萬文松 ,翟 華 ,茆弘民 ,呂慶洲 ,唐飛飛 ,唐素文
(1.合肥工業(yè)大學(xué) 工業(yè)與裝備技術(shù)研究院,安徽 合肥 230009;2.淮南聯(lián)合大學(xué),安徽 淮南 232038;3.安徽唐興機(jī)械裝備有限公司,安徽 淮南 232009)
在管道施工工程中,非開挖管道施工技術(shù)應(yīng)用越來越多[1]。頂管施工以其適用土質(zhì)廣、施工精度高、使用管徑范圍大、綜合成本低、環(huán)境污染小等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用[2]。由于地層土質(zhì)變化、千斤頂推力不均、已拼管節(jié)軸線不準(zhǔn)等因素影響,管體不可能完全按設(shè)計方向推進(jìn),產(chǎn)生姿態(tài)偏差[3]。為了保證掘進(jìn)精度,必須對頂管機(jī)進(jìn)行及時偏差糾正控制。
本文提出利用MEMS陀螺儀為測控單元,通過PLC控制系統(tǒng)構(gòu)成頂管機(jī)糾偏系統(tǒng),可以測量三個方向的姿態(tài)與方位,并實現(xiàn)自動糾偏功能。
頂管智能糾偏控制系統(tǒng)是應(yīng)用于頂管頂進(jìn)施工過程中實時、自動測量頂管機(jī)姿態(tài)及計算頂管機(jī)位置,并與設(shè)計軸線比對后自動控制糾偏油缸糾正偏差。系統(tǒng)集成了計算機(jī)、自動測量、自動控制、數(shù)據(jù)通訊等自動化技術(shù)于一體。智能糾集控制系統(tǒng)布局如圖1所示。
該頂管智能糾偏控制系統(tǒng)能實時獲得頂管機(jī)的姿態(tài)并實時計算相對于隧道設(shè)計中心線的偏差,根據(jù)偏差發(fā)送相應(yīng)的控制指令,為頂管機(jī)嚴(yán)格按照設(shè)計路線頂進(jìn)提供重要保障,保證隧道施工的質(zhì)量及隧道的準(zhǔn)確貫通[4]。
圖1 智能糾偏控制系統(tǒng)整體布局
MEMS陀螺儀是一種基于科里奧效應(yīng)的慣性角速率傳感器[5]。與傳統(tǒng)機(jī)械陀螺儀不同,其內(nèi)部無轉(zhuǎn)動部件,不需要軸承,全固態(tài)裝置,具有價格低、體積小、重量輕、可靠性高、易于數(shù)字化、智能化、抗大過載沖擊、工作壽命長、低功耗、大量程等特點。已被證明可以用微機(jī)械加工技術(shù)大批量生產(chǎn)[6]。本文采用的MEMS陀螺儀采集的數(shù)據(jù)接入電腦顯示為角度信息,傳遞數(shù)據(jù)僅用普通電纜即可,無需屏蔽。其部分參數(shù)如表1所示。
MEMS陀螺儀采用485自由口通訊方式,即通訊協(xié)議由用戶自定義,陀螺儀角度讀取命令數(shù)據(jù)幀格式如表2所示,其中數(shù)據(jù)域包含9個字節(jié),分別為俯仰(Pitch),橫滾(Roll)和方位(Heading)角度值,為壓縮BCD 碼[7]。本文使用S7-200SMART PLC采用RS485半雙工串行通訊方式,與陀螺儀進(jìn)行通訊獲取角度信息,部分通訊程序如下:
表1 MEMS陀螺儀參數(shù)
本頂管機(jī)智能糾偏控制系統(tǒng)能為頂管機(jī)沿設(shè)計軸線掘進(jìn)提供必要的精確信息并通過比對糾正偏差,是一套經(jīng)現(xiàn)場使用驗證的具有先進(jìn)性的自動測控糾偏系統(tǒng)。系統(tǒng)基本流程如圖2所示。
本系統(tǒng)不需要繁雜的電纜連接及硬件設(shè)施,其主要特點為:
①顯示頂管機(jī)的姿態(tài);
②計算并顯示頂管機(jī)的位置,采用數(shù)字和圖象兩種形式顯示;
圖2 智能糾偏控制系統(tǒng)流程圖
③計算并顯示頂管機(jī)實時位置與設(shè)計軸線的偏差;
④根據(jù)實時位置與設(shè)計軸線的偏差自動發(fā)送命令控制糾偏油缸動作以實現(xiàn)糾偏;
⑤完全通過控制箱對整套系統(tǒng)進(jìn)行控制;
⑥對施工隧道的所有姿態(tài)偏差、位置偏差、糾偏動作等數(shù)據(jù)進(jìn)行備份;
⑦關(guān)鍵操作設(shè)置密碼保護(hù),避免無關(guān)人員更改系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù),如糾偏參數(shù)設(shè)置、零位數(shù)據(jù)等。
為了驗證頂管機(jī)智能糾偏控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性,本文根據(jù)頂管機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計了模擬頂管機(jī)實驗架,并搭建控制系統(tǒng)和液壓系統(tǒng),進(jìn)行智能糾偏控制系統(tǒng)的陸地實驗。實驗裝置如圖3所示,主要包括殼體、液壓表、電磁閥、自動姿態(tài)測量系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)、電機(jī)、自動糾偏控制系統(tǒng)、液壓泵站、導(dǎo)軌和糾偏油缸10個部分。
本實驗首先完成了液壓控制系統(tǒng)和糾偏控制系統(tǒng)的上下站通信。在確認(rèn)液壓系統(tǒng)正常后,設(shè)定四組偏差數(shù)據(jù),觀察并記錄糾偏油缸的動作和糾偏效果。
第一組實驗,當(dāng)設(shè)定偏差為左偏0.5°、上偏2°時,左上、右上糾偏油缸伸出,糾偏過后左偏0.42°、上偏0.44°;
第二組實驗,當(dāng)設(shè)定偏差為右偏4°、下偏0.5°時,右上、右下糾偏油缸伸出,一次糾偏動作后,右偏差仍在需要糾偏的范圍,右上、右下糾偏油缸繼續(xù)伸出,糾偏過后右偏0.28°、下偏0.55°;
圖3 糾偏控制系統(tǒng)實驗裝置1.殼體 2.液壓表 3.電磁閥 4.姿態(tài)測量系統(tǒng) 5.液壓控制系統(tǒng)6.電機(jī) 7.智能糾偏控制系統(tǒng) 8.液壓泵站 9.導(dǎo)軌 10.糾偏油缸
第三組實驗,當(dāng)設(shè)定偏差為左偏1.5°、下偏1.5°時,左下、右下糾偏油缸先伸出,再伸出左上、左下糾偏油缸,糾偏過后左偏0.24°、下偏0.36°;
第四組實驗,當(dāng)設(shè)定偏差為右偏0.5°、上偏0.5°時,糾偏油缸保持。
實驗表明,針對不同組偏差情況糾偏控制系統(tǒng)做出不同的糾偏控制動作,且糾偏效果顯著,驗證糾偏控制程序的正確性。
設(shè)計了一套以MEMS陀螺儀為檢測單元、以PLC控制器為核心的頂管智能糾偏控制系統(tǒng)。實驗表明本系統(tǒng)可以實現(xiàn)實時采集三軸角度、實時計算軸線偏差、實時控制糾偏油缸運動的功能,且糾偏效果顯著,能完成頂管機(jī)軸線自動糾偏施工,提高頂管質(zhì)量。