夏毅敏，楊添任，黃秀祥，2

(1.中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410083;2.湖南師范大學(xué) 工學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410081)

0 引言

盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)是一種現(xiàn)代施工機(jī)械，隨著盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)械已經(jīng)廣泛運(yùn)用于地鐵和水下隧道的施工建設(shè).我國(guó)盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展相對(duì)緩慢，所用的關(guān)鍵盾構(gòu)設(shè)備和技術(shù)基本都是依靠從國(guó)外進(jìn)口，這大大阻礙了我國(guó)城市化進(jìn)程的速度和對(duì)城市地下空間的利用.城市地下工程施工技術(shù)的研究與發(fā)展已成為我國(guó)所面臨的非常重要的問(wèn)題.因此，為了使盾技術(shù)更適用于中國(guó)實(shí)際的施工條件，一些基本的試驗(yàn)研究必不可少.隨著國(guó)家城市建設(shè)的加快發(fā)展，地下工程項(xiàng)目越來(lái)越多，盾構(gòu)技術(shù)在我國(guó)具有非常大的市場(chǎng)需求.為了提高我國(guó)盾構(gòu)機(jī)械的設(shè)計(jì)和制造水平，擴(kuò)大國(guó)產(chǎn)化率［1-5］，搭建了回轉(zhuǎn)式盾構(gòu)刀具切削性能測(cè)試平臺(tái)，與以往研究盾構(gòu)技術(shù)的直線式試驗(yàn)臺(tái)不同，該測(cè)試平臺(tái)采用回轉(zhuǎn)式切削試驗(yàn)臺(tái)，是目前國(guó)內(nèi)研究盾構(gòu)刀具切削性能的第一臺(tái)回轉(zhuǎn)式試驗(yàn)臺(tái)，可以進(jìn)行多種典型地層的模擬掘進(jìn)試驗(yàn).

監(jiān)控系統(tǒng)是盾構(gòu)試驗(yàn)控制的重要部分.該測(cè)試平臺(tái)采用電液控制系統(tǒng)，由于液壓系統(tǒng)具有滯后性，且開(kāi)關(guān)、模擬量較多，使得測(cè)試平臺(tái)的控制比較復(fù)雜.如何實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試平臺(tái)準(zhǔn)確控制，確保測(cè)試平臺(tái)安全、可靠的運(yùn)行，并采集到精確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是設(shè)計(jì)人員必須解決的問(wèn)題.在現(xiàn)有的各種盾構(gòu)模擬試驗(yàn)中，盾構(gòu)的控制有些是通過(guò)工人進(jìn)行，有些使用了PLC和各種組態(tài)軟件.但是這些組態(tài)軟件都是參照工程施工中的監(jiān)控組態(tài)軟件設(shè)計(jì)的，并不能滿足該測(cè)試平臺(tái)的使用技術(shù)要求.基于此，有必要為該測(cè)試平臺(tái)專門(mén)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)配套監(jiān)控系統(tǒng)［6］.

1 測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)組成及監(jiān)控要求

測(cè)試平臺(tái)其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，由切削試驗(yàn)臺(tái)、液壓系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)和IPC等組成.

切削試驗(yàn)臺(tái)的外形尺寸為2 220 mm×1 550 mm×3 200 mm，核心部分為活動(dòng)橫梁和回轉(zhuǎn)臺(tái).φ1 200 mm的盾構(gòu)刀盤(pán)安裝在活動(dòng)橫梁上，刀盤(pán)上安裝有等角度不同半徑分布的3把滾刀.活動(dòng)橫梁通過(guò)液壓缸提供的動(dòng)力帶動(dòng)刀盤(pán)在其導(dǎo)軌上做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng).回轉(zhuǎn)臺(tái)為內(nèi)凹槽形，內(nèi)徑為1 270 mm、深250 mm，用于盛放巖石或混凝土等，其下部外圓制成輪齒，并通過(guò)回轉(zhuǎn)支承安裝在試驗(yàn)臺(tái)上，工作時(shí)由液壓馬達(dá)通過(guò)齒輪嚙合帶動(dòng)回轉(zhuǎn)臺(tái)左右旋轉(zhuǎn).出于安全性的考慮，切削試驗(yàn)臺(tái)前后面安裝有透明的護(hù)門(mén)，試驗(yàn)時(shí)需將護(hù)門(mén)關(guān)閉以防止碎石片飛出造成事故.液壓系統(tǒng)主要由兩臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)、一個(gè)液壓馬達(dá)、兩個(gè)定量軸向柱塞泵和一些液壓閥等組成，并自帶有大量的傳感器，負(fù)責(zé)為切削試驗(yàn)臺(tái)提供動(dòng)力，并可通過(guò)調(diào)節(jié)比例板的電壓改變壓力流量，進(jìn)而改變回轉(zhuǎn)和推進(jìn)速度.切削試驗(yàn)臺(tái)工作時(shí)，兩個(gè)電機(jī)同時(shí)啟動(dòng)，回轉(zhuǎn)臺(tái)先做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，刀盤(pán)再做向下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)巖石的切割，從而模擬實(shí)際盾構(gòu)施工過(guò)程.

為使測(cè)試平臺(tái)安全可靠的運(yùn)行，并滿足切削試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行不同地質(zhì)的切削試驗(yàn)，對(duì)不同切削深度和回轉(zhuǎn)速度的要求，獲得準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，測(cè)試平臺(tái)的監(jiān)控系統(tǒng)需要滿足以下功能：(1)對(duì)切削試驗(yàn)臺(tái)和液壓系統(tǒng)的控制;(2)實(shí)現(xiàn)不同工藝參數(shù)的設(shè)置;(3)友好的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì);(4)重要參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控;(5)為測(cè)試平臺(tái)提供報(bào)警保護(hù);(6)能獲取準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù);(7)具備擴(kuò)展功能以備日后系統(tǒng)的改善.

圖1 測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Structure diagram of Test Platform

2 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

回轉(zhuǎn)式盾構(gòu)刀具切削性能測(cè)試平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)主要有硬件部分和軟件部分組成.根據(jù)測(cè)試平臺(tái)的功能特點(diǎn)，并考慮系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性，確定以安裝有西門(mén)子公司的組態(tài)軟件WinCC的IPC和HMI作為上位機(jī)［7］，選擇西門(mén)子S7-300系列PLC控制器作為下位機(jī)，PLC向上位機(jī)傳遞設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)，接受并執(zhí)行上位機(jī)的實(shí)時(shí)控制指令［8］.IPC通過(guò)通訊卡 CP-5611和 PROFIBUSDP總線，選擇MPI通道與下位機(jī)進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)的控制和對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、顯示和處理，并通過(guò)HMI設(shè)置試驗(yàn)過(guò)程中的工藝參數(shù).

2.1 監(jiān)控系統(tǒng)硬件組成

回轉(zhuǎn)式盾構(gòu)刀具切削性能測(cè)試平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示.測(cè)試平臺(tái)采用電液控制系統(tǒng)，且實(shí)驗(yàn)過(guò)程中用到大量傳感器來(lái)采集信息，考慮到液壓系統(tǒng)控制的復(fù)雜性和信息在傳遞過(guò)程中的易干擾性，采用PROFIBUS-DP總線進(jìn)行通信，傳輸電纜采用RS485系列.該總線傳輸速度快，最高可達(dá)12 Mbps，且可靠性高.

圖2 測(cè)試平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of monitoring sysytem for test platform

兩臺(tái)6通道動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀用于接收從應(yīng)變片傳遞過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，并傳遞給上位機(jī).

測(cè)試平臺(tái)用到的傳感器有霍爾傳感器、電子尺、應(yīng)變片和流量壓力傳感器等，霍爾傳感器用來(lái)測(cè)量回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的轉(zhuǎn)速，電子尺用來(lái)測(cè)量刀盤(pán)的推進(jìn)位移.在每個(gè)刀架上粘貼有3個(gè)用來(lái)測(cè)量滾刀工作時(shí)產(chǎn)生的垂直力、滾動(dòng)力和側(cè)向力的應(yīng)變片，應(yīng)變片通過(guò)電橋盒連接到多通道動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀上.測(cè)試平臺(tái)采用可編程控制器PLC作為控制核心［9］，PLC 為西門(mén)子 S7-300系列，用 CPU313-2DP作主站，接口模塊IM153-1作為標(biāo)準(zhǔn)從站，分布式I/0端口，連接到PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)中，能高效、快速地處理信息.

系統(tǒng)采用IPC作為上位機(jī)，IPC的機(jī)箱、電源和底板專為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)，具有較強(qiáng)的抗干擾性能，且具有強(qiáng)大的圖形處理和計(jì)算功能，IPC配備CP5611通訊卡能夠方便地與其他總線設(shè)備組網(wǎng).現(xiàn)場(chǎng)HMI采用西門(mén)子TP177A6，安裝在電氣控制系統(tǒng)柜臺(tái)上.

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

測(cè)試平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要考慮軟件的可行性、軟件的運(yùn)行性能以及軟件實(shí)現(xiàn)的難易程度［6］，監(jiān)控系統(tǒng)用到的軟件主要有WinCC，WinCC flexible和STEP7等.

STEP7是一種用于對(duì)SIMATIC可編程邏輯控制器進(jìn)行組態(tài)和編程的標(biāo)準(zhǔn)軟件，該監(jiān)控系統(tǒng)的STEP7軟件為V5.4版本.根據(jù)測(cè)試平臺(tái)所用PLC進(jìn)行硬件組態(tài)，先選擇機(jī)架，然后按圖3所示順序?qū)㈦娫?、CPU和I/O模塊插入插槽中，其中3號(hào)插槽為預(yù)留插槽不能插入模塊，添加接口模塊，即可生成一個(gè)PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò).STEP7的模塊化結(jié)構(gòu)優(yōu)化了用戶程序，下位機(jī)程序采用LAD/STL/FBD設(shè)計(jì)，由主程序和各子程序組成.PLC300系列的CPU對(duì)少量的位存儲(chǔ)區(qū)有掉電保護(hù)功能［7］，一些重要的工藝參數(shù)和采集到的重要數(shù)據(jù)在編寫(xiě)程序時(shí)可以將其存入斷電保護(hù)區(qū)，這樣在斷電的情況下，這些數(shù)據(jù)會(huì)被自動(dòng)保存起來(lái)，再次開(kāi)機(jī)時(shí)會(huì)顯示斷電前保存的數(shù)據(jù)，程序編寫(xiě)完成后，進(jìn)行編譯，編譯程序沒(méi)有出現(xiàn)錯(cuò)誤，便可將程序下載至PLC的CPU中.

圖3 STEP7硬件組態(tài)Fig.3 Hardware configuration of STEP7

回轉(zhuǎn)式盾構(gòu)刀具切削性能測(cè)試平臺(tái)是多路傳感器信號(hào)的輸入輸出，信息采集時(shí)需要進(jìn)行過(guò)濾，這主要以WinCC為主的軟件平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn).WinCC集成了SCADA、OPC、組態(tài)和腳本語(yǔ)言等先進(jìn)技術(shù)，為用戶提供了Window操作系統(tǒng)環(huán)境下使用各種通訊軟件的功能.通過(guò)OPC通訊，使WinCC還可以與更多的第三方控制器進(jìn)行通訊.WinCC在數(shù)據(jù)管理方面，具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢和報(bào)表功能，使用戶能方便的查看歷史數(shù)據(jù).該監(jiān)控系統(tǒng)的WinCC軟件為V6.2版本.軟件的算法采用卡爾曼(Kalman)濾波和預(yù)見(jiàn)控制.卡爾曼濾波算法通過(guò)抑制干擾信號(hào)或偽信號(hào)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，從而提高系統(tǒng)的控制和檢測(cè)能力，是一種比較實(shí)用的濾波算法.預(yù)見(jiàn)控制是建立在對(duì)過(guò)程的未來(lái)表現(xiàn)進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，過(guò)程控制的模型在很大程度上決定了整個(gè)算法的控制效果.WinCC軟件在該監(jiān)控系統(tǒng)中肩負(fù)著工藝參數(shù)的設(shè)置、試驗(yàn)過(guò)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集顯示等重任.首先，在WinCC中建立一個(gè)新的項(xiàng)目［10］;然后，在 WinCC界面下的變量管理中選擇SIMATIC S7 PROTOCOL SUITE通訊驅(qū)動(dòng)程序中的MPI通道，站地址為2，根據(jù)STEP7程序中提供的相應(yīng)地址建立變量.在圖形編輯器中利用其豐富的圖形庫(kù)資源和基本繪圖元素繪制所需要的畫(huà)面，然后將畫(huà)面中的對(duì)象與相應(yīng)的變量進(jìn)行連接，即相當(dāng)于畫(huà)面中每個(gè)對(duì)象與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備相連，從而實(shí)現(xiàn)在畫(huà)面上監(jiān)視和控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備［8］.

在該監(jiān)控系統(tǒng)中需要繪制的畫(huà)面有啟動(dòng)畫(huà)面、調(diào)試畫(huà)面、參數(shù)設(shè)置畫(huà)面、過(guò)程監(jiān)控畫(huà)面、數(shù)據(jù)采集畫(huà)面、歷史曲線畫(huà)面和報(bào)警畫(huà)面等，并通過(guò)按鈕的單擊動(dòng)作實(shí)現(xiàn)畫(huà)面的切換.調(diào)試畫(huà)面用于每次試驗(yàn)前對(duì)測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行調(diào)試，以確保測(cè)試平臺(tái)可以進(jìn)行正常的試驗(yàn).參數(shù)設(shè)置界面主要用于設(shè)置工藝參數(shù)，如推進(jìn)油缸流量、壓力，回轉(zhuǎn)馬達(dá)流量、壓力，滾刀切削深度，回轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)等.過(guò)程監(jiān)控畫(huà)面用于實(shí)時(shí)顯示要監(jiān)控的工藝參數(shù)，保證試驗(yàn)臺(tái)正常運(yùn)轉(zhuǎn).數(shù)據(jù)采集畫(huà)面用于顯示切削過(guò)程中3個(gè)滾刀所受的垂直力、滾動(dòng)力和側(cè)向力隨時(shí)間的變化趨勢(shì)圖.歷史曲線畫(huà)面用于顯示重要工藝參數(shù)(如油液壓力、推力和扭矩等)在切削過(guò)程中隨時(shí)間變化的歷史曲線，通過(guò)查看歷史曲線可以確定在工作過(guò)程中油液壓力是否穩(wěn)定.報(bào)警畫(huà)面用于當(dāng)試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行出現(xiàn)異常時(shí)發(fā)出報(bào)警，并顯示可能的故障原因，保障系統(tǒng)設(shè)備的安全使用.在繪制畫(huà)面時(shí)，可以先繪制一幅主畫(huà)面即啟動(dòng)畫(huà)面，主畫(huà)面中包括靜態(tài)文本、時(shí)鐘、所有用于切換圖形的按鈕以及返回按鈕.在主畫(huà)面的中間區(qū)域插入一個(gè)畫(huà)面窗口，用于顯示各個(gè)按鈕想要切換到的畫(huà)面.如圖4所示為試驗(yàn)臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)的調(diào)試畫(huà)面，單擊右邊的按鈕在中間的畫(huà)面窗口便會(huì)顯示相應(yīng)的畫(huà)面，這樣繪制畫(huà)面使操作顯得更具有一致性.

圖4 調(diào)試畫(huà)面Fig.4 Debug screen

STEP7程序編寫(xiě)完成后再插入新對(duì)象SIMATIC HMI Station，WinCC Flexible是專門(mén)用于西門(mén)子MP系列控制面板的組態(tài)軟件，該監(jiān)控系統(tǒng)的WinCC Flexible軟件為2007版本.在Flexible軟件中選擇TP177A6型號(hào)觸摸屏，根據(jù)STEP7提供的變量組態(tài)畫(huà)面.在Flexible中組態(tài)畫(huà)面步驟基本與WinCC中的相同，由于HMI的尺寸相對(duì)比較小，但操作方便，在該監(jiān)控系統(tǒng)中，HMI主要負(fù)責(zé)參數(shù)設(shè)置和運(yùn)行過(guò)程中油液壓力等的監(jiān)控.在HMI中添加一個(gè)用戶登錄界面，以限制操作權(quán)限.畫(huà)面組態(tài)完成后，編譯無(wú)誤，可進(jìn)行仿真以查看畫(huà)面組態(tài)的效果，最后再將程序傳輸至HMI，傳輸時(shí)選擇MPI模式，站地址為1.

3 結(jié)論

隨著工業(yè)控制系統(tǒng)的不斷發(fā)展，監(jiān)控系統(tǒng)的不斷完善，根據(jù)回轉(zhuǎn)式盾構(gòu)刀具切削性能測(cè)試平臺(tái)的功能要求設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了配套的監(jiān)控系統(tǒng).該監(jiān)控系統(tǒng)界面友好、操作簡(jiǎn)單方便、可靠性高，自投入使用以來(lái)，為測(cè)試平臺(tái)提供了監(jiān)控和報(bào)警保護(hù)，并能方便地采集到精確的試驗(yàn)數(shù)據(jù).該測(cè)控系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的，滿足了回轉(zhuǎn)式盾構(gòu)刀具切削性能測(cè)試平臺(tái)對(duì)監(jiān)控的要求.

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