基于PLC 和變頻器的頂管機泡沫控制系統

李 兵

（中國鐵建重工集團股份有限公司，湖南長沙 410100）

0 引言

伴隨我國城市化進程的不斷加快，對大城市地下空間建設的需求和要求也在不斷提高。為了避免因為道路施工造成城市出現大范圍擁堵，在盡可能地減少開挖城市地表的大背景下，傳統的施工技術已無法滿足現代化工程建設的需要，非開挖技術應運而生，其中就包括矩形頂管技術[1]。

矩形頂管法是在城市管網和換乘通道施工建設環節中運用了特殊的施工技術，對地面盡量少的明挖，得以使對城市地貌和人文環境的破壞降低到最小程度，這對提升城市文明施工及地下管廊合理規范化建設起到了更為有益的作用[2]。因我國幅員遼闊地貌各異，不同區域的工程地質調節成分、滲透系數、含水量等各項指標差異很大，需要對刀盤開挖下來的碴土予以改良使之更有助于土壓平衡矩形頂管機的施工。目前常用的主要碴土改良系統有膨潤土系統、泡沫系統等，其中泡沫系統因具有改善土倉壓力、降低刀盤扭矩、降低土體的滲透系數，提高止水性、減小地層擾動、防止刀盤結泥餅、減少機件磨損和降低刀具消耗等功能而應用最為廣泛[3]。

泡沫改良法作為一種比較先進的改善土體性質的方法，在土壓平衡頂管機發揮著重要作用。然而由于傳統控制方法對泡沫系統各控制對象無法到達精確地控制，從而無法發揮泡沫的最大改良作用，與此同時造成了泡沫等原料的浪費。由于泡沫原液價格較昂貴，這一現象在一定程度上制約了泡沫改良法在土壓平衡矩形頂管機上的應用。為此設計了一種泡沫精準控制系統，采用西門子PLC 作為控制核心、觸摸式顯示屏為人機界面、變頻器和電動閥為執行元件，通過PID 算法調節實現泡沫混合比的準確控制，從而達到降本增效的作用。同時該系統配置了智能網關模塊，可以進行遠程跨城市的在線故障診斷功能。

1 泡沫電氣硬件系統

1.1 泡沫系統硬件

硬件系統由泡沫補水管路、原液泵、原液箱、氣動球閥、混合液箱、混合液泵、壓縮空氣管路、混合液管路、泡沫發生器等部件組成。泡沫原液和水按照設定的配方，注入到泡沫混合液罐；再由泡沫混合液泵將混合液注入到泡沫發生器，泡沫發生器內部由多層網格構成的裝置，氣液混合體通過后就可以產生大量泡沫。

1.2 電氣硬件系統

電氣硬件系統結如圖1 所示。

圖1 電氣硬件系統結構

電氣硬件系統組成如下：

（1）PLC：采用西門子CPU-1512 作為主CPU，該CPU 具有一個集成3 端口交換機的PROFINET 接口（X1P3），可與組態系統、上位網絡（路由器、Internet）或其他設備或自動化單元進行數據通信。軟件編程平臺為西門子Portal 編程軟件。采用ET200SP 作為泡沫系統子站進行泡沫各信號的采集和輸出控制。

（2）觸摸屏與工控機：采用西門子IPC 系列工控機。工控機與下位機之間采用PROFINET 通信，并在觸摸屏上集成顯示和作為人機接口。

（3）變頻器：進行電機的速度控制。為了減少變頻器的干擾，電機電纜采用帶屏蔽層的電纜，電纜首末雙端接地。

（4）智能網關：智能網關支持以太網、Wi-Fi、全網通3G/4G聯網，可以實現PLC 控制器的遠程編程和數據采集，實現異地跨區域的故障在線診斷和遠程調試。

1.3 上位機設計

上位機操作界面由顯示、控制、數據存儲3 個區域構成（圖2）。顯示區域可查看泡沫各成分的實時數據和報警信息，供操作手作出判斷；控制區域可設定原液配比、控制6 路通道的啟停、設定6 路混合液電機轉速；數據存儲區域統計了每一環原料用量，并存儲了歷史數據信息，可導出為EXCEL 表格查看。

圖2 泡沫上位機界面

2 控制系統設計

2.1 控制流程

泡沫系統運行的前提條件是首先確保配電斷路器、變頻器、原液和供水正常。當滿足以上條件后，首先進行原液與水配比參數設置；下一步進行混合液液位判斷，當液位低限時，系統自動按配比好的參數控制原液泵的輸出，加水和原液，達到高液位時停止補給；然后操作手根據需要選擇所需注入的通道，按下啟動按鈕，混合液電機和空氣電動閥運行以向開挖倉注入泡沫。電氣控制流程如圖3 所示。

圖3 泡沫系統工作流程

2.2 程序設計

程序設計使用了西門子Portal 軟件進行PLC 的編程和組態，主要采用的是LAD（梯形圖）和SCL（結構化控制語言）兩種編程語言。LAD 梯形圖編程直觀易懂，有著很好的邏輯性和可維護性，在進行開關量邏輯控制時優勢突出。SCL 是作為一種高級編程語言，非常適合于下列任務：①復雜的計算功能；②復雜的數學函數；③數據的管理；④過程的優化[4]。

程序采集數字量輸入模塊的實體按鈕的啟動和停止信號、配電斷路器的開關和閉合信號、泡沫原液罐的液位信號、泡沫混合液罐的液位信號；模擬量輸入模塊的泡沫進水壓力信號、泡沫進水流量信號、泡沫原液流量信號、泡沫混合液變頻器輸出速度信號。程序根據采集到的信號判斷泡沫系統是否滿足正常運行條件，將不滿足條件的信號以報警信息顯示在觸屏上以供操作手排除故障；滿足系統條件后程序以收到觸摸屏的設置參數，開啟補水閥和泡沫原液泵電機，按照程序內的功能塊fbPumpPID 實現泡沫原液泵的PID 控制。原液流量計與給定值其中給定值（由觸摸屏設定的配比參數和水流量計算所得）進行比對，通過程序內PID 計算后以0～10 V 電壓信號傳遞給變頻器控制其輸出頻率，從而控制原液電機的轉速。泡沫原液PID負反饋控制原理如圖4 所示。

圖4 泡沫原液PID 負反饋控制原理

圖中PID 控制器計算原理為：誤差信號ev（t）進入PID 控制器后進行運算：

式（1）中，控制器的輸入信號ev（t）=sp（t）-pv（t）；sp（t）為設定值；pv（t）為過程變量（反饋值）；mv（t）是控制器的輸出信號；K為比例系數；TI為積分時間常數；TD為微分時間常數；M 是積分部分的初始值。

采樣離散化后的差分近似表達式為：

式（2）中，TS為采樣周期。

PID 控制的有點是：①不需要被控對象的數學模型；②結構簡單，易于構建，程序開發簡潔，計算處理工作量小，各變量均有確切的物理意義，變量調整方便快捷；③有極佳的敏捷性和適用性。

在程序設定過程中只需要設定K、TI、TD及TS即可。4 個參數的意義和調整總原則為：

（1）K 的影響：比例調節可以根據誤差的大小成比例的作出速度調節，有助于降低系統的穩態誤差。但比例調節的參數值不宜設置的過大，當K 值過大時會破壞系統的穩定性。應選取適當的比例參數值，避免過小的K 值造成系統調節速度過慢。

（2）TI的影響：積分調節的作用是用來消除系統的靜態誤差。積分作用的強弱與TI的大小成反比，但這不意味著積分作用越強越好，積分作用太強會使控制不平穩，應根據實際項目情況正確取用。

（3）TD的影響：微分調節根據是誤差發展的趨勢，預先走出相應的調節。但微分作用過強，也會造成系統失穩。此參數應根據實際項目而作出相應調整。

（4）TS采樣周期：需考慮傳感器的采樣周期[5]。

3 應用實例

應用于某市的地鐵換乘站項目的土壓平衡矩形頂管機，在對該項目進行地質分析主要為粉細沙層（含云母、氧化鐵、有機質、局部粉夾土）和粉質黏土層，整機設計時增加了泡沫土壤改良系統。泡沫系統采用7 個ABB 變頻器，其中1 個控制泡沫原液電機轉速，6 個控制泡沫混合液電機轉速。在設置變頻器參數時，根據負載特性和應用需求，其中部分參數可以直接采用變頻器標準宏自帶參數，只需對部分參數進行設置。變頻器的主要設置參數見表1[6]。

表1 變頻器參數設置

在工廠進行了泡沫系統調試后應用于項目工地，主要考察了泡沫系統的發泡效果和穩定性。該項目的泡沫運行穩定，發泡效果達到預期，應用效果如圖5 所示。

圖5 應用效果

4 結語

基于PLC 和變頻技術的泡沫控制系統，集采樣、計算、報警、數據儲存、報表導出和遠程在線診斷等功能于一體，實現泡沫混合液罐的自動補給和停止，原液與水按預定配比進行配方。經過工廠數次試驗并應用于工程項目，該系統泡沫發泡效果與控制精度都達到預期的效果，達到降本增效的目的。由于PLC 和變頻器對周圍環境要求苛刻，使得該方案的使用場景受限，相信隨著技術的不斷進步未來一定有更加完善的方案問世。