PLC自動化控制系統在長距離頂管施工中的運用分析

文／陳義軍 中交二航局第三工程有限公司 江蘇鎮江 212000

引言：

傳統頂管施工主要采用的是繼電器控制方式，且需要連接多芯電纜，并以人工方式湖區表盤讀數，不僅施工技術難度較高，而且在控制精度和可靠性方面也存在明顯的不足之處，難以適應現代長距離頂管施工的實際需要。而且由于長距離頂管施工是一項較為復雜的系統性工程，涉及大量的人員設備，對設備的聯動性以及數據通訊的即時性等都有很高的要求，因此在長距離頂管施工實踐中應積極應用具有較高自動化以及信息化水平的PLC 控制系統，以實現實時采集各傳感器數據信息，對長距離頂管設備中繼環、工具頭以及相關配套設備的控制，并自動發出故障報警信息，從而為長距離頂管施工的順利實施提供重要支撐。

1、長距離頂管施工中PLC 自動化控制系統概述

1.1 長距離頂管施工概述

在地下管道的施工中，非開挖性的頂管施工技術由于具有較好的施工安全性以及技術適應性，且對地面交通所造成的影響相對較小，在施工過程中產生的振動、粉塵以及噪聲污染也比較少，因此在城市各類地下管網工程中得到了廣泛應用[1]。近年來地下管網工程規模不斷擴大，長距離頂管施工對施工控制精度以及施工效率都提出了新的要求，施工單位應積極加強PLC 自動化控制系統等先進技術的運用，全面提高長距離頂管施工的技術水平。

1.2 PLC 自動化控制系統概述

所謂PLC 自動化控制系統也就是可編程式邏輯控制裝置，其主要通過可編程存儲器實現存儲內部程序以及邏輯計算分析，并可以根據用戶預設指令進行運算、定時以及計數等操作。PLC 自動化控制系統是通過輸入或輸出模擬量以及數字化信息實現對機械設備動作狀態以及生產過程的精確控制[2]。隨著PLC 自動化控制系統的發展，它在工業控制領域得到了越來越廣泛的應用。運用PLC 自動化控制系統控制長距離頂管施工能夠有效提高施工的質量和效率，更好的保證施工安全。

2、PLC 自動化控制系統在長距離頂管施工中的運用分析

2.1 長距離頂管施工中PLC 自動化控制系統基本功能

在長距離頂管施工中應積極應用具有較高可靠性的OLC自動化控制技術，以提高對頂管施工的管理以及控制水平。PLC 自動化控制系統采用的是分布式I/O 以及現場總線技術，能夠實現數據信息的實時采集和傳輸，不僅信息化、自動化程度較高，而且功能豐富、便于維護，為長距離頂管施工控制提供了重要的技術支撐。

在長距離頂管施工中運用PLC 自動化控制系統能夠實現工具頭控制、中繼環控制、配套設備控制以及相關的數據通信等多項功能，各項功能則需要依靠PLC 自動化控制系統的上位機、下位機、主站、從站、中繼器等部分實現。其中，PLC 自動化控制系統的下位機功能主要是控制工具頭。下位機具有一定的獨立性，能夠對刀盤動作、液壓升降、姿態糾偏、進泥、排泥以及其他輔助設備進行精確控制。同時，下位機還可以對各種傳感器所獲取的掘進設備的土壓油壓、設備姿態以及轉速等各項模擬量進行實時采集和處理分析，一旦發現存在異常數據時能夠自動發出預警信息或者進行故障報警，且在施工過程中可以根據工藝設定自動采取聯鎖保護動作。PLC 自動化控制系統的中繼環控制主要是通過上位機以及后座主千斤頂等設備來實現對多個中繼環的聯動遠程控制。同時，PLC 自動化控制系統還能夠對長距離頂管施工中所使用地面配套設備（如泥漿泵、引水泵以及高壓泵等）和管內配套設備（如排泥進水接力泵、送漿泵以及壓漿泵等）進行集中控制[3]。此外，PLC 自動化控制系統的數據傳輸一般需要通過下位機和網絡來實現，且需要結合上位機完成對各種設備運行狀態、施工數據以及故障信息的計算分析。PLC 自動化控制系統上位機還具有自動報表、遠程控制長距離頂管設備工具頭等功能。通過PLC 自動化控制系統的運用，對配套設備以及中繼環的控制能力明顯提高，能夠滿足3km 距離內的施工控制要求。

2.2 長距離頂管施工中PLC 自動化控制系統架構分析

在長距離頂管施工中，應按照分散控制以及集中監測這一基本原則進行PLC 自動化控制系統架構的構建。在PLC自動化控制系統中，控制長距離頂管施工流程應通過PLC 來實現，同時應采用現能夠對海量數據信息進行高效處理分析并傳輸控制指令的現場總線CC-Link 為施工現場的數據傳輸網絡，以便集中監控長距離頂管施工的所有施工環節。現場總線CC-Link 與連接介質之間一般采用的是雙絞線結構形式，能夠為64 個從站提供支撐，同時其所采用的輪詢廣播方式能夠使數據傳輸速度達到10Mbps；而其結合中繼器使用后能夠將傳輸距離延長至13.2km 左右[4]。因此現場總線CC-Link 的運用可以滿足長距離頂管施工要求，有效簡化長距離頂管施工現場配線，提高系統的兼容性以及抗噪能力，降低操作難度和使用成本。長距離頂管施工中PLC 自動化控制系統的上位機既為計算機，其是PLC 自動化控制系統的操作平臺以及顯示平臺。而系統的主控制器是主站，其作為PLC 自動化控制系統的核心承擔著控制所有從站，并對地面配套設備進行監控的任務。施工單位應根據長距離頂管施工的實際需要合理確定從站數量，以便按照主站指令對所對應的管道泵以及中繼環等設備進行控制。系統的下位機為觸摸屏，其與從站PLC 之間可采用RS-232C 連接方式，以實現對長距離頂管工具頭的單獨控制。

2.3 長距離頂管施工中PLC 自動化控制系統硬件應用分析

為保證長距離頂管施工的順利進行，在運用PLC 自動化控制系統時應采用性能較好的硬件設備，特別是作為PLC 自動化控制系統核心部分的CPU、CC-Link 現場總線、上位機以及變頻器等硬件設備，其各項指標性能參數均應滿足長距離頂管施工控制的實際需要。同時，隨著頂管施工距離的增加，應相應的增加通訊中繼器的設置數量，一般應按照每1000m 設置一個的原則進行中繼器的布設，以確保PLC 自動化控制系統能夠充分發揮器應有的作用。

2.3.1 自動化PLC 控制系統主站和上位機結構

長距離頂管施工中PLC 自動化控制系統的主站根據實際情況可采用QJ61BT11N 模塊，并結合Q64DA、Q02HCPU、QY10、QX40 以及Q68AD 等[5]。PLC 自動化控制系統的上位機應采用工控計算機設備。同時為適應長距離頂管施工的實際需要應能夠與多個從站相連，且應充分考慮地面配套設備的使用數量，科學確定模擬量輸入、輸出線路以及開關量輸入輸出線路的數量，且余量應充足合理，以實現對所有施工設備的有效控制。

2.3.2 自動化PLC 控制系統從站和下位機結構

結合長距離頂管施工的實際需要，PLC 自動化控制系統的1 號從站一般可采用FX2N-8AD 模塊、FX2N-128MR模塊、FX2N-32CCL 模塊以及FX2N-48ER 模塊各一個，并采用FX@N-5A 模塊2 個。同時在PLC 自動化控制系統中可采用GT1575-WBA 型號觸摸屏作為洗胃機，以完成對主站之間16b 以及128b 數據的通訊欻數。此外，為確保能夠下位機能夠在相對獨立條件下監測控制長距離頂管施工工具頭動作，應合理確定其模擬量和開關量的輸入輸出線路數量。

2.3.3 自動化PLC 控制系統其他從站結構

在長距離頂管施工中運用PLC 自動化控制系統時，去除1 號從站外的其他PLC 從站可以采用FX2N-32CCL 模塊、FX2N-32MR 模塊以及FX2N-4AD 模塊構成，以實現與主站之間傳輸4 級32 位數據的要求，且應合理確定模擬量輸入線路、開關量輸入以及開關量輸出線路的數量。隨著頂管施工距離的增強，為保證數據通訊的可靠性和時效性，應按照每100m一個的原則增加通信中繼器的設置數量，且通信中繼器應設置在相鄰從站處。目前在長距離頂管施工長PLC自動化控制系統運用實踐中，AJ65SBT-RPT 型號的中繼器被廣泛應用于主從站數據通訊。

3、長距離頂管施工中PLC 自動化控制系統軟件應用

在長距離頂管施工中運用PLC 自動化控制系統時，PLC自動化控制系統各部分功能的實現還需要依賴于相關軟件程序的應用。技術人員可根據長距離頂管施工的實際需要以及PLC 自動化控制系統特點，合理選擇相應的開發軟件編制相關控制程序。例如可以通過組態王軟件進行上位機程序的編制，而在編制主從站程序時則可以采用GPPW 等MELSOT系列軟件并結合梯形圖PLC 語言進行編程開發。其中PLC自動化控制系統的上下位機程序是直接面對用戶的顯示界面和操作平臺，而主從站程序則是PLC 自動化控制系統中各硬件設備的驅動程序，在編制PLC 自動化控制系統程序軟件時，應充分考慮長距離頂管施工中繼環和主頂設備之間的聯動控制要求、相關配套設備聯動控制要求、施工設備在運行過程中各動作自動聯鎖保護要求、自動化故障報警要求以及數據實時監測要求等多種因素，確保軟件程序編制科學合理，有效解決傳統人工操作以及中繼器控制方式中存在的誤動作等問題。同時應在PLC 自動化控制系統軟件中設置設備故障在線自動檢測以及聯鎖保護機制，并合理設定各項指標參數的控制范圍，以提高PLC 自動化控制系統運行的可靠性和穩定性，為長距離頂管施工的順利實施奠定良好的基礎。

3.1 長距離頂管施工中自動化PLC 控制系統上位機軟件應用

運用PLC 自動化控制系統進行長距離頂管施工控制時，可以采用高度集成的數據庫、網絡控制、圖形編輯技術以及人機界面等多種技術的組態王軟件進行上位機程序的開發編制，其能夠通過報表編制、定態顯示、趨勢分析以及報警控件等相關組件便捷快速的完成軟件編制任務，且其導向式刨邊的使用較為靈活簡便，結合腳本語言強大的處理能力和多元化設備支持庫，能夠使軟件更好的滿足長距離頂管施工要求。PLC 自動化控制系統的上位機程序一般通過初始顯示界面、設置畫面以及手動和自動畫面這4 個圖形界面呈現在用戶面前，長距離頂管施工人員可以通過畫面操作獲取相關數據，對長距離頂管施工工藝進行總結分析以便進行工藝優化調整。此外，其還可以提供長距離頂管施工實時數據以及歷史數據報表打印等服務功能。PLC 自動化控制系統與用戶間的信息交互主要通過上位機來實現，在長距離頂管施工中，施工人員可以直接通過上位機下達指令信息，對施工工藝參數進行調整，讀取施工設備的實時狀態數據并接收反饋數據等。

3.2 長距離頂管施工中自動化PLC 控制系統主從站軟件應用

運用PLC 自動化控制系統進行長距離頂管施工控制時，系統核心是主站程序，通過主站程序完成對本站設備運行狀態的監測控制，同時輸入或輸出開關量以及模擬量，以確保本站能夠與其他各從站相互協調配合。在長距離頂管施工過程中，為實現根據系統指令對設備啟停進行控制，并向系統反饋開關信號，對設備運行狀態進行在線監測，采集模擬量信息，對變頻器工作頻率以及模擬量輸出值進行調節，在主從站程序編制時可以設置五個功能模塊，以完成相關任務。

首先應設施監控工具頭模塊，以便對長距離頂管施工中整個頂管設備工具頭的所有動作以及頂管設備的整體運行情況進行動態監測和控制。其次應設置中繼環與長距離頂管施工主頂部分的聯動模塊，以實現對中繼環動作的手動控制以及自動控制。在自動控制模式下，可以將控制模式設定為M 頂N 方式，其中M 和N 值應大于0，且M應大于N。采用該模式能夠聯動控制主頂和任意環的組合，有效防止在頂管過程中出現倒退等問題，不僅能夠更好的滿足長距離頂管施工控制的要求，而且可以使長距離頂管施工更加安全高效，充分體現了PLC 自動化控制系統的技術優勢。第三，在PLC 自動化控制系統中還應設置控制配套設備模塊，以便對所有地面設備以及管內設備進行監控。在系統實際運行過程中，安裝在管道內的所有進排泥接力泵均應由臨近從站負責控制監測。第四，在運用PLC 自動化控制系統進行長距離頂管施工時還應設置預警以及故障報警模塊單元，以便對頂管設備的運行狀態以及施工數據變化進行動態監測，一旦發現監測數據超出預設范圍時應自動發出預警信息。同時還應利用該模塊單元對主從站之間的數據通訊情況、施工中所使用的各施工設備運行狀態等進行實時在線監測，以便及時發現故障風險，且應在故障發生時自動發出報警信息，并自動采取相應的處理措施。第五，在PLC 自動化控制系統的實際應用中還應結合長距離頂管施工的具體情況結合應用變頻控制技術，以精確調節出土螺旋機、后座油泵車以及高壓泵等相關設備的速度等工藝參數，通過PID 控制確保作業面土壓平衡，從而保證長距離頂管施工的質量安全。

3.3 長距離頂管施工中自動化PLC 控制系統下位機軟件應用

在運用PLC 自動化控制系統進行長距離頂管施工控制時，下位機是頂管機工具頭操作控制的人機交互界面，其既能夠對頂管機整體系統的運行情況進行動態監測，還能夠根據相關操作指令控制頂管機工具頭動作。下位機程序的采用的也是圖形界面顯示方式，在主畫面內能夠對頂管機工具頭的實時數據以及所有設置的傳感設備、頂管機系統的各種泵以及電機運行狀態等進行監測，借接收主站發出的數據信息。同時，施工人員可以在設置畫面內設置相關技術參數以及預警限值等；而在報警畫面內則可以發出聲光報警信息，且能夠直觀顯示故障原因的自動分析結果和排查處理建議等，為長距離頂管設備的故障排查提供可靠的參考依據。

結語：

為滿足長距離頂管施工中對有效控制距離的要求，解決長距離頂管需要控制多個中繼環以及多個配套設備的問題，施工單位應充分了解長距離頂管施工特點，加強對PLC 自動化控制技術的研究，在施工實踐中應積極應用具有較高自動化和信息化水平的PLC 控制系統，并要根據長距離頂管施工的實際需要合理配置PLC 自動化控制系統的硬件結構和應用軟件程序，確保PLC 自動化控制系統的各項功能能夠正常發揮，以實現對長距離頂管施工的遠程精確控制，為提高長距離頂管施工的質量和效率提供重要支撐，促進我國頂管施工技術水平的全面提升。