基于傳感技術的盾構在線狀態監測系統

蒙先君， 劉瑞慶， 吳朝來

(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

隨著盾構技術的不斷發展和完善，國內也逐步開展盾構技術的研發，主要應用于隧道和地鐵施工項目中。為了保證隧道和地鐵施工過程中盾構設備安全、穩定、可靠，在設備實施過程中需要不斷地進行維修和監測，不僅耗費大量人力和財力，而且很難保證實時性，同時工作強度較大，監測精度還存在人為誤差[1-4]。為了降低成本，減少開支，提高監測精度，亟需設計一種基于傳感技術的運行狀態在線監測系統，以保證盾構的實時監測，從而提高工程管理的信息化水平。

國內外在線監測技術相對成熟，主要應用于風電狀態監測設備，尚未在盾構機械設備中推廣應用。目前，盾構設備中的監測系統是控制系統自帶的監測裝置，主要針對單個設備進行監控，設備結構和監測系統簡單，檢測數據有限。盾構運行狀態監測與評估主要采用離線式油液檢測、狀態監測、故障分析與診斷等技術，這些監測技術不能對設備進行連續、全面的檢測[5-8]。由于盾構工作環境復雜，對設備進行狀態監測，不僅需要成熟的傳感器技術，還需要成熟的通訊技術。而設備狀態監測的位移、速度、加速度和其采樣方式及評價的依據，沒有國家統一標準，需要進一步去研究和探索。

本文在已有在線監測技術[9-11]的基礎上，以PLC為開發語言，采用模塊化的設計方法，從而實現監測系統的模塊化管理。該系統主要包括5種模塊： 振動信息采集模塊、溫度信息采集模塊、模數轉換模塊、電源穩壓模塊和TTL轉RS232信號轉換模塊，通過傳感技術檢測盾構關鍵部件各測點的振動速度和溫度，結合通訊技術將實時監測的數據傳輸至控制器進行分析處理，對盾構運行狀態進行實時監測，并通過試驗驗證盾構在線監測系統的合理性。

1 系統結構及工作原理

1.1 系統總體結構

盾構在線監測系統結構如圖1所示。系統主要由盾構設備、電源模塊、顯示模塊、振動信息采集模塊、溫度信息采集模塊、模數轉換模塊以及穩壓模塊等組成。

圖1 盾構在線監測系統總體結構圖Fig. 1 General structure of on-line monitoring system for shield

1.2 工作原理

根據盾構設備在線狀態監測的相關要求，將傳感器布置在盾構的待測點位置，狀態在線信息采集模塊實時采集盾構主泵站、軸承及減速器等關鍵部件工作狀態的位移、速度、加速度、溫度信息的特性信息，將采集到的信息傳遞至單片機主控程序室，并對信息進行分析和處理，實時監測盾構的工作狀態。

利用盾構在線狀態監測系統，來實現盾構主驅動、主泵站等關鍵部位的振動速度、溫度、壓力等狀態參數的實時采集與分析。

2 系統主要模塊設計

2.1 振動信息采集模塊

振動信息采集模塊主要用來采集盾構在工作過程中的振動位移、速度和加速度。由于盾構的工作環境復雜(空間狹小、環境惡劣、濕度高)，受污染程度大，工作過程中安裝更換困難，對振動信息采集模塊中振動傳感器的靈敏度、測量范圍、可靠性、精確度和響應特性[10-11]要求較高，選用型號為CYT9200的一體化振動變送器。振動信息采集模塊電路圖如圖2所示。一體化振動變速器安裝方式包括水平安裝和垂直安裝，工作電壓為24 V，輸出電流為4～20 mA，量程為0～50 mm/s，靈敏度為50 mV/(mm/s)，頻率響應為5～1 000 Hz，振動速度測量為0～50 mm/s，振動位移測量為 0～500 μm，振動加速度最大測量范圍為10g，振動變速器上設置有固定螺栓孔，安裝方便，采用不銹鋼材質，適用于空氣濕度大的環境。

2.2 溫度信息采集模塊

溫度信息采集模塊主要用來監測被測物體表面工作溫度變化幅度，溫度傳感器通過測量電阻的變化檢測不同時刻被測物體表面工作溫度參數，根據被測對象及溫度測試范圍選用K型貼片式表端面熱電偶冷壓鼻探頭PT100溫度傳感器。溫度信息采集模塊電路圖如圖3所示。貼片式熱電偶K型采用純銅鍍銀貼片，彈簧護套，高溫抗干擾金屬屏蔽線，使用溫度為-50～420 ℃，導熱性能好，不易斷線，響應時間短，可以準確測量物體表面的溫度。

1—3表示接觸點。

圖3 溫度信息采集模塊電路圖Fig. 3 Circuit diagram of temperature information acquisition module

2.3 模數轉換模塊

模數轉換模塊是將振動信息采集模塊和溫度信息采集模塊采集到的振動位移、速度、加速度和溫度模擬量信息轉換成數字量信息，供單片機主控程序讀取。根據選用的一體化振動變送器型號、K型貼片式溫度傳感器以及各參數的測量范圍，選用型號為ADS1118的16位模數轉換器，具有集成MUX、PGA、溫度傳感器、振蕩器等的小型16位模數轉換器，精度高，耗電低，包含冷端補償和軟件，支持860次/s采樣的數據速率等優點。模數轉換模塊電路圖如圖4所示。

1—10表示接觸點。

2.4 電源及穩壓模塊

由于所選一體化振動變送器的工作電壓為24 V，故選擇電壓為直流12 V的2節蓄電池串聯。由于系統選用的供電電源為24 V，而單片機的供電電源為5 V，系統通過降壓與單片機供電。根據輸入直流電壓為3～35 V，輸出直流電壓為1.5～35 V(可連續調節)，且輸入直流電壓超過輸出直流電壓的1.5倍時，最大輸出電流不超過3 A的特性，選用型號為LM2596S DC-DC降壓模塊，降壓模塊轉換效率為92%。降壓模塊電路圖如圖5所示。

1—3表示接觸點。

2.5 單片機監測程序設計

單片機監測程序結構簡圖如圖6所示。主要由單片機、一體化振動變送器、PT100溫度傳感器、電源、LM2596S DC-DC降壓模塊、ADS1118 16位模數轉換器、TTL轉RS232信號模塊、盾構等部分組成。

圖6 單片機監測程序結構簡圖Fig. 6 Structure sketch of SCM monitoring program

在線狀態監測系統工作時，傳感器檢測到盾構關鍵部件(主泵站、軸承及減速器)的振動信息和溫度信息，由A/D轉換模塊將采集到的模擬量轉換成數字量，通過單片機的IO接口傳遞至單片機主控程序，經單片機運算處理后，再由TTL轉RS232信號模塊轉換，將轉換后的信號傳送至在線監測設備[12-13]。單片機監測系統流程圖如圖7所示。

圖7 單片機監測系統流程圖Fig. 7 Flowchart of SCM detection system

3 系統測試與結果分析

3.1 試驗條件與方法

2017年5—7月，在施工現場對基于傳感技術的盾構在線監測系統進行了試驗。為了測試盾構在線監測系統的性能和監測精度，監測系統安裝調試完成后，通過試驗對各個點進行實時狀態數據采集，每個點采集 20 000多個數據。監測系統現場試驗如圖8所示。

圖8 在線監測系統試驗Fig. 8 Test photo of on-line monitoring system

對盾構關鍵部件主泵站、軸承及減速器等運行狀況進行監測測試，測點分布如表1所示。

表1 盾構測點分布Table 1 Layout of monitoring points on shield

3.2 試驗結果分析

本次主要對測點的振動速度和溫度進行分析，得出振動速度和溫度曲線如圖9—11所示。由圖9(a)、10(a)、11(a)測點振動速度離散圖可以看出： 2#刀盤驅動泵測點的振動速度為1.5 mm/s左右； 1#主驅動減速機測點振動速度為1～1.5 mm/s； 2#主軸承測點振動速度為1～1.4 mm/s。盾構關鍵部件各測點的速度值滿足正常運行狀態的工作要求。由圖9(b)、10(b)、11(b)測點溫度曲線圖可以看出： 2#刀盤驅動泵測點溫度為25～45 ℃； 1#主驅動減速機測點溫度為20～40 ℃； 2#主軸承測點溫度為25～40 ℃。盾構關鍵部件各測點的溫度值滿足正常運行狀態的工作要求。

(a) 測點振動速度曲線

(b) 測點溫度曲線圖9 2#刀盤驅動泵電機測點振動速度和溫度曲線Fig. 9 Curves of vibration velocity and temperature of monitoring point on electric motor of #2 cutterhead drive

(a) 測點振動速度曲線

(b) 測點溫度曲線圖10 1#主驅動減速機測點振動速度和溫度曲線Fig. 10 Curves of vibration velocity and temperature of monitoring point on reduction box of #1 main drive

(a) 測點振動速度曲線

(b) 測點溫度曲線圖11 2#主軸承測點振動速度和溫度曲線Fig. 11 Curves of vibration velocity and temperature of monitoring point on #2 main bearing

4 結論與討論

1)以盾構為監測對象，采用了模塊化的設計方法，從而實現了監測系統的模塊化管理。該系統主要包括振動信息采集模塊、溫度信息采集模塊、模數轉換模塊、電源穩壓模塊和TTL轉RS232信號轉換模塊。通過傳感技術監測盾構關鍵部件各測點的振動速度和溫度，結合通訊技術將實時監測的數據傳輸至控制器進行分析處理，實現了盾構的在線監測，保證盾構設備施工過程中的安全、穩定、可靠。

2)關鍵部件各測點的振動速度范圍和溫度范圍滿足盾構正常運行狀態的工作要求，系統各項指標符合盾構在線監測系統的設計要求。

由于盾構工作環境復雜，對設備進行狀態監測，需要更成熟的傳感技術、通訊技術和國家統一的標準，本文所研究的盾構在線監測系統僅針對自己的產品進行研究，使用范圍較小，存在一定的局限性，需要進一步去研究和探索。