盾構泡沫系統的電氣控制

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

伴隨著我國城市化進程的加快，城市地下工程的建設步伐也越來越快。土壓平衡式盾構因其具有能較好地控制地面沉降、保護環境、適合在市區和建筑密集區施工等優點，在城市地下工程建設中得到了廣泛應用。土壓平衡式盾構機能適應多種環境，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，設計線路中有些部分并不適合土壓平衡式盾構施工;因此，土壤的改良將直接關系到土壓平衡式盾構的施工效果。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性和止水性，而且能防止切削土粘附在土倉內，降低盾構堵倉和刀盤結泥餅的概率;同時，泡沫可以降低刀盤扭矩，減少刀具磨損，對刀具起到一定的潤滑和冷卻作用［1］。

目前在國內施工的土壓平衡式盾構大多設計有泡沫系統，然而，由于傳統設計理念對泡沫系統的不重視，泡沫系統各控制對象無法實現精確控制，從而不能最大限度地發揮泡沫改良的作用，同時極易造成泡沫系統的浪費［2-3］。由于泡沫原液價格較昂貴，使得泡沫系統的使用代價較高，這在一定程度上制約了該改良方法的大規模使用。因此，尋找一種既能保證泡沫改良效果，又能降低工程造價的電氣控制方案將成為推廣應用泡沫系統的首要任務。

本系統采用PLC作為控制系統的核心，以工業電腦為人機界面，以變頻器和比例調節閥為執行部件，通過嚴謹的邏輯分析和詳細的數據計算實現對泡沫流量和泡沫混合比的精確控制，從而最大限度地發揮了泡沫系統的改良作用，降低了泡沫系統的浪費。

1 泡沫系統

泡沫成分如圖1所示，泡沫系統流體原理如圖2所示。泡沫由泡沫原液、水和空氣3部分組成。在泡沫系統運行中，操作手通過改變泡沫各成分的比例來滿足不同土質的改良需求，以達到最佳的改良效果。泡沫系統由泡沫原液泵、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、泡沫發生器和電氣系統等部件組成。

泡沫電氣系統包括電氣硬件和軟件，系統主要包括控制元件、電控執行機構、PLC控制部分和上位機。其中，電控執行機構是泡沫各管路的動力來源;PLC控制部分是整個系統的中樞神經，可為設備提供必要的連鎖與警示;上位機是操作手的操作平臺，負責將操作手的各種操作指令傳達給PLC，并將PLC采集到的信息反饋給操作手作為操作依據。

圖1 泡沫成分示意圖Fig．1 Composition of foam

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

2 電氣硬件系統設計

圖3 電氣系統動力結構圖Fig．3 Power structure of electrical system

2．1 泡沫系統的供電系統結構

泡沫系統采用三相380 V AC電源進行供電，電源的分配如圖3所示。設備利用控制變壓器將部分380 V AC變為220 V AC，供接觸器、溫控器和散熱風扇使用。

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，電機風扇獨立供電，由GV2M06C進行短路及過載保護，直流接觸器LP1K0910BD控制其通斷。

混合液攪拌器由1臺0．75 kW的三相電機直接驅動，由電機斷路器GV2-M07C進行短路和過載保護，接觸器LC1-D09M7C控制其通斷。泡沫混合液經過攪拌器的攪拌后混合將更加均勻，發泡效果將更加理想。

三相動力線同時給控制線路供電，使用DRT-960-24將三相電源轉換為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PLC硬件設計

根據泡沫系統的控制特點和盾構機的PLC網絡要求，系統采用三菱PLC Q02U進行本地的數據采集、邏輯運算以及數據輸出，采用三菱H網絡與盾構機其他PLC進行數據交流，利用以太網網絡與泡沫系統上位機進行信息交換。在進行PLC硬件配置時，各功能模塊可以根據用戶習慣任意搭配順序，使其應用更加靈活方便［4-5］，電氣系統PLC組態圖如圖4所示。

圖4 電氣系統PLC組態圖Fig．4 PLC configuration diagram of electrical system

系統采用了1塊16點的數字量輸入模塊、1塊16點的數字量輸出模塊、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，模擬量輸出模塊用來控制變頻器的運行頻率，進而實現對螺桿泵的調試。系統選用以太網模塊QJ71E71-100同上位機通訊，選用H網模塊QJ71BR11跟盾構機其他PLC通訊。

2．3 泡沫系統上位機設計

本系統上位機選用研祥工業電腦PPC-1561，在工業電腦上安裝三菱OPC軟件［7］，從而實現工業電腦與PLC的數據交換。

上位機操作界面分為泡沫控制和泡沫參數設置2個操作區域。泡沫控制區域可選擇需要操作的泡沫管路及控制方式，同時，控制泡沫系統的啟動和停止。泡沫參數設置區域可對泡沫運行時的各控制參數(如泡沫原液比、發泡率等)進行設置，泡沫系統控制界面如圖5所示。

圖5 泡沫系統控制界面Fig．5 Control panel of foam system

上位機設有報警界面，當泡沫系統出現故障時，該界面可顯示出相應的故障信息，方便操作司機進行故障排除。

3 控制系統軟件設計

3．1 泡沫系統控制流程

泡沫系統正常運行的前提是建立在斷路器及變頻器正常運行的基礎上。當泡沫系統各硬件一切正常后，首先進行泡沫各系統公用參數的設置，然后選擇控制方式并設置與控制方式相匹配的控制參數，最后選擇需要注入的泡沫管路并按下啟動按鈕。

泡沫系統分為手動控制、半自動控制和自動控制3種控制方式。手動控制就是操作手可以根據需要對各管路的泡沫混合液流量和空氣流量進行自主調節。半自動控制是泡沫系統運行后，PLC根據各路設定的泡沫混合液流量和發泡比控制泡沫系統的注入。自動控制在掘進時才能運行，PLC根據推進速度自動控制泡沫系統的注入，電氣系統PLC控制流程如圖6所示。

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

泡沫系統開始運行時，PLC首先檢測泡沫混合液箱的液位開關，當出現低液位報警時，泡沫水管氣動閥打開且泡沫原液泵運行。在泡沫水管路上安裝流量計，PLC根據水的流量和上位機設置值進行泡沫原液流量計算，然后通過控制泡沫原液泵的變頻器進而控制泡沫原液流量，使泡沫混合液按設定的混合比進行混合。在泡沫原液泵運行的同時，位于泡沫混合液箱的攪拌器開始工作，將泡沫混合液充分攪拌。當混合液箱高液位開關動作時，泡沫原液泵停止且泡沫水管氣動閥關閉，同時PLC開始計時，5 min后泡沫混合液箱攪拌器停止工作。

當泡沫混合液箱液位正常且泡沫注入開始按鈕被按下后，泡沫混合液泵運行，同時空氣管路的電動調節閥也開始工作。PLC根據不同的控制模式計算泡沫混合液的流量值，然后對泡沫混合液變頻器進行調節，進而控制泡沫混合液的流量;與此同時，PLC將空氣流量的檢測值和計算值進行比較，進而控制電動調節閥的打開和關閉。在電動調節閥的運算控制中引用PⅠD控制，從而得到更加穩定的空氣流量。

在泡沫混合液管路中安裝壓力傳感器，當壓力檢測值高于設定值時，泡沫系統停止工作且進行系統報警，操作手根據具體情況進行相應處理。

3．2 程序設計

程序設計采用梯形圖設計，利用三菱 GX Developer軟件進行PLC編程。梯形圖編程簡單明了，具有良好的可讀性和可維護性。梯形圖的編程設計入門簡單，對操作人員進行簡單培訓即可進行常規操作，方便操作人員對系統故障的診斷和排除［8-10］。

在程序設計中，利用工業電腦采集到的啟停信號及相關的控制選擇信息配合控制回路中反饋的安全信號做出條件判斷。當滿足運行條件時，給出正常的運行提示，同時進行泡沫注入的控制輸出;當不滿足運行條件時，將無法進行泡沫注入操作，同時報警程序運行，并在工業電腦上給出故障提示，故障清除后報警信息才能消失。

滿足運行條件后，PLC首先采集工業電腦輸入的控制信息，利用不同模式下泡沫系統的計算公式計算泡沫各成分的流量值;然后，通過調節變頻器輸出頻率調節泡沫原液泵及泡沫混合液泵的流量，達到泡沫各成分精確控制的目的。為了更好地調節泡沫系統，在泡沫各管路中設置流量計，實時監控泡沫各成分流量值，并將流量反饋信號與其流量計算值進行比較，實時校驗，進一步提高泡沫系統的控制精度。

3．3 故障處理

對系統運行過程中檢測到的故障進行收集，故障報警檢修人員可以直觀地通過報警信號對故障進行處理。

4 結論與討論

該泡沫控制系統在某公司生產的盾構中已經得到成功應用，經過多次試驗，泡沫的發泡效果和精確控制都達到了預期效果。該控制系統的應用提高了泡沫系統的控制精度，降低了泡沫系統的施工成本，同時改善了泡沫系統的土壤改良效果，提高了泡沫系統的性價比。

試驗證明，在現有技術條件下，PLC配合使用變頻器的控制方法是泡沫系統精確控制的最好方法，但是，由于PLC反應速度和變頻器自身缺點等因素影響，該控制方案無法做到完美控制。隨著科學技術和控制理論的不斷發展，未來將會有性能更好、精度更高的泡沫控制方案問世。

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