倪 晨（上海隧道工程有限公司，上海 200082）

對引進地鐵盾構(gòu)拼裝機控制鏈路的技術(shù)改造

The Influence on Neighboring Environment Generated by Gridding Deep Excavation in Huge Complicated Site

倪 晨（上海隧道工程有限公司，上海 200082）

針對進口海瑞克地鐵盾構(gòu)拼裝機的有線控制鏈路的工程應(yīng)用問題，提出了無線控制鏈路的技術(shù)改造方案。分析了無線頻段的選擇、通信方式和可靠性設(shè)計、硬件接口和軟件程序設(shè)計、PLC邏輯編程設(shè)計等技術(shù)關(guān)鍵。最后總結(jié)了對盾構(gòu)拼裝機無線控制鏈路技術(shù)改造成果。這對改進地鐵存量盾構(gòu)的拼裝機有線控制鏈路的技術(shù)性能具有一定參考意義。

盾構(gòu)；拼裝機；無線控制；PLC；step7；Profibus-DP

筆者多年從事現(xiàn)場機電維修保養(yǎng)工作，在對地鐵盾構(gòu)維修過程中發(fā)現(xiàn)，早先引進的地鐵盾構(gòu)拼裝機的操作盒大都為有線模式，其缺點是：拼裝操作盒拖著電纜進行移動，既不方便，又容易受機械損傷。如果固定安裝拼裝操作盒，拼裝盲區(qū)會帶來極大的風(fēng)險，拼裝機的大臂移動一旦操作失誤，對下方拼裝指揮人員將造成傷害。如何降低拼裝操作盒移動電纜在狹小空間環(huán)境受機械損傷引起的電氣故障概率，如何改善拼裝作業(yè)的勞動強度，是現(xiàn)場施工操作人員需要解決的問題。

1 技術(shù)方案和技術(shù)關(guān)鍵

在消化吸收引進的新型地鐵盾構(gòu)拼裝機無線控制鏈路技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合存量地鐵盾構(gòu)的拼裝機控制接口和控制邏輯特點，采用無線控制技術(shù)替代有線控制電纜。拼裝機有線控制鏈路改造成無線控制鏈路需要解決的技術(shù)關(guān)鍵主要有：

(1) 無線電頻率的選擇。該頻率必須滿足國家強制標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定以及盾構(gòu)機施工的工況條件。

(2) 電磁波干擾問題。在狹小空間近距離大容量盾構(gòu)電氣設(shè)備的電磁場環(huán)境下，確保無線發(fā)射距離和強度，避免盾構(gòu)大容量電機強電磁場干擾。

(3) 可靠性問題。避免通信誤碼，確保無線傳輸信息的正確性。

(4) 與原有盾構(gòu)硬件接口和軟件接口的系統(tǒng)整合，包括PLC 的通信協(xié)議、各類開關(guān)量和模擬量的輸入輸出、控制保護邏輯等等。

(5) 系統(tǒng)集成和調(diào)試應(yīng)用。

2 施工環(huán)境問題及技術(shù)措施

2.1 施工環(huán)境問題

隧道施工在環(huán)形的管片內(nèi)進行，地鐵盾構(gòu)管片拼裝就是將 6 塊預(yù)制的管片用拼裝機將其拼裝成環(huán)形。無線電通信在管片內(nèi)發(fā)射和接收信號，在傳播過程中可能會產(chǎn)生反射波，產(chǎn)生干擾。

2.2 避免反射波技術(shù)措施

結(jié)合國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，甚高頻 (VHF) 波具有反射能力強穿透性弱特點。所以選用 418 MHz 頻段，發(fā)射功率＜10 mW，接收靈敏度≥ 20 dB 的技術(shù)指標(biāo)。為了避免干擾，可將基站放置于橋架最前端靠近拼裝機處，并且通信電纜使用帶屏蔽的電纜進行連接。

3 變頻器等機電設(shè)備干擾問題及技術(shù)措施

盾構(gòu)內(nèi)大容量電機及變頻器高次諧波的電磁場干擾。選型設(shè)計應(yīng)避開盾構(gòu)電氣設(shè)備電磁場干擾。主要采取在既定頻率下調(diào)整頻率的“頻點”，即在調(diào)整頻率后的小數(shù)位，避免干擾的發(fā)生。所選 418 MHz 頻率的頻點為 418.775 MHz，通過無線遙控器廠家提供的“晶振”實現(xiàn)。使用不同的“晶振”就可以將頻率進行區(qū)分，從而避免設(shè)備間的干擾，

4 拼裝機運作可靠性問題及技術(shù)措施

盾構(gòu)拼裝環(huán)境狹小，管片重達十幾噸，施工人員幾乎接近管片操作，所以必須確保通信正確可靠。選擇何種編碼方式和調(diào)制方式的無線遙控設(shè)備就顯得尤為關(guān)鍵。通常無線遙控設(shè)備有 PPM (pulse position modulation 縮寫，簡稱脈位調(diào)制)和 PCM (pulse-code modulation 縮寫，簡稱脈碼調(diào)制)兩種編碼方式。調(diào)制方式有“AM”調(diào)幅和“FM”調(diào)頻。目前比較常用的組合有 PPM/AM、PPM/FM、PCM/FM。PPM 編碼在強干擾環(huán)境和超出控制范圍時會產(chǎn)生誤動作，并且需要先開終端后開基站，先關(guān)基站后開終端。這種開關(guān)次序顯然也不符合正常的盾構(gòu)施工，所以 PPM 這種模式不適合在盾構(gòu)機內(nèi)使用。PCM/FM 就沒有這一問題，而且 PCM/FM 具有高可靠性和高抗干擾性，并且具有無信號自動回中位功能，這一特性也保證了拼裝機不會有誤動作的發(fā)生。所以在無線遙控器編碼調(diào)制模式上選擇 PCM/FM。

5 拼裝機接口配合問題及 PLC 接口編程設(shè)計

5.1 硬件接口

選擇海瑞克 S225、S226 地鐵盾構(gòu)拼裝機作為改造對象。兩者使用的 PLC 系統(tǒng)為西門子 S7-400，如果要將拼裝機有線控制鏈路改造成無線控制鏈路，勢必需要選擇支持Profibus-DP 協(xié)議的無線拼裝操作盒。目前主要生產(chǎn)工業(yè)無線操作盒的廠家有 HBC (海希)、NBB、Hetronic。由于是海瑞克盾構(gòu)，所以主要運用Hetronic 產(chǎn)品。為了能夠便于以后的維修保養(yǎng)，此次改造選擇 Hetronic (海德)的產(chǎn)品進行改造。通過以上要求進行選型，選擇的產(chǎn)品型號基站：H/E-22VR Erektor Funk/Profi EMCT。

5.2 通信接口

將基站的通信口連接到已有的 PLC 網(wǎng)絡(luò)，考慮到通信距離，基站離操作室距離比較遠，所以串聯(lián)到原來Profibus 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)會衰減導(dǎo)致中斷，因此組網(wǎng)時可以使用西門子的 RS-485 中繼器來增強信號。RS-485 的作用是延長總線網(wǎng)絡(luò)的通信距離，增強總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)目，并且可以將總線進行光電隔離，防止共模電壓干擾。根據(jù) RS-485 的樣本，將基站接入已有 Profibus 網(wǎng)絡(luò)，通信連接圖如圖 1 所示。

圖 1 Proifbus 組網(wǎng)圖

5.3 PLC Profibus-DP 總線組態(tài)

完成組網(wǎng)后，需要對硬件進行組態(tài)。通過 step7 硬件進行組態(tài)，硬件的信息可以在電子設(shè)備數(shù)據(jù)庫文件 (GSD)中找到。導(dǎo)入設(shè)備商提供的 GSD 文件，并使用 Step7 將無線遙控設(shè)備基站連接到盾構(gòu)機 Profibus-DP 總線系統(tǒng)中，如圖 2 所示。

圖 2 Profibus 通信配置

圖 2 中站地址 64 的 Prof_HET_Hr 為新增的無線拼裝機鏈路基站，站號可以設(shè)置原系統(tǒng)中未使用的任一站號，此處設(shè)置站號為 64。

6 拼裝機無線控制的 PLC 邏輯編程設(shè)計

拼裝機的施工工藝主要有左右旋轉(zhuǎn)、前后平移、大臂的伸縮、翻板的前后左右搖擺、鉗體的伸縮，主要分為開關(guān)量的輸入輸出和全比例的輸入輸出。

6.1 控制流程框圖

通過 Hetronic 公司提供的地址表，能夠了解各個開關(guān)的功能，為之后的編程做準(zhǔn)備。默認的地址范圍為 I240 至I253，Q243 至 Q251，也可以根據(jù)實際需要對地址進行修改。配置完成后可以監(jiān)控一下各個點位有無輸入輸出的響應(yīng)，如果有響應(yīng)表示通信和組態(tài)正常，可以進行下一步的軟件編程。編程邏輯見圖 3。

圖 3 PLC邏輯編程功能框圖

6.2 控制功能模塊

程序改動主要集中在拼裝機、推進千斤頂和喂片機。喂片機和推進千斤頂?shù)某绦蛳鄬Ρ容^簡單，主要是開關(guān)量的輸入和輸出。為了兼容原有有線拼裝操作盒，原來的開關(guān)量輸入和輸出地址可以不作改動，將無線拼裝操作盒的開關(guān)量輸入、輸出地址用“或門”或者“與門”并聯(lián)在相應(yīng)的程序段內(nèi)，即可實現(xiàn)所對應(yīng)的功能。大部分的開關(guān)量輸入輸出都是做這樣的改動。當(dāng)然也可以不保留原來有線拼裝操作盒的功能，完全替換原來有線輸入輸出的點位。以“4 號推進油缸伸”為例，如圖 4 所示。

圖 4 4號推進油缸無線拼裝操作盒程序的添加

FC 功能模塊是針對推進油缸伸縮編輯的功能，所有程序一致的推進油缸伸、縮的程序都可以調(diào)用該功能 FC。TFK1 為油缸伸輸入、TFK2 為油缸縮輸入、RS_0 為油缸停止輸入，通過增加 2 個“或門”和 1 個“與門”使無線拼裝操作盒的功能得以添加，從而能夠使用無線拼裝操作盒對推進油缸電磁閥進行控制，其他的數(shù)字量的輸入輸出程序也按照以上原則進行修改。

6.3 操作手柄邏輯

拼裝機的操作是由左右兩個搖桿進行控制的。這兩個搖桿分別控制拼裝機的不同動作，并且是全比例控制的。其中左搖桿控制拼裝機的左回轉(zhuǎn)、右回轉(zhuǎn)、向前平移、向后平移，右搖桿控制拼裝機大臂藍、紅 2 個油缸的伸和縮，且可以同時控制伸縮，如圖 5 所示。

圖 5 無線拼裝操作盒左右搖桿布置與功能

雖然同為搖桿，但是這兩個搖桿的輸入方式是不同的，左搖桿為模擬量輸入、右搖桿為格雷碼輸入，兩者的不同是，格雷碼輸入的目的是將數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量，兩個搖桿的區(qū)別在于右搖桿中位是 0，而左搖桿中位是左右上下的中間值，不同的控制方式使得這兩個搖桿的輸入程序也不同。所以在對這兩個程序編程時需要有兩個不同的功能 FC 將輸入進行轉(zhuǎn)換。假設(shè)左搖桿的功能為 FC1，右搖桿的功能為FC2，F(xiàn)C1 的功能為將輸入 0 到 127 的值轉(zhuǎn)換為 -127 到127，中位為 105。FC2 的功能是將不等于 0 的值進行轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后進行模擬量的輸出。

7 安裝調(diào)試及應(yīng)用效果

完成編程后，S225 和 S226 盾構(gòu)經(jīng)單機、聯(lián)動、整裝調(diào)試等各環(huán)節(jié)，拼裝機功能都達到了和有線操作一致的要求，并且在改造完成后完成了天津 1 號線奧體中心站至?xí)怪行?，會展中心站至緯三路站兩個區(qū)間的掘進。經(jīng)過了實際工程的檢驗，信號強度、干擾等問題并沒有出現(xiàn)，可靠性是有保證的，證明選型是正確的。由于無線終端(拼裝操作盒)更換并不需要對其他部件進行改造，所以維修也非常方便，在上海電力隧道區(qū)間掘進中 S225 盾構(gòu)更換了新的終端(拼裝操作盒)，在使用中也沒有碰到任何問題。

8 結(jié) 語

拼裝機鏈路的無線化改造在實際盾構(gòu)推進過程中得到了檢驗，功能效果和最新的海瑞克地鐵盾構(gòu)沒有任何區(qū)別，特別當(dāng)終端(無線操作盒)損壞時，可以立即使用其他終端(無線操作盒)進行替換。不僅提高了生產(chǎn)效率，降低了故障率，而且方便了備件的采購和成本的控制。作為成熟的產(chǎn)品，理論上該系統(tǒng)可以使用在任意盾構(gòu)中，不僅支持像海瑞克這種 Profibus－DP 總線協(xié)議的盾構(gòu)，同樣也可以使用在日系三菱 PLC cc-link 通信協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)中，通過增加QJ71PB92V 模塊，將該套系統(tǒng)接入 cc-link 網(wǎng)絡(luò)，在技術(shù)上是完全可行的。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，更輕更方便的拼裝機鏈路會被運用在工程中，同時大量的老盾構(gòu)為了滿足最新的施工要求有待改造，運用最新的技術(shù)和設(shè)備改造原有的盾構(gòu)機設(shè)備也將成為行業(yè)的趨勢。

TU50

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1674-814X(2017)03-0063-04

2017-02-10

倪晨，現(xiàn)供職于上海隧道工程有限公司。

作者通信地址：上海市徐匯區(qū)宛平南路1099號，郵編：200082。