上海地鐵10號盾構監(jiān)控技術
【提 要】：本文根據(jù)系統(tǒng)設備配置實況提出盾構監(jiān)控系統(tǒng)結構和硬件配置，通過系統(tǒng)的性能、特點和控制等方面的剖析，論述盾構監(jiān)控技術。
【關鍵詞】：地鐵盾構監(jiān)控技術
Abstract: This paper based on actual system installation arrangement, proposes shield monitoring system set up and its hardware configuration, and discusses shield monitoring technique by way of break?down analyses in terms of system performances and features, as well as its controll.
Keywords: metro shield, monitoring technique.
1 概述
在地鐵2號線一期工程靜安寺至江蘇路的區(qū)間隧道工程中采用了一臺直徑為6340 mm的土壓平衡式盾構進行施工，這臺盾構是由隧道公司設計并制造的國產(chǎn)化設備，也是迄今為止在上海地鐵區(qū)間隧道中施工的第一臺國產(chǎn)盾構。
在該盾構控制方式中，采用了先進的由可編程序控制器(PLC)和計算機組成的監(jiān)控系統(tǒng)取代了傳統(tǒng)的繼電器控制技術，大大提高了控制的準確性，靈活性和可靠性，從而提高盾構的整體性能。
2 地鐵10號盾構簡介
2.1 系統(tǒng)簡介
地鐵10號盾構電氣系統(tǒng)由冷卻、刀盤、螺旋機、螺旋機閘門、皮帶機、推進、拼裝、集中潤滑, 盾尾油脂、加泥和同步注漿等分系統(tǒng)組成（表1）。
系統(tǒng)主要配置有20多臺電機、70多個電磁閥和20多套傳感器等設備。
2.2 動力設備配置情況見表1
表1 動力設備配置表
3 監(jiān)控系統(tǒng)結構方案
3.1 監(jiān)控系統(tǒng)結構
地鐵10 號盾構監(jiān)控系統(tǒng)由PLC控制系統(tǒng)和計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(包括地面和地下)組成，具體結構如下圖1所示。
3.2 監(jiān)控系統(tǒng)配置
3.2.1 計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)配置
（1） 地下系統(tǒng)
地下計算機采用CONTEC公司的IPC-PT/M500S工控機：
· 主頻133 MHz
· 硬盤810 M，內(nèi)存16 M
· 內(nèi)置33.6kMODEM
· 觸摸屏功能
· 監(jiān)控軟件 FADOCTOR
（2） 地面系統(tǒng)
地面系統(tǒng)由匯泰兼容計算機和打印機(EPSON LQ-1600K)組成：
· 主頻166 MHz
· 硬盤2.1 G，內(nèi)存16 M
· 內(nèi)置33.6kMODEM
· 監(jiān)控軟件 FADOCTOR
3.2.2 PLC控制系統(tǒng)配置
PLC控制系統(tǒng)采用日本三菱公司的MELSEC AnS系列可編程序控制器，該系統(tǒng)由一個主站和兩個從站組成，具體配置見表3。
4 系統(tǒng)監(jiān)控技術
4.1 PLC控制系統(tǒng)
4.1.1系統(tǒng)性能
本PLC控制系統(tǒng)由三部分組成，它們是：主站，設置在盾構操作室內(nèi)；1號從站，設置在2號臺車的配電柜內(nèi)；2號從站，設置在盾構拼裝操作箱內(nèi)。
主站和從站之間使用雙絞屏蔽電纜進行連接，從而構成一個MELSECNET/B總線型通信網(wǎng)絡。該網(wǎng)絡采用半雙工串行方式進行通信，通信速率高達1.25 Mbps，通信接口規(guī)約為RS485，最大通信距離為1200m。
另外，該網(wǎng)絡中的任何一個站可利用通信繼電器（B）和通信寄存器（W）對ON/OFF狀態(tài)或數(shù)據(jù)進行監(jiān)控和修改，這為邏輯控制軟件的編制帶來了極大的方便。
4.1.2 系統(tǒng)容量
本系統(tǒng)所采用的A2ASCPU的容量為512點(I/O)，故系統(tǒng)最大可使用I/O容量為1536點，具體分配情況見表4。
表4 PLC控制系統(tǒng)容量具體分配表
4.1.3 系統(tǒng)特點
本盾構PLC控制系統(tǒng)在隧道施工特定的工況條件下和傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)相比具有以下特點：
· PLC模塊的工作溫度范圍為0~55℃，環(huán)境相對濕度范圍為35%~95%(無凝露)， 抗震性能好，更能適應隧道惡劣施工環(huán)境；
· PLC模塊采用微電子技術，大量的開關動作由無觸點的半導體集成電路來完成，并采用屏蔽，濾波及隔離等抗干擾處理措施，可靠性更高；
· PLC系統(tǒng)采用積木式硬件結構和專用軟件編程方法，能靈活應用于復雜程度及功能不同的控制要求。一旦盾構施工完畢，只要適當重組硬件并修改軟件，就能方便地應用于其他類型的盾構控制，設備重復利用率較高；
·PLC控制邏輯采用軟件形式，這為調試、控制要求更改和故障診斷帶來了極大的方便；
· 由于采用了通信網(wǎng)絡結構，因此從控制室至盾構本體的所有電氣信號僅用一根雙絞屏蔽通信電纜就可完成傳遞，這節(jié)省了大量的電纜，提高信號傳輸質量，減小了設備故障發(fā)生的概率，同時又可縮短約20%的臺車轉換工期；
· 采用PLC控制系統(tǒng)，可節(jié)省中間繼電器箱柜的使用數(shù)量和控制箱柜內(nèi)的有效空間，這為設備的合理布置提供了方便。
4.1.4 系統(tǒng)控制
地鐵10號盾構的PLC系統(tǒng)控制程序由隧道公司自行開發(fā)，現(xiàn)以同步注漿和拼裝回轉限位的控制為例來介紹設計思想。
(1) 同步注漿系統(tǒng)的控制
同步注漿系統(tǒng)是盾構中的一個重要環(huán)節(jié)，其控制結果將直接影響地面的沉降。 由于注漿量過大會引起地面隆起，而注漿量過小會引起地面下陷，因此控制關鍵在于注漿量和盾構推進速度的同步性。
假設在一環(huán)中，總注漿量為Q(t)，盾殼外徑為D1，管片外徑為D2，管片長度為L1，注漿泵活塞外徑為d，注漿泵活塞長度為L2，推進速度為V(t)，推進時間為t，注漿次數(shù)為n，注漿量比例設定參數(shù)為K，注漿一次的行程為＜L，則有：
由于上述公式中的D1，D2，d，L2和K都是已知量，故＜L也是個常數(shù)。這樣在編制程序時，只要計算出當前的行程差值(L1即能達到同步控制要求。
· 如果 ＜L1＞＜L，則在注漿次數(shù)寄存器(D)內(nèi)自動加1；
· 如果 ＜L1＞＜L，則在注漿次數(shù)寄存器(D)不動作。
如果D中的數(shù)據(jù)不為零，則進行注漿操作，同時每次注漿后根據(jù)注漿脈沖反饋信號將D中的數(shù)據(jù)減1。這樣反復循環(huán)，直到D為零時停止注漿
(2) 拼裝回轉限位的控制
本次盾構拼裝機上設置了正反轉220°兩只限位開關(即拼裝機左限和拼裝機右限)，如果用傳統(tǒng)繼電器控制方法的話很難保證可靠性。在編制PLC控制程序時，關鍵在于如何判斷拼裝機在回轉時所處的位置，具體控制思想以拼裝機正轉限位控制為例敘述如下：
· 如果拼裝機從初始狀態(tài)開始正轉的話，那么它第一次碰到的限位將是拼裝機左限，此時應將這個信號儲存至斷電保持型的PLC內(nèi)部繼電器中；
·當拼裝機繼續(xù)轉動時有以下兩種可能發(fā)生的情況。
(1) 如果拼裝機繼續(xù)正轉的話，則在它碰到拼裝機右限時將停止轉動。
(2) 如果拼裝機開始反轉的話，則在它再次碰到拼裝機左限時將PLC內(nèi)部繼電器中的左限記憶清零。
· 出現(xiàn)上述第一種情況時，拼裝機正轉被禁止，此時它只能反轉；出現(xiàn)上述第二種情況時，拼裝機處于自由轉動狀態(tài)；
· 使用斷電保持型內(nèi)部繼電器可以在盾構突發(fā)停電故障時保證控制的可靠性 。
（2） 計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要用于施工信息的管理, 其主要功能如下：
· 顯示并保存施工數(shù)據(jù)；
· 設備工作狀態(tài)的模擬顯示；
· 對保存的歷史數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、運算和處理；
· 故障報警查詢；
· 施工環(huán)報表的打印(僅限于地面計算機系統(tǒng))。
5 結語
地鐵10號盾構是隧道公司最新研制開發(fā)的隧道施工設備，和地鐵一號線施工時引進的法國盾構相比具有很大的先進性。但和世界盾構先進控制技術相比還存在一定的差距。我們希望能以此作為一個新的起點，不斷探索新技術，并逐步來完善我們的盾構控制技術。
文章出處：《城市交通隧道工程最新技術》
