基于传感技术的盾构在线状态监测系统

蒙先君， 刘瑞庆， 吴朝来

(中铁隧道局集团有限公司专用设备中心， 河南 洛阳 471009)

0 引言

随着盾构技术的不断发展和完善，国内也逐步开展盾构技术的研发，主要应用于隧道和地铁施工项目中。为了保证隧道和地铁施工过程中盾构设备安全、稳定、可靠，在设备实施过程中需要不断地进行维修和监测，不仅耗费大量人力和财力，而且很难保证实时性，同时工作强度较大，监测精度还存在人为误差[1-4]。为了降低成本，减少开支，提高监测精度，亟需设计一种基于传感技术的运行状态在线监测系统，以保证盾构的实时监测，从而提高工程管理的信息化水平。

国内外在线监测技术相对成熟，主要应用于风电状态监测设备，尚未在盾构机械设备中推广应用。目前，盾构设备中的监测系统是控制系统自带的监测装置，主要针对单个设备进行监控，设备结构和监测系统简单，检测数据有限。盾构运行状态监测与评估主要采用离线式油液检测、状态监测、故障分析与诊断等技术，这些监测技术不能对设备进行连续、全面的检测[5-8]。由于盾构工作环境复杂，对设备进行状态监测，不仅需要成熟的传感器技术，还需要成熟的通讯技术。而设备状态监测的位移、速度、加速度和其采样方式及评价的依据，没有国家统一标准，需要进一步去研究和探索。

本文在已有在线监测技术[9-11]的基础上，以PLC为开发语言，采用模块化的设计方法，从而实现监测系统的模块化管理。该系统主要包括5种模块： 振动信息采集模块、温度信息采集模块、模数转换模块、电源稳压模块和TTL转RS232信号转换模块，通过传感技术检测盾构关键部件各测点的振动速度和温度，结合通讯技术将实时监测的数据传输至控制器进行分析处理，对盾构运行状态进行实时监测，并通过试验验证盾构在线监测系统的合理性。

1 系统结构及工作原理

1.1 系统总体结构

盾构在线监测系统结构如图1所示。系统主要由盾构设备、电源模块、显示模块、振动信息采集模块、温度信息采集模块、模数转换模块以及稳压模块等组成。

图1 盾构在线监测系统总体结构图Fig. 1 General structure of on-line monitoring system for shield

1.2 工作原理

根据盾构设备在线状态监测的相关要求，将传感器布置在盾构的待测点位置，状态在线信息采集模块实时采集盾构主泵站、轴承及减速器等关键部件工作状态的位移、速度、加速度、温度信息的特性信息，将采集到的信息传递至单片机主控程序室，并对信息进行分析和处理，实时监测盾构的工作状态。

利用盾构在线状态监测系统，来实现盾构主驱动、主泵站等关键部位的振动速度、温度、压力等状态参数的实时采集与分析。

2 系统主要模块设计

2.1 振动信息采集模块

振动信息采集模块主要用来采集盾构在工作过程中的振动位移、速度和加速度。由于盾构的工作环境复杂(空间狭小、环境恶劣、湿度高)，受污染程度大，工作过程中安装更换困难，对振动信息采集模块中振动传感器的灵敏度、测量范围、可靠性、精确度和响应特性[10-11]要求较高，选用型号为CYT9200的一体化振动变送器。振动信息采集模块电路图如图2所示。一体化振动变速器安装方式包括水平安装和垂直安装，工作电压为24 V，输出电流为4～20 mA，量程为0～50 mm/s，灵敏度为50 mV/(mm/s)，频率响应为5～1 000 Hz，振动速度测量为0～50 mm/s，振动位移测量为 0～500 μm，振动加速度最大测量范围为10g，振动变速器上设置有固定螺栓孔，安装方便，采用不锈钢材质，适用于空气湿度大的环境。

2.2 温度信息采集模块

温度信息采集模块主要用来监测被测物体表面工作温度变化幅度，温度传感器通过测量电阻的变化检测不同时刻被测物体表面工作温度参数，根据被测对象及温度测试范围选用K型贴片式表端面热电偶冷压鼻探头PT100温度传感器。温度信息采集模块电路图如图3所示。贴片式热电偶K型采用纯铜镀银贴片，弹簧护套，高温抗干扰金属屏蔽线，使用温度为-50～420 ℃，导热性能好，不易断线，响应时间短，可以准确测量物体表面的温度。

1—3表示接触点。

图3 温度信息采集模块电路图Fig. 3 Circuit diagram of temperature information acquisition module

2.3 模数转换模块

模数转换模块是将振动信息采集模块和温度信息采集模块采集到的振动位移、速度、加速度和温度模拟量信息转换成数字量信息，供单片机主控程序读取。根据选用的一体化振动变送器型号、K型贴片式温度传感器以及各参数的测量范围，选用型号为ADS1118的16位模数转换器，具有集成MUX、PGA、温度传感器、振荡器等的小型16位模数转换器，精度高，耗电低，包含冷端补偿和软件，支持860次/s采样的数据速率等优点。模数转换模块电路图如图4所示。

1—10表示接触点。

2.4 电源及稳压模块

由于所选一体化振动变送器的工作电压为24 V，故选择电压为直流12 V的2节蓄电池串联。由于系统选用的供电电源为24 V，而单片机的供电电源为5 V，系统通过降压与单片机供电。根据输入直流电压为3～35 V，输出直流电压为1.5～35 V(可连续调节)，且输入直流电压超过输出直流电压的1.5倍时，最大输出电流不超过3 A的特性，选用型号为LM2596S DC-DC降压模块，降压模块转换效率为92%。降压模块电路图如图5所示。

1—3表示接触点。

2.5 单片机监测程序设计

单片机监测程序结构简图如图6所示。主要由单片机、一体化振动变送器、PT100温度传感器、电源、LM2596S DC-DC降压模块、ADS1118 16位模数转换器、TTL转RS232信号模块、盾构等部分组成。

图6 单片机监测程序结构简图Fig. 6 Structure sketch of SCM monitoring program

在线状态监测系统工作时，传感器检测到盾构关键部件(主泵站、轴承及减速器)的振动信息和温度信息，由A/D转换模块将采集到的模拟量转换成数字量，通过单片机的IO接口传递至单片机主控程序，经单片机运算处理后，再由TTL转RS232信号模块转换，将转换后的信号传送至在线监测设备[12-13]。单片机监测系统流程图如图7所示。

图7 单片机监测系统流程图Fig. 7 Flowchart of SCM detection system

3 系统测试与结果分析

3.1 试验条件与方法

2017年5—7月，在施工现场对基于传感技术的盾构在线监测系统进行了试验。为了测试盾构在线监测系统的性能和监测精度，监测系统安装调试完成后，通过试验对各个点进行实时状态数据采集，每个点采集 20 000多个数据。监测系统现场试验如图8所示。

图8 在线监测系统试验Fig. 8 Test photo of on-line monitoring system

对盾构关键部件主泵站、轴承及减速器等运行状况进行监测测试，测点分布如表1所示。

表1 盾构测点分布Table 1 Layout of monitoring points on shield

3.2 试验结果分析

本次主要对测点的振动速度和温度进行分析，得出振动速度和温度曲线如图9—11所示。由图9(a)、10(a)、11(a)测点振动速度离散图可以看出： 2#刀盘驱动泵测点的振动速度为1.5 mm/s左右； 1#主驱动减速机测点振动速度为1～1.5 mm/s； 2#主轴承测点振动速度为1～1.4 mm/s。盾构关键部件各测点的速度值满足正常运行状态的工作要求。由图9(b)、10(b)、11(b)测点温度曲线图可以看出： 2#刀盘驱动泵测点温度为25～45 ℃； 1#主驱动减速机测点温度为20～40 ℃； 2#主轴承测点温度为25～40 ℃。盾构关键部件各测点的温度值满足正常运行状态的工作要求。

(a) 测点振动速度曲线

(b) 测点温度曲线图9 2#刀盘驱动泵电机测点振动速度和温度曲线Fig. 9 Curves of vibration velocity and temperature of monitoring point on electric motor of #2 cutterhead drive

(a) 测点振动速度曲线

(b) 测点温度曲线图10 1#主驱动减速机测点振动速度和温度曲线Fig. 10 Curves of vibration velocity and temperature of monitoring point on reduction box of #1 main drive

(a) 测点振动速度曲线

(b) 测点温度曲线图11 2#主轴承测点振动速度和温度曲线Fig. 11 Curves of vibration velocity and temperature of monitoring point on #2 main bearing

4 结论与讨论

1)以盾构为监测对象，采用了模块化的设计方法，从而实现了监测系统的模块化管理。该系统主要包括振动信息采集模块、温度信息采集模块、模数转换模块、电源稳压模块和TTL转RS232信号转换模块。通过传感技术监测盾构关键部件各测点的振动速度和温度，结合通讯技术将实时监测的数据传输至控制器进行分析处理，实现了盾构的在线监测，保证盾构设备施工过程中的安全、稳定、可靠。

2)关键部件各测点的振动速度范围和温度范围满足盾构正常运行状态的工作要求，系统各项指标符合盾构在线监测系统的设计要求。

由于盾构工作环境复杂，对设备进行状态监测，需要更成熟的传感技术、通讯技术和国家统一的标准，本文所研究的盾构在线监测系统仅针对自己的产品进行研究，使用范围较小，存在一定的局限性，需要进一步去研究和探索。