基于PID 的沉管隧道施工監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

吳 軍 李 勤 李 剛 藍 箭

（1.上海中船船舶設計技術國家工程研究中心有限公司 上海200011；2.上海大學 機電工程與自動化學院 上海200444）

引 言

水下隧道作為跨越江、河、湖、海的重要方式之一，被越來越多的交通運輸企業(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］。利用沉管法開發(fā)的水下隧道稱為水下沉管隧道。它是由若干在預制場內(nèi)進行預制鋼筋混凝土結構或鋼殼與鋼筋混凝土復合結構或鋼結構與混凝土復合結構的管節(jié)，分別浮運到現(xiàn)場，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)開挖的水下溝槽內(nèi)，然后輔以相關工程施工，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，廣州打撈局整平清淤船項目已由上級部門批準建設，此船由中國船舶及海洋工程設計研究院（MARIC）提供總體設計，其設計目的是對水下沉管進行碎石基礎鋪設及清淤。由于水下環(huán)境復雜，施工過程控制難度較大。因此開發(fā)出一套針對施工過程的監(jiān)控系統(tǒng)成為必須。此船關鍵裝備“整平清淤裝置”的監(jiān)控系統(tǒng)由筆者及團隊負責設計開發(fā)，并提供相應的軟件和部分硬件。

1 監(jiān)控系統(tǒng)設計方案

為實現(xiàn)沉管浮運沉放過程的監(jiān)控，設計了監(jiān)控系統(tǒng)，分模塊實現(xiàn)功能。監(jiān)控系統(tǒng)按功能分為監(jiān)測與控制兩個子系統(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成，模塊與模塊之間均有信息交互，主要實現(xiàn)沉管浮運沉放過程的施工操作。

監(jiān)測系統(tǒng)由上位機軟件和若干傳感器構成，主要功能包括：

（1）監(jiān)測傳感器信息與故障報警功能；

（2）作為控制中樞，下發(fā)指令控制執(zhí)行機構按設定目標動作。

控制臺由整平清淤控制臺、碎石輸送皮帶機及料倉閘門控制臺這三個部分組成，集控室控制臺則由主控制器PLC、水下整平機手動控制面板、行車手動控制面板、碎石輸送系統(tǒng)手動控制面板、清淤裝置手動控制面板、交換機、電源、工控機、人機界面和服務器等部分組成。沉管運動控制通過PLC控制執(zhí)行設備的運動來實現(xiàn)，狀態(tài)監(jiān)測通過PC（上位機）和HMI（人機界面）的圖形化顯示來實現(xiàn)。

2 PLC 控制設計

2.1 PLC控制流程

系統(tǒng)集中控制室控制臺由KV7500 的遠程I/O模塊、整平清淤控制面板、傳送帶閘門控制面板、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、行車面板，以及交換機、電源、工控機、觸摸屏、服務器等組成。

控制系統(tǒng)由PLC 實現(xiàn)水下小車的控制和傳感器數(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)啟動后，主站PLC 讀取系統(tǒng)控制指令，若無任務，則保持待機，等待上位機下發(fā)任務指令。主站PLC 讀取到系統(tǒng)控制指令后，需要預先判斷各個PLC 主機是否處于正常狀態(tài)，若否，則返回給上位機，由上位機處理該PLC主機的故障點；若所有PLC 主機均處于正常無故障狀態(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 輸出水下小車液壓馬達的驅動信號，控制小車運動，進而實現(xiàn)管節(jié)的浮運沉放操作。PLC 控制部分采用經(jīng)典PID 算法，實現(xiàn)水下小車的閉環(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)通過調(diào)整比例系數(shù)來控制系統(tǒng)修正誤差的速度；積分控制環(huán)節(jié)用過調(diào)節(jié)積分常數(shù)來控制系統(tǒng)修正比例環(huán)節(jié)產(chǎn)生暫態(tài)誤差的時間；微分控制環(huán)節(jié)通過調(diào)整微分時間來控制系統(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為微分時間；e（t）為誤差。

下文將分兩部分闡述PID 控制器的實現(xiàn)。

2.2.1 控制模型搭建

PLC 輸出控制信號實現(xiàn)對小車驅動比例閥的控制，模型搭建部分主要測試小車控制系統(tǒng)主要測試正弦波信號下的性能。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） 為控制小車驅動比例閥的電流信號，e（t） =i（t） -u（t）為系統(tǒng)誤差，u（t）為實際輸出的電流信號。通過PID 控制器的調(diào)節(jié)，系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時，誤差函數(shù)e（t）將越來越趨近于無窮小量，表示系統(tǒng)輸量入與輸出量之間的差距越來越小，系統(tǒng)性能達到最優(yōu)。

經(jīng)過反復測試，得出比例參數(shù)KP= 10，積分常數(shù)TI= 0.1，微分時間TD= 15 時，系統(tǒng)處于最佳狀態(tài)。

下頁圖4 和圖5 分別展示了在PID 參數(shù)最優(yōu)條件下，系統(tǒng)誤差和輸入輸出對比的曲線。在設定參數(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 梯形圖實現(xiàn)

根據(jù)上述PID 參數(shù)，設計PLC 梯形圖，實現(xiàn)對水下整平小車閉環(huán)控制。PLC 采用基恩士KV7500 型號，其中含有PID 模塊。圖6 為PID 實現(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，PID 控制器執(zhí)行工作。實現(xiàn)了對小車驅動液壓馬達的速度控制。

3 系統(tǒng)實時監(jiān)控設計

3.1 實時通信設計

為實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的實時監(jiān)控功能，系統(tǒng)各模塊之間需要實現(xiàn)實時通信，包括PLC 之間、PLC 與上位機之間，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，減少信號線與電源線作為主要目標，即將水下傳感器信息全部集中處理后再通過網(wǎng)絡交換機傳輸至控制室網(wǎng)絡交換機上。

3.1.1 PLC 主站與從站通信

控制系統(tǒng)采用PLC 級聯(lián)方式實現(xiàn)，因此，各級PLC 之間需要實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)互通。

下頁圖7 所示通信示意圖，采用7500 集成的最簡PLC 通信模式，完成各PLC 之間實時通信。

3.1.2 上位機與PLC 通信

為實現(xiàn)PLC 的控制操作，上位機與PLC 之間采用以太網(wǎng)通信。如下頁圖 8 和圖 9 所示，分別是TCP 服務器端和客戶端。

使用Qt Network 模塊來編寫基于TCP/IP 的網(wǎng)絡程序。上位機采用套接字通信方式，與下位機KV7500 進行上位鏈路和KV 套接字兩種方式通信。

圖7 PLC與PLC通信圖

圖8 TCP服務器端

圖9 TCP客戶端

3.2 上位機監(jiān)控軟件設計

為用戶設計了友好的人機交互界面，以實現(xiàn)岸上實時監(jiān)控；為實現(xiàn)PLC 與上位機通信，設計了通信設置模塊。監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)在第一次使用時需要進行配置，故設置整平機距離參數(shù)、通信設備IP以及端口號模塊；為便于對沉管浮運沉放過程進行監(jiān)視，設置了操控模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊以及視頻監(jiān)控模塊；為能查看作業(yè)過程數(shù)據(jù)情況，需要把數(shù)據(jù)存儲起來。

上位機主要包括如下功能：參數(shù)設置、作業(yè)過程、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲和曲線圖打印等。上位機監(jiān)控系統(tǒng)專為整平機控制系統(tǒng)運行和監(jiān)測設計，該上位機監(jiān)控軟件使用QT 開發(fā)，主要包含以下五個功能：

（1）身份驗證及安全閉鎖；

（2）整平控制系統(tǒng)運行監(jiān)控與仿真；

（3）數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)庫管理；

（4）故障報警；

（5）機構動作超時保護。

圖10 為上位機軟件初始化流程圖。

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)設定和其他參數(shù)的初始化，數(shù)據(jù)庫的連接等。上位機監(jiān)控界面如圖11 所示。

圖11 上位機監(jiān)控界面

上位機監(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、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作標識。

3.3 數(shù)據(jù)庫設計

數(shù)據(jù)庫為系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互的核心，承擔數(shù)據(jù)交互的中轉站。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。兩個過程互不干涉，分別按照自身存取頻率對數(shù)據(jù)庫進行修改。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)寫入數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)交換表中；

（3）測量中心通過讀取數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)交換表，得到所需數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫采用Navicat for MySQL 作為數(shù)據(jù)庫圖形化管理工具。在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的概念設計中，采用 E-R 模型進行描述，用實體、屬性、關系來表示數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)內(nèi)容以及數(shù)據(jù)之間的關系。數(shù)據(jù)庫關系圖如下頁圖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)庫中共有14 個數(shù)據(jù)表。

系統(tǒng)主要由工程管理模塊、設備管理模塊、功能實現(xiàn)模塊和人員管理模塊組成。其中，工程管理模塊即工程項目信息；設備管理模塊分為整平機信息和傳感器信息；功能實現(xiàn)模塊分為定位、實時監(jiān)控、故障報警、掃描高度、歷史查詢和打印報表；人員管理模塊分為人員信息和操作日志。

圖13 數(shù)據(jù)庫關系圖

圖14 所示為監(jiān)控界面的液壓缸參數(shù)設計表，該表中包含4 個液壓缸工作參數(shù)的設定。完成參數(shù)設定后，將設定值傳入數(shù)據(jù)庫，完成入庫操作。

圖14 液壓缸參數(shù)設計表

4 結 語

本文以廣州打撈局某整平清淤船項目為背景，開發(fā)設計了一套針對施工過程的實時監(jiān)控系統(tǒng)，經(jīng)調(diào)試證明該系統(tǒng)主要能實現(xiàn)以下功能：

（1）采用PLC 結合PID 算法，搭建控制模型，使調(diào)整PID 參數(shù)到最優(yōu)，實現(xiàn)水下整平小車的移動控制，解決了沉管隧道碎石基礎鋪設高精度、高效率的技術要求。

（2）采用QT 技術，通過實現(xiàn)上位機與PLC、數(shù)據(jù)庫之間的信息交互，實現(xiàn)沉管浮運沉放全過程的實時可視化監(jiān)控?？蓪崿F(xiàn)系統(tǒng)各模塊實時數(shù)據(jù)的存儲、查閱和報警監(jiān)控。