盾構關鍵部件在線監測與遠程診斷技術研究

趙 炯，王 偉，鄭 晟，侯曉夢，唐 強

ZHAO Jiong, WANG Wei, ZHENG Sheng, HOU Xiao-meng, TANG Qiang

（同濟大學 機械電子工程研究所，上海 201804）

盾構關鍵部件在線監測與遠程診斷技術研究

Study of on-line monitoring and remote diagnosis techinique of the key components of shield machine

趙 炯，王 偉，鄭 晟，侯曉夢，唐 強

ZHAO Jiong, WANG Wei, ZHENG Sheng, HOU Xiao-meng, TANG Qiang

（同濟大學 機械電子工程研究所，上海 201804）

為了提高盾構的使用效率，提出了一種對于盾構關鍵部件的在線監測與遠程診斷技術，并且詳細闡述了其總體設計方案以及有關液壓油溫雜質、軸承故障等幾個子系統的具體設計內容。

盾構；在線監測；遠程診斷

0 引言

盾構機是一種挖掘隧道的專用機電液一體化設備。在盾構施工過程中，由于施工環境惡劣，加上其本身結構龐大和高度集成，使設備在機械、液壓和電氣方面出現故障的頻率較高，且對這些故障進行排除存在一定的困難。

現在故障排除手段仍主要依賴于人工檢修，故障及時修復率較低。隨著當前城市軌道交通和基礎設施建設速度的加快，盾構施工往往呈現點多面廣的特點，發生故障后維修人員難以及時到達現場，而且各施工隊伍相關設備及維修技術力量參差不齊，給盾構的檢修帶來很大困難。因此對于盾構關鍵部件在線檢測和遠程智能診斷技術的研究有強烈的現實意義。

本文提出了一種對于盾構關鍵部件在線監測與遠程診斷的技術，通過對盾構的關鍵和易發生故障部位的監控，可以及時了解設備運行狀態，提防技術人員誤操作，減小施工風險，并且能夠通過智能專家系統檢索查詢故障原因和相應的解決方法。

1 系統功能

本系統能夠實現對施工中的盾構關鍵部件的在線監測與遠程診斷，相當于給盾構機裝上一個千里眼，所實現的功能如下：

人機交互，機器通過顯示設備LED顯示屏給工作人員提供各種信息，工作人員通過輸入設備鍵盤或觸摸屏給機器輸入有關命令，實現人與機器的有效對話。

顯示，將盾構當前運行狀態和各種參數以某種形式實時、動態地顯示在屏幕上。

更新，用各種最新數據實時更新系統的數據庫。

診斷報警，通過對數據的實時監測和分析，可以及早地發現隱患和報警。

檢索查詢，借助長年的數據積累以及專家智能系統可以檢索查詢故障原因與維修方法。

2 系統總體結構

在線監測和遠程診斷系統通過對盾構的關鍵部件的實時在線監測和遠程監控，能夠及時獲取設備的狀態參數，了解設備關鍵零部件的使用情況。本系統旨在將企業內，甚至行業內的專家資源整合起來，對盾構的維修和日常問題的解決提供專家級的經驗和指導，并提供專家技能目錄，員工遇到解決不了的技術問題，可以自己從系統中找到解決方案。這樣能夠大大提高員工解決問題的能力和企業的生產效率，并充分利用已有的經驗、知識和技能，解決目前盾構施工中存在的現場維修能力差、故障解決周期長、直接影響施工進度的現實問題。系統整體設計如下圖1所示：

圖1 系統整體設計示意圖

由圖1可知，系統分為兩大部分，即機載監控中心和遠程監控與診斷中心。機載監控中心是由盾構機以及其上的嵌入式機載監控子系統組成。遠程監控與診斷中心的主要功能是監控、預警、遠程故障診斷等。本地機載和遠程監控中心之間的通信可以采用光纖通信、無線電波通信和衛星通信等方式。

盾構機是由刀盤系統、推進系統、電氣系統、潤滑系統、螺旋機系統和注漿系統等組成的復雜機、電、液設備，擁有上萬個零部件。根據對上海盾構公司近20年故障歷史記錄的分析，并綜合考慮盾構中各部件對盾構施工影響的重要程度和維護成本，項目第一期選取刀盤驅動系統、液壓系統和電控系統作為研究對象，實現數據采集和在線監測。

刀盤驅動系統檢測關鍵部件包括主軸承、減速箱和主電機。作為盾構機核心部件之一的主軸承起著支撐盾構刀盤并使其回轉切削土層的作用。其運行狀態直接影響盾構的施工，一旦因故障停機，將影響施工進度，造成巨大的經濟損失和嚴重的后果。造成主軸承損壞大多是人為引起，而不是零件已經達到使用壽命。而且主軸承在特別工況下出現早期失效的情況居多，這些特別工況包括：潮濕環境；泥沙進入軸承，加速了零件磨損；潤滑油系統污染；側載，造成軸承局部超載問題；銹蝕發展。另外由于主軸承轉速低，低于1.0r/min，且受載小，因此分析軸承故障的現象時也要考慮潤滑油是否進水、進沙等判斷主軸承是否發生特別工況，以進行早期的預防。本系統監測主軸承運行狀態的振動參數，擬在主軸承水平、垂直和軸向三個方向上安裝專業的低頻加速度傳感器，采用加速度包絡算法提取特征參數，由上位機屏幕顯示軸承的振動頻譜圖，分析主軸承的趨勢走向并判斷是否出現故障。減速箱實現以一定的傳動比來傳遞電機的輸出扭矩，其常見故障為減速箱有異常聲音和異常溫升，這些均能引起異常振動。盾構刀盤的轉動動力是由刀盤驅動液壓回路提供，主驅動電機驅動主油泵為液壓馬達供油，一般盾構機上主電機有7對，共14臺，因此主電機損壞將影響盾構施工進程。

根據盾構歷史故障記錄顯示，電控系統故障超過95%以上均與傳感器故障有關?，F有盾構機安裝有約300個傳感器，由PLC控制系統控制操作，故障形式有兩種情況：一是傳感器已經損壞，無法讀數，或者傳感器顯示的數值基本不變；二是由于各種原因，比如老化、惡劣環境下使用，使傳感器傳遞數值偏離正常范圍，出現較大誤差，無法作為參考值。針對這兩種故障形式，擬建立傳感器正常運行時數值顯示范圍的藍本作為對照，編寫程序以查詢方式檢查各傳感器傳輸數值是否跟藍本有出入，考慮到干擾因素，規定有出入的次數作為程序判斷該傳感器出故障的條件。

盾構作為大型工程機械設備，它的刀盤系統、仿形刀系統、推進系統等都采用液壓傳動的形式，如盾構的向前移動需要依靠盾中的推進液壓缸來實現，推進系統既要滿足盾構推進力的要求，又要完成盾構推進速度、方位的控制。所以液壓系統是盾構檢測系統重點監測部分。根據盾構使用的歷史故障記錄顯示，液壓系統常見的故障有：液壓系統漏油，泵故障，油馬達故障，各種閥（如換向閥、溢流閥、單向閥等）故障。

由前面的說明分析可知，本系統異常復雜，涉及機械、電工電子、數據庫、通信等領域，因此有必要將復雜的系統細化，進行模塊化處理，以提高系統的可實現性與使用的靈活性。系統的模塊化設計框圖如圖2所示。

圖2 系統模塊化設計框圖

系統各模塊主要分成硬件部分和軟件部分。硬件部分主要包括設備狀態檢測模塊設計、控制器及外圍電路模塊設計；軟件部分主要包括故障特征采集、傳輸、提取及保存的程序編制，各項功能數據庫的構建，智能診斷程序編制，人機界面程序編制等。

3 機載子系統設計

圖1中每臺盾構機上機載監控子系統的功能按層次主要由四部分組成，如圖3所示，其中需要解決的關鍵問題從底層到上層分別是：實時數據采集、數據采集接口與驅動程序的設計、數據庫設計和查詢預測算法的確定。

圖3 機載監控與故障診斷子系統組成框圖

下面以盾構的液壓系統為例，具體說明一下此系統的設計過程。由于盾構機械作為世界上先進的大型施工設備，本身具有一定的檢測功能，如液壓系統的壓力和流量檢測。因此，我們主要解決液壓油污染度和油溫檢測問題。

3.1 數據采集和傳輸

盾構施工中惡劣的工作環境條件使得其液壓系統極易被污染，調查顯示，液壓系統中75%左右的故障是由油液污染引起的。盾構機液壓油污染主要由泥土或金屬顆粒物引起?，F階段油液污染度檢測的主要手段有鐵譜法、光譜法、稱重法、顯微鏡比較法、顆粒計數法等。其中前4種方法其設備都是人工取樣的離線檢測，雖然準確度比較高，但成本高、周期長且受人為因素和環境因素的影響大。顆粒計數法雖然能夠實現在線測量，但多數的顆粒計數器還是出自像美國HIAC這樣的國外品牌，價格昂貴。由于盾構機械上有眾多的液壓系統和液壓元件，考慮到技術經濟性、應用前景及推廣價值等方面，采用自動顆粒計數監測儀較昂貴，而且完全消除油液中顆粒是不可能的。根據Beer—Lambert吸收定律，本系統采用一種遮光式液壓系統污染度在線監測設計方案。監測系統的工作原理如下所述。

當光照射到油液及固體顆粒污染物組成的懸浮液時，將出現夫瑯和費衍射現象。光的一部分能量被吸收，另一部分發生散射，其余的則穿過懸浮液體，這三部分的比例與懸浮液中固體顆粒污染物的濃度有關。當一束光強為I0的平行單色光入射到污染油液中時，受到顆粒散射和吸收的影響，經過L距離后光強將衰減為I，入射光強I0和透射光強1之間遵守Beer—Lambert吸收定律：

I=I0e-τL

式中τ為衰減系數，與污染物的直徑、尺寸分布、光源的波長、油液的相對折射率及被測油池管壁材料和溫度有關。若已知光源強度與測得的衰減后的光強，就可以求得入射光通過被測油液的相對衰減率，而相對衰減率的大小能反應油液的污染程度。監測系統光電傳感器工作原理如圖4所示。

圖4 光電傳感器工作原理

當入射光波長及光強 確定后，接收光強 與油液的污染度有關，用光電轉換元件將 轉變為電壓信號并加以處理，便可以得出油液的污染度。在系統調定后，隨著工作油液污染度的增加，其飽和透光率越來越小，一定的電壓值范圍將對應某一污染度范圍。對各種污染度等級的標準液壓油分別進行試驗，可得出液壓油污染度與飽和透光率對應關系。

監測系統設計框圖如圖5所示（實線表示液壓油路，虛線表示信號電路），將監測裝置并聯在泵站及壓力控制回路中泵的出口。為了控制通過監測裝置的油液的流速和流量，在裝置的入口串入了調速閥，確保通過監測裝置的油液流動處于層流狀態。選取常用牌號油液，然后按ISO4406標準配制各污染度等級的標準油樣，對各污染度等級懸浮液在室溫下進行光電傳感試驗，得出油液透光率與污染度等級的關系曲線，從而確定油液污染度等級與智能光電傳感器輸出電壓的關系，把此關系固化在系統ROM中。當液壓系統運行時，泵排出的油液一部分通過監測系統，當油液污染度發生變化時，智能光電傳感器的輸出也隨之變化。采樣某時刻智能光電傳感器的輸出，送入微處理器經過數字濾波后通過查表便可確定油液的污染度等級，并通過LED顯示。此外當油液污染度接近允許的最大值時，系統將會發出報警信號，提醒操作人員停機待修或進行其它相關處理。鍵盤用來選擇油液品種、系統初始化等。

圖5 監測系統組成框圖

在液壓系統中，輸入功率往往要大于輸出功率，從能量守恒定律角度推算，損失的能量轉變為熱量，被油液和液壓元器件吸收，從而導致油溫上升。根據有關文獻記錄，液壓系統油溫一般不超過55℃，當超過60℃時會影響液壓油品質和機器的正常使用，另外由于盾構機油溫上限聯鎖，當油溫升高到設定的極限時，將會迫使盾構機停止工作等待油溫下降，影響了工程掘進進度，因此液壓油油溫檢測也是非常有必要。本系統擬設計一種油溫自動監控系統，確保液壓傳動系統在正常溫度范圍內工作，如圖6所示。

圖6 油溫自動監控原理

在液壓油循環冷卻散熱裝置前，安裝2個自動電控油閥A閥、B閥，油溫傳感器在線監測油溫，此傳感器安裝在油路中，直接檢測液壓油的實際溫度，并將溫度反饋給CPU智能處理單元，CPU智能處理單元將檢測到的實際溫度與設定溫度（即理論設計溫度）進行比較，再相應調整A、B、C閥的開度，當油溫正常時，B閥工作，A閥關閉；當油溫較高時，適當開啟A閥，B閥適當關閉，設計時注意A閥、B閥的開啟與關閉時，流量Q保持平衡，防止液壓系統產生背壓。當系統油溫高時，A閥全開啟，B閥關閉。如果油液循環全部經散熱裝置，油液溫度還是高時，開大C閥或C閥全開，加大冷卻介質循環流量，以保證正常油液工作溫度。A閥，B閥，C閥的開啟程度通過CPU智能處理單元控制，智能單元的命令的發出，來自溫度傳感器監測溫度的高低，通過智能神經系統單元對比處理，實現動態熱平衡溫度即系統正常工作溫度。

3.2 數據接口驅動

圖7 故障樹示例

針對相應關鍵部件設計相關傳感器檢測電路，設計數據I/O接口電路，并編制通用程序，實現對檢測特征量采集、處理和存儲等操作，以總線方式將采集數據存入上層數據庫中。

3.3 中心數據庫

實時存儲盾構系統運行狀態特征信息，中心數據庫包括專家系統數據庫、預警上下閾值數據庫、設備數據基礎數據庫，同時實現與遠程監控中心數據庫同步更新。以及與盾構現有數據庫如探地雷達數據庫等相互融合和調用。

3.4 查詢、預測及顯示

本系統能在設備發生故障或將要發生故障時進行預警。另外用戶可以隨時查詢本機狀態、預警等信息。程序可以根據用戶提供的故障現象，根據故障樹分析法給出每層原因即中間事件，用戶可以依據這些中間事件，層層檢索直至找到底事件即故障的原因，并且程序也可以根據用戶需要顯示底事件的專家解決辦法。

應用故障樹分析方法（Fault Tree Analysis簡稱FTA）對故障診斷系統整體架構進行分析，并按照現象～故障～結構的順序依次確定盾構故障的物理位置，生成故障樹，示例如圖7所示。

4 遠程監控與診斷中心設計

通過有效通信手段，遠程監控與診斷中心能夠有選擇地實時收集遠程各臺施工中的盾構的狀態數據，分析和確定各臺設備的當前工作狀況。當現場設備發生故障或故障征兆，現場的維護人員難以對其作出診斷和維修時，通過網絡與遠端故障診斷中心建立連接，由遠端診斷中心的設備專家和診斷系統對其進行診斷，在短時間內調動入網的所有資源，實現對設備故障的及時診斷與維修。遠程監控中心的軟件系統還提供盾構機工作狀況統計功能和詳細的查詢功能，并能根據所收集到的數據，利用智能庫信息預計指定盾構設備中所檢測關鍵部件的使用壽命，在適當時間給出預警信息。

5 結束語

本文從一個具體項目出發，闡述了盾構機關鍵部件在線監測與遠程診斷技術的總體研究設計。涉及到的關鍵技術有：系統模塊化設計、狀態信息的有效獲取、盾構施工在線監測及遠程診斷數據庫管理、盾構施工故障智能診斷、盾構性能預測技術研究等。技術開發上，對于多傳感器系統同步、數據接口及驅動程序編制、數據庫設計等方面需要處理的問題，開發出設備狀態實時監測和數據維護系統。預期的研究成果具有提高經濟效益的作用和推廣應用價值。

[1] 周奇才,葉琛.探地雷達在盾構施工中的應用原理和實驗分析研究[J].中國盾構施工學報,2005(3):345-348.

[2] 劉宏志.TBM及盾構機設備狀態監測與故障診斷使用技術綜述[J].隧道建設,2007(06):86-88.

[3] Wick M R,Slage J R.An explanation facility for today's export systems[J].IEEE Export,1989,4(1):26-36.

[4] Wick,M R,Dutta P.Reconstructive explanation:A case study intergral calculs.Export System with Application [J].1995,8(4):463-473.

[5] 曹鵬舉,李純仁.液壓系統污染度在線監測系統設計[J].空軍雷達學院學報,2009,23(3):194-196.

[6] 鄧經緯,匡華云.大型機械液壓油污染分析及在線監測技術[J].液壓與氣動,2006,(12):76-78.

[7] 陳先中.掘進機故障診斷專家系統研究[J].煤礦自動化,19(2):16-18.

[8] 周奇才,崔濤等.盾構施工中地質情況超前預報的雷達探測研究[J].中國盾構施工學報,2006(30):54-60.

TP273

A

1009-0134(2010)12(上)-0001-05

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.12(上).01

2010-06-17

趙炯（1963 -），男，江蘇蘇州人，副教授，博士，研究方向為計算機網絡通信協議和物流自動化控制系統等。