馮思維，于 軍，張建敏

（江漢大學(xué)，武漢 430056）

0 引言

地下水和滲漏水是影響工程使用效果、壽命以及隧道安全的主要因素之一［1］。為了避免地鐵隧道被地下水侵蝕，減少周圍土層結(jié)構(gòu)的沉降，增強(qiáng)隧道整體結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)耐久性與穩(wěn)定性，在地鐵隧道施工及維修過程中灌漿是必須的過程。

灌漿工藝可以調(diào)節(jié)地質(zhì)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)地層的強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)防水、調(diào)節(jié)地面的水平度，是地下巖土工程建設(shè)中不可或缺的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)［2-3］。1884年英國工程師將灌漿法引入隧道開挖工程中，灌漿理論也隨著灌漿法的發(fā)展而產(chǎn)生［4］。灌漿過程主要分為以下幾個(gè)步驟：鉆孔、沖孔、灌漿、收孔［5］。在灌漿過程中，某些工藝要求對灌漿壓力的控制非常嚴(yán)格，以保障地面的水平或地質(zhì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度［6］。灌漿工藝分為循環(huán)式和純壓式兩種。循環(huán)式灌漿是指漿液始終保持循環(huán)，進(jìn)入孔段的漿液一部分進(jìn)入地層裂隙擴(kuò)散，余下漿液返回地面可重復(fù)使用；純壓式灌漿是漿液向地層裂隙擴(kuò)散，人為控制不讓漿液返回［7］。循環(huán)式灌漿多使用閥控，多用于水利工程中；純壓式灌漿多使用泵控，適用于大裂隙、大滲透量的地層，多用于微擾動(dòng)灌漿、地鐵隧道維修中［8］。

本系統(tǒng)應(yīng)用對象為地鐵隧道維修，以純壓式灌漿為主要研究對象［9］，使用泵控?zé)o回漿結(jié)構(gòu)。針對此應(yīng)用場景設(shè)計(jì)專用控制器，并對控制算法進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)出一款更加穩(wěn)定的灌漿壓力控制系統(tǒng)。

1 總體方案

純壓式灌漿壓力控制系統(tǒng)使用單片機(jī)控制變頻器，變頻器輸出頻率量控制泵的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制管道內(nèi)水泥漿液的流量，間接控制管道內(nèi)的壓力。系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 壓力控制灌漿系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

微控制器是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，完成變頻器的控制量輸出，壓力信號的采集，控制算法的運(yùn)行。本系統(tǒng)選用STM32F103RCT6 單片機(jī)，具有小尺寸、高性能、外部接口豐富等特點(diǎn)［10-11］。控制器與上位機(jī)使用CAN 通信，CAN總線通信成本低、實(shí)時(shí)處理能力強(qiáng)、在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下工作可靠［12-14］。系統(tǒng)使用變頻器對電機(jī)進(jìn)行控制，采用轉(zhuǎn)速控制模式，直接控制灌漿流量，間接控制灌漿壓力。人機(jī)交互界面由西門子HMI屏幕和面板按鈕組成，方便現(xiàn)場工人進(jìn)行控制。

2 硬件設(shè)計(jì)與選型

硬件部分主要包括主控制板、變頻器、人機(jī)交互界面、上位機(jī)。其中以主控制板作為核心，變頻器為執(zhí)行器件，對被控對象進(jìn)行控制。

2.1 主控制板

主控板上需要有的各個(gè)模塊，主要是圍繞著單片機(jī)小系統(tǒng)電路、電源電路、通信電路（CAN 和RS485）、開關(guān)量輸入輸出電路、A／D、D／A 電路。如圖2 所示。主控制板上有兩個(gè)串口通信電路，分別與HMI設(shè)備和變頻器通信，使用RS485 串行總線標(biāo)準(zhǔn)；一個(gè)CAN 通道，與上位機(jī)進(jìn)行通信；8 個(gè)24 V開關(guān)量輸入和8 個(gè)24 V開關(guān)量輸出，用來檢測面板上各按鈕狀態(tài)、控制繼電器和指示燈；8 個(gè)A／D采樣通道，采集壓力傳感器信號，壓力傳感器產(chǎn)生的4 ～20 mA 信號通過信號隔離器變?yōu)? ～5 V 的電壓信號輸入單片機(jī)。

圖2 主控電路板模塊

2.2 關(guān)鍵器件選型

變頻器型號為臺達(dá)變頻高性能電流矢量型變頻器G500型，額定輸出功率為15 kW。單片機(jī)通過串口與變頻器通信，使用Modbus RTU 協(xié)議，單片機(jī)為主機(jī)，變頻器為從機(jī)。單片機(jī)向變頻器發(fā)送控制命令和數(shù)據(jù)讀取命令。選用速度控制模式。

西門子Smart 700 觸摸屏是一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場人機(jī)交互的屏幕系統(tǒng)。HMI 屏幕型號為西門子SMART LINE 700 IE。單片機(jī)與屏幕通過串口通信，使用Modbus RTU協(xié)議，HMI設(shè)備為主機(jī)，單片機(jī)為從機(jī)。HMI 設(shè)備輪詢發(fā)送讀取數(shù)據(jù)命令和控制命令，周期為1 s。屏幕上可以顯示實(shí)時(shí)灌漿壓力、灌漿流量、工作時(shí)間、變頻器的頻率等關(guān)鍵數(shù)據(jù)；同時(shí)可以由人工設(shè)定需要的灌漿壓力或者選擇自動(dòng)灌漿模式，以便現(xiàn)場工人可以實(shí)時(shí)控制。

上位機(jī)為PC設(shè)備，使用LabVIEW 軟件作為開發(fā)工具。在PC機(jī)上實(shí)時(shí)顯示各種信息。LabVIEW 使用圖形化編程語言編寫程序，操作方便靈活，程序移植性強(qiáng)［15］。利用CAN 通信實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)試功能以及灌漿數(shù)據(jù)收集的功能。主要信息：流量（由轉(zhuǎn)速和排量換算）；壓力（由壓力傳感器直接采集）；吃漿量（實(shí)時(shí)估計(jì)產(chǎn)生）；流體總剛度；變頻器控制量；工作階段中的設(shè)定壓力和實(shí)際壓力差。提供以上信息進(jìn)行后續(xù)處理和算法優(yōu)化。

主控板電路部分依據(jù)系統(tǒng)要求進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，主要是對壓力信號、面板開關(guān)信號的采集，對變頻器控制量的輸出。變頻器采用轉(zhuǎn)速控制模式，控制管道內(nèi)流量進(jìn)而控制管道內(nèi)壓力。人機(jī)界面上顯示各種關(guān)鍵參數(shù)，輸入設(shè)定值。上位機(jī)接收存儲相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行后期分析，方便調(diào)試。

3 軟件與算法設(shè)計(jì)

軟件部分包括硬件驅(qū)動(dòng)程序和控制算法程序。由于地鐵灌漿施工過程中，地層中的裂縫逐漸被水泥漿液填滿，地層的吸漿性在不停地變化，對控制穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，于是決定定義參考剛度來描述與估計(jì)地層的吸漿性。

3.1 參考剛度

根據(jù)實(shí)際過程中參數(shù)變化，轉(zhuǎn)換為兩個(gè)參數(shù)：參考剛度Kα和壓力誤差E。通過這兩個(gè)參數(shù)因素，調(diào)節(jié)PID參數(shù)，再將當(dāng)前的PID參數(shù)引入PID算法，得到控制量。參考剛度Kα定義如下：

式中：P為管道中的實(shí)際壓力；Q 為變頻器當(dāng)前輸出的頻率值。

參考剛度Kα的物理意義為水泥漿在地下的滲透能力，在一定壓力下，地層裂隙越大，則水泥漿越容易滲透，流量越大，參考剛度Kα越小。在灌漿過程中，地層裂隙被逐漸填滿，水泥漿滲透能力減弱，Kα逐漸增大。在程序運(yùn)行中，流量值無法直接得到，由于使用泵控，則變頻器輸出的頻率值和管道內(nèi)流量成正比，則參考剛度可等價(jià)于壓力和變頻器頻率之比，如式（2）所示。

式中：Pfreq為變頻器實(shí)時(shí)輸出頻率，由變頻器通過串口發(fā)送給單片機(jī)。

通過參考剛度可以估計(jì)水泥漿的滲透能力，修正控制參數(shù)。

3.2 變結(jié)構(gòu)PID的實(shí)現(xiàn)

在程序運(yùn)行時(shí)，由壓力傳感器采集數(shù)據(jù)，得到此時(shí)壓力值，并與上一次壓力值進(jìn)行比較，得到偏差E，由壓力值和輸出變頻器頻率得出參考剛度Kα，根據(jù)兩者大小選擇PID參數(shù)，將偏差E輸入增量式PID 公式，得出控制量，發(fā)送給變頻器運(yùn)行。控制算法流程如圖3 所示。與傳統(tǒng)PID的不同之處：根據(jù)參考剛度Kα和壓力誤差E自適應(yīng)地選擇不同的PID 參數(shù)，使整個(gè)控制結(jié)構(gòu)成為變結(jié)構(gòu)PID控制。通過對自適應(yīng)算法的引入，克服了灌漿過程中參數(shù)變化帶來的影響，可以改善控制效果。

圖3 核心控制算法流程

4 調(diào)試過程及結(jié)果

將該灌漿壓力控制系統(tǒng)拿到現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，壓力值上下波動(dòng)非常厲害，使得壓力控制非常困難。在控制程序中加上濾波程序后，壓力波動(dòng)幅度仍然較大，濾波效果不明顯。

4.1 調(diào)試過程

經(jīng)分析可知，由于灌漿系統(tǒng)中，泵的類型為柱塞泵，壓力會(huì)周期性上下波動(dòng)。項(xiàng)目的實(shí)際要求：壓力最大值不要超過其設(shè)定值，以防止因壓力過大導(dǎo)致地層斷裂、抬動(dòng)和變形等。結(jié)合實(shí)際要求，決定將控制重點(diǎn)放在控制壓力最大值。

為了簡化程序，系統(tǒng)增加了一個(gè)行程開關(guān)。當(dāng)柱塞泵向外推到接近最外端時(shí)，觸發(fā)行程開關(guān)，行程開關(guān)發(fā)出一個(gè)低電平信號給單片機(jī)，此時(shí)單片機(jī)開始采集壓力值。即通過行程開關(guān)的運(yùn)動(dòng)狀況采集系統(tǒng)需要的最大壓力值，大大簡化了數(shù)據(jù)處理要求。將壓力傳感器和行程開關(guān)連上示波器觀察可知：柱塞泵在柱塞的一次往返運(yùn)動(dòng)中，壓力會(huì)有一高一低兩個(gè)峰值，其中更高的峰值為柱塞往外推到極限時(shí)對應(yīng)的壓力值；在行程開關(guān)觸發(fā)時(shí)，正好可以采集到壓力最大峰值。

4.2 控制效果對比

灌漿壓力的控制要求是管道內(nèi)壓力值盡可能地接近設(shè)定壓力值，但不能超過設(shè)定壓力值。在灌漿進(jìn)行過程中，地層的吸漿性會(huì)越來越差?，F(xiàn)場測試時(shí)，分別使用傳統(tǒng)PID 控制與變結(jié)構(gòu)PID控制，將單片機(jī)采集到的壓力值描點(diǎn)繪圖，如圖4所示，此時(shí)設(shè)定壓力值為350 kPa。圖中橙色線為傳統(tǒng)PID控制，藍(lán)色線為變結(jié)構(gòu)PID控制。從圖中可以看出，在灌漿進(jìn)行一段時(shí)間之后，傳統(tǒng)PID 控制的灌漿壓力便會(huì)出現(xiàn)失控情況，最高壓力超過設(shè)定壓力，不符合設(shè)計(jì)性能要求；變結(jié)構(gòu)PID控制的灌漿壓力可以一直穩(wěn)定在設(shè)定壓力之內(nèi)，穩(wěn)定性更好。通過增加行程開關(guān)和使用變結(jié)構(gòu)PID控制，控制效果有顯著提升，壓力相較于改進(jìn)之前更加穩(wěn)定，能更好地滿足設(shè)計(jì)需求?，F(xiàn)場測試，壓力0.5 MPa以下時(shí)，誤差小于0.05 MPa；壓力0.5 ～1 MPa時(shí)，誤差小于0.1 MPa；壓力1 MPa 以上時(shí)，誤差小于0.15 MPa。性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 傳統(tǒng)PID控制與變結(jié)構(gòu)PID控制效果對比

5 結(jié)束語

本文基于純壓式灌漿設(shè)計(jì)了一款地鐵隧道灌漿壓力控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要功能：動(dòng)態(tài)檢測灌漿壓力并對其進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，顯示灌漿關(guān)鍵參數(shù)并記錄存儲和上位機(jī)記錄調(diào)試功能。硬件部分使用單片機(jī)作為主控，西門子HMI設(shè)備為人機(jī)交互單元，PC 機(jī)作為上位機(jī)，使用變頻器速度控制模式直接控制管道內(nèi)流量，間接控制管道內(nèi)壓力。算法部分在傳統(tǒng)PID控制的基礎(chǔ)上定義引入?yún)⒖紕偠菿α，根據(jù)偏差E和Kα的大小選擇不同的PID控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)變結(jié)構(gòu)PID控制。相比于傳統(tǒng)PID控制，提高了控制精度，減少了壓力波動(dòng)，解決了傳統(tǒng)PID控制精度較差、穩(wěn)定性較弱的問題。解決了壓力灌漿過程中由于地層吸漿性和水泥滲透性變差引起的灌漿壓力不穩(wěn)定問題，在灌漿進(jìn)行的過程以及不同地質(zhì)條件下均能穩(wěn)定控制灌漿壓力，將誤差穩(wěn)定在設(shè)定值之內(nèi)，達(dá)到實(shí)際項(xiàng)目中工程控制要求。