上海地鐵10號盾構監控技術

【提 要】：本文根據系統設備配置實況提出盾構監控系統結構和硬件配置，通過系統的性能、特點和控制等方面的剖析，論述盾構監控技術。
【關鍵詞】：地鐵盾構監控技術

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化設備，也是迄今為止在上海地鐵區間隧道中施工的第一臺國產盾構。
在該盾構控制方式中，采用了先進的由可編程序控制器(PLC)和計算機組成的監控系統取代了傳統的繼電器控制技術，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 系統簡介
地鐵10號盾構電氣系統由冷卻、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組成（表1）。
系統主要配置有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 監控系統結構方案
3.1 監控系統結構
地鐵10 號盾構監控系統由PLC控制系統和計算機數據采集系統(包括地面和地下)組成，具體結構如下圖1所示。

3.2 監控系統配置
3.2.1 計算機數據采集系統配置
（1） 地下系統
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，內存16 M
· 內置33.6kMODEM
· 觸摸屏功能
· 監控軟件 FADOCTOR
（2） 地面系統
地面系統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，內存16 M
· 內置33.6kMODEM
· 監控軟件 FADOCTOR
3.2.2 PLC控制系統配置
PLC控制系統采用日本三菱公司的MELSEC AnS系列可編程序控制器，該系統由一個主站和兩個從站組成，具體配置見表3。


4 系統監控技術
4.1 PLC控制系統
4.1.1系統性能
本PLC控制系統由三部分組成，它們是：主站，設置在盾構操作室內；1號從站，設置在2號臺車的配電柜內；2號從站，設置在盾構拼裝操作箱內。
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總線型通信網絡。該網絡采用半雙工串行方式進行通信，通信速率高達1.25 Mbps，通信接口規約為RS485，最大通信距離為1200m。
另外，該網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狀態或數據進行監控和修改，這為邏輯控制軟件的編制帶來了極大的方便。
4.1.2 系統容量
本系統所采用的A2ASCPU的容量為512點(I/O)，故系統最大可使用I/O容量為1536點，具體分配情況見表4。
表4 PLC控制系統容量具體分配表

4.1.3 系統特點
本盾構PLC控制系統在隧道施工特定的工況條件下和傳統的繼電器控制系統相比具有以下特點：
· PLC模塊的工作溫度范圍為0~55℃，環境相對濕度范圍為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，這節省了大量的電纜，提高信號傳輸質量，減小了設備故障發生的概率，同時又可縮短約20%的臺車轉換工期；
· 采用PLC控制系統，可節省中間繼電器箱柜的使用數量和控制箱柜內的有效空間，這為設備的合理布置提供了方便。
4.1.4 系統控制
地鐵10號盾構的PLC系統控制程序由隧道公司自行開發，現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) 同步注漿系統的控制
同步注漿系統是盾構中的一個重要環節，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，注漿次數為n，注漿量比例設定參數為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。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，則在注漿次數寄存器(D)內自動加1；
· 如果 ＜L1＞＜L，則在注漿次數寄存器(D)不動作。
如果D中的數據不為零，則進行注漿操作，同時每次注漿后根據注漿脈沖反饋信號將D中的數據減1。這樣反復循環，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內部繼電器中；
·當拼裝機繼續轉動時有以下兩種可能發生的情況。
(1) 如果拼裝機繼續正轉的話，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內部繼電器中的左限記憶清零。
· 出現上述第一種情況時，拼裝機正轉被禁止，此時它只能反轉；出現上述第二種情況時，拼裝機處于自由轉動狀態；
· 使用斷電保持型內部繼電器可以在盾構突發停電故障時保證控制的可靠性 。
（2） 計算機數據采集系統
計算機數據采集系統主要用于施工信息的管理, 其主要功能如下：
· 顯示并保存施工數據；
· 設備工作狀態的模擬顯示；
· 對保存的歷史數據進行統計、運算和處理；
· 故障報警查詢；
· 施工環報表的打印(僅限于地面計算機系統)。

5 結語
地鐵10號盾構是隧道公司最新研制開發的隧道施工設備，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》