大直径泥水盾构试验台的控制系统设计

冯培培，卜壮志

(中铁隧道装备制造有限公司，郑州 450000)

0 引言

随着地下空间建设的蓬勃发展，出现了越来越多的公路过海、过江隧道建设工程［1］，相应的工程机械设备——大直径泥水盾构应运而生。目前，大直径泥水盾构的设计制造主要集中在英国、日本、法国等少数几个国家，我国对泥水盾构的研究还处于摸索阶段［2］。文献［3-4］仅针对盾构采购用户的选型问题，介绍大直径泥水盾构的泥浆循环系统、泥水处理系统、运输系统等辅助系统的工作原理及泥水盾构主机推进速度与泥浆系统能力的匹配关系，文献［5-6］介绍了海瑞克和NFM的泥水盾构的改造工作。从以上文献资料可以看出，近年来盾构行业技术人员所作的工作一直都缺少对大直径泥水盾构关键控制技术的研究;为此，2010年，中国中铁股份公司成立了“大直径泥水盾构控制系统的消化吸收与设计”科研项目，并由中铁装备制造公司承担该项目的实施。本文重点介绍项目实施过程中盾构机主要系统的控制设计方案与功能实现过程。

1 控制系统设计方案

考虑到直接联机试验带来的安全风险，同时为避免大直径泥水盾构控制系统的研发与盾构产品生产调试之间的矛盾，以盾构控制系统检测试验台［7-8］为载体，借用其机械结构及液压部件，重新设计PLC控制系统和上位机监控系统，最后进行试验。控制系统的设计工作主要实现以下几个系统功能:刀盘驱动系统、推进系统和泥水输送系统。

1.1 刀盘驱动系统

目前常用的刀盘驱动方式有3种:变频电机驱动、定速电机驱动和液压驱动。根据变频电机驱动的技术优势(如调速范围宽、调速精度高、动态响应快、运行效率高、功率因数高、操作方便且便于维护等)，最终采用变频电机驱动方式。选择行星齿轮减速机，其优点是结构紧凑、回程间隙小、精度较高、使用寿命长、额定输出扭矩大且可反向传动。刀盘驱动系统设计为5台15kW电机驱动，采用5台变频器按照“一拖一”的方式驱动。PLC通过总线方式实现对变频器［9］的控制。刀盘驱动电机布局如图1所示。

图1 刀盘驱动电机布局图Fig.1 Layout of cutterhead driving motors

1.2 推进系统

推进系统采用液压驱动，推进泵为15 kW电机。共12根推进油缸，按照“2-3-4-3”(分别对应A，B，C，D分区油缸数量)方式分布为4个区，实现分区控制和单独控制，从而模拟盾构机掘进过程中的推进工作模式和管片安装工作模式。PLC对推进系统的控制是通过与分布式I/O站点之间的通信实现的。推进油缸的分区如图2所示。

图2 推进油缸布置图Fig.2 Layout of thrust cylinders

1.3 泥水输送系统

泥水输送系统是泥水盾构机整个控制系统中的重要部分，其通过送浆和排浆把刀盘切削下来的黏土等输送到地面上的泥水分离站。根据不同工况要求，泥水输送系统在以下几种工作模式之间切换:开挖模式、旁通模式和隔离模式。泥水输送系统的设计为1台7.5 kW的送浆泵，1台7.5 kW的排浆泵和1台7.5 kW的变频器驱动。速度调节方式采用无级调速模式。

1.4 PLC控制系统

PLC控制系统的设计包括硬件设计和软件设计。硬件采用模块化设计，根据系统功能需求对施耐德PLC进行选型和模块配置，PLC与外围设备之间通过现场总线的方式进行数据交换，可极大地提高数据运行效率并充分发挥PLC的逻辑功能与通信功能;软件方面，在施耐德PL7 Pro+ibus编程环境下进行程序设计，包括PLC的硬件组态、变量声明、Profibus总线组态、通信程序和逻辑控制程序等。

1.5 加载系统

为了在试验中更加真实地反映盾构机掘进工况，采用实物加载来仿真验证所设计的大直径泥水盾构控制系统能否满足要求。刀盘驱动系统是在刀盘前部设置一个增速器带动小排量液压马达对刀盘扭矩加载;推进系统是在盾壳后部设置几根油缸对盾壳拖拉实现加载，拖拉油缸的布置采用内置式。

2 控制系统的实施过程

2.1 系统硬件组成

原有盾构试验台的控制系统选用的是西门子S7-400 PLC，主机架下扩展2个扩展机架，主机架通过Profibus总线与ET200M的分布式I/O之间连接［10］。

在本项目中，将使用施耐德Premium系列PLC作为主控单元。CPU型号选择TSX P57353AM，配置1个标准主机架，安装以太网模块、Profibus DP总线模块、模拟量输入/输出模块和数字量输入/输出模块等。以太网模块应用于PLC与上位机之间的通信，Profibus DP总线模块应用于PLC与分布式I/O、PLC与变频器之间的通信。系统设计在利用原西门子分布式I/O的基础上，增加了倍福分布式I/O的应用，通过Profibus总线充分发挥分布式I/O站的分散优势，实现分散式控制。选用倍福的分布式I/O是因其具有兼容性好、使用简单方便、体积小、性价比高等优点，可以将其布置在体积较小的电控柜中，便于安装在盾体内，用于刀盘本地控制、推进阀组的控制输出以及刀盘转速等信息的采集。原有的3个西门子分布式I/O的分配:1个用于推进系统的本地控制，2个分别用于泥水输送系统的进浆泵和排浆泵的控制，并采集进浆/排浆的流量、压力等信息。刀盘变频驱动系统的变频器选用带Profibus通信卡的施耐德ATV71系列，此系列变频器是高性能磁通矢量控制变频器，拥有良好的低频特性，可以很好地满足盾构刀盘启动对低频区的要求，根据刀盘电机实际情况选择变频器功率为15 kW。泥水输送系统的变频器仍然利用原有的安川7.5 kW变频器，通过西门子ET200M对变频器进行端子控制。

图3反映了施耐德PLC通过Profibus总线与变频器、分布式I/O之间通信的硬件系统组成情况。从图中可以看出，本系统与原系统相比虽然都采用分布式I/O控制方案，但存在以下区别:1)选用了施耐德PLC，但是为了有效利用原系统资源就采用了第三方现场总线协议Profibus DP，扩大了施耐德PLC的兼容性;2)增加了高性价比的倍福分布式I/O的应用，考虑到行业发展的经济效益，该技术将会应用到泥水盾构的样机制造中。

图3 硬件系统图Fig.3 Hardware system

2.2 控制系统的程序设计与功能实现

PLC对盾构刀盘驱动的控制是通过总线对变频器相关参数进行读写实现的。一是读取变频器状态字ETA，判断变频器故障、报警、准备好等状态，读取变频器的实际输出频率、电流、扭矩等参数信息;二是向变频器发送命令字CMD，控制变频器的启动、停车、正/反转、故障复位等动作，向变频器发送频率设定值、扭矩限幅等参数设定值。由于PLC与变频器之间经Profibus总线进行数据交换，因此，在程序设计时需要进行PLC的硬件组态(导入GSD文件)和软件组态(分配变频器输入/输出参数的寻址地址)。根据刀盘在实际施工中的要求，该部分程序主要设计了刀盘电机的启动预选、刀盘无级调速、刀盘正/反转、刀盘同步扭矩保护、变频器的故障报警、变频器复位、刀盘转速以及变频器输出频率、电流、功率等的信号采集。为了保证刀盘变频驱动控制系统的同步性能，必须对变频器参数进行合理设置。本系统主要针对变频器滑差控制模式(自适应方式)来设置参数，包括电机的额定电压、额定电流、额定转速、额定功率、扭矩限幅、电流限幅、通讯字等。

PLC对推进系统和对泥水输送系统的控制都是通过总线与分布式I/O站进行数据交换实现的。首先，基于I/O站点的类型进行总线组态，包括硬件组态(导入GSD文件)和软件组态(I/O站点的变量地址分配);然后，根据系统功能要求，PLC按照规定的寻址方式对分布式I/O站点进行相关操作，编写逻辑控制程序和数据处理程序。推进系统的程序设计分2个方面:1)盾构机在掘进模式下12组油缸的同伸、油缸压力调节、油缸速度调节、油缸伸出位移和压力的采集，并计算推进速度;2)盾构机在管片安装模式下推进油缸的选择(单独控制)、伸出/收回、油缸位移和压力等信息的采集。泥水输送系统根据实际施工情况，设计了3种工作模式:1)当盾构机正常掘进时，泥水输送系统工作在开挖模式，此时打开前盾开挖室的进浆阀和排浆阀，并根据气仓内泥浆高程、压力及所要求的排渣流量，调整进浆泵和排浆泵的转速进行泥水循环;2)当盾构机停止掘进执行其他功能时(如安装管片衬砌环时，切换泥水系统到旁通模式，又称待机模式)，此时开挖室的进/排浆阀关闭，并打开旁通阀，将开挖室隔离，隧道内各泥浆泵根据泵的超载压力和所要求的排渣流量来控制转速保持泥水循环;3)当盾构机停止掘进并进行泥浆管道延长时，需要将泥水系统切换到隔离模式(又称管路延伸模式)，此时要关闭开挖室和隧道内的所有泥浆阀，打开隔离阀，使隧道里的泥浆管道系统与地面泥水分离系统处于完全隔离的状态，但此时设在地面的泥水分离站和泥浆制备站之间的回路仍保持连通。PLC程序除了在以上3种工作模式之间切换以外，还需采集泥浆输送回路的流量、压力、泵站压力、泵站转速、泥水仓的液位、压力等信息，通过对这些信息的监控了解泥水输送系统的工作状况，从而采取相应操作。

控制程序是在施耐德PL7 Profibus软件中编写的。按照系统功能，进行模块化设计，实现单元级控制;按照任务优先级，将功能逻辑控制、数据运算等放在主任务中执行，将Profibus总线数据交换放在快速任务中执行，保证时效性。

2.3 试验验证

试验条件:通过空气压力平衡系统(是独立于PLC系统之外的一套自动控制系统)调节泥水仓压力为300 kPa，泥水输送系统选择掘进模式，同时推进系统也选择掘进模式，比例溢流阀给定50%。在此实验条件下所得的试验数据见表1，通过实验数据，表明大直径泥水盾构试验台的各项检测数据均符合控制要求，能够仿真泥水盾构的实际工况。

另外根据刀盘主驱动的5台变频器输出扭矩值，绘制成如图4所示的曲线图。从中可以看出，每台电机输出扭矩基本相同，刀盘驱动电机同步性能良好。

3 结论与讨论

以盾构控制系统检测试验台为依托，通过实物仿真建立大直径泥水盾构的控制系统，经试验得到的各项监控数据均满足控制精度要求。

通过本文内容可以了解大直径泥水盾构主要系统的工作原理、控制逻辑和操作流程，对其有一定的初步认识，为后续研究奠定了一定基础。当然，本项目仍存在以下问题:

1)本文仅对泥水盾构的3个主要系统进行了设计并试验，缺少破碎机、注浆、水循环等辅助系统的研究设计。

2)受试验条件限制，在程序设计时缺少相关联锁条件，如液压油箱液位、油温、EP2油脂泵状态、HBW油脂泵状态、水箱液位等条件信息。

3)后续工作需要完善整套控制系统。

表1 试验数据Table 1 Test data

图4 刀盘主驱动变频器的输出扭矩Fig.4 Output torque of frequency converter of main drive of cutterhead

［1］ 段悟哲.过海、过江(河)隧道线路设计浅析［J］.隧道建设，2008，28(4):178-181.(DUAN Wuzhe.Analysis on alignment design of sub-sea tunnels and river-crossing tunnels［J］.Tunnel Construction，2008，28(4):178-181.(in Chinese))

［2］ 项兆池，楼如月，傅德明.最新泥水盾构技术［R］.上海:上海隧道工程股份有限公司施工技术研究情报室，2001:3-11.

［3］ 张宁川.泥水盾构主机推进速度与泥浆系统能力的匹配［J］.隧道建设，2007，27(6):7-9.(ZHANG Ningchuan.Matching between thrust speed of main shield machine and capacity of slurry system［J］.Tunnel Construction，2007，27(6):7-9.(in Chinese))

［4］ 张学军.城市大直径泥水盾构施工辅助设备配备［J］.隧道建设，2008，28(3):378-381.(ZHANG Xuejun.Matching of ancillary construction equipment for large-diameter slurry shields used in urban areas［J］.Tunnel Construction，2008，28(3):378-381.(in Chinese))

［5］ 陈建，张宁川，吕建乐.S259号泥水平衡盾构机改造［J］.隧道建设，2007，27(6):71-75.(CHEN Jian，ZHANG Ningchuan，LV Jianle.Refurbishment of S259 slurry balanced shield machine［J］.Tunnel Construction，2007，27(6):71-75.(in Chinese))

［6］ 王伟.武汉长江隧道泥水盾构的改造［J］.隧道建设，2010，30(4):476-481.(WANG Wei.Modification of slurry shield originally used in Yangtze River in Wuhan［J］.Tunnel Construction，2010，30(4):476-481.(in Chinese))

［7］ 陈馈，韩亚丽.泥水盾构控制系统模拟试验台［J］.建筑机械化，2007(4):30-63.(CHEN Kui，HAN Yali.Simulation test-bed of slurry shield control system［J］.Construction Mechanization，2007(4):30-63.(in Chinese))

［8］ 何於琏.泥水盾构控制系统检测试验台的研制［J］.工程机械，2007(11):28-31，6.(HE Yulian.Shield control system performance simulation inspection test bench［J］.Construction Machinery and Equipment，2007(11):28-31，6.(in Chinese))

［9］ 吴忠智，吴加林.变频器原理及应用指南［M］.北京:中国电力出版社，2007.

［10］ 蒲晓波.西门子PLC在盾构控制系统检测试验台的应用［J］.隧道建设，2009，29(1):127-129.(PU Xiaobo.Application of siemens PLC in test-bed for shield machine control system［J］.Tunnel Construction，2009，29(1):127-129.(in Chinese))