基于PID 的沉管隧道施工監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳 軍 李 勤 李 剛 藍(lán) 箭

（1.上海中船船舶設(shè)計(jì)技術(shù)國(guó)家工程研究中心有限公司 上海200011；2.上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院 上海200444）

引 言

水下隧道作為跨越江、河、湖、海的重要方式之一，被越來(lái)越多的交通運(yùn)輸企業(yè)定為首選方式。水下隧道的施工方式分為：圍堰明挖式、鉆爆法以及沉管法［1］。利用沉管法開(kāi)發(fā)的水下隧道稱為水下沉管隧道。它是由若干在預(yù)制場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或鋼殼與鋼筋混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)與混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)的管節(jié)，分別浮運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)，逐節(jié)沉放到水下，在水下將其相互連接并正確定位在已經(jīng)開(kāi)挖的水下溝槽內(nèi)，然后輔以相關(guān)工程施工，使這些管節(jié)組合成為連接水體兩端陸上交通的載體［2］。

為配合深圳至中山海底隧道的建設(shè)，廣州打撈局整平清淤船項(xiàng)目已由上級(jí)部門(mén)批準(zhǔn)建設(shè)，此船由中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院（MARIC）提供總體設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)目的是對(duì)水下沉管進(jìn)行碎石基礎(chǔ)鋪設(shè)及清淤。由于水下環(huán)境復(fù)雜，施工過(guò)程控制難度較大。因此開(kāi)發(fā)出一套針對(duì)施工過(guò)程的監(jiān)控系統(tǒng)成為必須。此船關(guān)鍵裝備“整平清淤裝置”的監(jiān)控系統(tǒng)由筆者及團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，并提供相應(yīng)的軟件和部分硬件。

1 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

為實(shí)現(xiàn)沉管浮運(yùn)沉放過(guò)程的監(jiān)控，設(shè)計(jì)了監(jiān)控系統(tǒng)，分模塊實(shí)現(xiàn)功能。監(jiān)控系統(tǒng)按功能分為監(jiān)測(cè)與控制兩個(gè)子系統(tǒng)，系統(tǒng)整體框架如圖1 所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)框圖

控制系統(tǒng)由吊放/回收控制模塊、整平作業(yè)模塊、供料控制模塊以及清淤控制模塊構(gòu)成，模塊與模塊之間均有信息交互，主要實(shí)現(xiàn)沉管浮運(yùn)沉放過(guò)程的施工操作。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由上位機(jī)軟件和若干傳感器構(gòu)成，主要功能包括：

（1）監(jiān)測(cè)傳感器信息與故障報(bào)警功能；

（2）作為控制中樞，下發(fā)指令控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)按設(shè)定目標(biāo)動(dòng)作。

控制臺(tái)由整平清淤控制臺(tái)、碎石輸送皮帶機(jī)及料倉(cāng)閘門(mén)控制臺(tái)這三個(gè)部分組成，集控室控制臺(tái)則由主控制器PLC、水下整平機(jī)手動(dòng)控制面板、行車(chē)手動(dòng)控制面板、碎石輸送系統(tǒng)手動(dòng)控制面板、清淤裝置手動(dòng)控制面板、交換機(jī)、電源、工控機(jī)、人機(jī)界面和服務(wù)器等部分組成。沉管運(yùn)動(dòng)控制通過(guò)PLC控制執(zhí)行設(shè)備的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，狀態(tài)監(jiān)測(cè)通過(guò)PC（上位機(jī)）和HMI（人機(jī)界面）的圖形化顯示來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2 PLC 控制設(shè)計(jì)

2.1 PLC控制流程

系統(tǒng)集中控制室控制臺(tái)由KV7500 的遠(yuǎn)程I/O模塊、整平清淤控制面板、傳送帶閘門(mén)控制面板、液壓泵站控制面板、水下整平架千斤頂控制面板、泥管溜管控制面板、姿態(tài)面板、升降面板、行車(chē)面板，以及交換機(jī)、電源、工控機(jī)、觸摸屏、服務(wù)器等組成。

控制系統(tǒng)由PLC 實(shí)現(xiàn)水下小車(chē)的控制和傳感器數(shù)據(jù)采集功能，系統(tǒng)的PLC 控制流程如圖2 所示。

圖2 PLC控制流程圖

系統(tǒng)啟動(dòng)后，主站PLC 讀取系統(tǒng)控制指令，若無(wú)任務(wù)，則保持待機(jī)，等待上位機(jī)下發(fā)任務(wù)指令。主站PLC 讀取到系統(tǒng)控制指令后，需要預(yù)先判斷各個(gè)PLC 主機(jī)是否處于正常狀態(tài)，若否，則返回給上位機(jī)，由上位機(jī)處理該P(yáng)LC主機(jī)的故障點(diǎn)；若所有PLC 主機(jī)均處于正常無(wú)故障狀態(tài)，則由主站PLC 確定各從站PLC 的工作狀態(tài)。從站PLC 完成控制后，將狀態(tài)信息返回給主站PLC，主機(jī)便完成了一輪控制操作。

2.2 PID算法

本系統(tǒng)中，由PLC 輸出水下小車(chē)液壓馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制小車(chē)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)管節(jié)的浮運(yùn)沉放操作。PLC 控制部分采用經(jīng)典PID 算法，實(shí)現(xiàn)水下小車(chē)的閉環(huán)控制。

PID 控制器由比例、積分、微分三部分組成。比例控制環(huán)節(jié)通過(guò)調(diào)整比例系數(shù)來(lái)控制系統(tǒng)修正誤差的速度；積分控制環(huán)節(jié)用過(guò)調(diào)節(jié)積分常數(shù)來(lái)控制系統(tǒng)修正比例環(huán)節(jié)產(chǎn)生暫態(tài)誤差的時(shí)間；微分控制環(huán)節(jié)通過(guò)調(diào)整微分時(shí)間來(lái)控制系統(tǒng)超調(diào)量，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性［3-5］。PID 算法原理如式（1）所示。

式中：KP為比例系數(shù)；TI為積分常數(shù)；TD為微分時(shí)間；e（t）為誤差。

下文將分兩部分闡述PID 控制器的實(shí)現(xiàn)。

2.2.1 控制模型搭建

PLC 輸出控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)小車(chē)驅(qū)動(dòng)比例閥的控制，模型搭建部分主要測(cè)試小車(chē)控制系統(tǒng)主要測(cè)試正弦波信號(hào)下的性能。PID 模型如圖3 所示。

圖3 PID模型搭建

圖3 中，Transfer Fcn 為水下整平小車(chē)控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，i（t）= 0.5·sin（2·pi·k·ts）（A） 為控制小車(chē)驅(qū)動(dòng)比例閥的電流信號(hào)，e（t） =i（t） -u（t）為系統(tǒng)誤差，u（t）為實(shí)際輸出的電流信號(hào)。通過(guò)PID 控制器的調(diào)節(jié)，系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，誤差函數(shù)e（t）將越來(lái)越趨近于無(wú)窮小量，表示系統(tǒng)輸量入與輸出量之間的差距越來(lái)越小，系統(tǒng)性能達(dá)到最優(yōu)。

經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試，得出比例參數(shù)KP= 10，積分常數(shù)TI= 0.1，微分時(shí)間TD= 15 時(shí)，系統(tǒng)處于最佳狀態(tài)。

下頁(yè)圖4 和圖5 分別展示了在PID 參數(shù)最優(yōu)條件下，系統(tǒng)誤差和輸入輸出對(duì)比的曲線。在設(shè)定參數(shù)情況下，系統(tǒng)誤差控制在（-0.03，0.06）（A），系統(tǒng)趨于穩(wěn)態(tài)。

圖4 誤差曲線

圖5 輸入輸出曲線

2.2.2 梯形圖實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述PID 參數(shù)，設(shè)計(jì)PLC 梯形圖，實(shí)現(xiàn)對(duì)水下整平小車(chē)閉環(huán)控制。PLC 采用基恩士KV7500 型號(hào)，其中含有PID 模塊。圖6 為PID 實(shí)現(xiàn)部分核心梯形圖。

圖6 PID模塊梯形圖

圖6 所示的梯形圖中，DMO 數(shù)據(jù)寄存器中存放PID 控制器工作參數(shù)。PAUSE 和RES 端均為OFF 時(shí)，PID 控制器執(zhí)行工作。實(shí)現(xiàn)了對(duì)小車(chē)驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)的速度控制。

3 系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)時(shí)通信設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，系統(tǒng)各模塊之間需要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信，包括PLC 之間、PLC 與上位機(jī)之間，以及PLC 與傳感器之間的通信。在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下，減少信號(hào)線與電源線作為主要目標(biāo)，即將水下傳感器信息全部集中處理后再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)傳輸至控制室網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)上。

3.1.1 PLC 主站與從站通信

控制系統(tǒng)采用PLC 級(jí)聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)，因此，各級(jí)PLC 之間需要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)互通。

下頁(yè)圖7 所示通信示意圖，采用7500 集成的最簡(jiǎn)PLC 通信模式，完成各PLC 之間實(shí)時(shí)通信。

3.1.2 上位機(jī)與PLC 通信

為實(shí)現(xiàn)PLC 的控制操作，上位機(jī)與PLC 之間采用以太網(wǎng)通信。如下頁(yè)圖 8 和圖 9 所示，分別是TCP 服務(wù)器端和客戶端。

使用Qt Network 模塊來(lái)編寫(xiě)基于TCP/IP 的網(wǎng)絡(luò)程序。上位機(jī)采用套接字通信方式，與下位機(jī)KV7500 進(jìn)行上位鏈路和KV 套接字兩種方式通信。

圖7 PLC與PLC通信圖

圖8 TCP服務(wù)器端

圖9 TCP客戶端

3.2 上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

為用戶設(shè)計(jì)了友好的人機(jī)交互界面，以實(shí)現(xiàn)岸上實(shí)時(shí)監(jiān)控；為實(shí)現(xiàn)PLC 與上位機(jī)通信，設(shè)計(jì)了通信設(shè)置模塊。監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)在第一次使用時(shí)需要進(jìn)行配置，故設(shè)置整平機(jī)距離參數(shù)、通信設(shè)備IP以及端口號(hào)模塊；為便于對(duì)沉管浮運(yùn)沉放過(guò)程進(jìn)行監(jiān)視，設(shè)置了操控模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊以及視頻監(jiān)控模塊；為能查看作業(yè)過(guò)程數(shù)據(jù)情況，需要把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來(lái)。

上位機(jī)主要包括如下功能：參數(shù)設(shè)置、作業(yè)過(guò)程、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和曲線圖打印等。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)專(zhuān)為整平機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行和監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)，該上位機(jī)監(jiān)控軟件使用QT 開(kāi)發(fā)，主要包含以下五個(gè)功能：

（1）身份驗(yàn)證及安全閉鎖；

（2）整平控制系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控與仿真；

（3）數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)庫(kù)管理；

（4）故障報(bào)警；

（5）機(jī)構(gòu)動(dòng)作超時(shí)保護(hù)。

圖10 為上位機(jī)軟件初始化流程圖。

圖10 軟件初始化流程圖

初始化部分主要完成窗口界面的構(gòu)建，以及數(shù)據(jù)文件的讀取，通訊、PLC 診斷、清淤系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定和其他參數(shù)的初始化，數(shù)據(jù)庫(kù)的連接等。上位機(jī)監(jiān)控界面如圖11 所示。

圖11 上位機(jī)監(jiān)控界面

上位機(jī)監(jiān)控界面數(shù)據(jù)的顯示包括：GPS 定位數(shù)據(jù)、傳感器采集的信號(hào)、液壓系統(tǒng)中的油壓、溫度、水分等信息，曲線圖的繪制，模擬量輸出狀態(tài)的顯示，以及操作控制面板部件動(dòng)作標(biāo)識(shí)。

3.3 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)為系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互的核心，承擔(dān)數(shù)據(jù)交互的中轉(zhuǎn)站。系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖如圖12 所示。

圖12 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖

圖12 中將數(shù)據(jù)傳輸流程劃分為兩部分，分別是工程中心數(shù)據(jù)和測(cè)量中心數(shù)據(jù)。兩部分的基本操作一致，僅數(shù)據(jù)內(nèi)容不同。兩個(gè)過(guò)程互不干涉，分別按照自身存取頻率對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行修改。數(shù)據(jù)傳輸流程如下：

（1）工程中心監(jiān)控系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)；

（2）工程中心將采集到的數(shù)據(jù)寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)交換表中；

（3）測(cè)量中心通過(guò)讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)交換表，得到所需數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)采用Navicat for MySQL 作為數(shù)據(jù)庫(kù)圖形化管理工具。在數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)中，采用 E-R 模型進(jìn)行描述，用實(shí)體、屬性、關(guān)系來(lái)表示數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)內(nèi)容以及數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。數(shù)據(jù)庫(kù)關(guān)系圖如下頁(yè)圖13 所示。

圖13 中各表中帶有金色鑰匙的字段為該表主鍵，實(shí)線代表所連接的兩表之間擁有外鍵聯(lián)系。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中共有14 個(gè)數(shù)據(jù)表。

系統(tǒng)主要由工程管理模塊、設(shè)備管理模塊、功能實(shí)現(xiàn)模塊和人員管理模塊組成。其中，工程管理模塊即工程項(xiàng)目信息；設(shè)備管理模塊分為整平機(jī)信息和傳感器信息；功能實(shí)現(xiàn)模塊分為定位、實(shí)時(shí)監(jiān)控、故障報(bào)警、掃描高度、歷史查詢和打印報(bào)表；人員管理模塊分為人員信息和操作日志。

圖13 數(shù)據(jù)庫(kù)關(guān)系圖

圖14 所示為監(jiān)控界面的液壓缸參數(shù)設(shè)計(jì)表，該表中包含4 個(gè)液壓缸工作參數(shù)的設(shè)定。完成參數(shù)設(shè)定后，將設(shè)定值傳入數(shù)據(jù)庫(kù)，完成入庫(kù)操作。

圖14 液壓缸參數(shù)設(shè)計(jì)表

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以廣州打撈局某整平清淤船項(xiàng)目為背景，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了一套針對(duì)施工過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，經(jīng)調(diào)試證明該系統(tǒng)主要能實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）采用PLC 結(jié)合PID 算法，搭建控制模型，使調(diào)整PID 參數(shù)到最優(yōu)，實(shí)現(xiàn)水下整平小車(chē)的移動(dòng)控制，解決了沉管隧道碎石基礎(chǔ)鋪設(shè)高精度、高效率的技術(shù)要求。

（2）采用QT 技術(shù)，通過(guò)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與PLC、數(shù)據(jù)庫(kù)之間的信息交互，實(shí)現(xiàn)沉管浮運(yùn)沉放全過(guò)程的實(shí)時(shí)可視化監(jiān)控?？蓪?shí)現(xiàn)系統(tǒng)各模塊實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查閱和報(bào)警監(jiān)控。