以太網(wǎng)技術(shù)在盾構(gòu)機(jī)數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

奚淵峰（上海城建隧道裝備有限公司，上海 200032）

隨著城市地下空間的不斷被利用，盾構(gòu)機(jī)在城市內(nèi)的隧道掘進(jìn)施工越來越復(fù)雜，對(duì)于盾構(gòu)機(jī)的監(jiān)控要求不斷提高，同時(shí)以太網(wǎng)和信息技術(shù)（Internet Technology，簡(jiǎn)稱 IT）正逐漸成為當(dāng)今自動(dòng)化技術(shù)中使用的既定標(biāo)準(zhǔn)。將信息技術(shù)集成到盾構(gòu)機(jī)的自動(dòng)化系統(tǒng)中，可以在盾構(gòu)機(jī)的自動(dòng)化系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)擴(kuò)展、診斷可能性以及系統(tǒng)范圍的服務(wù)功能之間提供更好的通信選項(xiàng)[1]。工業(yè)以太網(wǎng)以及基于其開發(fā)的工業(yè)控制總線（如 Modbus TCP/IP、PROFINET、Ethernet/IP等）具有應(yīng)用廣泛、技術(shù)成熟、通信速率高、資源共享能力強(qiáng)、可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ蟮葍?yōu)勢(shì)，具有實(shí)時(shí)性高、可靠性、安全性和數(shù)據(jù)完整性好等優(yōu)點(diǎn)。

上海市域機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線盾構(gòu)機(jī)的數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用了以工業(yè)以太網(wǎng)為主干的新型監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。盾構(gòu)機(jī)的數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)基于以太網(wǎng)的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層及傳輸層構(gòu)建，分為監(jiān)控層及控制層兩部分：監(jiān)控層（盾構(gòu)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)）采用了基于以太網(wǎng)通訊標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，使得盾構(gòu)機(jī)能夠?qū)⑵涓黝悅鞲衅鲾?shù)據(jù)通過以太網(wǎng)協(xié)議方便的接入整個(gè)數(shù)據(jù)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)數(shù)據(jù)系統(tǒng)的數(shù)字化應(yīng)用；控制層（盾構(gòu)控制網(wǎng)絡(luò)）則使用基于以太網(wǎng)的 PROFINET 工業(yè)控制總線技術(shù)，使得盾構(gòu)機(jī)能通過其技術(shù)實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)對(duì)盾構(gòu)機(jī)設(shè)備的快速、精確控制，此外上海市域機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線盾構(gòu)機(jī)的數(shù)據(jù)控制網(wǎng)絡(luò)基于以太網(wǎng)會(huì)話層、表示層及應(yīng)用層構(gòu)建了盾構(gòu)機(jī)的智能網(wǎng)絡(luò)管理層，以實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)的 Internet網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控、智能管理系統(tǒng)、云計(jì)算等功能，如圖 1 所示。

圖1 盾構(gòu)機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1 以太網(wǎng)技術(shù)在盾構(gòu)機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

上海市域機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線盾構(gòu)機(jī)的控制系統(tǒng)運(yùn)用了PROFINET 總線技術(shù)，PROFINET總線技術(shù)是由 PROFIBUS國際組織推出的新一代基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的自動(dòng)化總線標(biāo)準(zhǔn)，PROFINET 技術(shù)作為目前工業(yè) 4.0 自動(dòng)化技術(shù)的通信主干，由于其開放式的體系結(jié)構(gòu)，使得所有基于以太網(wǎng)的IT功能都完全可用。除了實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的開放式訪問，PROFINET總線技術(shù)還能實(shí)現(xiàn)其他標(biāo)準(zhǔn)（如 OPC UA）的輕松集成[2]。PROFINET 網(wǎng)絡(luò)由于引入了以太網(wǎng)技術(shù)，因此其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比起其他總線技術(shù)也將更加靈活，其除了總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)外，還支持星型、樹形和環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[3]。對(duì)于設(shè)備及系統(tǒng)技術(shù)人員 PROFINET 總線技術(shù)能降低設(shè)備的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試成本，其系統(tǒng)具有高可用性、易于擴(kuò)展、維護(hù)要求低等優(yōu)點(diǎn)[4]。

PROFINET 系統(tǒng)（圖 2）包括至少一個(gè) IO 控制器、一個(gè)或多個(gè) IO 設(shè)備、連接用于安裝、調(diào)試或者排除故障的 IO 監(jiān)控器設(shè)備。PROFINET總線技術(shù)遵循生產(chǎn)者/消費(fèi)者模型進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，IO 控制器和 IO 設(shè)備都會(huì)自發(fā)地獨(dú)立發(fā)送循環(huán)數(shù)據(jù)[5]。

圖2 PROFINET 系統(tǒng)的通信路徑

IO 控制器：通常為運(yùn)行自動(dòng)化程序的可編程邏輯控制器（PLC）。IO 控制器是其配置的 IO 設(shè)備輸出數(shù)據(jù)的提供者以及輸入數(shù)據(jù)的使用者。

IO 設(shè)備：通過 PROFINET 總線連接到一個(gè)或多個(gè) IO 控制器的分布式 IO現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。IO 設(shè)備是輸入數(shù)據(jù)的提供者，也是 IO 控制器輸出數(shù)據(jù)的使用者。

IO 監(jiān)控器：通常為調(diào)試或診斷用的編程設(shè)備（PG）、電腦（PC）或人機(jī)界面（HMI）。

1.1 PLC 通過 PROFINET 網(wǎng)絡(luò)直連控制盾構(gòu)機(jī)設(shè)備

PROFINET 的等時(shí)實(shí)時(shí)通道（IRT）技術(shù)，采用帶寬預(yù)留，嚴(yán)格定義傳輸路徑，精確對(duì)時(shí)等技術(shù)使得盾構(gòu)機(jī)可編程邏輯控制器（PLC）能通過以太網(wǎng)直連控制盾構(gòu)機(jī)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)部分設(shè)備（推進(jìn)千斤頂、變頻器等）的等時(shí)實(shí)時(shí)控制需求，其反應(yīng)時(shí)間 ＜1 ms。

上海市域機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線盾構(gòu)機(jī)創(chuàng)新性地使用了推拼同步技術(shù)，為了滿足推拼同步施工技術(shù)中對(duì)盾構(gòu)機(jī)每個(gè)推進(jìn)千斤頂行程、速度實(shí)時(shí)監(jiān)視及控制的需要，因此需要采用 PLC 直連控制盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)千斤頂設(shè)備。選型采用了巴魯夫第七代磁致伸縮位移傳感器 BTL7-V50T 作為千斤頂行程傳感器，數(shù)據(jù)通信格式為帶正負(fù)號(hào)的 32 位實(shí)數(shù)，傳感器行程分辨率精度為 1 μm，速度分辨率精度為 0.1 mm/s。

鑒于推進(jìn)千斤頂行程傳感器的安裝方式（安裝于千斤頂內(nèi)部）以及在施工時(shí)盾構(gòu)機(jī)機(jī)頭內(nèi)部的惡劣環(huán)境，如果在施工過程中發(fā)生行程傳感器損壞的情況，維修、更換千斤頂行程傳感器的工作將非常困難。為了避免因其中一個(gè)傳感器損壞導(dǎo)致整個(gè)行程傳感器網(wǎng)絡(luò)癱瘓，應(yīng)放棄通過總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來連接千斤頂行程傳感器，以保證千斤頂行程傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和獨(dú)立性。

經(jīng)過穩(wěn)定性與經(jīng)濟(jì)性的綜合考慮，盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)千斤頂傳感器網(wǎng)絡(luò)采用樹形與星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相結(jié)合的方式，將多個(gè)工業(yè)交換機(jī)串聯(lián)后連接盾構(gòu)機(jī) PLC 的 PROFINET 通訊模塊組成主干網(wǎng)絡(luò)（樹形結(jié)構(gòu)），傳感器根據(jù)推進(jìn)千斤頂分區(qū)各自通過網(wǎng)線連接工業(yè)交換機(jī)接入網(wǎng)絡(luò)（星型結(jié)構(gòu)）。對(duì)設(shè)備進(jìn)行組態(tài)，設(shè)置設(shè)備名稱（Devicename）、IP 地址、測(cè)量范圍、測(cè)量分辨率精度、數(shù)據(jù)輸出精度等參數(shù)。根據(jù)設(shè)備數(shù)據(jù)報(bào)文信息及組態(tài)后配置的數(shù)據(jù)寄存器地址信息編寫 PLC 控制程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)推進(jìn)千斤頂?shù)木_控制。

1.2 PLC 通過PROFINET網(wǎng)絡(luò)連接 IO 設(shè)備站控制盾構(gòu)機(jī)

相比驅(qū)動(dòng)變頻器等設(shè)備的工作要求，盾構(gòu)機(jī)部分設(shè)備（輔助系統(tǒng)等）根據(jù)需求可采用 PROFINET 等時(shí)通道（RT）技術(shù)，通過縮減通信棧占用的運(yùn)行時(shí)間、優(yōu)化報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)方式，提高過程數(shù)據(jù)刷新速率、傳輸速率，以便實(shí)現(xiàn)設(shè)備的實(shí)時(shí)通信，盾構(gòu)機(jī) PLC 通過以太網(wǎng)連接 IO 設(shè)備站控制盾構(gòu)機(jī)設(shè)備，其反應(yīng)時(shí)間＜10 ms。

因此，綜合考慮后上海市域機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線盾構(gòu)機(jī)輔助系統(tǒng)采用 PLC 通過PROFINET 網(wǎng)絡(luò)連接分布式 IO 設(shè)備的連接方式。設(shè)備的安裝環(huán)境具備快速檢修、更換的條件，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用星型與總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)結(jié)合的方式，盾構(gòu)機(jī) PLC 的PROFINET 通訊模塊及部分 IO 設(shè)備站通過連接工業(yè)交換機(jī)接入網(wǎng)絡(luò)（星型結(jié)構(gòu)），IO 設(shè)備站根據(jù)各自的輔助功能及在盾構(gòu)機(jī)車架上的位置通過網(wǎng)線進(jìn)行串聯(lián)（總線型結(jié)構(gòu)）。對(duì)輔助系統(tǒng)的分布式 IO 設(shè)備站進(jìn)行組態(tài)，設(shè)置分布式 IO 設(shè)備站的設(shè)備名稱（Devicename）、IP 地址、輸入、輸出、模擬量、開關(guān)量信號(hào)配置，編寫 PLC 控制程序?qū)Χ軜?gòu)機(jī)輔助系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視、控制。

1.3 PLC 通過工業(yè)以太網(wǎng)連接人機(jī)控制界面 HMI

為了對(duì)盾構(gòu)機(jī)的設(shè)備進(jìn)行控制，人機(jī)控制界面 HMI 必不可少。傳統(tǒng)一般依賴控制按鈕和指示燈作為操作的顯示終端，隨著工業(yè)以太網(wǎng)的興起，基于以太網(wǎng)與盾構(gòu)機(jī) PLC 通信的工業(yè)觸摸屏應(yīng)運(yùn)而生，它可以用來控制設(shè)備、設(shè)置參數(shù)、顯示數(shù)據(jù)、監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)。具有界面豐富、操作靈活、功能強(qiáng)大、通訊接口簡(jiǎn)單統(tǒng)一、傳輸速率快、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。觸摸屏與 PLC 的以太網(wǎng)通訊設(shè)置、面板上的操作和顯示內(nèi)容皆可通過軟件編程來進(jìn)行實(shí)現(xiàn)、編輯。

2 以太網(wǎng)技術(shù)在盾構(gòu)機(jī)數(shù)據(jù)系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 盾構(gòu)機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

上海市域機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線盾構(gòu)機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集、顯示、存儲(chǔ)和分析等功能，是在施工過程中十分重要的管理工具。隨著盾構(gòu)機(jī)電子技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)信息化技術(shù)在盾構(gòu)機(jī)中運(yùn)用得越來越廣泛，盾構(gòu)數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于隧道施工和工程信息化、數(shù)字化管理變得越來越重要。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)與盾構(gòu)機(jī) PLC 設(shè)備進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)數(shù)據(jù)交互功能，同時(shí)也能通過互聯(lián)網(wǎng)將盾構(gòu)機(jī)采集到的數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心方便對(duì)盾構(gòu)機(jī)施工的管理。

2.2 盾構(gòu)機(jī)導(dǎo)向系統(tǒng)

近些年盾構(gòu)機(jī)導(dǎo)向系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化導(dǎo)向，取代了傳統(tǒng)人工測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)施工導(dǎo)向精度高、速度快、性能穩(wěn)定、實(shí)時(shí)自動(dòng)導(dǎo)向的需求，同時(shí)也能避免盾構(gòu)掘進(jìn)嚴(yán)重偏離的重大工程事故，滿足現(xiàn)代工程建設(shè)快速發(fā)展的要求。上海市域機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線自動(dòng)化導(dǎo)向系統(tǒng)使用工業(yè)計(jì)算機(jī)搭配控制軟件作為系統(tǒng)核心對(duì)盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)測(cè)量設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)控制、計(jì)算，并通過以太網(wǎng)絡(luò)與盾構(gòu)機(jī) PLC 通訊，互相傳輸盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)參數(shù)。導(dǎo)向系統(tǒng)軟件編程則采用面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)，使得操作界面友好，測(cè)量操作和使用辦公軟件一樣簡(jiǎn)單。該系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)單、方便、易于維護(hù)等特點(diǎn)。

2.3 數(shù)字化視頻系統(tǒng)

盾構(gòu)機(jī)在地下施工推進(jìn)時(shí)，管理者不僅依賴數(shù)據(jù)及導(dǎo)向系統(tǒng)，視頻監(jiān)控系統(tǒng)也是施工工作中重要的組成部分。舊有盾構(gòu)機(jī)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)往往采用模擬視頻設(shè)備：模擬攝像機(jī)通過同軸電纜向地下視頻監(jiān)控設(shè)備（硬盤錄像機(jī)）傳輸模擬信號(hào)，在向地上遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)必須額外設(shè)備對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)碼并通過 SHDSL 來向地上的實(shí)際監(jiān)控設(shè)備傳輸視頻數(shù)據(jù)。因模擬設(shè)備的技術(shù)限制導(dǎo)致該系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸帶寬較低、視頻效果不佳、抗干擾能力較弱、維護(hù)性不佳等問題。將盾構(gòu)機(jī)內(nèi)的視頻設(shè)備進(jìn)行數(shù)字化升級(jí)能很好地解決模擬設(shè)備的問題。

新的數(shù)字化盾構(gòu)視頻系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)建基于以太網(wǎng)，使用以太網(wǎng)來傳輸視頻數(shù)據(jù)，并利用 POE 技術(shù)免去額外的電源布線，POE (Power Over Ethernet)技術(shù)指的是采用以太網(wǎng)供電協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)、利用現(xiàn)有的以太網(wǎng)布線基礎(chǔ)架構(gòu)、并且不作任何改動(dòng)的情況下，通過網(wǎng)線為基于 IP 的終端設(shè)備（如網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)等）提供直流供電并同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)的技術(shù)。

該系統(tǒng)采用 POE 網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、POE 供電交換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)（也可使用 POE 網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)）等設(shè)備，利用屏蔽網(wǎng)線作為傳輸介質(zhì)，組建以太網(wǎng)。POE 網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)即為可通過 POE 方式進(jìn)行供電的網(wǎng)絡(luò)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，將采集的視頻信號(hào)數(shù)字化編碼并通過以太網(wǎng)來傳輸數(shù)據(jù)。POE供電交換機(jī)的作用是實(shí)現(xiàn)普通交換機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸功能同時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)終端進(jìn)行供電。網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)通過以太網(wǎng)訪問、采集需要的數(shù)字視頻信號(hào)，解碼后顯示并將需要的視頻數(shù)字信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)。

同時(shí)，為了將地下視頻監(jiān)控信號(hào)長(zhǎng)距離無損地傳輸?shù)降孛婵刂剖?，采用光纖收發(fā)器將以太網(wǎng)使用的電信號(hào)與光纖使用的光信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，通過光纖將地面與地下的網(wǎng)絡(luò)連接起來，形成一個(gè)完整的以太網(wǎng)。

該數(shù)字化視頻系統(tǒng)具有抗干擾能力強(qiáng)、布線方便、操作簡(jiǎn)單、視頻效果好、成本低廉、維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在上海市域機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線等盾構(gòu)機(jī)中大量使用。圖 3 為盾構(gòu)視頻網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖3 盾構(gòu)視頻網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3 以太網(wǎng)在盾構(gòu)機(jī)智能系統(tǒng)中的應(yīng)用

隨著人工智能 2.0 和工業(yè) 4.0 時(shí)代的到來，智能建造理念也已進(jìn)入了地下施工領(lǐng)域。隨著以大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等為代表的新一代信息技術(shù)的不斷滲透，相關(guān)學(xué)科已成為未來盾構(gòu)機(jī)制造變革的重要引擎。盾構(gòu)法施工雖有掘進(jìn)速率快、施工質(zhì)量高、對(duì)周邊環(huán)境干擾小、施工安全性較高等優(yōu)勢(shì)，但因盾構(gòu)施工地質(zhì)環(huán)境和工藝流程的復(fù)雜性、精密性，對(duì)操作人員經(jīng)驗(yàn)和素質(zhì)要求高。而施工人員素質(zhì)參差不齊、施工標(biāo)準(zhǔn)不固定等原因則會(huì)造成施工不當(dāng)，引起地面沉降、軸線偏離、隧道滲漏、設(shè)備非正常損壞等事故，制約著盾構(gòu)機(jī)的施工效率。如何有效地避免這些問題，加快盾構(gòu)施工進(jìn)度，節(jié)約人力成本，提高施工智能化，是盾構(gòu)行業(yè)一直關(guān)心的問題和研究探索方向。隨著新一代信息技術(shù)的發(fā)展，信息化、自動(dòng)化與智能化已成為盾構(gòu)施工的主要發(fā)展方向之一?，F(xiàn)上海市域機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線盾構(gòu)機(jī)已率先嘗試引入推拼同步、自動(dòng)巡航等技術(shù)開始了盾構(gòu)機(jī)智能化施工的探索。

4 結(jié) 語

隨著自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展以及以太網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)中開始使用，代表了一個(gè)重要的發(fā)展方向，盾構(gòu)機(jī)的控制系統(tǒng)從低速的集中式自動(dòng)化系統(tǒng)遷移到高速的分散式自動(dòng)化系統(tǒng)成為必然。以太網(wǎng)技術(shù)及其相關(guān)設(shè)備在盾構(gòu)機(jī)上的不斷應(yīng)用將不斷推動(dòng)盾構(gòu)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，將動(dòng)態(tài)管理、輔助決策、盾構(gòu)機(jī)設(shè)備全生命周期管理等集于一體，更直觀、更便捷地掌握盾構(gòu)機(jī)施工中的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)，更全面、更智能地深入分析盾構(gòu)機(jī)狀態(tài)，更好、更快地推動(dòng)盾構(gòu)機(jī)的信息化、自動(dòng)化、智能化發(fā)展進(jìn)程，通過引入以太網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)連接盾構(gòu)機(jī)的功能數(shù)據(jù)服務(wù)器、智能管理服務(wù)器、云計(jì)算平臺(tái)等功能，通過大數(shù)據(jù)服務(wù)器、云計(jì)算平臺(tái)等信息技術(shù)建立盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)化控制模型，探索實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)智能化施工輔助決策、施工工藝操作指導(dǎo)、推拼同步控制、自動(dòng)巡航、自動(dòng)拼裝、自動(dòng)化推進(jìn)等功能，使得盾構(gòu)機(jī)的技術(shù)發(fā)展更能滿足如今日益增長(zhǎng)的控制需求。