全斷面矩形頂管掘進機電氣系統設計*

岳亞軍

(中國煤炭科工集團 上海有限公司， 上海 200030)

0 引言

近年來隨著城市建設的不斷發展，城市地下空間建設的需求也在不斷提高。為保證城市交通地面順暢,減少開挖，傳統地下管道和人行通道施工技術已無法滿足現在高速發展的施工建設需要。全斷面矩形頂管掘進機具有端面利用率高，對淺覆土適應能力強，可適應城市各類聯絡通道,下穿地鐵、公路、立交隧道等優越性，在市政建設中得到大量應用。

全斷面矩形頂管掘進機是集機械、電子、液壓、控制、激光測量等技術于一體的成套隧道設備。設備包括供配電系統、截割系統、出渣系統、頂進系統、減摩注漿系統、方向控制系統、潤滑系統、測量導向系統、環境監測系統等。如何有效地串聯各個子系統，實現設備的數據采集、控制算法、人機接口等功能,使設備具有集成化、自動化水平，提高掘進機的操作簡便性，保障設備的高可靠性和穩定性是全斷面矩形頂管掘進機電氣控制系統亟需解決的問題。

1 掘進機電氣控制系統設計原理及特點

1.1 設計原理

掘進機電氣控制系統設計原理如圖1所示。本系統由兩臺發電機進行供電，一臺用于操作室及地面設備的供電，另一臺用于隧道內的設備供電。控制系統主要由兩套西門子1200系列可編程控制器(PLC)以RS485的通信方式實現主從通信。由從站PLC對掘進機內的截割系統、出土系統、方向控制系統、激光光靶、機內動作、數據采集等進行控制采集。同時機內還配備有兩套ET200遠程IO系統，主要用于控制和采集系統內的電動球閥,實現頂進過程中的減摩注漿和土體改良功能。

圖1 系統設計原理

1.2 設計特點

1) 系統化分塊設計。由于掘進機內部所涉及的子控制系統較多,為了便于管理,集中控制,同時提高設備檢修維護效率,系統按功能采用分塊化設計。在掘進機內部設置有7個電器控制箱,分別為機內總配電箱、大刀盤控制箱、左側刀盤控制箱、右側刀盤控制箱、機內控制箱、輔助系統控制箱、注漿分站箱。各個電控柜按設計要求和控制邏輯分別控制各自的執行機構,并完成狀態數據的傳輸、返回,使設備井然有序地按設計完成工作。

2) 采用通信的控制方式，減少了控制電纜的數量，提高了系統的相應速度。系統中采用了多種現場總線，其中地面操作臺和掘進機之間采用RS485的通信方式，掘進機內部1200CPU與各個變頻器之間通過CB1241采用Modbus RTU的通信方式，與機內電子激光光靶之間也采用Modbus的通信協議，與注漿控制分站之間則采用ProfiNet通信協議[1]。通信的控制方式可減少系統中的控制線纜和控制模塊數量，而且響應速度快，提高了設備的簡潔程度，節約了成本。

2 系統硬件結構組成

在施工過程中，隨著頂進長度的不斷增加,頂管機和地面操作室之間的距離越來越遠,與之配套的動力線和通信線也要跟著機器一起前移。同時由布置在機器尾部的注漿減摩系統對掘進機和已頂進管節進行注漿、補漿操作。

2.1 地面操作室

地面操作室是掘進機控制系統的操作場所，作為掘進機的控制大腦,在系統中起著至關重要的作用，中央操作臺上布置有各子系統的操作按鈕、變頻器的調速旋鈕和工作狀態指示燈，系統內的急停、故障、報警按鈕指示燈等。操作臺正面布置有一臺19寸電腦觸摸屏,用于顯示各子系統的運行狀態和運行參數。操作臺后部布置有主站PLC和網路交換機、網路路由器等，從站數據以通信的形式傳輸至主站PLC,經過PLC內部的處理運算顯示在控制界面上。同樣操作臺上控制命令經過主站PLC的邏輯處理、判斷,將指令下發至從機PLC執行。經主機PLC處理過的數據通過交換機傳輸至本地操作臺控制計算機進行本地顯示控制。同時,經路由器,通過外接網絡將系統設備的運行狀態和實時數據上傳至云端監控界面進行顯示[2]。

2.2 掘進機內子系統

為了保證頂進順利高效進行,各子系統設備的控制均布置在掘進機內部，該種布置方式既減少了延長電纜的麻煩,又可提高設備的穩定性和可靠性。掘進機內的子系統包括刀盤截割系統、螺旋出土系統、方向控制系統、激光測量系統、傳感器數據采集系統、其他輔助系統等[3]。

1) 刀盤截割系統由8個截割電動機控制，其中大刀盤由1臺變頻器同時拖動6臺電動機，左上、左下、右上、右下分別由一臺變頻器控制一個截割電動機。同時8個電動機均為變頻電動機,需要對電動機進行保護,同時控制其冷卻風扇。

2) 螺旋出土系統主要用于控制一臺螺旋機電機和兩道螺旋機閘門，螺旋機閘門由機內液壓系統提供動力，其中一道閘門帶儲能功能,當系統突然失電時,由儲能器自動關閉螺旋機閘門。

3) 方向控制系統，根據管線的設計,在頂進過程中需要對頂進方向進行修正。在掘進機內上、下、左、右4個方向均布置有糾偏油缸,同時在中繼間環的4個方向上也布置有油缸。需要方向修正時可通過伸縮不同方向的油缸實現方向控制。各個方向的油缸上配備有行程傳感器,根據傳感器的顯示值確定方向調整量。

4) 在掘進機刀盤后部安裝有電子激光光靶，正常頂進過程中,根據始發洞口打至激光光靶的激光點坐標來確定機器的空間位置。該坐標值通過通信的方式采集并顯示在數據監控系統,操作司機可根據該坐標值來進行相應的糾偏操作。

5) 傳感器采集系統主要用于采集掘進機內配置的各個傳感器的參數值,包括設備的姿態角度、糾偏行程、前腔土體壓力、潤滑壓力、機內水位等。

6) 輔助系統主要包括潤滑系統、注脂系統、拌漿系統、機內照明等。

2.3 注漿減摩系統

注漿減摩系統在整個頂進過程中起著尤為重要的作用，通過精準控制安裝在掘進機和管壁上的電動球閥對管壁和土體進行定點的注漿和補漿操作,可以減少土體的摩擦阻力,從而減小主頂系統的頂推力,保證頂管掘進快速高效進行。系統中有兩套注漿減摩分站，分站1控制掘進機內的注漿和土體改良電動球閥，分站2控制管道內的電動球閥。頂進過程中根據頂力和前腔壓力的大小,可選擇手動或者自動開關各個注漿點,達到減摩潤滑的效果。

3 系統軟件設計

軟件系統主要包括PLC邏輯控制程序和上位數據監控系統，同時為了更好地展示設備的運行狀態,依托物聯網技術，將掘進機上各個I/O組件和傳感器的實時參數通過Internet傳輸至網絡云端，可通過網絡客戶端對設備的實時運行狀態進行監控。控制系統組成如圖2所示。

圖2 控制系統組成

3.1 PLC控制系統

PLC控制系統是整個電氣控制系統的核心部分，對系統內電動機、風扇、電磁閥、變頻器等控制對象進行邏輯控制，并采集設備的電壓、電流、壓力、溫度、液位等控制信號，為設備的可靠穩定運行提供依據。

系統中主從站均采用西門子1200系列PLC，主從站各配有一個CM1241通信模塊,該模塊通過 RS422/RS485 接口采用兩線制的半雙工RS48。所控制的大部分執行機構均在頂管掘進機內部,由從站PLC進行采集控制，從站PLC需要控制6臺ABB變頻器、方向控制系統、電子光靶測量系統、傳感器的采集和閥等執行機構，同時機內從站PLC還需與兩個ET200分站通信。從站PLC與變頻器和電子光靶通信采用插在CPU模塊上的通信板CB1241模塊,通過Modbus RTU通信協議實現。與ET200模塊的通信是通過CPU上的以太網口以ProfiNet的通信協議進行通信。傳感器的采集和電磁閥的控制由從站CPU模塊上擴展的IO來實現。

數據的運算處理和邏輯控制主要由主站PLC完成。根據各子系統返回的數據和狀態,操作人員在操作臺上進行相應的按鈕操作,進入主站CPU后根據設計要求進行條件判斷,各個運行條件均滿足后,由主機發命令給從機并傳輸至各執行機構完成操作。

同時主機將系統的運行狀態和參數通過交換機傳輸至現場觸摸屏和有上網功能的路由器,完成設備的本地監控和云端監控。

3.2 本地上位監控系統

上位監控軟件采用KingScada軟件繪制，KingScada系統和應用以及信息交流匯集在一起，實現最優化管理。由于掘進機系統內執行機構較多，上位機操作主界面(如圖3所示)即“5 m×4 m矩形頂管掘進機監控系統”集中控制系統包括主界面和分項系統、注漿畫面、變頻畫面、故障報警、參數設置、數據曲線、數據查詢等各監控畫面。

圖3 系統主界面

主界面囊括了頂管掘進機正常操作所需的全部控制和信息，操作人員可以根據需要進行相應操作，并能查看主要設備和部件的運行信息。主界面中每個矩形框內表達一個設備或一組設備的狀態、信息和控制。主控制界面內主要包括了電子激光光靶的坐標值、設備的地下姿態角度、機內液壓系統的運行情況及參數、前腔和出土口壓力、油脂泵和抽水泵的運行狀態、主頂系統的運行狀態、推進系統的運行狀態、截割系統狀態及關鍵數據、方向控制系統參數、出渣系統的實際參數等。除了主界面外,右側還有6項子系統界面可更好地輔助操作人員進行正確的設備操作[4]。

3.3 云端監控系統

云端監控系統主要是依托本地監控系統將本地數據通過網絡傳輸至云端顯示。

1) 云端PC顯示。該方式通過帶有穿墻功能的路由器將本地主站PLC內特定區域的數據塊發送至云端，通過阿里云上編寫的上位監控軟件可實現和本地監控一致的顯示方式。該訪問需要輸入相應的阿里云賬號和密碼[5]。

2) 移動客戶端顯示。該顯示方式通過手機端使用谷歌瀏覽器登錄特定的網址來監視現場設備的運行狀態。

4 結論

該電氣控制系統現已在施工地點進行了長時間的應用，各項技術指標和功能要求均達到設計要求。由于系統復雜，在設計過程中充分考慮了設備現場的拆裝工作，并結合多年來設計頂管掘進機電控系統的經驗，結合云端技術的嘗試應用，簡化了現場安裝工作且提高了效率。使用過程中，各系統數據穩定正常，云端監控反應迅速，控制系統功能完善，自動化技術水平較高。