皮帶機渣土流量控制系統

高南 胡天賜

摘 要：隨著隧道的開挖技術日益成熟，盾構法隧道施工帶來的技術革新和技術效益正在凸顯。在各種盾構機中，土壓平衡盾構機是盾構掘進機的一種，在其工作過程中會引起土體擾動，嚴重時會造成地表開裂和建筑物傾斜等事故。本文主要為避免土壓平衡式盾構機在推進過程中因出土量的過多或者過少引起的超挖或欠挖導致地面隆起或塌陷等情況，設計了土壓平衡式盾構機土傳送帶控制系統，通過STM32F103RCT6單片機進行傳送帶控制，能夠實現傳送帶單閉環PID（比例、積分、微分）控制電機轉速，通過Modbus485串口進行發送和讀取數據進行傳送帶的速度，最終實現傳送帶轉速閉環控制。

關鍵詞：土壓平衡式盾構機；STM32單片機；PID閉環控制；Modbus485串口

1 背景

為了緩解人口增加所造成的交通擁堵問題，城市的輕軌和地鐵建設加快了進程。其中，地下空間開發尤為重要。地下軌道交通不僅可以均衡人口矛盾，減少污染，同時對實現社會可持續發展有著重要意義。

土壓平衡式盾構機作為地鐵隧道施工的主要設備，在施工過程中，可能會出現超挖和欠挖等狀況。例如城市道路中突然出現地面空洞，對城市安全生活產生了很大影響，渣土流量監測能夠預防超挖和欠挖，所以對渣土流量的檢測便成為了重中之重。在各種盾構機中，土壓平衡盾構是盾構掘進機的一種，在其工作過程中會引起土體擾動，從而改變地層的應力狀態，進而造成地表變形，當變形過大時會引發地表開裂、地面建筑物傾斜等施工事故。由于土壓平衡式盾構機在推進過程中因出土量的過多會這過少引起的超挖或欠挖導致地面隆起或塌陷等情況，因此得到精確的渣土的流量迫在眉睫。在以往的渣土流量檢測中，普遍采用測量重量的方法，但由于渣土密度多變，致使測量流量得到的測量值與真實值比較具有較大誤差，故引入激光三維檢測技術。本文采用了對電機速度進行控制，使其以一個恒定速度轉動，從而對渣土流量進行測量，該方法具有高效率，高精度且可實時監測的優點，對土壓平衡式盾構機的渣土流量測量系統具有重要的意義。

2 系統總體方案

本文首先將帶有編碼器的電機中，編碼器A相引腳與單片機PA0相連，將PWM（脈沖寬度調制）輸出引腳與單片機PB5相連，從而使單片機正常控制電機旋轉，將單片機串口通過Modbus485串口進行通信，能夠通過上位機對電機進行數據發送與輸入，對電機進行進一步控制。

2.1 硬件總體方案

根據設計需要，需構建如圖1所示調速系統。

系統的主電路主要由電源模塊、控制器、驅動放大模塊、測量反饋、激光雷達、威綸通構成。其中電源模塊一方面實現對控制器單片機系統提供直流電源，同時為驅動模塊提供電源；測量反饋電路不僅可以對直流電機進行測速，而且可以作為輸入信號反饋給控制器；顯示模塊實現人機交互，更好地反映了直流電機的速度變化過程。系統原理圖如圖2所示。

根據設計要求，系統硬件采用的方案如下。硬件部分實現控制電機轉速功能，包括：STM32F103RCT6控制器、直流電機模塊、供電模塊、驅動模塊、編碼器、激光雷達、威綸通。

2.2 軟件總體方案

系統的軟件主程序流程圖如圖3所示。軟件部分實現功串口通信功能，主要設計思想是能夠通過32單片機串口進行輸出電機轉速調節情況，其次能夠通過串口助手向單片機發送轉速指令，使電機轉速能夠調節至設定的目標值。首先啟動電源，通過Modbus485串口發送目標轉速，則PID控制器發出PWM信號，若此時電機轉速與目標轉速有偏差，則PID控制器會根據偏差重新發送PWM信號，進行電機控制，直至電機轉速等于目標轉速。

3 電機控制系統硬件電路

根據設計要求和硬件總體結構可知，系統硬件選型主要包含以下部分：直流電機，作為調速系統的被控對象，選用帶編碼器的GA12-N20電機；選用L7809穩壓模塊給直流電機供電；選用STM32F103RCT6作為核心控制器；選用L298N作為驅動模塊。上位機選用威綸通，激光雷達。

3.1 USB模擬串口電路設計

使用USB-TTL串口，通過串口助手，實現單片機數據的發送與接收，串口電路設計如圖4所示。

3.2 驅動模塊電路設計

TB6612FNG每通道輸出最高連續驅動電流為1 A，啟動峰值連續脈沖電流可以達到2 A，啟動峰值單脈沖電流可以達到3 A。電機控制模式有4種分別是：正轉模式、反轉模式、制動模式、停止模式。TB6612FNG驅動模塊結構示意圖如圖5所示。

3.3 控制器的選型

控制器可選用STM32F103RCT6單片機作為主控制器，較好的完成了目標要求。系統原理圖如圖6所示。

3.4 激光雷達模塊設計

激光雷達模組用于將十個傳感器進行固定，本文制作了一塊固定傳感器的電木板，這塊電木板的制作流程則是先查閱傳感器上面各個位置的尺寸，從而進行繪圖，并定好每個傳感器之間的間距、邊框的大小以及板子的材質和厚度等。再通過螺絲使傳感器固定在上面，從而可以實現傳感器之間距離相等，高度一致，使渣土流量的測量更加精確。

最終需要固定一個框架，長寬高分別為46 cm，44 cm，23 cm，該框架實物如圖7所示，將傳感器以及各種裝置固定在這個框架中，完成整個裝置，從而實現渣土流量的測量，最后，通過Type-c接口的USB視頻采集卡連接威綸通HMI的HDMI接口，通過手機的顯示屏進行數據顯示，其中數據就包括渣土的流量以及各種傳感器參數。

3.5 PCB版模塊

由于皮帶機通常在惡劣的環境下進行工作，需要將傳感器穩定連接，因此需要制作TF-mini-i傳感器專用Modbus總線集線器。本文設計了集線器PCB板，這塊PCB板需要通過軟件畫出，然后進行制作，其中這塊PCB板上面有10個插件，這種插件為直腳插座連接器接插件，間隙為1.25 mm，一個小的插件上有六個直針，用于連接傳感器。共需要10個插件，連接10個傳感器。并且這塊PCB板還要有一個接線端子，在板子內部與10個插件相連，用于后續連接其他裝置。通過這塊PCB板子實現10個紅外傳感器與威綸通HMI的連接。最終集線器PCB板實圖如圖8所示。

3.6 硬件整體結構

將威綸通與TF-mini-i激光雷達模組進行連接，并接通電源，將整個裝置置于組裝的框架上，進行固定，將電機與模擬的渣土模型相連接，并通過零件進行固定，使電機能夠帶動模擬的渣土模型轉動，最終實現完成整個裝置的連接，該系統的硬件整體結構實物圖如圖9所示。啟動電機，將上方檢測裝置接通電源，最終實現土壓平衡式盾構機渣土流量測量系統。

4 系統軟件編程

軟件部分實現功串口通信功能，主要設計思想是能夠通過32單片機串口進行輸出電機轉速調節情況，其次能夠通過串口助手向單片機發送轉速指令，使電機轉速能夠調節至設定的目標值。首先啟動電源，通過Modbus485串口發送目標轉速，則PID控制器發出PWM信號，若此時電機轉速與目標轉速有偏差，則PID控制器會根據偏差重新發送PWM信號，進行電機控制，直至電機轉速等于目標轉速。

電機控制系統由STM32F103RCT6主控板、電機和編碼器組成。脈沖寬度調制技術簡稱PWM技術，就是用調制脈沖寬度的方法，把恒定的直流電源電壓調制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓序列，從而改變平均輸出電壓的大小，以調節電機轉速。由其原理可知，一段時間內加載負載兩端的的PWM脈沖與相等時間內加載負載上脈沖相等的直流電壓等效，那么在時間T內脈沖寬度為t，幅值為U，其等效直流電壓為：

由式（1）可知，要想改變等效直流電壓的大小，可以通過改變脈沖幅值U和占空比α來實現，從而達到利用PWM控制技術實現對直流電機轉速進行調節。

基于威綸通HMI和Modbus通信的現場總線式傳感器數據讀取，通過紅外傳感器測量模擬渣土泡沫的距離，在軟件界面圖上顯示出來，同時使用電腦連接STM32單片機，可以通過Easy Builder Pro軟件對電機轉速進行控制。Easy Builder Pro軟件程序如圖10所示。

5 系統調試和結果分析

基于威綸通HMI和Modbus通信的現場總線式傳感器數據讀取，通過紅外傳感器測量模擬渣土泡沫的距離，在軟件界面圖上顯示出來，同時使用電腦連接STM32單片機，可以通過Easy Builder Pro軟件對電機轉速進行控制。通過Modbus協議串口485進行串口通信，本文獲取調試數據，如表1所示。

由上所得測試表可知，當單片機通過串口接收到轉速為5轉/秒時，電機轉速開始調節，數據如圖11所示。

上述數據經過Matlab進行仿真后，可得出如下曲線示意圖。

如圖12所示，可觀察到通過串口發送目標轉速后，電機轉速開始調節，最終到達目標穩定值。

基于威綸通HMI和Modbus通信的現場總線式傳感器數據讀取，通過紅外傳感器測量模擬渣土泡沫的距離，在軟件界面圖上顯示出來，同時使用電腦連接STM32單片機，可以通過Easy Builder Pro軟件對電機轉速進行控制。

在電機轉動時，雷達傳感器可以測得轉動時泡沫的距離。通過泡沫距離計算在瞬時時刻的橫截面積。控制電機轉動，某一時刻時雷達傳感器測量距離為如圖13所示。

6 結語

為避免土壓平衡式盾構機，在推進過程中因出土量的過多、過少引起的超挖或欠挖導致地面隆起或塌陷等情況，設計了土壓平衡式頓機構渣土傳送帶控制系統，通過STM32F103RCT6單片機對傳送帶進行控制，能夠實現傳送帶單閉環PID控制電機轉速，并且能夠通過串口進行發送和讀取數據進行傳送帶的速度，最終實現傳送帶轉速閉環控制。

但是由于驅動原因，當給電機阻力時，驅動無法輸出更高的電壓給電機，致使電機速度無法被調節，因此可以通過換一個性能更好的驅動來進一步改善實驗結果。