所有動作以及頂管設(shè)備的整體運行情況進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測和控制。其次應(yīng)設(shè)置中繼環(huán)與長距離頂管施工主頂部分的聯(lián)動模塊，以實現(xiàn)對中繼環(huán)動作的手動控制以及自動控制。在自動控制模式下，可以將控制模式設(shè)定為M 頂N 方式，其中M 和N 值應(yīng)大于0，且M應(yīng)大于N。采用該模式能夠聯(lián)動控制主頂和任意環(huán)的組合，有效防止在頂管過程中出現(xiàn)倒退等問題，不僅能夠更好的滿足長距離頂管施工控制的要求，而且可以使長距離頂管施工更加安全高效，充分體現(xiàn)了PLC 自動化控制系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢。第三，在PLC 自動化控制系統(tǒng)中還應(yīng)設(shè)置控制配套設(shè)備模塊，以便對所有地面設(shè)備以及管內(nèi)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。在系統(tǒng)實際運行過程中，安裝在管道內(nèi)的所有進(jìn)排泥接力泵均應(yīng)由臨近從站負(fù)責(zé)控制監(jiān)測。第四，在運用PLC 自動化控制系統(tǒng)進(jìn)行長距離頂管施工時還應(yīng)設(shè)置預(yù)警以及故障報警模塊單元，以便對頂管設(shè)備的運行狀態(tài)以及施工數(shù)據(jù)變化進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)超出預(yù)設(shè)范圍時應(yīng)自動發(fā)出預(yù)警信息。同時還應(yīng)利用該模塊單元對主從站之間的數(shù)據(jù)通訊情況、施工中所使用的各施工設(shè)備運行狀態(tài)等進(jìn)行實時在線監(jiān)測，以便及時發(fā)現(xiàn)故障風(fēng)險，且應(yīng)在故障發(fā)生時自動發(fā)出報警信息，并自動采取相應(yīng)的處理措施。第五，在PLC 自動化控制系統(tǒng)的實際應(yīng)用中還應(yīng)結(jié)合長距離頂管施工的具體情況結(jié)合應(yīng)用變頻控制技術(shù)，以精確調(diào)節(jié)出土螺旋機、后座油泵車以及高壓泵等相關(guān)設(shè)備的速度等工藝參數(shù)，通過PID 控制確保作業(yè)面土壓平衡，從而保證長距離頂管施工的質(zhì)量安全。

3.3 長距離頂管施工中自動化PLC 控制系統(tǒng)下位機軟件應(yīng)用

在運用PLC 自動化控制系統(tǒng)進(jìn)行長距離頂管施工控制時，下位機是頂管機工具頭操作控制的人機交互界面，其既能夠?qū)敼軝C整體系統(tǒng)的運行情況進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，還能夠根據(jù)相關(guān)操作指令控制頂管機工具頭動作。下位機程序的采用的也是圖形界面顯示方式，在主畫面內(nèi)能夠?qū)敼軝C工具頭的實時數(shù)據(jù)以及所有設(shè)置的傳感設(shè)備、頂管機系統(tǒng)的各種泵以及電機運行狀態(tài)等進(jìn)行監(jiān)測，借接收主站發(fā)出的數(shù)據(jù)信息。同時，施工人員可以在設(shè)置畫面內(nèi)設(shè)置相關(guān)技術(shù)參數(shù)以及預(yù)警限值等；而在報警畫面內(nèi)則可以發(fā)出聲光報警信息，且能夠直觀顯示故障原因的自動分析結(jié)果和排查處理建議等，為長距離頂管設(shè)備的故障排查提供可靠的參考依據(jù)。

結(jié)語：

為滿足長距離頂管施工中對有效控制距離的要求，解決長距離頂管需要控制多個中繼環(huán)以及多個配套設(shè)備的問題，施工單位應(yīng)充分了解長距離頂管施工特點，加強對PLC 自動化控制技術(shù)的研究，在施工實踐中應(yīng)積極應(yīng)用具有較高自動化和信息化水平的PLC 控制系統(tǒng)，并要根據(jù)長距離頂管施工的實際需要合理配置PLC 自動化控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和應(yīng)用軟件程序，確保PLC 自動化控制系統(tǒng)的各項功能能夠正常發(fā)揮，以實現(xiàn)對長距離頂管施工的遠(yuǎn)程精確控制，為提高長距離頂管施工的質(zhì)量和效率提供重要支撐，促進(jìn)我國頂管施工技術(shù)水平的全面提升。