对引进地铁盾构拼装机控制链路的技术改造

倪 晨（上海隧道工程有限公司，上海 200082）

对引进地铁盾构拼装机控制链路的技术改造

The Influence on Neighboring Environment Generated by Gridding Deep Excavation in Huge Complicated Site

倪 晨（上海隧道工程有限公司，上海 200082）

针对进口海瑞克地铁盾构拼装机的有线控制链路的工程应用问题，提出了无线控制链路的技术改造方案。分析了无线频段的选择、通信方式和可靠性设计、硬件接口和软件程序设计、PLC逻辑编程设计等技术关键。最后总结了对盾构拼装机无线控制链路技术改造成果。这对改进地铁存量盾构的拼装机有线控制链路的技术性能具有一定参考意义。

盾构；拼装机；无线控制；PLC；step7；Profibus-DP

笔者多年从事现场机电维修保养工作，在对地铁盾构维修过程中发现，早先引进的地铁盾构拼装机的操作盒大都为有线模式，其缺点是：拼装操作盒拖着电缆进行移动，既不方便，又容易受机械损伤。如果固定安装拼装操作盒，拼装盲区会带来极大的风险，拼装机的大臂移动一旦操作失误，对下方拼装指挥人员将造成伤害。如何降低拼装操作盒移动电缆在狭小空间环境受机械损伤引起的电气故障概率，如何改善拼装作业的劳动强度，是现场施工操作人员需要解决的问题。

1 技术方案和技术关键

在消化吸收引进的新型地铁盾构拼装机无线控制链路技术的基础上，结合存量地铁盾构的拼装机控制接口和控制逻辑特点，采用无线控制技术替代有线控制电缆。拼装机有线控制链路改造成无线控制链路需要解决的技术关键主要有：

(1) 无线电频率的选择。该频率必须满足国家强制标准规定以及盾构机施工的工况条件。

(2) 电磁波干扰问题。在狭小空间近距离大容量盾构电气设备的电磁场环境下，确保无线发射距离和强度，避免盾构大容量电机强电磁场干扰。

(3) 可靠性问题。避免通信误码，确保无线传输信息的正确性。

(4) 与原有盾构硬件接口和软件接口的系统整合，包括PLC 的通信协议、各类开关量和模拟量的输入输出、控制保护逻辑等等。

(5) 系统集成和调试应用。

2 施工环境问题及技术措施

2.1 施工环境问题

隧道施工在环形的管片内进行，地铁盾构管片拼装就是将 6 块预制的管片用拼装机将其拼装成环形。无线电通信在管片内发射和接收信号，在传播过程中可能会产生反射波，产生干扰。

2.2 避免反射波技术措施

结合国家有关标准，甚高频 (VHF) 波具有反射能力强穿透性弱特点。所以选用 418 MHz 频段，发射功率＜10 mW，接收灵敏度≥ 20 dB 的技术指标。为了避免干扰，可将基站放置于桥架最前端靠近拼装机处，并且通信电缆使用带屏蔽的电缆进行连接。

3 变频器等机电设备干扰问题及技术措施

盾构内大容量电机及变频器高次谐波的电磁场干扰。选型设计应避开盾构电气设备电磁场干扰。主要采取在既定频率下调整频率的“频点”，即在调整频率后的小数位，避免干扰的发生。所选 418 MHz 频率的频点为 418.775 MHz，通过无线遥控器厂家提供的“晶振”实现。使用不同的“晶振”就可以将频率进行区分，从而避免设备间的干扰，

4 拼装机运作可靠性问题及技术措施

盾构拼装环境狭小，管片重达十几吨，施工人员几乎接近管片操作，所以必须确保通信正确可靠。选择何种编码方式和调制方式的无线遥控设备就显得尤为关键。通常无线遥控设备有 PPM (pulse position modulation 缩写，简称脉位调制)和 PCM (pulse-code modulation 缩写，简称脉码调制)两种编码方式。调制方式有“AM”调幅和“FM”调频。目前比较常用的组合有 PPM/AM、PPM/FM、PCM/FM。PPM 编码在强干扰环境和超出控制范围时会产生误动作，并且需要先开终端后开基站，先关基站后开终端。这种开关次序显然也不符合正常的盾构施工，所以 PPM 这种模式不适合在盾构机内使用。PCM/FM 就没有这一问题，而且 PCM/FM 具有高可靠性和高抗干扰性，并且具有无信号自动回中位功能，这一特性也保证了拼装机不会有误动作的发生。所以在无线遥控器编码调制模式上选择 PCM/FM。

5 拼装机接口配合问题及 PLC 接口编程设计

5.1 硬件接口

选择海瑞克 S225、S226 地铁盾构拼装机作为改造对象。两者使用的 PLC 系统为西门子 S7-400，如果要将拼装机有线控制链路改造成无线控制链路，势必需要选择支持Profibus-DP 协议的无线拼装操作盒。目前主要生产工业无线操作盒的厂家有 HBC (海希)、NBB、Hetronic。由于是海瑞克盾构，所以主要运用Hetronic 产品。为了能够便于以后的维修保养，此次改造选择 Hetronic (海德)的产品进行改造。通过以上要求进行选型，选择的产品型号基站：H/E-22VR Erektor Funk/Profi EMCT。

5.2 通信接口

将基站的通信口连接到已有的 PLC 网络，考虑到通信距离，基站离操作室距离比较远，所以串联到原来Profibus 网络内会衰减导致中断，因此组网时可以使用西门子的 RS-485 中继器来增强信号。RS-485 的作用是延长总线网络的通信距离，增强总线网络设备的数目，并且可以将总线进行光电隔离，防止共模电压干扰。根据 RS-485 的样本，将基站接入已有 Profibus 网络，通信连接图如图 1 所示。

图 1 Proifbus 组网图

5.3 PLC Profibus-DP 总线组态

完成组网后，需要对硬件进行组态。通过 step7 硬件进行组态，硬件的信息可以在电子设备数据库文件 (GSD)中找到。导入设备商提供的 GSD 文件，并使用 Step7 将无线遥控设备基站连接到盾构机 Profibus-DP 总线系统中，如图 2 所示。

图 2 Profibus 通信配置

图 2 中站地址 64 的 Prof_HET_Hr 为新增的无线拼装机链路基站，站号可以设置原系统中未使用的任一站号，此处设置站号为 64。

6 拼装机无线控制的 PLC 逻辑编程设计

拼装机的施工工艺主要有左右旋转、前后平移、大臂的伸缩、翻板的前后左右摇摆、钳体的伸缩，主要分为开关量的输入输出和全比例的输入输出。

6.1 控制流程框图

通过 Hetronic 公司提供的地址表，能够了解各个开关的功能，为之后的编程做准备。默认的地址范围为 I240 至I253，Q243 至 Q251，也可以根据实际需要对地址进行修改。配置完成后可以监控一下各个点位有无输入输出的响应，如果有响应表示通信和组态正常，可以进行下一步的软件编程。编程逻辑见图 3。

图 3 PLC逻辑编程功能框图

6.2 控制功能模块

程序改动主要集中在拼装机、推进千斤顶和喂片机。喂片机和推进千斤顶的程序相对比较简单，主要是开关量的输入和输出。为了兼容原有有线拼装操作盒，原来的开关量输入和输出地址可以不作改动，将无线拼装操作盒的开关量输入、输出地址用“或门”或者“与门”并联在相应的程序段内，即可实现所对应的功能。大部分的开关量输入输出都是做这样的改动。当然也可以不保留原来有线拼装操作盒的功能，完全替换原来有线输入输出的点位。以“4 号推进油缸伸”为例，如图 4 所示。

图 4 4号推进油缸无线拼装操作盒程序的添加

FC 功能模块是针对推进油缸伸缩编辑的功能，所有程序一致的推进油缸伸、缩的程序都可以调用该功能 FC。TFK1 为油缸伸输入、TFK2 为油缸缩输入、RS_0 为油缸停止输入，通过增加 2 个“或门”和 1 个“与门”使无线拼装操作盒的功能得以添加，从而能够使用无线拼装操作盒对推进油缸电磁阀进行控制，其他的数字量的输入输出程序也按照以上原则进行修改。

6.3 操作手柄逻辑

拼装机的操作是由左右两个摇杆进行控制的。这两个摇杆分别控制拼装机的不同动作，并且是全比例控制的。其中左摇杆控制拼装机的左回转、右回转、向前平移、向后平移，右摇杆控制拼装机大臂蓝、红 2 个油缸的伸和缩，且可以同时控制伸缩，如图 5 所示。

图 5 无线拼装操作盒左右摇杆布置与功能

虽然同为摇杆，但是这两个摇杆的输入方式是不同的，左摇杆为模拟量输入、右摇杆为格雷码输入，两者的不同是，格雷码输入的目的是将数字量转化为模拟量，两个摇杆的区别在于右摇杆中位是 0，而左摇杆中位是左右上下的中间值，不同的控制方式使得这两个摇杆的输入程序也不同。所以在对这两个程序编程时需要有两个不同的功能 FC 将输入进行转换。假设左摇杆的功能为 FC1，右摇杆的功能为FC2，FC1 的功能为将输入 0 到 127 的值转换为 -127 到127，中位为 105。FC2 的功能是将不等于 0 的值进行转换。转换完成后进行模拟量的输出。

7 安装调试及应用效果

完成编程后，S225 和 S226 盾构经单机、联动、整装调试等各环节，拼装机功能都达到了和有线操作一致的要求，并且在改造完成后完成了天津 1 号线奥体中心站至会展中心，会展中心站至纬三路站两个区间的掘进。经过了实际工程的检验，信号强度、干扰等问题并没有出现，可靠性是有保证的，证明选型是正确的。由于无线终端(拼装操作盒)更换并不需要对其他部件进行改造，所以维修也非常方便，在上海电力隧道区间掘进中 S225 盾构更换了新的终端(拼装操作盒)，在使用中也没有碰到任何问题。

8 结 语

拼装机链路的无线化改造在实际盾构推进过程中得到了检验，功能效果和最新的海瑞克地铁盾构没有任何区别，特别当终端(无线操作盒)损坏时，可以立即使用其他终端(无线操作盒)进行替换。不仅提高了生产效率，降低了故障率，而且方便了备件的采购和成本的控制。作为成熟的产品，理论上该系统可以使用在任意盾构中，不仅支持像海瑞克这种 Profibus－DP 总线协议的盾构，同样也可以使用在日系三菱 PLC cc-link 通信协议的网络中，通过增加QJ71PB92V 模块，将该套系统接入 cc-link 网络，在技术上是完全可行的。随着通信技术的发展，更轻更方便的拼装机链路会被运用在工程中，同时大量的老盾构为了满足最新的施工要求有待改造，运用最新的技术和设备改造原有的盾构机设备也将成为行业的趋势。

TU50

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1674-814X(2017)03-0063-04

2017-02-10

倪晨，现供职于上海隧道工程有限公司。

作者通信地址：上海市徐汇区宛平南路1099号，邮编：200082。