WinCC遠程監(jiān)控系統(tǒng)在盾構(gòu)機上的應用

邵濟舟

（中國鐵建重工集團有限公司，湖南 長沙 410100）

隨著國家基礎(chǔ)建設的大力投入，大中型城市的地鐵建設得到了快速發(fā)展，盾構(gòu)施工法作為一種快速高效的隧道施工法得到了廣泛推廣，特別是在城市地鐵隧道。由于盾構(gòu)法施工占道少，在地面下施工大大減少了噪音對周圍生活環(huán)境的影響，因此該施工法在城市地鐵施工中占絕對優(yōu)勢。盾構(gòu)施工法使用的設備——盾構(gòu)機是集成機械、液壓和電氣自動化的一臺超大型設備，結(jié)構(gòu)邏輯復雜，出現(xiàn)故障是在所難免的，所以為了降低故障率、減少盾構(gòu)機在掘進中的停機時間、節(jié)約成本等原因，需要專業(yè)的技術(shù)人員實時監(jiān)控盾構(gòu)工作過程數(shù)據(jù)并進行盾構(gòu)機日常維護。又由于地層構(gòu)造的復雜多樣化，盾構(gòu)司機在不同的地段需要采取不同的掘進策略。如果有專業(yè)人員實時監(jiān)視盾構(gòu)掘進狀態(tài)，協(xié)助盾構(gòu)司機對掘進策略進行實時調(diào)整，就可以大大減少施工風險，為項目減少大量沒必要的損失。所以遠程監(jiān)控和診斷在盾構(gòu)施工中的應用成為了必然的趨勢。長沙軌道交通1號線——中鐵十二局標段的兩臺盾構(gòu)，采用了遠程監(jiān)控技術(shù)。在盾構(gòu)機的控制室內(nèi)采用了WinCC的HMI技術(shù)，并裝有WinCC Web Navigator軟件，配置了Web Navigator Servicer。在地面控制室通過網(wǎng)絡可以對這兩臺盾構(gòu)機運行狀態(tài)進行監(jiān)控。

1 監(jiān)控系統(tǒng)硬件介紹

我公司的盾構(gòu)使用西門子S7-400的控制系統(tǒng)，采用WinCC軟件組態(tài)操作界面來實現(xiàn)盾構(gòu)機實時工作參數(shù)和狀態(tài)的顯示，遠程監(jiān)控采用WinCC軟件的WebDataMonitor和WebNavigator組件，實現(xiàn)客戶機對盾構(gòu)機工作的相關(guān)參數(shù)和數(shù)據(jù)進行查詢和監(jiān)視。

由于盾構(gòu)機使用在地下隧道中，并且是一臺移動的設備，在掘進中導向、視頻監(jiān)控和盾構(gòu)機遠程監(jiān)控等數(shù)據(jù)需要傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控室，又由于隧道長度都在1 km以上，所以采用光纖方案，這樣不僅可以減少信號衰減，而且大大提高了傳輸速度。使用光纖滑環(huán)卷筒實現(xiàn)光纖隨著盾構(gòu)機自動放纜，其硬件拓撲圖如圖1所示。

2 監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)

監(jiān)控系統(tǒng)的完成需要在服務器上安裝一系列軟件，主要軟件清單如表1所示[1，2]。

WinCC軟件對盾構(gòu)機運行狀態(tài)的歸檔和每環(huán)各種油脂等耗材用量的統(tǒng)計，通過使用SQl和WinCC VB Script腳本實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的歸檔和查詢。

長期歸檔數(shù)據(jù)是盾構(gòu)的主要工作狀態(tài)參數(shù)，如：刀盤扭矩、刀盤速度和液壓郵箱溫度等參數(shù)，這些參數(shù)表征了盾構(gòu)機工作的健康狀態(tài)和此項目的地質(zhì)狀態(tài)，對于項目的后續(xù)施工和盾構(gòu)機保養(yǎng)有重大的意義。長期歸檔是由WinCC的VB Script腳本每分鐘觸發(fā)一次數(shù)據(jù)歸檔腳本，把數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫。查詢時只需要輸入查詢的時間段就可以得到這一段時間內(nèi)盾構(gòu)機工作的各種參數(shù)，并可以把這些數(shù)據(jù)導出到EXCEL中。

數(shù)據(jù)長期歸檔和查詢流程如圖2和圖3所示，每環(huán)歸檔和查詢流程如圖4和圖5所示。

圖1 硬件系統(tǒng)拓撲圖

表1 服務器端安裝軟件明細

圖2 數(shù)據(jù)的長期歸檔

圖3 長期歸檔數(shù)據(jù)查詢和導出

圖4 數(shù)據(jù)的每環(huán)歸檔

圖5 每環(huán)歸檔數(shù)據(jù)查詢和導出

每環(huán)歸檔數(shù)據(jù)主要是每環(huán)片油脂、泡沫和注漿用量等，項目負責人和土木工程師可以根據(jù)此掘進段的地層和地質(zhì)，參考每環(huán)的歸檔數(shù)據(jù)，對各種消耗品使用量進行調(diào)整，這樣既可以保證工程質(zhì)量，又可以減少沒必要的浪費。

在工控機上安裝完以上軟件后，把具有長期歸檔和每環(huán)歸檔的WinCC程序拷貝到工控機上，然后需要對服務器進行以下配置[3，4]：

（1）使用 Windows系統(tǒng)盤安裝 IIS服務器；

（2）通過Web組態(tài)器設置DataMonitor服務器的名稱和IP地址；

（3）在Windows和WinCC程序中分別新建用戶名，設置密碼，并給予一定的訪問權(quán)限；

（4）把工控機上使用的WinCC程序經(jīng)過Web瀏覽發(fā)布器進行發(fā)布；

在客戶機的Web瀏覽器中輸入服務器地址，在提示的窗口中輸入服務器上新建用戶的名稱和密碼，就可以進入服務器界面。

在報表欄中有一個下載區(qū)域，可以把客戶端的DataMonitor Client下載到客戶端進行安裝，安裝后使用dataView程序就可以瀏覽服務器上的WinCC畫面。

通過報表工具可以把服務器上歸檔的數(shù)據(jù)以報表的形式打印成文檔。

3 監(jiān)控系統(tǒng)的功能

把盾構(gòu)機運行狀態(tài)、故障狀態(tài)和盾構(gòu)司機對盾構(gòu)機的操作實時傳輸?shù)竭h程的客戶端，項目負責人或項目的地質(zhì)專家可以實時了解到盾構(gòu)機的掘進狀況和地質(zhì)變化情況。特別是當一個項目有多臺盾構(gòu)機時，相關(guān)人員可以對項目上使用的所有盾構(gòu)機進行監(jiān)視和指導，減少了項目的風險。對于盾構(gòu)機生產(chǎn)廠家，可以定期對盾構(gòu)機的運行狀態(tài)進行檢查，減少停機時間。當盾構(gòu)機發(fā)生故障時，如果工地較遠，盾構(gòu)機維修人員無法及時到位時，可以通過登錄遠程監(jiān)控客戶端來指導現(xiàn)場維護人員對盾構(gòu)機進行維修，這樣大大減少盾構(gòu)的維修成本和施工成本。

根據(jù)客戶端的權(quán)限，可以把盾構(gòu)機各種數(shù)據(jù)以報表的形式打印出來。對于盾構(gòu)項目中，常常需要盾構(gòu)機上各種消耗用的總量、每一環(huán)片的消耗量和盾構(gòu)機刀盤扭矩和速度參數(shù)等數(shù)據(jù)以報表的形式存檔或者上報給領(lǐng)導，可以通過遠程客戶端把各種歸檔的數(shù)據(jù)以報表的形式打印或EXCEl形式導出，減少了手工記錄數(shù)據(jù)的誤差和節(jié)約了人力。對于盾構(gòu)生產(chǎn)廠可以對盾構(gòu)的運行數(shù)據(jù)導出后，對其進行分析，可以預診斷盾構(gòu)機的運行狀況，減少盾構(gòu)機的故障率和運行成本。

4 監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場應用

圖6～圖9所示為監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場應用界面。

圖6 HMI界面1

圖7 HMI界面2

遠程監(jiān)控系統(tǒng)在中國鐵建重工集團有限公司的DZ011和DZ010盾構(gòu)機上已經(jīng)投入了運用，在地面監(jiān)控室對兩臺盾構(gòu)機進行實時監(jiān)視。并把盾構(gòu)機的推進壓力和速度、刀盤的速度和扭矩等運行參數(shù)實時傳到地面監(jiān)控室，實現(xiàn)了對隧道施工監(jiān)管和數(shù)據(jù)的保存，在整個工程項目中起到了極其重要的作用。目前，DZ010和DZ011盾構(gòu)機已經(jīng)順利完成了該標地鐵隧道工程。

圖8 遠程監(jiān)控界面1

圖9 遠程監(jiān)控界面2

[1]王實.深入淺出西門子 WinCC V6[M].北京：北京航空航天大學出版社.

[2]WinCC V6.2 SP2 Web Navigator系統(tǒng)手冊.

[3]WinCC V6.2 SP2 DataMonitor系統(tǒng)手冊.