PLC自动化控制系统在长距离顶管施工中的运用分析

文／陈义军 中交二航局第三工程有限公司 江苏镇江 212000

引言：

传统顶管施工主要采用的是继电器控制方式，且需要连接多芯电缆，并以人工方式湖区表盘读数，不仅施工技术难度较高，而且在控制精度和可靠性方面也存在明显的不足之处，难以适应现代长距离顶管施工的实际需要。而且由于长距离顶管施工是一项较为复杂的系统性工程，涉及大量的人员设备，对设备的联动性以及数据通讯的即时性等都有很高的要求，因此在长距离顶管施工实践中应积极应用具有较高自动化以及信息化水平的PLC 控制系统，以实现实时采集各传感器数据信息，对长距离顶管设备中继环、工具头以及相关配套设备的控制，并自动发出故障报警信息，从而为长距离顶管施工的顺利实施提供重要支撑。

1、长距离顶管施工中PLC 自动化控制系统概述

1.1 长距离顶管施工概述

在地下管道的施工中，非开挖性的顶管施工技术由于具有较好的施工安全性以及技术适应性，且对地面交通所造成的影响相对较小，在施工过程中产生的振动、粉尘以及噪声污染也比较少，因此在城市各类地下管网工程中得到了广泛应用[1]。近年来地下管网工程规模不断扩大，长距离顶管施工对施工控制精度以及施工效率都提出了新的要求，施工单位应积极加强PLC 自动化控制系统等先进技术的运用，全面提高长距离顶管施工的技术水平。

1.2 PLC 自动化控制系统概述

所谓PLC 自动化控制系统也就是可编程式逻辑控制装置，其主要通过可编程存储器实现存储内部程序以及逻辑计算分析，并可以根据用户预设指令进行运算、定时以及计数等操作。PLC 自动化控制系统是通过输入或输出模拟量以及数字化信息实现对机械设备动作状态以及生产过程的精确控制[2]。随着PLC 自动化控制系统的发展，它在工业控制领域得到了越来越广泛的应用。运用PLC 自动化控制系统控制长距离顶管施工能够有效提高施工的质量和效率，更好的保证施工安全。

2、PLC 自动化控制系统在长距离顶管施工中的运用分析

2.1 长距离顶管施工中PLC 自动化控制系统基本功能

在长距离顶管施工中应积极应用具有较高可靠性的OLC自动化控制技术，以提高对顶管施工的管理以及控制水平。PLC 自动化控制系统采用的是分布式I/O 以及现场总线技术，能够实现数据信息的实时采集和传输，不仅信息化、自动化程度较高，而且功能丰富、便于维护，为长距离顶管施工控制提供了重要的技术支撑。

在长距离顶管施工中运用PLC 自动化控制系统能够实现工具头控制、中继环控制、配套设备控制以及相关的数据通信等多项功能，各项功能则需要依靠PLC 自动化控制系统的上位机、下位机、主站、从站、中继器等部分实现。其中，PLC 自动化控制系统的下位机功能主要是控制工具头。下位机具有一定的独立性，能够对刀盘动作、液压升降、姿态纠偏、进泥、排泥以及其他辅助设备进行精确控制。同时，下位机还可以对各种传感器所获取的掘进设备的土压油压、设备姿态以及转速等各项模拟量进行实时采集和处理分析，一旦发现存在异常数据时能够自动发出预警信息或者进行故障报警，且在施工过程中可以根据工艺设定自动采取联锁保护动作。PLC 自动化控制系统的中继环控制主要是通过上位机以及后座主千斤顶等设备来实现对多个中继环的联动远程控制。同时，PLC 自动化控制系统还能够对长距离顶管施工中所使用地面配套设备（如泥浆泵、引水泵以及高压泵等）和管内配套设备（如排泥进水接力泵、送浆泵以及压浆泵等）进行集中控制[3]。此外，PLC 自动化控制系统的数据传输一般需要通过下位机和网络来实现，且需要结合上位机完成对各种设备运行状态、施工数据以及故障信息的计算分析。PLC 自动化控制系统上位机还具有自动报表、远程控制长距离顶管设备工具头等功能。通过PLC 自动化控制系统的运用，对配套设备以及中继环的控制能力明显提高，能够满足3km 距离内的施工控制要求。

2.2 长距离顶管施工中PLC 自动化控制系统架构分析

在长距离顶管施工中，应按照分散控制以及集中监测这一基本原则进行PLC 自动化控制系统架构的构建。在PLC自动化控制系统中，控制长距离顶管施工流程应通过PLC 来实现，同时应采用现能够对海量数据信息进行高效处理分析并传输控制指令的现场总线CC-Link 为施工现场的数据传输网络，以便集中监控长距离顶管施工的所有施工环节。现场总线CC-Link 与连接介质之间一般采用的是双绞线结构形式，能够为64 个从站提供支撑，同时其所采用的轮询广播方式能够使数据传输速度达到10Mbps；而其结合中继器使用后能够将传输距离延长至13.2km 左右[4]。因此现场总线CC-Link 的运用可以满足长距离顶管施工要求，有效简化长距离顶管施工现场配线，提高系统的兼容性以及抗噪能力，降低操作难度和使用成本。长距离顶管施工中PLC 自动化控制系统的上位机既为计算机，其是PLC 自动化控制系统的操作平台以及显示平台。而系统的主控制器是主站，其作为PLC 自动化控制系统的核心承担着控制所有从站，并对地面配套设备进行监控的任务。施工单位应根据长距离顶管施工的实际需要合理确定从站数量，以便按照主站指令对所对应的管道泵以及中继环等设备进行控制。系统的下位机为触摸屏，其与从站PLC 之间可采用RS-232C 连接方式，以实现对长距离顶管工具头的单独控制。

2.3 长距离顶管施工中PLC 自动化控制系统硬件应用分析

为保证长距离顶管施工的顺利进行，在运用PLC 自动化控制系统时应采用性能较好的硬件设备，特别是作为PLC 自动化控制系统核心部分的CPU、CC-Link 现场总线、上位机以及变频器等硬件设备，其各项指标性能参数均应满足长距离顶管施工控制的实际需要。同时，随着顶管施工距离的增加，应相应的增加通讯中继器的设置数量，一般应按照每1000m 设置一个的原则进行中继器的布设，以确保PLC 自动化控制系统能够充分发挥器应有的作用。

2.3.1 自动化PLC 控制系统主站和上位机结构

长距离顶管施工中PLC 自动化控制系统的主站根据实际情况可采用QJ61BT11N 模块，并结合Q64DA、Q02HCPU、QY10、QX40 以及Q68AD 等[5]。PLC 自动化控制系统的上位机应采用工控计算机设备。同时为适应长距离顶管施工的实际需要应能够与多个从站相连，且应充分考虑地面配套设备的使用数量，科学确定模拟量输入、输出线路以及开关量输入输出线路的数量，且余量应充足合理，以实现对所有施工设备的有效控制。

2.3.2 自动化PLC 控制系统从站和下位机结构

结合长距离顶管施工的实际需要，PLC 自动化控制系统的1 号从站一般可采用FX2N-8AD 模块、FX2N-128MR模块、FX2N-32CCL 模块以及FX2N-48ER 模块各一个，并采用FX@N-5A 模块2 个。同时在PLC 自动化控制系统中可采用GT1575-WBA 型号触摸屏作为洗胃机，以完成对主站之间16b 以及128b 数据的通讯欻数。此外，为确保能够下位机能够在相对独立条件下监测控制长距离顶管施工工具头动作，应合理确定其模拟量和开关量的输入输出线路数量。

2.3.3 自动化PLC 控制系统其他从站结构

在长距离顶管施工中运用PLC 自动化控制系统时，去除1 号从站外的其他PLC 从站可以采用FX2N-32CCL 模块、FX2N-32MR 模块以及FX2N-4AD 模块构成，以实现与主站之间传输4 级32 位数据的要求，且应合理确定模拟量输入线路、开关量输入以及开关量输出线路的数量。随着顶管施工距离的增强，为保证数据通讯的可靠性和时效性，应按照每100m一个的原则增加通信中继器的设置数量，且通信中继器应设置在相邻从站处。目前在长距离顶管施工长PLC自动化控制系统运用实践中，AJ65SBT-RPT 型号的中继器被广泛应用于主从站数据通讯。

3、长距离顶管施工中PLC 自动化控制系统软件应用

在长距离顶管施工中运用PLC 自动化控制系统时，PLC自动化控制系统各部分功能的实现还需要依赖于相关软件程序的应用。技术人员可根据长距离顶管施工的实际需要以及PLC 自动化控制系统特点，合理选择相应的开发软件编制相关控制程序。例如可以通过组态王软件进行上位机程序的编制，而在编制主从站程序时则可以采用GPPW 等MELSOT系列软件并结合梯形图PLC 语言进行编程开发。其中PLC自动化控制系统的上下位机程序是直接面对用户的显示界面和操作平台，而主从站程序则是PLC 自动化控制系统中各硬件设备的驱动程序，在编制PLC 自动化控制系统程序软件时，应充分考虑长距离顶管施工中继环和主顶设备之间的联动控制要求、相关配套设备联动控制要求、施工设备在运行过程中各动作自动联锁保护要求、自动化故障报警要求以及数据实时监测要求等多种因素，确保软件程序编制科学合理，有效解决传统人工操作以及中继器控制方式中存在的误动作等问题。同时应在PLC 自动化控制系统软件中设置设备故障在线自动检测以及联锁保护机制，并合理设定各项指标参数的控制范围，以提高PLC 自动化控制系统运行的可靠性和稳定性，为长距离顶管施工的顺利实施奠定良好的基础。

3.1 长距离顶管施工中自动化PLC 控制系统上位机软件应用

运用PLC 自动化控制系统进行长距离顶管施工控制时，可以采用高度集成的数据库、网络控制、图形编辑技术以及人机界面等多种技术的组态王软件进行上位机程序的开发编制，其能够通过报表编制、定态显示、趋势分析以及报警控件等相关组件便捷快速的完成软件编制任务，且其导向式刨边的使用较为灵活简便，结合脚本语言强大的处理能力和多元化设备支持库，能够使软件更好的满足长距离顶管施工要求。PLC 自动化控制系统的上位机程序一般通过初始显示界面、设置画面以及手动和自动画面这4 个图形界面呈现在用户面前，长距离顶管施工人员可以通过画面操作获取相关数据，对长距离顶管施工工艺进行总结分析以便进行工艺优化调整。此外，其还可以提供长距离顶管施工实时数据以及历史数据报表打印等服务功能。PLC 自动化控制系统与用户间的信息交互主要通过上位机来实现，在长距离顶管施工中，施工人员可以直接通过上位机下达指令信息，对施工工艺参数进行调整，读取施工设备的实时状态数据并接收反馈数据等。

3.2 长距离顶管施工中自动化PLC 控制系统主从站软件应用

运用PLC 自动化控制系统进行长距离顶管施工控制时，系统核心是主站程序，通过主站程序完成对本站设备运行状态的监测控制，同时输入或输出开关量以及模拟量，以确保本站能够与其他各从站相互协调配合。在长距离顶管施工过程中，为实现根据系统指令对设备启停进行控制，并向系统反馈开关信号，对设备运行状态进行在线监测，采集模拟量信息，对变频器工作频率以及模拟量输出值进行调节，在主从站程序编制时可以设置五个功能模块，以完成相关任务。

首先应设施监控工具头模块，以便对长距离顶管施工中整个顶管设备工具头的所有动作以及顶管设备的整体运行情况进行动态监测和控制。其次应设置中继环与长距离顶管施工主顶部分的联动模块，以实现对中继环动作的手动控制以及自动控制。在自动控制模式下，可以将控制模式设定为M 顶N 方式，其中M 和N 值应大于0，且M应大于N。采用该模式能够联动控制主顶和任意环的组合，有效防止在顶管过程中出现倒退等问题，不仅能够更好的满足长距离顶管施工控制的要求，而且可以使长距离顶管施工更加安全高效，充分体现了PLC 自动化控制系统的技术优势。第三，在PLC 自动化控制系统中还应设置控制配套设备模块，以便对所有地面设备以及管内设备进行监控。在系统实际运行过程中，安装在管道内的所有进排泥接力泵均应由临近从站负责控制监测。第四，在运用PLC 自动化控制系统进行长距离顶管施工时还应设置预警以及故障报警模块单元，以便对顶管设备的运行状态以及施工数据变化进行动态监测，一旦发现监测数据超出预设范围时应自动发出预警信息。同时还应利用该模块单元对主从站之间的数据通讯情况、施工中所使用的各施工设备运行状态等进行实时在线监测，以便及时发现故障风险，且应在故障发生时自动发出报警信息，并自动采取相应的处理措施。第五，在PLC 自动化控制系统的实际应用中还应结合长距离顶管施工的具体情况结合应用变频控制技术，以精确调节出土螺旋机、后座油泵车以及高压泵等相关设备的速度等工艺参数，通过PID 控制确保作业面土压平衡，从而保证长距离顶管施工的质量安全。

3.3 长距离顶管施工中自动化PLC 控制系统下位机软件应用

在运用PLC 自动化控制系统进行长距离顶管施工控制时，下位机是顶管机工具头操作控制的人机交互界面，其既能够对顶管机整体系统的运行情况进行动态监测，还能够根据相关操作指令控制顶管机工具头动作。下位机程序的采用的也是图形界面显示方式，在主画面内能够对顶管机工具头的实时数据以及所有设置的传感设备、顶管机系统的各种泵以及电机运行状态等进行监测，借接收主站发出的数据信息。同时，施工人员可以在设置画面内设置相关技术参数以及预警限值等；而在报警画面内则可以发出声光报警信息，且能够直观显示故障原因的自动分析结果和排查处理建议等，为长距离顶管设备的故障排查提供可靠的参考依据。

结语：

为满足长距离顶管施工中对有效控制距离的要求，解决长距离顶管需要控制多个中继环以及多个配套设备的问题，施工单位应充分了解长距离顶管施工特点，加强对PLC 自动化控制技术的研究，在施工实践中应积极应用具有较高自动化和信息化水平的PLC 控制系统，并要根据长距离顶管施工的实际需要合理配置PLC 自动化控制系统的硬件结构和应用软件程序，确保PLC 自动化控制系统的各项功能能够正常发挥，以实现对长距离顶管施工的远程精确控制，为提高长距离顶管施工的质量和效率提供重要支撑，促进我国顶管施工技术水平的全面提升。