基于MEMS陀螺儀的頂管智能糾偏控制系統(tǒng)

萬文松 ，翟 華 ，茆弘民 ，呂慶洲 ，唐飛飛 ，唐素文

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 工業(yè)與裝備技術(shù)研究院，安徽 合肥 230009；2.淮南聯(lián)合大學(xué)，安徽 淮南 232038；3.安徽唐興機(jī)械裝備有限公司，安徽 淮南 232009）

在管道施工工程中，非開挖管道施工技術(shù)應(yīng)用越來越多[1]。頂管施工以其適用土質(zhì)廣、施工精度高、使用管徑范圍大、綜合成本低、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用[2]。由于地層土質(zhì)變化、千斤頂推力不均、已拼管節(jié)軸線不準(zhǔn)等因素影響，管體不可能完全按設(shè)計(jì)方向推進(jìn)，產(chǎn)生姿態(tài)偏差[3]。為了保證掘進(jìn)精度，必須對(duì)頂管機(jī)進(jìn)行及時(shí)偏差糾正控制。

本文提出利用MEMS陀螺儀為測(cè)控單元，通過PLC控制系統(tǒng)構(gòu)成頂管機(jī)糾偏系統(tǒng)，可以測(cè)量三個(gè)方向的姿態(tài)與方位，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)糾偏功能。

1 系統(tǒng)布局

頂管智能糾偏控制系統(tǒng)是應(yīng)用于頂管頂進(jìn)施工過程中實(shí)時(shí)、自動(dòng)測(cè)量頂管機(jī)姿態(tài)及計(jì)算頂管機(jī)位置，并與設(shè)計(jì)軸線比對(duì)后自動(dòng)控制糾偏油缸糾正偏差。系統(tǒng)集成了計(jì)算機(jī)、自動(dòng)測(cè)量、自動(dòng)控制、數(shù)據(jù)通訊等自動(dòng)化技術(shù)于一體。智能糾集控制系統(tǒng)布局如圖1所示。

該頂管智能糾偏控制系統(tǒng)能實(shí)時(shí)獲得頂管機(jī)的姿態(tài)并實(shí)時(shí)計(jì)算相對(duì)于隧道設(shè)計(jì)中心線的偏差，根據(jù)偏差發(fā)送相應(yīng)的控制指令，為頂管機(jī)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)路線頂進(jìn)提供重要保障，保證隧道施工的質(zhì)量及隧道的準(zhǔn)確貫通[4]。

圖1 智能糾偏控制系統(tǒng)整體布局

2 系統(tǒng)組成

1.1 MEMS陀螺儀

MEMS陀螺儀是一種基于科里奧效應(yīng)的慣性角速率傳感器[5]。與傳統(tǒng)機(jī)械陀螺儀不同，其內(nèi)部無轉(zhuǎn)動(dòng)部件，不需要軸承，全固態(tài)裝置，具有價(jià)格低、體積小、重量輕、可靠性高、易于數(shù)字化、智能化、抗大過載沖擊、工作壽命長(zhǎng)、低功耗、大量程等特點(diǎn)。已被證明可以用微機(jī)械加工技術(shù)大批量生產(chǎn)[6]。本文采用的MEMS陀螺儀采集的數(shù)據(jù)接入電腦顯示為角度信息，傳遞數(shù)據(jù)僅用普通電纜即可，無需屏蔽。其部分參數(shù)如表1所示。

MEMS陀螺儀采用485自由口通訊方式，即通訊協(xié)議由用戶自定義，陀螺儀角度讀取命令數(shù)據(jù)幀格式如表2所示，其中數(shù)據(jù)域包含9個(gè)字節(jié)，分別為俯仰（Pitch），橫滾（Roll）和方位（Heading）角度值，為壓縮BCD 碼[7]。本文使用S7-200SMART PLC采用RS485半雙工串行通訊方式，與陀螺儀進(jìn)行通訊獲取角度信息，部分通訊程序如下：

表1 MEMS陀螺儀參數(shù)

1.2 智能糾偏控制系統(tǒng)

本頂管機(jī)智能糾偏控制系統(tǒng)能為頂管機(jī)沿設(shè)計(jì)軸線掘進(jìn)提供必要的精確信息并通過比對(duì)糾正偏差，是一套經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)使用驗(yàn)證的具有先進(jìn)性的自動(dòng)測(cè)控糾偏系統(tǒng)。系統(tǒng)基本流程如圖2所示。

本系統(tǒng)不需要繁雜的電纜連接及硬件設(shè)施，其主要特點(diǎn)為：

①顯示頂管機(jī)的姿態(tài)；

②計(jì)算并顯示頂管機(jī)的位置，采用數(shù)字和圖象兩種形式顯示；

圖2 智能糾偏控制系統(tǒng)流程圖

③計(jì)算并顯示頂管機(jī)實(shí)時(shí)位置與設(shè)計(jì)軸線的偏差；

④根據(jù)實(shí)時(shí)位置與設(shè)計(jì)軸線的偏差自動(dòng)發(fā)送命令控制糾偏油缸動(dòng)作以實(shí)現(xiàn)糾偏；

⑤完全通過控制箱對(duì)整套系統(tǒng)進(jìn)行控制；

⑥對(duì)施工隧道的所有姿態(tài)偏差、位置偏差、糾偏動(dòng)作等數(shù)據(jù)進(jìn)行備份；

⑦關(guān)鍵操作設(shè)置密碼保護(hù)，避免無關(guān)人員更改系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)，如糾偏參數(shù)設(shè)置、零位數(shù)據(jù)等。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證頂管機(jī)智能糾偏控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，本文根據(jù)頂管機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了模擬頂管機(jī)實(shí)驗(yàn)架，并搭建控制系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)，進(jìn)行智能糾偏控制系統(tǒng)的陸地實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示，主要包括殼體、液壓表、電磁閥、自動(dòng)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)、電機(jī)、自動(dòng)糾偏控制系統(tǒng)、液壓泵站、導(dǎo)軌和糾偏油缸10個(gè)部分。

本實(shí)驗(yàn)首先完成了液壓控制系統(tǒng)和糾偏控制系統(tǒng)的上下站通信。在確認(rèn)液壓系統(tǒng)正常后，設(shè)定四組偏差數(shù)據(jù)，觀察并記錄糾偏油缸的動(dòng)作和糾偏效果。

第一組實(shí)驗(yàn)，當(dāng)設(shè)定偏差為左偏0.5°、上偏2°時(shí)，左上、右上糾偏油缸伸出，糾偏過后左偏0.42°、上偏0.44°；

第二組實(shí)驗(yàn)，當(dāng)設(shè)定偏差為右偏4°、下偏0.5°時(shí)，右上、右下糾偏油缸伸出，一次糾偏動(dòng)作后，右偏差仍在需要糾偏的范圍，右上、右下糾偏油缸繼續(xù)伸出，糾偏過后右偏0.28°、下偏0.55°；

圖3 糾偏控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置1.殼體 2.液壓表 3.電磁閥 4.姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng) 5.液壓控制系統(tǒng)6.電機(jī) 7.智能糾偏控制系統(tǒng) 8.液壓泵站 9.導(dǎo)軌 10.糾偏油缸

第三組實(shí)驗(yàn)，當(dāng)設(shè)定偏差為左偏1.5°、下偏1.5°時(shí)，左下、右下糾偏油缸先伸出，再伸出左上、左下糾偏油缸，糾偏過后左偏0.24°、下偏0.36°；

第四組實(shí)驗(yàn)，當(dāng)設(shè)定偏差為右偏0.5°、上偏0.5°時(shí)，糾偏油缸保持。

實(shí)驗(yàn)表明，針對(duì)不同組偏差情況糾偏控制系統(tǒng)做出不同的糾偏控制動(dòng)作，且糾偏效果顯著，驗(yàn)證糾偏控制程序的正確性。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一套以MEMS陀螺儀為檢測(cè)單元、以PLC控制器為核心的頂管智能糾偏控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集三軸角度、實(shí)時(shí)計(jì)算軸線偏差、實(shí)時(shí)控制糾偏油缸運(yùn)動(dòng)的功能，且糾偏效果顯著，能完成頂管機(jī)軸線自動(dòng)糾偏施工，提高頂管質(zhì)量。