WinCC遠程監控系統在盾構機上的應用

邵濟舟

（中國鐵建重工集團有限公司，湖南 長沙 410100）

隨著國家基礎建設的大力投入，大中型城市的地鐵建設得到了快速發展，盾構施工法作為一種快速高效的隧道施工法得到了廣泛推廣，特別是在城市地鐵隧道。由于盾構法施工占道少，在地面下施工大大減少了噪音對周圍生活環境的影響，因此該施工法在城市地鐵施工中占絕對優勢。盾構施工法使用的設備——盾構機是集成機械、液壓和電氣自動化的一臺超大型設備，結構邏輯復雜，出現故障是在所難免的，所以為了降低故障率、減少盾構機在掘進中的停機時間、節約成本等原因，需要專業的技術人員實時監控盾構工作過程數據并進行盾構機日常維護。又由于地層構造的復雜多樣化，盾構司機在不同的地段需要采取不同的掘進策略。如果有專業人員實時監視盾構掘進狀態，協助盾構司機對掘進策略進行實時調整，就可以大大減少施工風險，為項目減少大量沒必要的損失。所以遠程監控和診斷在盾構施工中的應用成為了必然的趨勢。長沙軌道交通1號線——中鐵十二局標段的兩臺盾構，采用了遠程監控技術。在盾構機的控制室內采用了WinCC的HMI技術，并裝有WinCC Web Navigator軟件，配置了Web Navigator Servicer。在地面控制室通過網絡可以對這兩臺盾構機運行狀態進行監控。

1 監控系統硬件介紹

我公司的盾構使用西門子S7-400的控制系統，采用WinCC軟件組態操作界面來實現盾構機實時工作參數和狀態的顯示，遠程監控采用WinCC軟件的WebDataMonitor和WebNavigator組件，實現客戶機對盾構機工作的相關參數和數據進行查詢和監視。

由于盾構機使用在地下隧道中，并且是一臺移動的設備，在掘進中導向、視頻監控和盾構機遠程監控等數據需要傳輸到地面監控室，又由于隧道長度都在1 km以上，所以采用光纖方案，這樣不僅可以減少信號衰減，而且大大提高了傳輸速度。使用光纖滑環卷筒實現光纖隨著盾構機自動放纜，其硬件拓撲圖如圖1所示。

2 監控系統的實現

監控系統的完成需要在服務器上安裝一系列軟件，主要軟件清單如表1所示[1，2]。

WinCC軟件對盾構機運行狀態的歸檔和每環各種油脂等耗材用量的統計，通過使用SQl和WinCC VB Script腳本實現對數據的歸檔和查詢。

長期歸檔數據是盾構的主要工作狀態參數，如：刀盤扭矩、刀盤速度和液壓郵箱溫度等參數，這些參數表征了盾構機工作的健康狀態和此項目的地質狀態，對于項目的后續施工和盾構機保養有重大的意義。長期歸檔是由WinCC的VB Script腳本每分鐘觸發一次數據歸檔腳本，把數據寫入數據庫。查詢時只需要輸入查詢的時間段就可以得到這一段時間內盾構機工作的各種參數，并可以把這些數據導出到EXCEL中。

數據長期歸檔和查詢流程如圖2和圖3所示，每環歸檔和查詢流程如圖4和圖5所示。

圖1 硬件系統拓撲圖

表1 服務器端安裝軟件明細

圖2 數據的長期歸檔

圖3 長期歸檔數據查詢和導出

圖4 數據的每環歸檔

圖5 每環歸檔數據查詢和導出

每環歸檔數據主要是每環片油脂、泡沫和注漿用量等，項目負責人和土木工程師可以根據此掘進段的地層和地質，參考每環的歸檔數據，對各種消耗品使用量進行調整，這樣既可以保證工程質量，又可以減少沒必要的浪費。

在工控機上安裝完以上軟件后，把具有長期歸檔和每環歸檔的WinCC程序拷貝到工控機上，然后需要對服務器進行以下配置[3，4]：

（1）使用 Windows系統盤安裝 IIS服務器；

（2）通過Web組態器設置DataMonitor服務器的名稱和IP地址；

（3）在Windows和WinCC程序中分別新建用戶名，設置密碼，并給予一定的訪問權限；

（4）把工控機上使用的WinCC程序經過Web瀏覽發布器進行發布；

在客戶機的Web瀏覽器中輸入服務器地址，在提示的窗口中輸入服務器上新建用戶的名稱和密碼，就可以進入服務器界面。

在報表欄中有一個下載區域，可以把客戶端的DataMonitor Client下載到客戶端進行安裝，安裝后使用dataView程序就可以瀏覽服務器上的WinCC畫面。

通過報表工具可以把服務器上歸檔的數據以報表的形式打印成文檔。

3 監控系統的功能

把盾構機運行狀態、故障狀態和盾構司機對盾構機的操作實時傳輸到遠程的客戶端，項目負責人或項目的地質專家可以實時了解到盾構機的掘進狀況和地質變化情況。特別是當一個項目有多臺盾構機時，相關人員可以對項目上使用的所有盾構機進行監視和指導，減少了項目的風險。對于盾構機生產廠家，可以定期對盾構機的運行狀態進行檢查，減少停機時間。當盾構機發生故障時，如果工地較遠，盾構機維修人員無法及時到位時，可以通過登錄遠程監控客戶端來指導現場維護人員對盾構機進行維修，這樣大大減少盾構的維修成本和施工成本。

根據客戶端的權限，可以把盾構機各種數據以報表的形式打印出來。對于盾構項目中，常常需要盾構機上各種消耗用的總量、每一環片的消耗量和盾構機刀盤扭矩和速度參數等數據以報表的形式存檔或者上報給領導，可以通過遠程客戶端把各種歸檔的數據以報表的形式打印或EXCEl形式導出，減少了手工記錄數據的誤差和節約了人力。對于盾構生產廠可以對盾構的運行數據導出后，對其進行分析，可以預診斷盾構機的運行狀況，減少盾構機的故障率和運行成本。

4 監控系統現場應用

圖6～圖9所示為監控系統現場應用界面。

圖6 HMI界面1

圖7 HMI界面2

遠程監控系統在中國鐵建重工集團有限公司的DZ011和DZ010盾構機上已經投入了運用，在地面監控室對兩臺盾構機進行實時監視。并把盾構機的推進壓力和速度、刀盤的速度和扭矩等運行參數實時傳到地面監控室，實現了對隧道施工監管和數據的保存，在整個工程項目中起到了極其重要的作用。目前，DZ010和DZ011盾構機已經順利完成了該標地鐵隧道工程。

圖8 遠程監控界面1

圖9 遠程監控界面2

[1]王實.深入淺出西門子 WinCC V6[M].北京：北京航空航天大學出版社.

[2]WinCC V6.2 SP2 Web Navigator系統手冊.

[3]WinCC V6.2 SP2 DataMonitor系統手冊.