基于LabVIEW的隧道衬砌混凝土全状态数字系统研究

余刚毅，刘 放，姚怀智，庞振华

(西南交通大学机械工程学院，四川成都 610031)

0 引言

隧道衬砌台车是一种钻爆法隧道施工中拱墙二次衬砌作业设备，当前仍较普遍采用整体式钢模衬砌台车，主要依靠人工频繁开窗完成混凝土浇筑，自动化程度不高，拱顶浇筑结束缺乏准确判断依据，工艺质量得不到有效保障，极易导致衬砌质量缺陷[1-3]。近两年隧道装备研究者们在传统台车基础上，从混凝土浇筑系统、振捣系统、自动行走定位系统等方面进行了探索和改进，还增加了数字显示平台，提高了自动化程度[4-7]。

本文描述的隧道衬砌台车是紧跟前沿的设计，不仅大幅提高了自动化程度，还创建了Access数据库，为后期工艺改进和融入大数据系统提供了基础。更专门从混凝土浇筑过程的角度出发，利用液位、压力、温度、流量等多种传感器，监测多达44路数据，实现了对隧道衬砌过程混凝土状态的全面监控，使直接影响隧道工程质量的拱顶浇筑启停判断有了数据支撑。且在数据可视化支撑下，可对混凝土振捣器和喷淋水架的运行进行控制，对隧道衬砌质量的保障和衬砌工艺的改进有重要意义。

1 系统的组成和通信

由于隧道衬砌台车工作持续时间长，需存储的数据庞大，且需要对数据进行灵活操作并在后期融入大数据系统，故本系统没有采取“触摸屏+PLC”的形式，而是采取“PC机+工控机+PLC”的形式完成任务[8]。系统主要由工控机、PLC、多种传感器和多个电机等组成，组成框图如图1所示。

图1 系统的组成框图

系统的信息交互使用了TCP/IP和RS485协议2种通信方式，TCP/IP通信是系统辅助通信方式，仅用来传输压力传感器数据；RS485通信是系统主要通信方式，连接其余传感器。TCP/IP协议由LabVIEW数据通信工具包中的“TCP”模块编写；RS485协议由 “串口通信”模块编写[9]。数字系统共采集了44路传感器数据，是按照传感器监测的数据名称、属性，模块化分类采集的，传感器的数量和采集的数据类型如表1所示[10]。

表1 传感器采集的数据类型

2 系统软件设计

2.1 系统的用户界面

系统的用户互界面是基于LabVIEW开发的，以监控对象为区分，进行了模块化设计，包含液压及喷淋水系统、混凝土液位及拱顶状态、混凝土温度、混凝土压力、混凝土注浆量、振捣及喷淋、历史数据查询。其中，为方便操作者准确监察和理解，混凝土液位、温度和压力3个模块插入了与传感器安装位置对应的模型图，以尽量提高衬砌质量。其中混凝土液位和温度的界面设计如图2、图3所示。

图2 混凝土液位及拱顶状态界面

图3 混凝土温度界面

系统共含有36个气动式振捣器，与液位传感器布置类似，拱顶1排4个，两侧4排32个。当某位置需要振捣时，按下对应启动按钮，振捣器自动伸出并启动，指示灯亮起。另外，振捣和喷淋的参数可自行设定，其控制界面如图4所示。

图4 振捣及喷淋界面

2.2 数据的处理和存查

2.2.1 数据的处理

数据的处理使用了标尺转换，将采集的数据通过与传感器的标定关系，换算出对应的物理量数值[11]。用衬砌台车模板所受压力可换算出混凝土受的压力，混凝土压力传感器选用了表贴式应变计，安装在台车模板外表面来测量模板实时振动频率，该频率与混凝土压力存在式(1)的关系：

(1)

式中：F为台车模板相对微应变；K0为传感器标定系数；f1为实时测量频率，Hz；f0为初始频率，Hz；б为台车模板相对压力，MPa；E为Q235碳钢的弹性模量，MPa。

混凝土体积由流量传感器监测，经推导计算后得出，在计算体积时，采用了梯形公式积分，为减少计算机处理数据过程中产生的累积误差，进行了标尺转换处理和算法优化处理，优化后公式为

(2)

式中：V为混凝土体积，m3；K为传感器标定系数；Q0、Q1为相连两次测量的实时流量，m3/h；t0、t1为对应的测量时间，ms。

算法程序如图5所示。

图5 混凝土流量、体积算法程序

2.2.2 数据的存查

数据的存储过程由LabVIEW的Database工具包编写数据存储程序，Access数据库与LabVIEW的链接方式有2种：ADO使用UDL通过数据库路径链接和ODBC使用DSN通过字符链接。本文采用第2种方式进行链接，然后使用SQL语句访问Access数据库[12-13]，完成数据交互，其访问流程如图6所示。

图6 使用ODBC方式访问数据库流程图

数据从通信程序获取后经解析和处理，分别传递给界面显示程序和数据存储程序。系统根据需求设有多个数据库，数据的解析和存储的程序比较庞杂，其部分程序如图7所示，图中带文字白色小方框为数据处理子VI，内含数据处理程序。

图7 部分数据存储程序

数据的查询程序由LabVIEW的LabSQL工具包编写完成，访问Access数据库也是通过ODBC和SQL语句。根据需求，数据的查询方式设有多种，可按照传感器名称、数据库名称、时间的范围来灵活操作。也是因此SQL语句被拆分为多段供用户输入，然后传递给查询程序，数据查询程序和查询功能测试结果如图8、图9所示。

图8 数据查询程序

图9 数据查询功能测试结果

3 数字系统的实现与现场测试

在制造出控制柜等硬件设备，并连接好各种传感器和测试电机后，进行了现场测试。输入初始账号登录进入主界面后，发现油箱和水箱温度显示为26 ℃(室温)、油箱和水箱液位为26 mm、油箱未脏堵、拱顶状态显示“拱顶未脱空”、其余混凝土液位传感器为OFF、混凝土温计为26 ℃(室温)等。经调试后，软件所有监测模块的功能完全正常，能满足混凝土状态数字化要求。另外，历史数据查询、振捣及喷淋控制两模块的功能也正常，控制机构运动的测试电机也运行正常，系统的现场测试情况如图10所示。

(a)混凝土温度界面

4 结束语

本文基于LabVIEW和PLC设计并实现了基于多传感器融合的隧道衬砌混凝土全状态数字系统。在LabVIEW开发的系统软件中，将混凝土浇筑过程中的液位、温度、压力和体积的工艺参数数字化，将其作为依据控制浇筑过程和振捣器的运行。将其与Access数据库联合使用，可对采集的数据进行灵活操作。对提高隧道二次衬砌质量和施工安全性，以及未来隧道施工装备和工艺方法的改进有重要借鉴意义。现场测试结果表明，该系统能出色完成衬砌过程中混凝土各种参数的数据采集、存查以及远程控制任务，且系统操作方便、运行稳定，能在即将进行的隧道衬砌工程中发挥重要作用。