大直徑泥水盾構(gòu)試驗(yàn)臺的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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)了越來越多的公路過海、過江隧道建設(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、日本、法國等少數(shù)幾個國家，我國對泥水盾構(gòu)的研究還處于摸索階段［2］。文獻(xiàn)［3-4］僅針對盾構(gòu)采購用戶的選型問題，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，近年來盾構(gòu)行業(yè)技術(shù)人員所作的工作一直都缺少對大直徑泥水盾構(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)帶來的安全風(fēng)險，同時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)檢測試驗(yàn)臺［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)。控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作主要實(shí)現(xiàn)以下幾個系統(tǒng)功能:刀盤驅(qū)動系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)和泥水輸送系統(tǒng)。

1.1 刀盤驅(qū)動系統(tǒng)

目前常用的刀盤驅(qū)動方式有3種:變頻電機(jī)驅(qū)動、定速電機(jī)驅(qū)動和液壓驅(qū)動。根據(jù)變頻電機(jī)驅(qū)動的技術(shù)優(yōu)勢(如調(diào)速范圍寬、調(diào)速精度高、動態(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、額定輸出扭矩大且可反向傳動。刀盤驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)為5臺15kW電機(jī)驅(qū)動，采用5臺變頻器按照“一拖一”的方式驅(qū)動。PLC通過總線方式實(shí)現(xiàn)對變頻器［9］的控制。刀盤驅(qū)動電機(jī)布局如圖1所示。

圖1 刀盤驅(qū)動電機(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，推進(jìn)泵為15 kW電機(jī)。共12根推進(jìn)油缸，按照“2-3-4-3”(分別對應(yīng)A，B，C，D分區(qū)油缸數(shù)量)方式分布為4個區(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)過程中的推進(jìn)工作模式和管片安裝工作模式。PLC對推進(jìn)系統(tǒng)的控制是通過與分布式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)整個控制系統(tǒng)中的重要部分，其通過送漿和排漿把刀盤切削下來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7.5 kW的送漿泵，1臺7.5 kW的排漿泵和1臺7.5 kW的變頻器驅(qū)動。速度調(diào)節(jié)方式采用無級調(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)備之間通過現(xiàn)場總線的方式進(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)能否滿足要求。刀盤驅(qū)動系統(tǒng)是在刀盤前部設(shè)置一個增速器帶動小排量液壓馬達(dá)對刀盤扭矩加載;推進(jìn)系統(tǒng)是在盾殼后部設(shè)置幾根油缸對盾殼拖拉實(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)施過程

2.1 系統(tǒng)硬件組成

原有盾構(gòu)試驗(yàn)臺的控制系統(tǒng)選用的是西門子S7-400 PLC，主機(jī)架下擴(kuò)展2個擴(kuò)展機(jī)架，主機(jī)架通過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型號選擇TSX P57353AM，配置1個標(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Profibus總線充分發(fā)揮分布式I/O站的分散優(yōu)勢，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、使用簡單方便、體積小、性價比高等優(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)，用于刀盤本地控制、推進(jìn)閥組的控制輸出以及刀盤轉(zhuǎn)速等信息的采集。原有的3個西門子分布式I/O的分配:1個用于推進(jìn)系統(tǒng)的本地控制，2個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。刀盤變頻驅(qū)動系統(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，可以很好地滿足盾構(gòu)刀盤啟動對低頻區(qū)的要求，根據(jù)刀盤電機(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，通過西門子ET200M對變頻器進(jìn)行端子控制。

圖3反映了施耐德PLC通過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)增加了高性價比的倍福分布式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對盾構(gòu)刀盤驅(qū)動的控制是通過總線對變頻器相關(guān)參數(shù)進(jìn)行讀寫實(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、停車、正/反轉(zhuǎn)、故障復(fù)位等動作，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)刀盤在實(shí)際施工中的要求，該部分程序主要設(shè)計(jì)了刀盤電機(jī)的啟動預(yù)選、刀盤無級調(diào)速、刀盤正/反轉(zhuǎn)、刀盤同步扭矩保護(hù)、變頻器的故障報(bào)警、變頻器復(fù)位、刀盤轉(zhuǎn)速以及變頻器輸出頻率、電流、功率等的信號采集。為了保證刀盤變頻驅(qū)動控制系統(tǒng)的同步性能，必須對變頻器參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)置。本系統(tǒng)主要針對變頻器滑差控制模式(自適應(yīng)方式)來設(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對推進(jìn)系統(tǒng)和對泥水輸送系統(tǒng)的控制都是通過總線與分布式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)定的尋址方式對分布式I/O站點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)操作，編寫邏輯控制程序和數(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，泥水輸送系統(tǒng)工作在開挖模式，此時打開前盾開挖室的進(jìn)漿閥和排漿閥，并根據(jù)氣倉內(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(如安裝管片襯砌環(huán)時，切換泥水系統(tǒng)到旁通模式，又稱待機(jī)模式)，此時開挖室的進(jìn)/排漿閥關(guān)閉，并打開旁通閥，將開挖室隔離，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)行泥漿管道延長時，需要將泥水系統(tǒng)切換到隔離模式(又稱管路延伸模式)，此時要關(guān)閉開挖室和隧道內(nèi)的所有泥漿閥，打開隔離閥，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、泥水倉的液位、壓力等信息，通過對這些信息的監(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)單元級控制;按照任務(wù)優(yōu)先級，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，保證時效性。

2.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)條件:通過空氣壓力平衡系統(tǒng)(是獨(dú)立于PLC系統(tǒng)之外的一套自動控制系統(tǒng))調(diào)節(jié)泥水倉壓力為300 kPa，泥水輸送系統(tǒng)選擇掘進(jìn)模式，同時推進(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)見表1，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，表明大直徑泥水盾構(gòu)試驗(yàn)臺的各項(xiàng)檢測數(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)刀盤主驅(qū)動的5臺變頻器輸出扭矩值，繪制成如圖4所示的曲線圖。從中可以看出，每臺電機(jī)輸出扭矩基本相同，刀盤驅(qū)動電機(jī)同步性能良好。

3 結(jié)論與討論

以盾構(gòu)控制系統(tǒng)檢測試驗(yàn)臺為依托，通過實(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)均滿足控制精度要求。

通過本文內(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，對其有一定的初步認(rèn)識，為后續(xù)研究奠定了一定基礎(chǔ)。當(dāng)然，本項(xiàng)目仍存在以下問題:

1)本文僅對泥水盾構(gòu)的3個主要系統(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 刀盤主驅(qū)動變頻器的輸出扭矩Fig.4 Output torque of frequency converter of main drive of cutterhead

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