盾構(gòu)泡沫系統(tǒng)的電氣控制

高 博，寧浩淞，蒲曉波

(中鐵隧道裝備制造有限公司，河南 鄭州 450000)

0 引言

伴隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，城市地下工程的建設(shè)步伐也越來越快。土壓平衡式盾構(gòu)因其具有能較好地控制地面沉降、保護(hù)環(huán)境、適合在市區(qū)和建筑密集區(qū)施工等優(yōu)點(diǎn)，在城市地下工程建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)能適應(yīng)多種環(huán)境，可在砂、粉砂、黏土等地層中使用。城市地鐵隧道大多需要穿越不同地層，然而，設(shè)計(jì)線路中有些部分并不適合土壓平衡式盾構(gòu)施工;因此，土壤的改良將直接關(guān)系到土壓平衡式盾構(gòu)的施工效果。泡沫注入法是眾多土壤改良方法中最有效的一種，注入的泡沫可以增加切削土的流動(dòng)性和止水性，而且能防止切削土粘附在土倉(cāng)內(nèi)，降低盾構(gòu)堵倉(cāng)和刀盤結(jié)泥餅的概率;同時(shí)，泡沫可以降低刀盤扭矩，減少刀具磨損，對(duì)刀具起到一定的潤(rùn)滑和冷卻作用［1］。

目前在國(guó)內(nèi)施工的土壓平衡式盾構(gòu)大多設(shè)計(jì)有泡沫系統(tǒng)，然而，由于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念對(duì)泡沫系統(tǒng)的不重視，泡沫系統(tǒng)各控制對(duì)象無法實(shí)現(xiàn)精確控制，從而不能最大限度地發(fā)揮泡沫改良的作用，同時(shí)極易造成泡沫系統(tǒng)的浪費(fèi)［2-3］。由于泡沫原液價(jià)格較昂貴，使得泡沫系統(tǒng)的使用代價(jià)較高，這在一定程度上制約了該改良方法的大規(guī)模使用。因此，尋找一種既能保證泡沫改良效果，又能降低工程造價(jià)的電氣控制方案將成為推廣應(yīng)用泡沫系統(tǒng)的首要任務(wù)。

本系統(tǒng)采用PLC作為控制系統(tǒng)的核心，以工業(yè)電腦為人機(jī)界面，以變頻器和比例調(diào)節(jié)閥為執(zhí)行部件，通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嫹治龊驮敿?xì)的數(shù)據(jù)計(jì)算實(shí)現(xiàn)對(duì)泡沫流量和泡沫混合比的精確控制，從而最大限度地發(fā)揮了泡沫系統(tǒng)的改良作用，降低了泡沫系統(tǒng)的浪費(fèi)。

1 泡沫系統(tǒng)

泡沫成分如圖1所示，泡沫系統(tǒng)流體原理如圖2所示。泡沫由泡沫原液、水和空氣3部分組成。在泡沫系統(tǒng)運(yùn)行中，操作手通過改變泡沫各成分的比例來滿足不同土質(zhì)的改良需求，以達(dá)到最佳的改良效果。泡沫系統(tǒng)由泡沫原液泵、泡沫混合液泵、泡沫原液箱、泡沫混合液箱、泡沫水管路、泡沫混合液管路、空氣管路、泡沫發(fā)生器和電氣系統(tǒng)等部件組成。

泡沫電氣系統(tǒng)包括電氣硬件和軟件，系統(tǒng)主要包括控制元件、電控執(zhí)行機(jī)構(gòu)、PLC控制部分和上位機(jī)。其中，電控執(zhí)行機(jī)構(gòu)是泡沫各管路的動(dòng)力來源;PLC控制部分是整個(gè)系統(tǒng)的中樞神經(jīng)，可為設(shè)備提供必要的連鎖與警示;上位機(jī)是操作手的操作平臺(tái)，負(fù)責(zé)將操作手的各種操作指令傳達(dá)給PLC，并將PLC采集到的信息反饋給操作手作為操作依據(jù)。

圖1 泡沫成分示意圖Fig．1 Composition of foam

圖2 泡沫系統(tǒng)流體原理圖Fig．2 Fluid principle of foam system

2 電氣硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖3 電氣系統(tǒng)動(dòng)力結(jié)構(gòu)圖Fig．3 Power structure of electrical system

2．1 泡沫系統(tǒng)的供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

泡沫系統(tǒng)采用三相380 V AC電源進(jìn)行供電，電源的分配如圖3所示。設(shè)備利用控制變壓器將部分380 V AC變?yōu)?20 V AC，供接觸器、溫控器和散熱風(fēng)扇使用。

泡沫原液泵和泡沫混合液泵的功率分別為0．75 kW和3 kW，為了精確控制泡沫原液和混合液的流量，2種泵均采用變頻器控制。設(shè)備選用了西門子6SE6440-2UD21-1AA1 380 V-1．1 kW 和 6SE6440-2UD24-0BA1 380 V-4 kW 2種變頻器。泡沫原液泵和混合液泵選用變頻電機(jī)，電機(jī)風(fēng)扇獨(dú)立供電，由GV2M06C進(jìn)行短路及過載保護(hù)，直流接觸器LP1K0910BD控制其通斷。

混合液攪拌器由1臺(tái)0．75 kW的三相電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，由電機(jī)斷路器GV2-M07C進(jìn)行短路和過載保護(hù)，接觸器LC1-D09M7C控制其通斷。泡沫混合液經(jīng)過攪拌器的攪拌后混合將更加均勻，發(fā)泡效果將更加理想。

三相動(dòng)力線同時(shí)給控制線路供電，使用DRT-960-24將三相電源轉(zhuǎn)換為24 V直流電，為PLC、傳感器、電磁閥等的控制提供電力來源。

2．2 泡沫系統(tǒng)PLC硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)泡沫系統(tǒng)的控制特點(diǎn)和盾構(gòu)機(jī)的PLC網(wǎng)絡(luò)要求，系統(tǒng)采用三菱PLC Q02U進(jìn)行本地的數(shù)據(jù)采集、邏輯運(yùn)算以及數(shù)據(jù)輸出，采用三菱H網(wǎng)絡(luò)與盾構(gòu)機(jī)其他PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交流，利用以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)與泡沫系統(tǒng)上位機(jī)進(jìn)行信息交換。在進(jìn)行PLC硬件配置時(shí)，各功能模塊可以根據(jù)用戶習(xí)慣任意搭配順序，使其應(yīng)用更加靈活方便［4-5］，電氣系統(tǒng)PLC組態(tài)圖如圖4所示。

圖4 電氣系統(tǒng)PLC組態(tài)圖Fig．4 PLC configuration diagram of electrical system

系統(tǒng)采用了1塊16點(diǎn)的數(shù)字量輸入模塊、1塊16點(diǎn)的數(shù)字量輸出模塊、1塊8通道的模擬量輸入模塊和1塊4通道的模擬量輸出模塊作為本地控制柜的輸入輸出模塊［6］。數(shù)字量輸入模塊主要用于采集斷路器和變頻器的反饋信息，數(shù)字量輸出模塊主要用于控制接觸器和中間繼電器，模擬量輸入模塊用來采集傳感器的反饋信號(hào)，模擬量輸出模塊用來控制變頻器的運(yùn)行頻率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)螺桿泵的調(diào)試。系統(tǒng)選用以太網(wǎng)模塊QJ71E71-100同上位機(jī)通訊，選用H網(wǎng)模塊QJ71BR11跟盾構(gòu)機(jī)其他PLC通訊。

2．3 泡沫系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)上位機(jī)選用研祥工業(yè)電腦PPC-1561，在工業(yè)電腦上安裝三菱OPC軟件［7］，從而實(shí)現(xiàn)工業(yè)電腦與PLC的數(shù)據(jù)交換。

上位機(jī)操作界面分為泡沫控制和泡沫參數(shù)設(shè)置2個(gè)操作區(qū)域。泡沫控制區(qū)域可選擇需要操作的泡沫管路及控制方式，同時(shí)，控制泡沫系統(tǒng)的啟動(dòng)和停止。泡沫參數(shù)設(shè)置區(qū)域可對(duì)泡沫運(yùn)行時(shí)的各控制參數(shù)(如泡沫原液比、發(fā)泡率等)進(jìn)行設(shè)置，泡沫系統(tǒng)控制界面如圖5所示。

圖5 泡沫系統(tǒng)控制界面Fig．5 Control panel of foam system

上位機(jī)設(shè)有報(bào)警界面，當(dāng)泡沫系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，該界面可顯示出相應(yīng)的故障信息，方便操作司機(jī)進(jìn)行故障排除。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3．1 泡沫系統(tǒng)控制流程

泡沫系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提是建立在斷路器及變頻器正常運(yùn)行的基礎(chǔ)上。當(dāng)泡沫系統(tǒng)各硬件一切正常后，首先進(jìn)行泡沫各系統(tǒng)公用參數(shù)的設(shè)置，然后選擇控制方式并設(shè)置與控制方式相匹配的控制參數(shù)，最后選擇需要注入的泡沫管路并按下啟動(dòng)按鈕。

泡沫系統(tǒng)分為手動(dòng)控制、半自動(dòng)控制和自動(dòng)控制3種控制方式。手動(dòng)控制就是操作手可以根據(jù)需要對(duì)各管路的泡沫混合液流量和空氣流量進(jìn)行自主調(diào)節(jié)。半自動(dòng)控制是泡沫系統(tǒng)運(yùn)行后，PLC根據(jù)各路設(shè)定的泡沫混合液流量和發(fā)泡比控制泡沫系統(tǒng)的注入。自動(dòng)控制在掘進(jìn)時(shí)才能運(yùn)行，PLC根據(jù)推進(jìn)速度自動(dòng)控制泡沫系統(tǒng)的注入，電氣系統(tǒng)PLC控制流程如圖6所示。

圖6 電氣系統(tǒng)PLC控制流程圖Fig．6 Procedure of PLC control of electrical system

泡沫系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，PLC首先檢測(cè)泡沫混合液箱的液位開關(guān)，當(dāng)出現(xiàn)低液位報(bào)警時(shí)，泡沫水管氣動(dòng)閥打開且泡沫原液泵運(yùn)行。在泡沫水管路上安裝流量計(jì)，PLC根據(jù)水的流量和上位機(jī)設(shè)置值進(jìn)行泡沫原液流量計(jì)算，然后通過控制泡沫原液泵的變頻器進(jìn)而控制泡沫原液流量，使泡沫混合液按設(shè)定的混合比進(jìn)行混合。在泡沫原液泵運(yùn)行的同時(shí)，位于泡沫混合液箱的攪拌器開始工作，將泡沫混合液充分?jǐn)嚢琛．?dāng)混合液箱高液位開關(guān)動(dòng)作時(shí)，泡沫原液泵停止且泡沫水管氣動(dòng)閥關(guān)閉，同時(shí)PLC開始計(jì)時(shí)，5 min后泡沫混合液箱攪拌器停止工作。

當(dāng)泡沫混合液箱液位正常且泡沫注入開始按鈕被按下后，泡沫混合液泵運(yùn)行，同時(shí)空氣管路的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥也開始工作。PLC根據(jù)不同的控制模式計(jì)算泡沫混合液的流量值，然后對(duì)泡沫混合液變頻器進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而控制泡沫混合液的流量;與此同時(shí)，PLC將空氣流量的檢測(cè)值和計(jì)算值進(jìn)行比較，進(jìn)而控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的打開和關(guān)閉。在電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的運(yùn)算控制中引用PⅠD控制，從而得到更加穩(wěn)定的空氣流量。

在泡沫混合液管路中安裝壓力傳感器，當(dāng)壓力檢測(cè)值高于設(shè)定值時(shí)，泡沫系統(tǒng)停止工作且進(jìn)行系統(tǒng)報(bào)警，操作手根據(jù)具體情況進(jìn)行相應(yīng)處理。

3．2 程序設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)采用梯形圖設(shè)計(jì)，利用三菱 GX Developer軟件進(jìn)行PLC編程。梯形圖編程簡(jiǎn)單明了，具有良好的可讀性和可維護(hù)性。梯形圖的編程設(shè)計(jì)入門簡(jiǎn)單，對(duì)操作人員進(jìn)行簡(jiǎn)單培訓(xùn)即可進(jìn)行常規(guī)操作，方便操作人員對(duì)系統(tǒng)故障的診斷和排除［8-10］。

在程序設(shè)計(jì)中，利用工業(yè)電腦采集到的啟停信號(hào)及相關(guān)的控制選擇信息配合控制回路中反饋的安全信號(hào)做出條件判斷。當(dāng)滿足運(yùn)行條件時(shí)，給出正常的運(yùn)行提示，同時(shí)進(jìn)行泡沫注入的控制輸出;當(dāng)不滿足運(yùn)行條件時(shí)，將無法進(jìn)行泡沫注入操作，同時(shí)報(bào)警程序運(yùn)行，并在工業(yè)電腦上給出故障提示，故障清除后報(bào)警信息才能消失。

滿足運(yùn)行條件后，PLC首先采集工業(yè)電腦輸入的控制信息，利用不同模式下泡沫系統(tǒng)的計(jì)算公式計(jì)算泡沫各成分的流量值;然后，通過調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率調(diào)節(jié)泡沫原液泵及泡沫混合液泵的流量，達(dá)到泡沫各成分精確控制的目的。為了更好地調(diào)節(jié)泡沫系統(tǒng)，在泡沫各管路中設(shè)置流量計(jì)，實(shí)時(shí)監(jiān)控泡沫各成分流量值，并將流量反饋信號(hào)與其流量計(jì)算值進(jìn)行比較，實(shí)時(shí)校驗(yàn)，進(jìn)一步提高泡沫系統(tǒng)的控制精度。

3．3 故障處理

對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行過程中檢測(cè)到的故障進(jìn)行收集，故障報(bào)警檢修人員可以直觀地通過報(bào)警信號(hào)對(duì)故障進(jìn)行處理。

4 結(jié)論與討論

該泡沫控制系統(tǒng)在某公司生產(chǎn)的盾構(gòu)中已經(jīng)得到成功應(yīng)用，經(jīng)過多次試驗(yàn)，泡沫的發(fā)泡效果和精確控制都達(dá)到了預(yù)期效果。該控制系統(tǒng)的應(yīng)用提高了泡沫系統(tǒng)的控制精度，降低了泡沫系統(tǒng)的施工成本，同時(shí)改善了泡沫系統(tǒng)的土壤改良效果，提高了泡沫系統(tǒng)的性價(jià)比。

試驗(yàn)證明，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，PLC配合使用變頻器的控制方法是泡沫系統(tǒng)精確控制的最好方法，但是，由于PLC反應(yīng)速度和變頻器自身缺點(diǎn)等因素影響，該控制方案無法做到完美控制。隨著科學(xué)技術(shù)和控制理論的不斷發(fā)展，未來將會(huì)有性能更好、精度更高的泡沫控制方案問世。

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