李 兵

（中國(guó)鐵建重工集團(tuán)股份有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410100）

0 引言

伴隨我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷加快，對(duì)大城市地下空間建設(shè)的需求和要求也在不斷提高。為了避免因?yàn)榈缆肥┕ぴ斐沙鞘谐霈F(xiàn)大范圍擁堵，在盡可能地減少開(kāi)挖城市地表的大背景下，傳統(tǒng)的施工技術(shù)已無(wú)法滿足現(xiàn)代化工程建設(shè)的需要，非開(kāi)挖技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其中就包括矩形頂管技術(shù)[1]。

矩形頂管法是在城市管網(wǎng)和換乘通道施工建設(shè)環(huán)節(jié)中運(yùn)用了特殊的施工技術(shù)，對(duì)地面盡量少的明挖，得以使對(duì)城市地貌和人文環(huán)境的破壞降低到最小程度，這對(duì)提升城市文明施工及地下管廊合理規(guī)范化建設(shè)起到了更為有益的作用[2]。因我國(guó)幅員遼闊地貌各異，不同區(qū)域的工程地質(zhì)調(diào)節(jié)成分、滲透系數(shù)、含水量等各項(xiàng)指標(biāo)差異很大，需要對(duì)刀盤開(kāi)挖下來(lái)的碴土予以改良使之更有助于土壓平衡矩形頂管機(jī)的施工。目前常用的主要碴土改良系統(tǒng)有膨潤(rùn)土系統(tǒng)、泡沫系統(tǒng)等，其中泡沫系統(tǒng)因具有改善土倉(cāng)壓力、降低刀盤扭矩、降低土體的滲透系數(shù)，提高止水性、減小地層擾動(dòng)、防止刀盤結(jié)泥餅、減少機(jī)件磨損和降低刀具消耗等功能而應(yīng)用最為廣泛[3]。

泡沫改良法作為一種比較先進(jìn)的改善土體性質(zhì)的方法，在土壓平衡頂管機(jī)發(fā)揮著重要作用。然而由于傳統(tǒng)控制方法對(duì)泡沫系統(tǒng)各控制對(duì)象無(wú)法到達(dá)精確地控制，從而無(wú)法發(fā)揮泡沫的最大改良作用，與此同時(shí)造成了泡沫等原料的浪費(fèi)。由于泡沫原液價(jià)格較昂貴，這一現(xiàn)象在一定程度上制約了泡沫改良法在土壓平衡矩形頂管機(jī)上的應(yīng)用。為此設(shè)計(jì)了一種泡沫精準(zhǔn)控制系統(tǒng)，采用西門子PLC 作為控制核心、觸摸式顯示屏為人機(jī)界面、變頻器和電動(dòng)閥為執(zhí)行元件，通過(guò)PID 算法調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)泡沫混合比的準(zhǔn)確控制，從而達(dá)到降本增效的作用。同時(shí)該系統(tǒng)配置了智能網(wǎng)關(guān)模塊，可以進(jìn)行遠(yuǎn)程跨城市的在線故障診斷功能。

1 泡沫電氣硬件系統(tǒng)

1.1 泡沫系統(tǒng)硬件

硬件系統(tǒng)由泡沫補(bǔ)水管路、原液泵、原液箱、氣動(dòng)球閥、混合液箱、混合液泵、壓縮空氣管路、混合液管路、泡沫發(fā)生器等部件組成。泡沫原液和水按照設(shè)定的配方，注入到泡沫混合液罐；再由泡沫混合液泵將混合液注入到泡沫發(fā)生器，泡沫發(fā)生器內(nèi)部由多層網(wǎng)格構(gòu)成的裝置，氣液混合體通過(guò)后就可以產(chǎn)生大量泡沫。

1.2 電氣硬件系統(tǒng)

電氣硬件系統(tǒng)結(jié)如圖1 所示。

圖1 電氣硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電氣硬件系統(tǒng)組成如下：

（1）PLC：采用西門子CPU-1512 作為主CPU，該CPU 具有一個(gè)集成3 端口交換機(jī)的PROFINET 接口（X1P3），可與組態(tài)系統(tǒng)、上位網(wǎng)絡(luò)（路由器、Internet）或其他設(shè)備或自動(dòng)化單元進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。軟件編程平臺(tái)為西門子Portal 編程軟件。采用ET200SP 作為泡沫系統(tǒng)子站進(jìn)行泡沫各信號(hào)的采集和輸出控制。

（2）觸摸屏與工控機(jī)：采用西門子IPC 系列工控機(jī)。工控機(jī)與下位機(jī)之間采用PROFINET 通信，并在觸摸屏上集成顯示和作為人機(jī)接口。

（3）變頻器：進(jìn)行電機(jī)的速度控制。為了減少變頻器的干擾，電機(jī)電纜采用帶屏蔽層的電纜，電纜首末雙端接地。

（4）智能網(wǎng)關(guān)：智能網(wǎng)關(guān)支持以太網(wǎng)、Wi-Fi、全網(wǎng)通3G/4G聯(lián)網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)PLC 控制器的遠(yuǎn)程編程和數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)異地跨區(qū)域的故障在線診斷和遠(yuǎn)程調(diào)試。

1.3 上位機(jī)設(shè)計(jì)

上位機(jī)操作界面由顯示、控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)3 個(gè)區(qū)域構(gòu)成（圖2）。顯示區(qū)域可查看泡沫各成分的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和報(bào)警信息，供操作手作出判斷；控制區(qū)域可設(shè)定原液配比、控制6 路通道的啟停、設(shè)定6 路混合液電機(jī)轉(zhuǎn)速；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)域統(tǒng)計(jì)了每一環(huán)原料用量，并存儲(chǔ)了歷史數(shù)據(jù)信息，可導(dǎo)出為EXCEL 表格查看。

圖2 泡沫上位機(jī)界面

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制流程

泡沫系統(tǒng)運(yùn)行的前提條件是首先確保配電斷路器、變頻器、原液和供水正常。當(dāng)滿足以上條件后，首先進(jìn)行原液與水配比參數(shù)設(shè)置；下一步進(jìn)行混合液液位判斷，當(dāng)液位低限時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)按配比好的參數(shù)控制原液泵的輸出，加水和原液，達(dá)到高液位時(shí)停止補(bǔ)給；然后操作手根據(jù)需要選擇所需注入的通道，按下啟動(dòng)按鈕，混合液電機(jī)和空氣電動(dòng)閥運(yùn)行以向開(kāi)挖倉(cāng)注入泡沫。電氣控制流程如圖3 所示。

圖3 泡沫系統(tǒng)工作流程

2.2 程序設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)使用了西門子Portal 軟件進(jìn)行PLC 的編程和組態(tài)，主要采用的是LAD（梯形圖）和SCL（結(jié)構(gòu)化控制語(yǔ)言）兩種編程語(yǔ)言。LAD 梯形圖編程直觀易懂，有著很好的邏輯性和可維護(hù)性，在進(jìn)行開(kāi)關(guān)量邏輯控制時(shí)優(yōu)勢(shì)突出。SCL 是作為一種高級(jí)編程語(yǔ)言，非常適合于下列任務(wù)：①?gòu)?fù)雜的計(jì)算功能；②復(fù)雜的數(shù)學(xué)函數(shù)；③數(shù)據(jù)的管理；④過(guò)程的優(yōu)化[4]。

程序采集數(shù)字量輸入模塊的實(shí)體按鈕的啟動(dòng)和停止信號(hào)、配電斷路器的開(kāi)關(guān)和閉合信號(hào)、泡沫原液罐的液位信號(hào)、泡沫混合液罐的液位信號(hào)；模擬量輸入模塊的泡沫進(jìn)水壓力信號(hào)、泡沫進(jìn)水流量信號(hào)、泡沫原液流量信號(hào)、泡沫混合液變頻器輸出速度信號(hào)。程序根據(jù)采集到的信號(hào)判斷泡沫系統(tǒng)是否滿足正常運(yùn)行條件，將不滿足條件的信號(hào)以報(bào)警信息顯示在觸屏上以供操作手排除故障；滿足系統(tǒng)條件后程序以收到觸摸屏的設(shè)置參數(shù)，開(kāi)啟補(bǔ)水閥和泡沫原液泵電機(jī)，按照程序內(nèi)的功能塊fbPumpPID 實(shí)現(xiàn)泡沫原液泵的PID 控制。原液流量計(jì)與給定值其中給定值（由觸摸屏設(shè)定的配比參數(shù)和水流量計(jì)算所得）進(jìn)行比對(duì)，通過(guò)程序內(nèi)PID 計(jì)算后以0～10 V 電壓信號(hào)傳遞給變頻器控制其輸出頻率，從而控制原液電機(jī)的轉(zhuǎn)速。泡沫原液PID負(fù)反饋控制原理如圖4 所示。

圖4 泡沫原液PID 負(fù)反饋控制原理

圖中PID 控制器計(jì)算原理為：誤差信號(hào)ev（t）進(jìn)入PID 控制器后進(jìn)行運(yùn)算：

式（1）中，控制器的輸入信號(hào)ev（t）=sp（t）-pv（t）；sp（t）為設(shè)定值；pv（t）為過(guò)程變量（反饋值）；mv（t）是控制器的輸出信號(hào)；K為比例系數(shù)；TI為積分時(shí)間常數(shù)；TD為微分時(shí)間常數(shù)；M 是積分部分的初始值。

采樣離散化后的差分近似表達(dá)式為：

式（2）中，TS為采樣周期。

PID 控制的有點(diǎn)是：①不需要被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型；②結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于構(gòu)建，程序開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)潔，計(jì)算處理工作量小，各變量均有確切的物理意義，變量調(diào)整方便快捷；③有極佳的敏捷性和適用性。

在程序設(shè)定過(guò)程中只需要設(shè)定K、TI、TD及TS即可。4 個(gè)參數(shù)的意義和調(diào)整總原則為：

（1）K 的影響：比例調(diào)節(jié)可以根據(jù)誤差的大小成比例的作出速度調(diào)節(jié)，有助于降低系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。但比例調(diào)節(jié)的參數(shù)值不宜設(shè)置的過(guò)大，當(dāng)K 值過(guò)大時(shí)會(huì)破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。應(yīng)選取適當(dāng)?shù)谋壤齾?shù)值，避免過(guò)小的K 值造成系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度過(guò)慢。

（2）TI的影響：積分調(diào)節(jié)的作用是用來(lái)消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差。積分作用的強(qiáng)弱與TI的大小成反比，但這不意味著積分作用越強(qiáng)越好，積分作用太強(qiáng)會(huì)使控制不平穩(wěn)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目情況正確取用。

（3）TD的影響：微分調(diào)節(jié)根據(jù)是誤差發(fā)展的趨勢(shì)，預(yù)先走出相應(yīng)的調(diào)節(jié)。但微分作用過(guò)強(qiáng)，也會(huì)造成系統(tǒng)失穩(wěn)。此參數(shù)應(yīng)根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目而作出相應(yīng)調(diào)整。

（4）TS采樣周期：需考慮傳感器的采樣周期[5]。

3 應(yīng)用實(shí)例

應(yīng)用于某市的地鐵換乘站項(xiàng)目的土壓平衡矩形頂管機(jī)，在對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行地質(zhì)分析主要為粉細(xì)沙層（含云母、氧化鐵、有機(jī)質(zhì)、局部粉夾土）和粉質(zhì)黏土層，整機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)增加了泡沫土壤改良系統(tǒng)。泡沫系統(tǒng)采用7 個(gè)ABB 變頻器，其中1 個(gè)控制泡沫原液電機(jī)轉(zhuǎn)速，6 個(gè)控制泡沫混合液電機(jī)轉(zhuǎn)速。在設(shè)置變頻器參數(shù)時(shí)，根據(jù)負(fù)載特性和應(yīng)用需求，其中部分參數(shù)可以直接采用變頻器標(biāo)準(zhǔn)宏自帶參數(shù)，只需對(duì)部分參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。變頻器的主要設(shè)置參數(shù)見(jiàn)表1[6]。

表1 變頻器參數(shù)設(shè)置

在工廠進(jìn)行了泡沫系統(tǒng)調(diào)試后應(yīng)用于項(xiàng)目工地，主要考察了泡沫系統(tǒng)的發(fā)泡效果和穩(wěn)定性。該項(xiàng)目的泡沫運(yùn)行穩(wěn)定，發(fā)泡效果達(dá)到預(yù)期，應(yīng)用效果如圖5 所示。

圖5 應(yīng)用效果

4 結(jié)語(yǔ)

基于PLC 和變頻技術(shù)的泡沫控制系統(tǒng)，集采樣、計(jì)算、報(bào)警、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、報(bào)表導(dǎo)出和遠(yuǎn)程在線診斷等功能于一體，實(shí)現(xiàn)泡沫混合液罐的自動(dòng)補(bǔ)給和停止，原液與水按預(yù)定配比進(jìn)行配方。經(jīng)過(guò)工廠數(shù)次試驗(yàn)并應(yīng)用于工程項(xiàng)目，該系統(tǒng)泡沫發(fā)泡效果與控制精度都達(dá)到預(yù)期的效果，達(dá)到降本增效的目的。由于PLC 和變頻器對(duì)周圍環(huán)境要求苛刻，使得該方案的使用場(chǎng)景受限，相信隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步未來(lái)一定有更加完善的方案問(wèn)世。