以太网技术在盾构机数据控制系统中的应用

奚渊峰（上海城建隧道装备有限公司，上海 200032）

随着城市地下空间的不断被利用，盾构机在城市内的隧道掘进施工越来越复杂，对于盾构机的监控要求不断提高，同时以太网和信息技术（Internet Technology，简称 IT）正逐渐成为当今自动化技术中使用的既定标准。将信息技术集成到盾构机的自动化系统中，可以在盾构机的自动化系统、结构扩展、诊断可能性以及系统范围的服务功能之间提供更好的通信选项[1]。工业以太网以及基于其开发的工业控制总线（如 Modbus TCP/IP、PROFINET、Ethernet/IP等）具有应用广泛、技术成熟、通信速率高、资源共享能力强、可持续发展潜力大等优势，具有实时性高、可靠性、安全性和数据完整性好等优点。

上海市域机场联络线盾构机的数据控制系统网络采用了以工业以太网为主干的新型监控网络设计。盾构机的数据控制系统网络基于以太网的物理层、数据链路层、网络层及传输层构建，分为监控层及控制层两部分：监控层（盾构数据网络）采用了基于以太网通讯标准的工业以太网结构，使得盾构机能够将其各类传感器数据通过以太网协议方便的接入整个数据监控网络，以实现盾构机数据系统的数字化应用；控制层（盾构控制网络）则使用基于以太网的 PROFINET 工业控制总线技术，使得盾构机能通过其技术实现控制系统对盾构机设备的快速、精确控制，此外上海市域机场联络线盾构机的数据控制网络基于以太网会话层、表示层及应用层构建了盾构机的智能网络管理层，以实现盾构机的 Internet网络远程监控、智能管理系统、云计算等功能，如图 1 所示。

图1 盾构机网络结构

1 以太网技术在盾构机控制系统中的应用

上海市域机场联络线盾构机的控制系统运用了PROFINET 总线技术，PROFINET总线技术是由 PROFIBUS国际组织推出的新一代基于工业以太网技术的自动化总线标准，PROFINET 技术作为目前工业 4.0 自动化技术的通信主干，由于其开放式的体系结构，使得所有基于以太网的IT功能都完全可用。除了实现对设备的开放式访问，PROFINET总线技术还能实现其他标准（如 OPC UA）的轻松集成[2]。PROFINET 网络由于引入了以太网技术，因此其网络拓扑结构比起其他总线技术也将更加灵活，其除了总线拓扑结构外，还支持星型、树形和环形拓扑结构[3]。对于设备及系统技术人员 PROFINET 总线技术能降低设备的设计、安装、调试成本，其系统具有高可用性、易于扩展、维护要求低等优点[4]。

PROFINET 系统（图 2）包括至少一个 IO 控制器、一个或多个 IO 设备、连接用于安装、调试或者排除故障的 IO 监控器设备。PROFINET总线技术遵循生产者/消费者模型进行数据交换，IO 控制器和 IO 设备都会自发地独立发送循环数据[5]。

图2 PROFINET 系统的通信路径

IO 控制器：通常为运行自动化程序的可编程逻辑控制器（PLC）。IO 控制器是其配置的 IO 设备输出数据的提供者以及输入数据的使用者。

IO 设备：通过 PROFINET 总线连接到一个或多个 IO 控制器的分布式 IO现场设备。IO 设备是输入数据的提供者，也是 IO 控制器输出数据的使用者。

IO 监控器：通常为调试或诊断用的编程设备（PG）、电脑（PC）或人机界面（HMI）。

1.1 PLC 通过 PROFINET 网络直连控制盾构机设备

PROFINET 的等时实时通道（IRT）技术，采用带宽预留，严格定义传输路径，精确对时等技术使得盾构机可编程逻辑控制器（PLC）能通过以太网直连控制盾构机设备，实现盾构机部分设备（推进千斤顶、变频器等）的等时实时控制需求，其反应时间 ＜1 ms。

上海市域机场联络线盾构机创新性地使用了推拼同步技术，为了满足推拼同步施工技术中对盾构机每个推进千斤顶行程、速度实时监视及控制的需要，因此需要采用 PLC 直连控制盾构机推进千斤顶设备。选型采用了巴鲁夫第七代磁致伸缩位移传感器 BTL7-V50T 作为千斤顶行程传感器，数据通信格式为带正负号的 32 位实数，传感器行程分辨率精度为 1 μm，速度分辨率精度为 0.1 mm/s。

鉴于推进千斤顶行程传感器的安装方式（安装于千斤顶内部）以及在施工时盾构机机头内部的恶劣环境，如果在施工过程中发生行程传感器损坏的情况，维修、更换千斤顶行程传感器的工作将非常困难。为了避免因其中一个传感器损坏导致整个行程传感器网络瘫痪，应放弃通过总线型拓扑结构来连接千斤顶行程传感器，以保证千斤顶行程传感器数据传输的稳定性和独立性。

经过稳定性与经济性的综合考虑，盾构机推进千斤顶传感器网络采用树形与星型拓扑结构相结合的方式，将多个工业交换机串联后连接盾构机 PLC 的 PROFINET 通讯模块组成主干网络（树形结构），传感器根据推进千斤顶分区各自通过网线连接工业交换机接入网络（星型结构）。对设备进行组态，设置设备名称（Devicename）、IP 地址、测量范围、测量分辨率精度、数据输出精度等参数。根据设备数据报文信息及组态后配置的数据寄存器地址信息编写 PLC 控制程序，实现对推进千斤顶的精确控制。

1.2 PLC 通过PROFINET网络连接 IO 设备站控制盾构机

相比驱动变频器等设备的工作要求，盾构机部分设备（辅助系统等）根据需求可采用 PROFINET 等时通道（RT）技术，通过缩减通信栈占用的运行时间、优化报文的转发方式，提高过程数据刷新速率、传输速率，以便实现设备的实时通信，盾构机 PLC 通过以太网连接 IO 设备站控制盾构机设备，其反应时间＜10 ms。

因此，综合考虑后上海市域机场联络线盾构机辅助系统采用 PLC 通过PROFINET 网络连接分布式 IO 设备的连接方式。设备的安装环境具备快速检修、更换的条件，网络结构采用星型与总线型拓扑结构结合的方式，盾构机 PLC 的PROFINET 通讯模块及部分 IO 设备站通过连接工业交换机接入网络（星型结构），IO 设备站根据各自的辅助功能及在盾构机车架上的位置通过网线进行串联（总线型结构）。对辅助系统的分布式 IO 设备站进行组态，设置分布式 IO 设备站的设备名称（Devicename）、IP 地址、输入、输出、模拟量、开关量信号配置，编写 PLC 控制程序对盾构机辅助系统进行监视、控制。

1.3 PLC 通过工业以太网连接人机控制界面 HMI

为了对盾构机的设备进行控制，人机控制界面 HMI 必不可少。传统一般依赖控制按钮和指示灯作为操作的显示终端，随着工业以太网的兴起，基于以太网与盾构机 PLC 通信的工业触摸屏应运而生，它可以用来控制设备、设置参数、显示数据、监控设备状态。具有界面丰富、操作灵活、功能强大、通讯接口简单统一、传输速率快、稳定性高等优点。触摸屏与 PLC 的以太网通讯设置、面板上的操作和显示内容皆可通过软件编程来进行实现、编辑。

2 以太网技术在盾构机数据系统中的应用

2.1 盾构机数据采集系统

上海市域机场联络线盾构机数据采集系统具有数据采集、显示、存储和分析等功能，是在施工过程中十分重要的管理工具。随着盾构机电子技术的发展，计算机信息化技术在盾构机中运用得越来越广泛，盾构数据监控系统对于隧道施工和工程信息化、数字化管理变得越来越重要。数据采集系统通过工业以太网与盾构机 PLC 设备进行通信，实现盾构机数据交互功能，同时也能通过互联网将盾构机采集到的数据传输至远程数据中心方便对盾构机施工的管理。

2.2 盾构机导向系统

近些年盾构机导向系统已实现自动化导向，取代了传统人工测量，实现了盾构施工导向精度高、速度快、性能稳定、实时自动导向的需求，同时也能避免盾构掘进严重偏离的重大工程事故，满足现代工程建设快速发展的要求。上海市域机场联络线自动化导向系统使用工业计算机搭配控制软件作为系统核心对盾构机的姿态测量设备进行自动控制、计算，并通过以太网络与盾构机 PLC 通讯，互相传输盾构机推进参数。导向系统软件编程则采用面向对象程序设计，使得操作界面友好，测量操作和使用办公软件一样简单。该系统具有操作简单、方便、易于维护等特点。

2.3 数字化视频系统

盾构机在地下施工推进时，管理者不仅依赖数据及导向系统，视频监控系统也是施工工作中重要的组成部分。旧有盾构机的视频监控系统往往采用模拟视频设备：模拟摄像机通过同轴电缆向地下视频监控设备（硬盘录像机）传输模拟信号，在向地上远距离传输时必须额外设备对模拟信号进行转码并通过 SHDSL 来向地上的实际监控设备传输视频数据。因模拟设备的技术限制导致该系统数据传输带宽较低、视频效果不佳、抗干扰能力较弱、维护性不佳等问题。将盾构机内的视频设备进行数字化升级能很好地解决模拟设备的问题。

新的数字化盾构视频系统的网络拓扑结构构建基于以太网，使用以太网来传输视频数据，并利用 POE 技术免去额外的电源布线，POE (Power Over Ethernet)技术指的是采用以太网供电协议标准、利用现有的以太网布线基础架构、并且不作任何改动的情况下，通过网线为基于 IP 的终端设备（如网络摄像机等）提供直流供电并同时传输数据信号的技术。

该系统采用 POE 网络摄像机、POE 供电交换机、网络硬盘录像机（也可使用 POE 网络硬盘录像机）等设备，利用屏蔽网线作为传输介质，组建以太网。POE 网络摄像机即为可通过 POE 方式进行供电的网络数字摄像机，将采集的视频信号数字化编码并通过以太网来传输数据。POE供电交换机的作用是实现普通交换机的数据传输功能同时对网络终端进行供电。网络硬盘录像机通过以太网访问、采集需要的数字视频信号，解码后显示并将需要的视频数字信号进行存储。

同时，为了将地下视频监控信号长距离无损地传输到地面控制室，采用光纤收发器将以太网使用的电信号与光纤使用的光信号进行转换，通过光纤将地面与地下的网络连接起来，形成一个完整的以太网。

该数字化视频系统具有抗干扰能力强、布线方便、操作简单、视频效果好、成本低廉、维护简单等优点，已经在上海市域机场联络线等盾构机中大量使用。图 3 为盾构视频网络拓扑结构。

图3 盾构视频网络拓扑结构

3 以太网在盾构机智能系统中的应用

随着人工智能 2.0 和工业 4.0 时代的到来，智能建造理念也已进入了地下施工领域。随着以大数据、云计算、移动互联网等为代表的新一代信息技术的不断渗透，相关学科已成为未来盾构机制造变革的重要引擎。盾构法施工虽有掘进速率快、施工质量高、对周边环境干扰小、施工安全性较高等优势，但因盾构施工地质环境和工艺流程的复杂性、精密性，对操作人员经验和素质要求高。而施工人员素质参差不齐、施工标准不固定等原因则会造成施工不当，引起地面沉降、轴线偏离、隧道渗漏、设备非正常损坏等事故，制约着盾构机的施工效率。如何有效地避免这些问题，加快盾构施工进度，节约人力成本，提高施工智能化，是盾构行业一直关心的问题和研究探索方向。随着新一代信息技术的发展，信息化、自动化与智能化已成为盾构施工的主要发展方向之一。现上海市域机场联络线盾构机已率先尝试引入推拼同步、自动巡航等技术开始了盾构机智能化施工的探索。

4 结 语

随着自动化技术的不断发展以及以太网技术在现场总线技术中开始使用，代表了一个重要的发展方向，盾构机的控制系统从低速的集中式自动化系统迁移到高速的分散式自动化系统成为必然。以太网技术及其相关设备在盾构机上的不断应用将不断推动盾构机技术的发展，将动态管理、辅助决策、盾构机设备全生命周期管理等集于一体，更直观、更便捷地掌握盾构机施工中的实时动态，更全面、更智能地深入分析盾构机状态，更好、更快地推动盾构机的信息化、自动化、智能化发展进程，通过引入以太网、互联网连接盾构机的功能数据服务器、智能管理服务器、云计算平台等功能，通过大数据服务器、云计算平台等信息技术建立盾构机自动化控制模型，探索实现盾构机智能化施工辅助决策、施工工艺操作指导、推拼同步控制、自动巡航、自动拼装、自动化推进等功能，使得盾构机的技术发展更能满足如今日益增长的控制需求。