盾构机PLC电气控制系统浅析

郑伟

摘 要：盾构机是在隧道掘进施工中重要的应用设备，主要完成城市地下隧洞的施工修建任务，集机械、电气、液压、测控、PLC等多门学科技术于一身，具备开挖速率快及施工质量高、人员工作强度低等优点。盾构机电气设备数量多、功耗大，工作时很容易发生电气设备损坏事故，所以要仔细分析各个设备各个部件的各个方面，以保证盾构机电气体系的安全、正常运行和使用。

关键词：盾构机;PLC电气系统;控制系统;调试

目前进行地下暗挖工作时，首要的选择是盾构施工法，该工法主要依赖于全机械化的施工，完成盾构设备在地下向前推进工作的同时，并通过盾构的外壳及混凝土管片支撑着施工隧道四周的岩土，从而避免隧道周围的土体呈现出向隧道内坍塌的现象，并依附千斤顶对管片的压力来进行顶进工作，从而完成装配预制好的管片，最终形成隧道的机械化施工措施。盾构机的机械能来源是取决于设备本身配备的电气系统，如果人员操作不当容易引起设备故障，间接导致设备不能正常工作，通过分析问题、解决问题和风险预控，对盾构机电气系统常见故障进行说明，并提出方案，保证盾构机正常安全使用。

1 盾构的发展史和发展趋势

1818年，法国的布鲁诺尔（M.I.Brune1），最早提出了用盾构法建设隧道的设想，并在英国取得了专利。1825年，他第一次在伦敦泰晤河下开始用一个断面高6.8米、宽11.4米的矩形盾构修建隧道，但先后两次被淹。1843年，在后续气压平衡的加入下，经过18年施工，完成了全长458米的第一条盾构法隧道。在伦敦地下隧道施工的过程中，气压盾构法的施工工艺不断的革新，使得盾构得到了相当程度的发展，与此同时格雷赛德还提出了在盾尾后面的衬砌外环中充填浆液加固的施工方法，为盾构的发展起到了重大的推动作用;20世纪初盾构法已经在西方发达国家普遍使用，但气压法对于地质的气密性，人员的安全性，施工效率等方面还比较落后，直到20世纪60年代日本和德国的工程师在总结以往施工经验的前提下更新提高了设计模型，提出了半气压、泥水平衡和土压平衡盾构，发展并完善了相应的施工工艺和相应的配套设备，慢慢形成了今天的盾构工法。1962年2月，中国上海市城建局隧道处开始塘桥试验隧道工程采用直径为4.16m的一台普通敞胸 盾构，在两种有代表性的地层下进行掘进试验，用降水或气压来稳定粉砂层及软粘土地层。在经过反复的论证和地面试验之后，选用由螺栓连接的钢筋混疑土管片作为隧道衬彻，环氧煤焦油作为接缝防水材料试验获得成功，并采集了大量盾构法隧道数据资料。

2 土压平衡式盾构PLC电气控制系统

2.1推进系统协调控制研究

在土压平衡式盾构机中，盾构机的掘进系统分为：刀盘系统、推进系统、螺旋输送机系统，这三者之间又拥有着很强的耦合性，要想实现盾构的正常掘进工作的顺利进行，对推进系统的协调控制进行深入研究显得尤为重要。随着科技的进步，越来越多的仿真技术被予以应用，它提升人们科研技术的同时，大大减小了完成科研的时间，缩减了科研的成本以及风险。完成推进系统液压控制的液压仿真工作，为后续编写盾构机推进系统PLC控制程序奠定基础。为了更好的完成推进系统的协调控制，而且目前投入使用的盾构机中，主要采用的是以工控机为上位机、PLC为下位机的电气控制系统。依据推进系统所要实现的主要功能，对推进系统的各个输入点位进行分配。完成了推进和管片拼装两种模式下，推进系统的PLC控制程序的编写，并就推进系统中的主要控制部分，进行PLC控制程序的详细设计。将编写完成的PLC控制程序，下载到盾构机中，完成了实际的调试工作，达到了预期的效果。

2.2基于模糊PID的密封仓土压平衡控制

目前，大多数的盾构机采用控制密封土仓内土压的动态平衡，完成对盾构前方开挖面稳定性的控制。土压平衡控制方法的工作原理为：首先，设定好密封土仓内土压的设定值，并检测土压实时值信号;其次，计算土压实时值和设定值之间的误差;最后，依据该误差信号，对螺旋输送机、推进速度进行实时优化控制，从而实现密封土仓内压力的稳定。土压实时值信号是通过安装在密封土仓内的土压计进行检测，土压设定值是根据当前盾构机所处地层条件以及开挖状态，经理论计算得到。合理设置密封土仓压力，是盾构机掘进过程中控制土压的关键性参数。在开挖过程中，密封土仓土压平衡状态必须满足：（1）开挖过程中，开挖面上的土体既不出现向上隆起，也不出现向下塌陷的态势;（2）在施工过程中，必须保证密封舱内的渣土具有一定的止水性、可塑性、流动性;（3）保证经由螺旋输送机排出的渣土量和刀盘切削下来进入密封土仓的渣土量相同，从而实现密封土仓的压力动态平衡的效果。推进液压缸中安装有行程传感器，利用该传感器实时检测推进液压缸的速度信息，将其与推进速度的目标值予以比较，与此同时，推进油缸的速度信号会 造成密封土仓内的压力发生一定程度上的波动，设置好密封土仓中土压目标值信号之后，实时检测密封土仓的压力实际值，并将两者进行比较之后，利用调节器2中的模糊PID控制模塊运算之后，输出一个控制量信号，该信号经转换之后，去控制螺旋输送机变量泵的输出流量，达到改变螺旋输送机的转速的目的，从而影响密封土仓的排土量，最终实现对密封土仓内的压力进行实时、动态的控制。

2.3主要分为以下模块

（1）处理器模块：处理器作为泡沫系统的核心单元，主要完成对数据的采集、处理。本设计中，选用NXP的EPC1788作为核心单元，它是一款基于ARM Cortex-m的处理器，包含有内部存储器和外部存储器控制器高达165个I/O管脚、一个8通道的12位ADC、5个UART、1个6输出的通用PWM等，可以满足本次涉及的需要。（2）电源模块：该模块主要完成对主控芯片LPC1788以及其他外围芯片的供电，使各芯片可以进行正常工作。（3）时钟模块：该模块为泡沫系统提供精准的时间信息，实现记录泡沫系统的故障发现时间、数据采集时间等时间信息。同时，进行历史事件的查询是以时间为基准，因此，需要提供精准的时间信息。（4）键盘显示模块：根据此次泡沫系统的需要我们设计两个物理按键，分别为复位按键和唤醒按键，多个虚拟按键，进行泡沫系统相关参数的设定工作。（5）I/O接口：本次泡沫系统设计中，设有多个I/O接口，用以数据的采集以及被控制信息的输出。（6）人机界面：本次设计的人机界面上主要完成泡沫系统相关参数的显示、设置工作，使得人与设备之间的交互更加友好。整个控制系统主要分为两大部分：硬件部分和软件部分，硬件电路主要有：LPC1788主控器、电源电路、复位电路、被控对象、信号调理电路、反馈电路。软件部分主要有：UC/OS‖操作系统的移植、任务的创建与调度、底层驱动程序和应用程序的编写。

3 结束语

盾构机是市政工程中常见的大型专业施工设备，根据不同工程不同的地质条件，盾构机的设计是针对性的，因此在实践作业中，盾构机的使用需要根据具体施工工程进行考虑。电气工程系统可靠合理的设计及规范使用，以加强保障盾构施工的安全和过程风险的防范。

参考文献：

[1]章欣博，常晓辉.土压平衡式盾构机PLC电气控制系统分析.中国科技期刊数据库，2020（7）.

[2]郑中华，刘炜业.浅析盾构机电气系统及调试常见故障与解决方法.机电机械，2020（7）.

[3]姜建芳，王刚，盾构电气组成系统及常见故障的解决[J].建筑机械化，2017（02）：73-75.