基于纯压式灌浆的压力控制系统设计

冯思维，于 军，张建敏

（江汉大学，武汉 430056）

0 引言

地下水和渗漏水是影响工程使用效果、寿命以及隧道安全的主要因素之一［1］。为了避免地铁隧道被地下水侵蚀，减少周围土层结构的沉降，增强隧道整体结构的结构耐久性与稳定性，在地铁隧道施工及维修过程中灌浆是必须的过程。

灌浆工艺可以调节地质结构，增强地层的强度，实现防水、调节地面的水平度，是地下岩土工程建设中不可或缺的一个关键环节［2-3］。1884年英国工程师将灌浆法引入隧道开挖工程中，灌浆理论也随着灌浆法的发展而产生［4］。灌浆过程主要分为以下几个步骤：钻孔、冲孔、灌浆、收孔［5］。在灌浆过程中，某些工艺要求对灌浆压力的控制非常严格，以保障地面的水平或地质结构的强度［6］。灌浆工艺分为循环式和纯压式两种。循环式灌浆是指浆液始终保持循环，进入孔段的浆液一部分进入地层裂隙扩散，余下浆液返回地面可重复使用；纯压式灌浆是浆液向地层裂隙扩散，人为控制不让浆液返回［7］。循环式灌浆多使用阀控，多用于水利工程中；纯压式灌浆多使用泵控，适用于大裂隙、大渗透量的地层，多用于微扰动灌浆、地铁隧道维修中［8］。

本系统应用对象为地铁隧道维修，以纯压式灌浆为主要研究对象［9］，使用泵控无回浆结构。针对此应用场景设计专用控制器，并对控制算法进行优化，设计出一款更加稳定的灌浆压力控制系统。

1 总体方案

纯压式灌浆压力控制系统使用单片机控制变频器，变频器输出频率量控制泵的转速，进而控制管道内水泥浆液的流量，间接控制管道内的压力。系统主要结构如图1 所示。

图1 压力控制灌浆系统总体结构

微控制器是整个控制系统的核心，完成变频器的控制量输出，压力信号的采集，控制算法的运行。本系统选用STM32F103RCT6 单片机，具有小尺寸、高性能、外部接口丰富等特点［10-11］。控制器与上位机使用CAN 通信，CAN总线通信成本低、实时处理能力强、在强电磁干扰环境下工作可靠［12-14］。系统使用变频器对电机进行控制，采用转速控制模式，直接控制灌浆流量，间接控制灌浆压力。人机交互界面由西门子HMI屏幕和面板按钮组成，方便现场工人进行控制。

2 硬件设计与选型

硬件部分主要包括主控制板、变频器、人机交互界面、上位机。其中以主控制板作为核心，变频器为执行器件，对被控对象进行控制。

2.1 主控制板

主控板上需要有的各个模块，主要是围绕着单片机小系统电路、电源电路、通信电路（CAN 和RS485）、开关量输入输出电路、A／D、D／A 电路。如图2 所示。主控制板上有两个串口通信电路，分别与HMI设备和变频器通信，使用RS485 串行总线标准；一个CAN 通道，与上位机进行通信；8 个24 V开关量输入和8 个24 V开关量输出，用来检测面板上各按钮状态、控制继电器和指示灯；8 个A／D采样通道，采集压力传感器信号，压力传感器产生的4 ～20 mA 信号通过信号隔离器变为0 ～5 V 的电压信号输入单片机。

图2 主控电路板模块

2.2 关键器件选型

变频器型号为台达变频高性能电流矢量型变频器G500型，额定输出功率为15 kW。单片机通过串口与变频器通信，使用Modbus RTU 协议，单片机为主机，变频器为从机。单片机向变频器发送控制命令和数据读取命令。选用速度控制模式。

西门子Smart 700 触摸屏是一种广泛应用于工业现场人机交互的屏幕系统。HMI 屏幕型号为西门子SMART LINE 700 IE。单片机与屏幕通过串口通信，使用Modbus RTU协议，HMI设备为主机，单片机为从机。HMI 设备轮询发送读取数据命令和控制命令，周期为1 s。屏幕上可以显示实时灌浆压力、灌浆流量、工作时间、变频器的频率等关键数据；同时可以由人工设定需要的灌浆压力或者选择自动灌浆模式，以便现场工人可以实时控制。

上位机为PC设备，使用LabVIEW 软件作为开发工具。在PC机上实时显示各种信息。LabVIEW 使用图形化编程语言编写程序，操作方便灵活，程序移植性强［15］。利用CAN 通信实现与上位机通信，可以实现调试功能以及灌浆数据收集的功能。主要信息：流量（由转速和排量换算）；压力（由压力传感器直接采集）；吃浆量（实时估计产生）；流体总刚度；变频器控制量；工作阶段中的设定压力和实际压力差。提供以上信息进行后续处理和算法优化。

主控板电路部分依据系统要求进行硬件设计，主要是对压力信号、面板开关信号的采集，对变频器控制量的输出。变频器采用转速控制模式，控制管道内流量进而控制管道内压力。人机界面上显示各种关键参数，输入设定值。上位机接收存储相关数据进行后期分析，方便调试。

3 软件与算法设计

软件部分包括硬件驱动程序和控制算法程序。由于地铁灌浆施工过程中，地层中的裂缝逐渐被水泥浆液填满，地层的吸浆性在不停地变化，对控制稳定性产生影响，于是决定定义参考刚度来描述与估计地层的吸浆性。

3.1 参考刚度

根据实际过程中参数变化，转换为两个参数：参考刚度Kα和压力误差E。通过这两个参数因素，调节PID参数，再将当前的PID参数引入PID算法，得到控制量。参考刚度Kα定义如下：

式中：P为管道中的实际压力；Q 为变频器当前输出的频率值。

参考刚度Kα的物理意义为水泥浆在地下的渗透能力，在一定压力下，地层裂隙越大，则水泥浆越容易渗透，流量越大，参考刚度Kα越小。在灌浆过程中，地层裂隙被逐渐填满，水泥浆渗透能力减弱，Kα逐渐增大。在程序运行中，流量值无法直接得到，由于使用泵控，则变频器输出的频率值和管道内流量成正比，则参考刚度可等价于压力和变频器频率之比，如式（2）所示。

式中：Pfreq为变频器实时输出频率，由变频器通过串口发送给单片机。

通过参考刚度可以估计水泥浆的渗透能力，修正控制参数。

3.2 变结构PID的实现

在程序运行时，由压力传感器采集数据，得到此时压力值，并与上一次压力值进行比较，得到偏差E，由压力值和输出变频器频率得出参考刚度Kα，根据两者大小选择PID参数，将偏差E输入增量式PID 公式，得出控制量，发送给变频器运行。控制算法流程如图3 所示。与传统PID的不同之处：根据参考刚度Kα和压力误差E自适应地选择不同的PID 参数，使整个控制结构成为变结构PID控制。通过对自适应算法的引入，克服了灌浆过程中参数变化带来的影响，可以改善控制效果。

图3 核心控制算法流程

4 调试过程及结果

将该灌浆压力控制系统拿到现场进行调试。调试过程中发现，压力值上下波动非常厉害，使得压力控制非常困难。在控制程序中加上滤波程序后，压力波动幅度仍然较大，滤波效果不明显。

4.1 调试过程

经分析可知，由于灌浆系统中，泵的类型为柱塞泵，压力会周期性上下波动。项目的实际要求：压力最大值不要超过其设定值，以防止因压力过大导致地层断裂、抬动和变形等。结合实际要求，决定将控制重点放在控制压力最大值。

为了简化程序，系统增加了一个行程开关。当柱塞泵向外推到接近最外端时，触发行程开关，行程开关发出一个低电平信号给单片机，此时单片机开始采集压力值。即通过行程开关的运动状况采集系统需要的最大压力值，大大简化了数据处理要求。将压力传感器和行程开关连上示波器观察可知：柱塞泵在柱塞的一次往返运动中，压力会有一高一低两个峰值，其中更高的峰值为柱塞往外推到极限时对应的压力值；在行程开关触发时，正好可以采集到压力最大峰值。

4.2 控制效果对比

灌浆压力的控制要求是管道内压力值尽可能地接近设定压力值，但不能超过设定压力值。在灌浆进行过程中，地层的吸浆性会越来越差。现场测试时，分别使用传统PID 控制与变结构PID控制，将单片机采集到的压力值描点绘图，如图4所示，此时设定压力值为350 kPa。图中橙色线为传统PID控制，蓝色线为变结构PID控制。从图中可以看出，在灌浆进行一段时间之后，传统PID 控制的灌浆压力便会出现失控情况，最高压力超过设定压力，不符合设计性能要求；变结构PID控制的灌浆压力可以一直稳定在设定压力之内，稳定性更好。通过增加行程开关和使用变结构PID控制，控制效果有显著提升，压力相较于改进之前更加稳定，能更好地满足设计需求。现场测试，压力0.5 MPa以下时，误差小于0.05 MPa；压力0.5 ～1 MPa时，误差小于0.1 MPa；压力1 MPa 以上时，误差小于0.15 MPa。性能指标满足设计要求。

图4 传统PID控制与变结构PID控制效果对比

5 结束语

本文基于纯压式灌浆设计了一款地铁隧道灌浆压力控制系统，该系统主要功能：动态检测灌浆压力并对其进行实时控制，显示灌浆关键参数并记录存储和上位机记录调试功能。硬件部分使用单片机作为主控，西门子HMI设备为人机交互单元，PC 机作为上位机，使用变频器速度控制模式直接控制管道内流量，间接控制管道内压力。算法部分在传统PID控制的基础上定义引入参考刚度Kα，根据偏差E和Kα的大小选择不同的PID控制参数，实现变结构PID控制。相比于传统PID控制，提高了控制精度，减少了压力波动，解决了传统PID控制精度较差、稳定性较弱的问题。解决了压力灌浆过程中由于地层吸浆性和水泥渗透性变差引起的灌浆压力不稳定问题，在灌浆进行的过程以及不同地质条件下均能稳定控制灌浆压力，将误差稳定在设定值之内，达到实际项目中工程控制要求。