曾 光 輝

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213 )

1 概 述

成都地鐵18號線盾構(gòu)管片生產(chǎn)基地——新津管片廠位于成都市新津縣新材料產(chǎn)業(yè)園，總占地面積約137畝(1 hm2=15畝)，采用最先進(jìn)的管片自動化生產(chǎn)線，由一條“2+4(2條作業(yè)線+4條養(yǎng)護(hù)線)”和一條“2+5(2條作業(yè)線+5條養(yǎng)護(hù)線)”流水線組成。成都軌道交通18號線盾構(gòu)管片總需求量為32 021環(huán)，月高峰需求強(qiáng)度約為3 050環(huán)/月，總需求及月需求量大，設(shè)有標(biāo)準(zhǔn)環(huán)、左轉(zhuǎn)彎環(huán)、右轉(zhuǎn)彎環(huán)3種，單環(huán)管片采用7分塊設(shè)計(4塊標(biāo)準(zhǔn)塊、2塊鄰接塊和1塊封頂卡)，管片分為A、B、C、D 4種配筋以及2種切割環(huán)配筋，同時，部分管片增設(shè)了注漿孔，共有52種不同規(guī)格的襯砌環(huán)管片，且該型號參數(shù)管片在成都地區(qū)均為首次采用，無相關(guān)經(jīng)驗可借鑒，工期緊、任務(wù)重，對管片生產(chǎn)的效率、質(zhì)量、供應(yīng)等都提出了更高的要求。

盾構(gòu)管片生產(chǎn)線一般由控制系統(tǒng)、模具運(yùn)行系統(tǒng)、澆筑系統(tǒng)、振搗系統(tǒng)、養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等組成，比較成熟的盾構(gòu)管片自動化生產(chǎn)線有通窯式管片生產(chǎn)線和固定窯式管片生產(chǎn)線。通窯式管片流水線采用油缸牽引+頂推模式，模具帶鋼輪，生產(chǎn)線整個控制系統(tǒng)穩(wěn)定性好、安全性高，在國內(nèi)具有較多的成功案例。自動化生產(chǎn)線具有簡化盾構(gòu)管片生產(chǎn)布局，減少人工成本，縮短生產(chǎn)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，改善勞動條件等功能。與此同時，管片自動化生產(chǎn)線存在生產(chǎn)線設(shè)計、安裝成本高、生產(chǎn)中組織管理要求高、生產(chǎn)工人活動范圍較大、操作維護(hù)人員技術(shù)水平要求高等特點。目前，國內(nèi)外盾構(gòu)管片生產(chǎn)線的核心技術(shù)多掌握在設(shè)備廠家手中，管片生產(chǎn)單位自身設(shè)計研發(fā)的生產(chǎn)線甚少。筆者介紹了對盾構(gòu)管片生產(chǎn)線智能控制技術(shù)進(jìn)行的研究。

2 研究思路及方法

2.1 研究思路

通過研究管片生產(chǎn)線工藝流程，分析生產(chǎn)線運(yùn)行節(jié)拍、溫濕度控制、蒸養(yǎng)時間等生產(chǎn)參數(shù)和設(shè)備的流轉(zhuǎn)原理，建立了控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)；繪制控制系統(tǒng)核心原理圖，利用編程軟件進(jìn)行控制系統(tǒng)硬件配置選型，開展程序編程，組織電氣設(shè)計與安裝等工作；采用組態(tài)軟件設(shè)計生產(chǎn)線控制系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控部分，實現(xiàn)生產(chǎn)線狀態(tài)、生產(chǎn)參數(shù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時采樣，增加故障報警、各生產(chǎn)參數(shù)設(shè)置調(diào)整等功能；開展現(xiàn)場硬件安裝和調(diào)試，結(jié)合現(xiàn)場工程實際和工藝要求對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，最終實現(xiàn)控制系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行。

2.2 研究方法

(1)采用功能分析法對盾構(gòu)管片生產(chǎn)全過程中的各控制要點進(jìn)行分類，明確功能模塊及控制方法，建立網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)并進(jìn)行可行性和適用性分析。

(2)采用CAD輔助設(shè)計軟件對生產(chǎn)線控制系統(tǒng)架構(gòu)、控制箱、控制原理圖、現(xiàn)場設(shè)備布置方案開展圖紙設(shè)計。

(3)采用西門子Step7 v5.5 sp4編程軟件進(jìn)行控制系統(tǒng)硬件組態(tài)和程序編寫，并采用西門子S7-300系列PLC對生產(chǎn)線各I/O設(shè)備進(jìn)行控制，采用Java編程語言進(jìn)行智能控制系統(tǒng)開發(fā)。

(4)采用調(diào)查法統(tǒng)計需特別監(jiān)測、設(shè)置的生產(chǎn)線節(jié)拍時間、蒸養(yǎng)參數(shù)、生產(chǎn)能力、振動參數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)，并利用國產(chǎn)力控Forcecontrol 7.1組態(tài)軟件進(jìn)行上位機(jī)組態(tài)實現(xiàn)對以上參數(shù)的監(jiān)控。

(5)采用西門子PLCSIMV5.4SP5軟件對控制系統(tǒng)進(jìn)行離線仿真與調(diào)試，結(jié)合上位機(jī)組態(tài)軟件，以全過程畫面虛擬模擬顯示生產(chǎn)線自動化運(yùn)轉(zhuǎn)流程、生產(chǎn)設(shè)備動作狀態(tài)、參數(shù)等。

(6)對現(xiàn)場硬件設(shè)備設(shè)施和智能控制系統(tǒng)功能模塊進(jìn)行實用性、穩(wěn)定性實驗調(diào)試，根據(jù)實驗情況以及實際功能需求進(jìn)行系統(tǒng)的改進(jìn)與優(yōu)化，消除系統(tǒng)存在的缺陷，提高智能控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，完善系統(tǒng)功能。

3 控制系統(tǒng)架構(gòu)的選擇

目前，PLC控制系統(tǒng)通常采用的架構(gòu)為集中式I/0架構(gòu)和分布式I/0架構(gòu)。分布式I/0架構(gòu)主要是為了解決遠(yuǎn)距離通訊而發(fā)展起來的、區(qū)別于集中式I/0架構(gòu)控制的一種I/0系統(tǒng)。分布式I/0架構(gòu)適用于距離遠(yuǎn)、控制目標(biāo)設(shè)備較為分散的應(yīng)用領(lǐng)域，在該架構(gòu)下，各PLC站點中采用多個相互功能獨立的低端、高性價比的小型PLC產(chǎn)品，各站點間通過通訊模塊和協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和傳遞，實現(xiàn)系統(tǒng)的自動化運(yùn)轉(zhuǎn)。以新津管片廠2+5管片生產(chǎn)線(2條作業(yè)線，5條養(yǎng)護(hù)線)為例，該系統(tǒng)中進(jìn)模車、出模車、蒸養(yǎng)線和作業(yè)線采用4個獨立的西門子低端PLC S7-200SMART作為從站進(jìn)行控制，操作室中的PC機(jī)作為主站通過Profibus與各從站通訊，進(jìn)而實現(xiàn)系統(tǒng)流轉(zhuǎn)。

通過工程實踐和分析得知：盾構(gòu)管片自動化生產(chǎn)線各設(shè)備組成較為單一，各目標(biāo)控制設(shè)備布置集中(最遠(yuǎn)距離為110 m)，且盾構(gòu)管片對施工質(zhì)量和生產(chǎn)連續(xù)性要求極高，控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性要求嚴(yán)苛；同時，系統(tǒng)需要監(jiān)測和分析管片產(chǎn)量、流水節(jié)拍、蒸養(yǎng)溫度、振動時間、故障診斷等數(shù)據(jù)，監(jiān)測點數(shù)多，要求PLC硬件必須具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和通訊能力；在分布式I/0方式下，PLC從站較多，在多個不同品牌的PLC控制模塊共存下將帶來對維護(hù)人員的技術(shù)要求較高、檢修維護(hù)難度大、故障耽誤生產(chǎn)進(jìn)度等問題。相反，若采用集中式I/0架構(gòu)，能夠貼合工程實際，采用西門子S7-300中型模塊化PLC，數(shù)據(jù)處理功能強(qiáng)大，可方便擴(kuò)展I/0點數(shù)，其可在露天惡劣條件下使用，系統(tǒng)智能化程度高，設(shè)備維護(hù)方便、故障處理快速，且能有效提高系統(tǒng)的抗干擾能力[2]。

4 控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

技術(shù)人員通過對生產(chǎn)線主要組成部分和各設(shè)備的動作原理進(jìn)行分析，按照所屬功能對控制系統(tǒng)開展了系統(tǒng)架構(gòu)的探索研究(圖1)。

整個控制系統(tǒng)由上位機(jī)、中央控制柜(下位機(jī)PLC)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、流水線控制箱、進(jìn)模車控制箱、出模車控制箱、振動臺控制箱、蒸養(yǎng)溫度控制箱及安全限位開關(guān)、傳感器等信號檢測設(shè)備組成?？刂葡到y(tǒng)各現(xiàn)場控制箱具備“手動”和“自動”兩種方式，其中“手動”方式主要用于設(shè)備檢修、故障處理和緊急情況的單機(jī)單點功能控制。

上位機(jī)主要采用國產(chǎn)力控Forcecontrol 7.1軟件進(jìn)行組態(tài)，通過PROFINET通訊對中央控制柜中的西門子S7-300 PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取和寫入，以對生產(chǎn)線進(jìn)出模車、牽引頂推油缸、振動臺等設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)以及流水節(jié)拍、蒸養(yǎng)溫度、各限位開關(guān)、傳感器通斷等信號和數(shù)據(jù)進(jìn)行實時監(jiān)測和控制，實現(xiàn)人機(jī)交互[3]。

中央控制柜(下位機(jī)PLC)主要對生產(chǎn)線各設(shè)備信號進(jìn)行集中采集、處理并將其傳遞至中央控制柜中的西門子S7-300 PLC進(jìn)行執(zhí)行，以實現(xiàn)生產(chǎn)線的自動化運(yùn)轉(zhuǎn)。

5 智能控制系統(tǒng)的研發(fā)

5.1 下位機(jī)設(shè)計

控制系統(tǒng)下位機(jī)設(shè)置在中央控制柜內(nèi)，下位機(jī)主要采用西門子SIEMENSS7-300系列中端PLC，采用西門子Step7 v5.5 sp4編程軟件進(jìn)行控制系統(tǒng)硬件組態(tài)和程序編寫，采用PLCSIMV5.4SP5軟件對控制系統(tǒng)進(jìn)行離線仿真與調(diào)試，從而實現(xiàn)整個生產(chǎn)線各I/O設(shè)備全過程自動化運(yùn)轉(zhuǎn)和數(shù)據(jù)處理(圖2)。

圖1 控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計圖

圖2 下位機(jī)S7-300 PLC硬件配置圖

下位機(jī)SIEMENSS7-300 PLC主要由主機(jī)架(0)UR和擴(kuò)展機(jī)架(1)UR組成，各模塊選型情況見表1。

表1 控制系統(tǒng)下位機(jī)S7-300 PLC模塊型號表

程序編寫與設(shè)計安裝：控制系統(tǒng)軟件編程結(jié)合生產(chǎn)線動作流程、各設(shè)備動作原理和生產(chǎn)線參數(shù)采集等開展，主要包括作業(yè)線控制程序、養(yǎng)護(hù)線控制程序、振動參數(shù)設(shè)置程序、溫度轉(zhuǎn)換程序、進(jìn)出模車控制程序以及數(shù)據(jù)采集程序等幾個子程序塊組成，管片流水線項目PLC程序目錄見圖3?？刂葡到y(tǒng)電氣部分主要采用CAD輔助設(shè)計軟件對控制系統(tǒng)架構(gòu)、控制箱、控制原理圖、安裝圖等進(jìn)行制圖，用以指導(dǎo)系統(tǒng)電氣接線安裝工作[4]。

圖3 管片流水線項目PLC程序目錄

5.2 上位機(jī)組態(tài)設(shè)計

上位機(jī)安裝在生產(chǎn)線集中控制室的中央控制柜面板上，上位機(jī)通過PROFINET通訊協(xié)議和以太網(wǎng)工業(yè)交換機(jī)與下位機(jī)西門子SIEMENS S7-300 PLC連接進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。上位機(jī)采用國產(chǎn)力控Forcecontrol 7.1組態(tài)軟件作為操作軟件，通過人機(jī)交互方式，實現(xiàn)對設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集、故障診斷報警和報表統(tǒng)計打印等功能，同時，上位機(jī)能夠靈活設(shè)置生產(chǎn)模式、蒸養(yǎng)時間、溫度、振動時間等參數(shù)，以滿足生產(chǎn)線生產(chǎn)工藝變化的需求和盾構(gòu)管片生產(chǎn)質(zhì)量控制的技術(shù)要求[5]。

6 結(jié) 語

盾構(gòu)管片生產(chǎn)線智能控制系統(tǒng)采用集中式I/O架構(gòu)，適用于控制復(fù)雜、I/O模塊與功能模塊眾多、但控制對象相對集中、不需要設(shè)置驅(qū)動遠(yuǎn)程I/O硬件，系統(tǒng)反應(yīng)快、成本低，PLC系統(tǒng)可統(tǒng)一安裝于控制柜的場合。該系統(tǒng)具備狀態(tài)監(jiān)控、生產(chǎn)線數(shù)據(jù)采集、故障診斷報警和工藝參數(shù)實時調(diào)整等功能，實現(xiàn)了生產(chǎn)線的智能化控制，提高了盾構(gòu)管片的生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)運(yùn)行成本。工程實踐表明：該智能控制系統(tǒng)較設(shè)備廠家設(shè)計的生產(chǎn)線流水節(jié)拍少1 min，單月管片產(chǎn)能在同等條件下可確保模具單日2.8個循環(huán)，較設(shè)備廠家生產(chǎn)線多生產(chǎn)管片約134環(huán)/月，滿負(fù)荷生產(chǎn)情況下，可多生產(chǎn)管片1 608環(huán)/a，生產(chǎn)效率提高了16.6%。