余用木

(廈門海投房地產(chǎn)有限公司，福建 廈門 361026)

1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的頂管控制屏普遍采用指示燈、按鈕開關(guān)、儀表盤組成，功能簡(jiǎn)單，不能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制，已滿足不了當(dāng)下施工的需要。隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多控制設(shè)備逐步采用PLC技術(shù)。頂管的控制及數(shù)據(jù)采集可以由1個(gè)或多個(gè)PLC完成。使用1個(gè)PLC的技術(shù)即集中控制方式，PLC安裝在一控制柜中，通過(guò)多芯信號(hào)控制線連接各設(shè)備單元如果控制單元數(shù)量較多，則相應(yīng)的線路也要增加，設(shè)備布置分散就會(huì)使走線復(fù)雜，不便于維護(hù)，故障率也會(huì)增加，可靠性相對(duì)較差。使用多個(gè)獨(dú)立的PLC，分別控制各系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行，各自為政，相互獨(dú)立不便于聯(lián)動(dòng)。這兩類方式都不大適用于本系統(tǒng)，如何才能實(shí)現(xiàn)既能分散控制，又能互相聯(lián)動(dòng)?

為此，在本工程中引入了網(wǎng)絡(luò)型的分布式I/O控制方式。以PLC為控制核心，采用主從式、分布式結(jié)構(gòu)，遵循“集中監(jiān)測(cè)、分散控制”的原則，將集中控制和分散控制相結(jié)合，數(shù)據(jù)計(jì)算與邏輯控制用集中控制方式，輸入輸出則分散處理，這樣既保證了數(shù)據(jù)處理的完整性、統(tǒng)一性，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的聯(lián)動(dòng)控制，又避免了控制中心過(guò)于龐大、連接電纜過(guò)多的弊端，從而提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)首要是安全，要防短路，另外還需要考慮抗干擾設(shè)計(jì)，如隔離、屏蔽和布線等。目前市場(chǎng)上PLC產(chǎn)品眾多，為了保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，本系統(tǒng)采用三菱PLC。

依據(jù)本頂管機(jī)的工藝流程和復(fù)雜程度進(jìn)行估算，輸入輸出點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)如表1所示。另外還需要PID控制、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)裙δ埽瑢儆谥械纫?guī)模的系統(tǒng)，三菱FX2N系列PLC就能滿足該控制要求。由此選定主站PLC∶FX2N－80MR+FX2N－32CCL+FX2N－48ER+2×FX2N－5A+FX2N－8AD:從站 PLC∶FX2N－48MR+2×FX2N－16EYR;主從站各配置一通訊模塊FX2NC－485ADP，之間采用三菱M∶N網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)RS－485通訊連接，實(shí)現(xiàn)軟元件相互鏈接的功能;主站還通過(guò)RS－232C端口連接1個(gè)GT11系列人機(jī)界面(HMI)，與開關(guān)按鈕、指示燈等構(gòu)成下位機(jī):其中FX2N－32CCL為上位機(jī)通訊功能預(yù)留了拓展模塊，2個(gè)5A模塊中一個(gè)用于變頻調(diào)速，另外一個(gè)備用。主站設(shè)在控制臺(tái)4中，從站設(shè)在低壓柜1/2中，之間只需采用1根二芯屏蔽雙絞線連接，配線簡(jiǎn)單。

表1 輸入輸出點(diǎn)示意

3 軟件設(shè)計(jì)

在硬件設(shè)計(jì)的同時(shí)，還要進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)開發(fā)工作。軟件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是按照控制要求將工藝流程轉(zhuǎn)換為程序語(yǔ)言，即PLC梯形圖，并將所有相關(guān)數(shù)據(jù)及狀態(tài)信息以直觀的方式一一呈現(xiàn)給用戶，即界面程序。程序的編制有一定的難度，存在諸多技術(shù)問題，比方說(shuō)聯(lián)鎖保護(hù)、故障診斷等。

3.1 各模塊介紹

為了解決這類問題，將PLC程序按模塊化進(jìn)行開發(fā)。把一個(gè)總的控制目標(biāo)程序分成多個(gè)子任務(wù)程序，分別編寫調(diào)試，最后合并組成一個(gè)完整的程序。因?yàn)楦鞴δ苣K相對(duì)獨(dú)立，所以程序易于調(diào)試修改，邏輯關(guān)系簡(jiǎn)單明了，易于理解。分部分項(xiàng)完成各子系統(tǒng)的控制要求，然后根據(jù)各設(shè)備間的邏輯關(guān)系，可以很方便地建立相應(yīng)的聯(lián)鎖保護(hù)，從而降低誤操作的概率，減少故障的發(fā)生，保障設(shè)備人身安全。按照本頂管機(jī)的功能特性，將其分成刀盤、出土、項(xiàng)進(jìn)、糾偏和輔助5個(gè)子系統(tǒng)，功能劃分清晰，標(biāo)識(shí)明顯，便于操作:還有為了快速排障，設(shè)計(jì)了故障報(bào)警與數(shù)據(jù)預(yù)警功能。

(1)刀盤模塊:負(fù)責(zé)刀盤電機(jī)的啟動(dòng)以及正反轉(zhuǎn)動(dòng)作，對(duì)刀盤油壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一旦大于上限值，自動(dòng)停止轉(zhuǎn)動(dòng);刀盤未轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下禁止系統(tǒng)頂進(jìn)，防止悶頂造成土體隆起。

(2)出土模塊:負(fù)責(zé)整個(gè)出土系統(tǒng)，包含變頻器、螺旋機(jī)、攪拌泵、閘門以及進(jìn)排泥泵的啟?？刂?，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土倉(cāng)內(nèi)的壓力值，通過(guò)PID變頻調(diào)節(jié)螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)挖掘面土體的壓力平衡，提升施工效率。

(3)項(xiàng)進(jìn)模塊:后座主頂及任意指定的多個(gè)中繼環(huán)的聯(lián)動(dòng)控制，根據(jù)控制要求或操作指令，手動(dòng)或自動(dòng)操作中繼環(huán)以及后座頂進(jìn)，提高施工效率。

(4)糾偏模塊:負(fù)責(zé)主副糾偏，共計(jì)8組油缸的伸縮動(dòng)作，同時(shí)監(jiān)測(cè)其油壓和行程，并加以限位保護(hù)，防止偏離設(shè)計(jì)路徑。

(5)輔助模塊:配套設(shè)備包含加水泵、冷卻泵、潤(rùn)滑泵、空壓機(jī)等設(shè)備的啟?？刂?，并監(jiān)測(cè)潤(rùn)滑系統(tǒng)是否堵塞，保證設(shè)備正常運(yùn)行。

(6)故障診斷模塊:對(duì)重要的運(yùn)行部件進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控，超出設(shè)定范圍時(shí)進(jìn)行預(yù)警提示;實(shí)時(shí)監(jiān)視所有配套設(shè)備的運(yùn)行情況，一旦發(fā)生跳閘或過(guò)電流等故障時(shí)發(fā)出報(bào)警指令，實(shí)現(xiàn)快速排障，保證了設(shè)備人身安全。

3.2 技術(shù)難題的克服

軟件編制過(guò)程中克服了不少技術(shù)難題，尤其是土倉(cāng)壓力與螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速、頂進(jìn)系統(tǒng)之間的聯(lián)動(dòng)，潤(rùn)滑系統(tǒng)與刀盤、刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)與頂進(jìn)、油壓等各類動(dòng)作的聯(lián)鎖保護(hù)。充分考慮到設(shè)備的故障誤動(dòng)作和人工誤操作的各種可能性，對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)了故障診斷機(jī)制和各類動(dòng)作的聯(lián)鎖保護(hù)，并對(duì)一些重要的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行限位保護(hù)，以避免各類故障隱患的發(fā)生，從而保證設(shè)備人身安全，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。

本工程中最為關(guān)鍵的就是土倉(cāng)壓力與螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速、頂進(jìn)系統(tǒng)之間的聯(lián)動(dòng)。頂管前端刀盤旋轉(zhuǎn)掘削地層土體，切削下來(lái)的土體進(jìn)入土艙，當(dāng)土體充滿土艙時(shí)，其被動(dòng)土壓與掘削面上的土、水壓基本相同，故掘削面實(shí)現(xiàn)土壓平衡(即穩(wěn)定)，并由螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速或閘門開度來(lái)控制出土量，以確保掘削面穩(wěn)定。當(dāng)出現(xiàn)壓力過(guò)大或過(guò)小等失穩(wěn)現(xiàn)象時(shí)就會(huì)引起地表隆起或沉降，輕則影響工程質(zhì)量，重則造成設(shè)備人身安全事故。

因此要嚴(yán)格控制土艙壓力在某一區(qū)間范圍內(nèi)，這里設(shè)計(jì)有2個(gè)聯(lián)鎖，若超出范圍則發(fā)出聲光報(bào)警并做出相應(yīng)處理。若減慢或加速螺旋機(jī)還仍無(wú)法達(dá)到平衡的，壓力過(guò)小時(shí)系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)停止螺旋機(jī)出土，直至壓力上升到平衡區(qū)間內(nèi)方可再次出土，直至壓力過(guò)大時(shí)將會(huì)自動(dòng)停止頂進(jìn)系統(tǒng)，直至壓力降到平衡區(qū)間內(nèi)方可頂進(jìn)。

3.3 HMI人機(jī)界面

除了PLC程序的設(shè)計(jì)外，另外還有人機(jī)界面HMI程序的設(shè)計(jì)，有主監(jiān)控、狀態(tài)、設(shè)置和報(bào)警4個(gè)畫面。

通過(guò)主監(jiān)控畫面可以監(jiān)視整個(gè)項(xiàng)管機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況:狀態(tài)畫面則可以詳細(xì)地看到各子系統(tǒng)、電機(jī)或泵的具體工作狀態(tài);設(shè)置畫面對(duì)一些重要的數(shù)據(jù)參數(shù)設(shè)置初始值、上下限位，起到預(yù)警作用:報(bào)警畫面可以查閱到當(dāng)前及歷史報(bào)警信息，供施工人員快速排障。

該HMI與控制面板所組成的平臺(tái)是面向最終用戶的，也就是所謂的下位機(jī)。另外，該套系統(tǒng)開發(fā)出了上位機(jī)和遠(yuǎn)程監(jiān)視客戶端，使用戶能夠?qū)崿F(xiàn)上、下位機(jī)以及更高層次的廠級(jí)聯(lián)網(wǎng)，即達(dá)成了將頂管下位機(jī)信息傳送到中控室上位機(jī)，然后再傳至項(xiàng)目部辦公室集中監(jiān)控的目的。

4 結(jié)束語(yǔ)

本電控系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性快、可靠性高、穩(wěn)定性好、界面直觀、簡(jiǎn)單易用等優(yōu)點(diǎn)，先進(jìn)的分布式網(wǎng)絡(luò)控制架構(gòu)在頂管機(jī)中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了制造、使用、檢修和維護(hù)等環(huán)節(jié)上的便利和快捷，采用該方案是符合項(xiàng)管機(jī)產(chǎn)品特征和使用特性的，同樣也適用于盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)及相關(guān)領(lǐng)域。

[1]馬立明，李申山.土壓平衡式盾構(gòu)PLC電氣控制系統(tǒng)分析[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2009(9):65—67.