盾構振動在線自動監控系統的設計與研究

張闡娟， 蒙先君， 李大偉， 吳朝來， 孫海波

(中鐵隧道局集團有限公司專用設備中心， 河南 洛陽 471009)

0 引言

近年來，隨著國民經濟的發展，城市地鐵、過江隧道以及地下綜合管廊等項目逐漸增多，盾構作為集機、電、液于一體的大型挖掘設備被越來越多地應用于隧道施工中[1]。由于盾構內部系統具有一定的關聯性，且施工現場環境惡劣，一旦某個系統的零部件出現故障很可能會造成整個盾構設備的停機，不僅影響施工進度還會引起巨大的經濟損失。因此，在盾構運行過程中對其關鍵設備進行在線自動監測并及時做出相應預警就顯得尤為重要。

在設備在線監測方面，文獻[2-3]對風電設備的振動在線監測進行了研究，文獻[4-5]對冷軋機組和配電變壓器的振動在線監測進行了研究，在線監測技術日趨完善。但在盾構施工領域，只有極少部分單位開展了設備監測工作，大部分單位仍然更多地依靠人員的經驗和個人能力，采用“眼看、手摸、耳聽”等方式對設備進行現場判斷。即使開展設備監測工作的單位也只是采用離線式數據采集的方式進行，尚無綜合性、系統性的研究。

目前，盾構的部分子系統自帶本地監控裝置，主要是針對單個設備的運行壓力、液體流量、工作電流、刀盤轉矩、軸承運轉時間及轉速等物理量進行監控；但是本地監控裝置所輸出的信息量有限，不足以全面反映設備安全運行狀態[6]。由于機械設備在工作過程中以固有的規律運行，可通過分析采集到的振動信息[7]，對機器故障進行提前預警并做出相應診斷。基于此，本文設計了一種采集盾構主軸承、液壓泵和減速機等設備振動值的裝置，將監測到的振動數據進行實時收集匯總，并上傳至在線監控中心、建立數據庫，方便信息的存儲、查詢，做到發現故障及時預警。

1 系統總體設計

盾構振動在線自動監控系統主要包括被監測設備、數據采集器、數據集中器和數據監控中心4部分。其中，被監測設備有盾構的主軸承、主驅動電機、減速機、主泵站電機和液壓泵等大功率機械設備；數據采集器是一個模塊化裝置，主要采集被監測設備振動值的變化，其內部由振動傳感器、濾波器、放大器、A/D轉換器、嵌入式處理器等電子器件組成；數據集中器是一種高度集成的新型嵌入式智能通訊裝置，用于實現在線監控系統現場的信息收集；數據監控中心包含安裝了SCADA監測軟件的PC機及PC機內部運行的MySQL數據庫。系統結構框圖如圖1所示。

圖1 盾構振動在線自動監控系統結構框圖

振動傳感器終端節點將采集到的盾構關鍵設備的振動信號通過數據線傳送至VM-BOX數據采集器進行分析處理，然后經過RS485串口將數據發送至數據集中器管控，最后將數據集中器收集的信息通過以太網集中送至當地數據監控中心或遠方調度主站，完成數據處理、監控及預警。

2 系統硬件設計

在線監控系統主要完成盾構相關設備振動變化值的采集、數據處理和數據通訊等功能，其中硬件部分包括數據采集器和數據集中器等。

2.1 數據采集器

VM-BOX數據采集系統硬件主要包括以下4個部分： 振動傳感器模塊、信號調理轉換模塊、運算處理模塊和電源模塊。傳感器模塊是連接被測設備和測試系統的橋梁，將采集的物理信號轉化成電信號。由于被測電信號在測量和傳輸的過程中存在各種噪聲和削弱現象，需經過信號調理轉換模塊對被測信號進行放大、隔離、多路復用、濾波、激勵和線性化處理，并將調理之后的模擬信號轉化成便于微處理器讀取和分析的數字信號。運算處理模塊對傳送過來的離散信號進行計算，實現信號的時域與頻域分析。電源模塊負責為數據采集系統運行提供所需的能量。VM-BOX數據采集系統硬件結構框圖如圖2所示。

傳感器模塊選擇ADI公司的MEMS加速度傳感器，型號為ADXL345，主要采集設備的速度、加速度和頻率等參數[8]。嵌入式處理器硬件平臺選用Freescale/NXP公司的32位ARM/Cortex-M0+系列Kinetis-M專用計量微處理器，其內核運行速度為75 MHz，主要包含了內存映射計算單元MMAU、高精度 ∑-Δ模數轉換器ADC、可編程增益放大器PGA、高精度參考電壓Vref、Flash/RAM內存單元、比較器CMP和RTC等外設。數據采集器與外部數據集中器之間的通訊接口采用RS485接口且波特率根據需要可調節。EEPROM存儲器與CPU的連接采用I2C總線，選取的型號為AT24C08，可提供8 kB的存儲數據。電源模塊內部設計主要采用DC/DC變換器，將24 V直流電轉換成5 V直流電為系統運行提供所需的能量。

圖2 VM-BOX數據采集系統硬件結構框圖

2.2 數據集中器

考慮到被監測設備體積較大且振動采樣點相對分散，需設計數據集中器將采集到的大量數據集中傳至上位機，要求數據集中器具有較快的運行速度和較強的數據處理能力[9]，為此選用帶有32位uCLinux嵌入式操作系統的ARM處理器作為數據集中器的核心部件。基于ARM內核的數據集中器具有以下特點：

1)無硬盤和風扇運行，硬件系統穩定可靠；

2)采用良好的開關電源，輸入電壓為直流100～375 V或交流85～265 V，輸出電壓為5 V，寬范圍的電壓輸入可廣泛應用于各種供電環境；

3)支持不同的通信串口(如RS-232、RS-422、RS-485)和以太網協議(如UDP、TCP/IP)；

4)提供標準CDT、101、104或Modbus總線連接第三方SCADA。

3 系統軟件設計

在線監控系統的軟件架構主要分為4層： 采集層、基礎層、診斷層和報警層。通過4層的數據采集、存儲、分析和故障提醒，最終達到在線監控目的。系統軟件設計主要包括數據采集、在線監控SCADA和數據庫3部分。

3.1 數據采集器嵌入式軟件設計

數據采集器是基于Kinetis-M嵌入式處理器平臺，在IAR Embedded Workbench(7.60A版本)編程環境下將傳感器模塊節點采集到的振動變化數值經過信號調理轉換輸送給處理器進行分析處理[10]。數據采集器內部程序設計流程如圖3所示。程序設計方法如下： 首先對ADXL345傳感器節點進行初始化設計，包括配置傳感器I/O口方向、接收緩存定義、延時、振動值寫入、Kinetis-M處理器運行啟動Boot程序并設置采集周期，將ADXL345傳感器的Driver驅動程序復制添加到Z-Stack協議棧代碼中；接著調用API函數進行硬件初始化，將數據打包并按照指定方式發送給Kinetis-M處理器，實現采樣保持、數模轉換、快速傅里葉變換FFT、參數(有效值、峰峰值、頻率、速度和位移等)計算以及通訊規約處理等功能。

3.2 在線監控SCADA軟件設計

SCADA軟件是整個在監控系統的中心，具有實時監控、圖表生成、數據存儲、數據分析和安全報警等功能。系統支持對實時變量、開關變量、環累計量和字符串等數據類型的處理，并實現實時數據的計算和統計功能[11]。

在線監控系統的界面是基于跨平臺組態軟件PGC-EX2000系統的自定義界面組態工具來設計的，通過拖放自定義控件、設置控件屬性、設置綁定關系并與現場實時采集的數據進行關聯，設計出直觀實用的組合界面[12]。PGC-EX2000系統設計動態顯示盾構PLC參數變化的實時數據如圖4所示，此掘進區段為砂層地質，由圖可以看出盾構推力較大，其他數值正常。PGC-EX2000系統還可通過雙擊模擬量對象、開啟Trendcurveplay程序以及圖形組態工具graphedit對實時趨勢曲線和歷史曲線進行查看、統計和數據處理。

圖3 數據采集器程序設計流程圖

3.3 在線監控數據庫設計

數據是盾構設備振動在線監控信息化管理的基礎，數據的有效采集、存儲、分析是系統功能穩定發揮的關鍵環節，而數據庫是整個系統中數據處理、組織、分析和管理的核心，其設計的合理性直接影響到整個系統的開發和運行效率[13]。

盾構振動在線監控系統選用MySQL5.5作為后臺數據庫管理軟件，應用程序通過開發數據源互聯，配置連接到MySQL數據庫。數據庫查詢語言使用結構查詢語言。實時數據庫功能模塊主要完成實時數據的定義、編輯、修改，使整個網絡系統的節點與駐留設備節點的實時庫保持一致。根據盾構振動在線監控系統實際情況設計了3個數據庫，分別為用戶信息數據庫、振動監控信息數據庫和閾值信息數據庫。每一個數據庫采用一庫多表的形式設計數據庫結構，具體設計如下。

1)用戶信息數據庫： 主要存儲用戶的基本信息，包括用戶注冊信息、用戶類別、用戶權限和權限功能等。

2)振動監控信息數據庫： 主要存儲與盾構設備振動值相關的信息，如被測設備名稱，振動節點位置、類型和狀態，實時數據規范化存儲，歷史數據分類存儲和監控情況記錄等。

圖4 PGC-EX2000系統設計的盾構PLC參數顯示圖

3)閾值信息數據庫： 主要用于存儲設備在不同運行狀態下振動的上下限值，若監控數據超出閾值時系統啟動報警功能。

4 系統測試

4.1 機械設備振動特性

機械設備的振動屬于運動學范疇，設備振動特性可用運動學中的位移、速度、加速度物理量表示，三者之間的微分關系為

a(t)=v′(t)=d″(t)。

(1)

式中d(t)、v(t)、a(t)分別為機械振動位移、速度和加速度的瞬時值。

假設機械設備振動的瞬時位移

d(t)=Dcos(2πft)，

(2)

由式(1)可推導出振動的瞬時速度和瞬時加速度：

(3)

a(t)=v′(t)=(2πf)2Dcos(2πft+π)=Acos(2πft+π)。

(4)

推導可得：

(5)

式(2)—(5)中：D、V、A分別表示振動位移、速度和加速度幅值；f表示振動頻率值。

由式(5)可知，保持振動位移一定，其速度與頻率成正比，加速度與頻率的平方成正比，這與文獻[14]所得結論一致。故設備的位移對低頻振動較敏感，加速度對高頻振動敏感，而振動的速度參量對頻率的敏感度介于位移和加速度之間。因此，對高頻運轉設備故障(如滾動軸承、齒輪箱故障等)，應選振動加速度作為參考量；監測設備低頻故障(如不平衡、不對中等)時，應主要考慮振動位移的變化；而在進行振動的總體狀態測量時，均應選振動速度作為參考量。

結合理論分析和實際經驗證明[15]，機械設備振動部件的疲勞運轉與振動速度成正比，振動所產生的能量與振動速度的平方成正比，能量傳遞造成設備磨損和其他缺陷。因此，在振動判斷標準中，無論是疲勞損傷還是磨損等設備運行缺陷，以振動速度作為監測標準最為適宜。

4.2 安裝測試

本文以應用于合肥地鐵3號線的再制造CT006H盾構為背景對振動在線監控系統進行測試分析。盾構設備振動在線監控系統的被測設備和測試點見表1。

表1 盾構監測點分布

由表1可以看出，盾構監測采樣點中電流、壓力、流量、刀盤轉矩和轉速等參數可以從盾構的PLC系統中直接調取，設備振動值需要通過安裝傳感器進行采集。以盾構2#刀盤主驅動電機為例，測試振動在線監控系統的可行性和有效性，如圖5所示。將三軸壓電式加速度振動傳感器安裝在刀盤主驅動電機輸出端軸承位置，并將其打孔固定于主驅動底座上。

如圖5所示，圓圈內標識的器件分別是2#主驅動電機上的數據集中器和數據采集器，振動信號經過振動傳感器傳輸至VM-BOX數據采集器，將分散的振動數據通過RS485接口統一發送至數據集中器，并送至OPC SERVER上位機監控系統，得到2#主驅動電機振動測試窗口，如圖6所示。

圖5 2#主驅動電機振動傳感器布置

2#刀盤主驅動電機的振動值通信波特率為9 600 Hz，且實時顯示X、Y、Z3個軸向的振動頻率、加速度和速度值，平均每5 min進行一次數據采集，系統將監測到的振動數據存儲于數據庫的實時數據表中。通過上位機查詢歷史數據表了解2#主驅動的振動信息，從而對設備安全運行進行有效判斷，并做出相應預警。具體歷史數據如表2所示。

文獻[16]詳細規定： 振動頻率為10～1 000 Hz的機械設備，以速度作為振動標準，額定功率大于300 kW的剛性電機新投入使用時的振動速度不應超過2.3 mm/s，振動損壞極限速度為7.1 mm/s。在盾構投入使用初期階段，針對額定功率為315 kW的刀盤2#主驅動電機振動情況進行試驗。此時間段振動的徑向頻率平均值為46.094 Hz、波動范圍為-3.2%～36.5%，軸向頻率平均值為52.918 Hz、波動范圍 為-18.3%～41.7%，表明應考慮振動速度變化量；而徑向速度的平均值為1.45 mm/s、波動范圍為-8.3%～4.1%，軸向速度平均值為1.532 mm/s、波動范圍為-2.7%～5.1%，其瞬時速度均未超過2.3 mm/s，對于新投入使用的再制造盾構符合國標規定的振動范圍，表明此段時間內刀盤2#主驅動的振動情況沒有異常，設備運行正常。

圖6 主驅動馬達振動測試窗口

序號 時間站名測試量測試值7002017-08-25T22:10:00VM-BOX徑向速度/(mm/s)1.487012017-08-25T22:10:00VM-BOX徑向加速度/(mm/s2)0.537022017-08-25T22:10:00VM-BOX徑向頻率/Hz41.417032017-08-25T22:10:00VM-BOX軸向速度/(mm/s)1.567042017-08-25T22:10:00VM-BOX軸向加速度/(mm/s2)0.527052017-08-25T22:10:00VM-BOX軸向頻率/Hz44.277062017-08-25T22:15:00VM-BOX徑向速度/(mm/s)1.467072017-08-25T22:15:00VM-BOX徑向加速度/(mm/s2)0.467082017-08-25T22:15:00VM-BOX徑向頻率/Hz40.17092017-08-25T22:15:00VM-BOX軸向速度/(mm/s)1.497102017-08-25T22:15:00VM-BOX軸向加速度/(mm/s2)0.627112017-08-25T22:15:00VM-BOX軸向頻率/Hz46.887122017-08-25T22:20:00VM-BOX徑向速度/(mm/s)1.517132017-08-25T22:20:00VM-BOX徑向加速度/(mm/s2)0.527142017-08-25T22:20:00VM-BOX徑向頻率/Hz40.897152017-08-25T22:20:00VM-BOX軸向速度/(mm/s)1.57162017-08-25T22:20:00VM-BOX軸向加速度/(mm/s2)0.467172017-08-25T22:20:00VM-BOX軸向頻率/Hz43.237182017-08-25T22:25:00VM-BOX徑向速度/(mm/s)1.477192017-08-25T22:25:00VM-BOX徑向加速度/(mm/s2)0.647202017-08-25T22:25:00VM-BOX徑向頻率/Hz51.567212017-08-25T22:25:00VM-BOX軸向速度/(mm/s)1.57222017-08-25T22:25:00VM-BOX軸向加速度/(mm/s2)0.847232017-08-25T22:25:00VM-BOX軸向頻率/Hz75.007242017-08-25T22:30:00VM-BOX徑向速度/(mm/s)1.337252017-08-25T22:30:00VM-BOX徑向加速度/(mm/s2)0.647262017-08-25T22:30:00VM-BOX徑向頻率/Hz56.517272017-08-25T22:30:00VM-BOX軸向速度/(mm/s)1.617282017-08-25T22:30:00VM-BOX軸向加速度/(mm/s2)0.667292017-08-25T22:30:00VM-BOX軸向頻率/Hz55.21

5 結論與建議

盾構振動在線監控系統可以實現數據在線監測、動態分析、歷史查詢和異常報警等功能，為設備潛在故障預警提供了重要的數據支持。目前，此套振動監控系統還處于試驗階段，尚未出現故障案例。建議在后續施工過程中設備出現故障時，可對故障前期系統輸出的盾構振動數據進行集中分析，并結合現場問題對故障進行診斷，以進一步驗證盾構振動在線監控系統的預判故障及報警性能。

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