北京地鐵鉸接式土壓平衡盾構(gòu)測控系統(tǒng)的消化吸收

1、北京地鐵鉸接式土壓平衡盾構(gòu)測控系統(tǒng)的消化吸收                        摘要:概括介紹了日本小松公司生產(chǎn)的鉸接式土壓平衡盾構(gòu)的功能和特點,以及測控系統(tǒng)的組成和設(shè)計思想,剖析了盾構(gòu)的控制和操作方法,總結(jié)了測控系統(tǒng)的特點,對國產(chǎn)盾構(gòu)測控系統(tǒng)的設(shè)計提出了建議。關(guān)鍵詞:地鐵;鉸接式土壓平衡盾構(gòu);盾構(gòu)測控系統(tǒng);消化和吸收 1盾構(gòu)概況

2、60;     北京地鐵4號線頤和園至圓明園之間的隧道施工,采用日本小松公司生產(chǎn)的鉸接式土壓平衡盾構(gòu)。它將穿越砂礫復(fù)合地層,推進距離約1.5km。該盾構(gòu)主要參數(shù)有,直徑:6140mm;長度:8570mm;推進速度:08.5cm/min;總推力:37730kN。鉸接式土壓平衡盾構(gòu)主要部件的功能和特點如下:      (1)大刀盤是通過9臺刀盤電機來驅(qū)動,再由5臺變頻器控制刀盤電機,實現(xiàn)刀盤轉(zhuǎn)速的選擇和切換。刀盤速度設(shè)有五檔分別為0.5、0.7、1.1、1.6、2.2r/min。(2)螺旋機由1個液壓馬達來拖

3、動,它可通過比例閥進行無級調(diào)速,螺旋機調(diào)速范圍為025r/min。      (3)螺旋機有伸縮功能,維修時可將螺旋機軸縮回關(guān)閉前部二道螺旋機閘門,使螺旋機與泥土倉完全隔離。(4)推進系統(tǒng)由推進泵帶動分成四區(qū)的22個推進千斤頂,并通過一個比例閥對油壓進行調(diào)整和控制來調(diào)節(jié)推進速度。  (5)鉸接系統(tǒng)由鉸接泵帶動4個鉸接千斤頂進行上、下、左、右的轉(zhuǎn)動與全伸、全縮等動作,調(diào)整盾構(gòu)的推進姿態(tài)。(6)拼裝回轉(zhuǎn)和螺旋機閘門合用1臺液壓泵,分別在拼裝/推進狀態(tài)中使用。(7)皮帶機在運行前,予報警5s,才能正式運轉(zhuǎn)。在皮帶機兩邊設(shè)有拉繩式緊停鈕,可以

4、緊急停止皮帶機。(8)盾尾油脂設(shè)前后二道密封,由1臺盾尾油脂密封泵每道各分6個點進行壓注。(9)有2臺集中潤滑油脂泵(簡稱油脂泵)分連續(xù)和間斷二個工作狀態(tài)分別注入油脂。(10)有1套稀油潤滑循環(huán)泵(簡稱循環(huán)泵)進行潤滑油的加注。(11)用2臺泥漿泵通過變頻器調(diào)節(jié)加泥流量。向土倉內(nèi)加泥漿。(12)由注漿泵和攪拌機組成的注漿系統(tǒng)可進行單液漿壓注,有清洗管道功能。(13)有1套泡沫裝置可發(fā)生泡沫注入盾構(gòu)前方土體中。2盾構(gòu)測控系統(tǒng)2.1盾構(gòu)控制系統(tǒng)      盾構(gòu)控制系統(tǒng)主要由PLC可控制編程控制器和顯示操作終端機組成。PLC采用主從結(jié)構(gòu),有1個主站和

5、2個從站,另有一套注漿PLC。見圖1      PLC可編程控制器采用日本三菱公司制造的Ans系列產(chǎn)品。該盾構(gòu)采用的A2USHCPU組件是當今世界上最先進的微型化PLCCPU之一。它采用三菱順控處理器(MSP),使得其可以達到與許多大型、更昂貴的PLC相媲美的速度和功能。      PLC主站設(shè)在控制臺,主CPU型號為A2USHCPU-S1,帶3個顯示操作終端機,編號為GC1、GC2、GC7。其中GC1、GC2分別操作盾構(gòu)設(shè)備,互為備用。另一個GC7操作加泥設(shè)備。  

6、0;   1#從站設(shè)在盾構(gòu)內(nèi),帶3個顯示操作終端機,編號為GC35。其中GC3、GC4操作盾構(gòu)千斤頂,GC5遠程操作注漿。2#從站設(shè)在2#車架,帶1個顯示操作終端機(俗稱觸摸屏),編號為GC6,操作注漿設(shè)備。      主站同1#、2#從站通過兩個并行的電纜環(huán)路連接(雙環(huán)網(wǎng))。系統(tǒng)采用了高速可靠的數(shù)據(jù)通信,即MELSECNET/數(shù)據(jù)通信系統(tǒng),它采用2個并行的電纜環(huán)路連接各PLC站,其中一個稱之為正向環(huán)路(或主環(huán)路),另一個稱之為反向環(huán)路(或副環(huán)路)。當主環(huán)路內(nèi)發(fā)生電纜斷裂,通信自動切換到副環(huán)路,繼續(xù)保持數(shù)據(jù)通信。如果2個環(huán)路

7、均斷裂或者均脫接,除斷裂的PLC,連接的站之間仍保持繼續(xù)通信。      注漿PLC獨立于PLC系統(tǒng)外,型號為:FX1N-40MR,通過I/O口同PLC主站進行信號的交換。      PLC配置了開關(guān)量輸入/輸出組件、模擬量輸入/輸出組件、通信接口組件和計算機通信組件。詳見表1PLC配置表。2.2姿態(tài)測控系統(tǒng)      盾構(gòu)的姿態(tài)測控系統(tǒng)由盾構(gòu)和地面2個部分組成。盾構(gòu)部分主要有全站儀、棱鏡、測量接口、控制單元、計算機(顯示器)等設(shè)備組成。地面部分

8、主要有計算機(顯示器)和集線器等設(shè)備組成,盾構(gòu)與地面部分通過一對兆比特調(diào)制解調(diào)器(SDSL)進行信號的聯(lián)接。見圖2。      該系統(tǒng)通過高精度的測量儀器和專用軟件來實現(xiàn)盾構(gòu)姿態(tài)的自動測量,可以取得實時的數(shù)據(jù)信息有:后視點、站的坐標和登錄名稱;測量目標的數(shù)據(jù);測量時的盾構(gòu)俯角和轉(zhuǎn)角;盾構(gòu)前、中、后的坐標值,方位偏差等計算結(jié)果。      在盾構(gòu)內(nèi),全站儀測量得到的姿態(tài)信號和PLC獲取的盾構(gòu)施工信號在測量接口單元中集成在一起,在盾構(gòu)計算機顯示器上顯示,并送地面計算機。  

9、60;                          2.3檢測系統(tǒng)      根據(jù)盾構(gòu)測控系統(tǒng)的需求,配置了基本的檢測儀器,檢測的模擬量信號有:土倉土壓力,推進千斤頂油壓、行程、速度,四區(qū)油壓,螺旋機油壓、轉(zhuǎn)速,鉸接千斤頂行程,刀盤變頻器輸出功率,刀盤密封溫度,螺旋機閘門開度,注漿壓力,注漿桶

10、漿液位,泡沫壓力,加泥壓力,加泥流量,盾構(gòu)的坡度和轉(zhuǎn)角等。配置的傳感器(變送器)共有40多套,見表2。       另外,對開關(guān)量信號的檢測,配置了60余個限位和10多個壓力繼電器。主要檢測拼裝機回轉(zhuǎn)左/右限位狀態(tài),拼裝機電纜盤左/右限位狀態(tài),螺旋機的伸/縮狀態(tài),螺旋機閘門的開/關(guān)狀態(tài),氣閥、加泥閥、注漿閥、盾尾密封閥的開/閉狀態(tài),集中潤滑的油脂油位,盾尾油脂油位等,以及集中潤滑油脂泵和管道的壓力高/低,盾尾密封油壓高低,稀油潤滑堵塞等信號。2.4盾構(gòu)的控制和操作2.4.1盾構(gòu)的控制     

11、盾構(gòu)的主要控制有:土壓平衡控制、順序控制和邏輯控制等。      土壓平衡控制是盾構(gòu)的主要控制,正面土體擾動,使土倉土壓發(fā)生變化時,它同設(shè)定值之間產(chǎn)生一個偏差值,通過自動控制螺旋機回轉(zhuǎn)速度調(diào)節(jié)泥土輸出量來減少偏差量,達到土倉土壓動態(tài)平衡在設(shè)定值上。      順序控制是在推進狀態(tài)下,結(jié)合時序、邏輯等控制條件,使推進設(shè)備按正常的工作順序進行:冷卻泵運行潤滑泵運行刀盤轉(zhuǎn)動螺閘門開皮帶機轉(zhuǎn)動螺旋機轉(zhuǎn)動推進千斤頂動作。不按順序操作將不能使盾構(gòu)正常工作。    &#

12、160; 邏輯控制是盾構(gòu)對每個設(shè)備按特定的邏輯關(guān)系所制定的控制,如推進時,若發(fā)生刀盤扭矩過載或螺旋機反轉(zhuǎn),或推進速度過速或土壓超過上限時,按邏輯條件就將停止推進千斤頂?shù)纳斐鰟幼?。又如鉸接必須在鉸接泵運行正常、刀盤正常轉(zhuǎn)動、鉸接角度在正常范圍內(nèi)時進行上、下、左、右轉(zhuǎn)動與全伸、全縮等控制,當某個條件不存在時,立即結(jié)束鉸接控制。      聯(lián)鎖條件是盾構(gòu)控制不可缺少的,盾構(gòu)中所有設(shè)備均涉及聯(lián)鎖條件,如當電源反相、PLC通信故障時,各設(shè)備均不能工作。有些設(shè)備的動作是互鎖的,如前閘門開關(guān)時不能進行螺旋機的伸縮與螺旋機出土閘門或拼裝機回轉(zhuǎn)的控制,反之相同。

13、這些聯(lián)鎖條件在任何情況下均不能解除,而有些設(shè)備在非正常情況下,可以通過解除聯(lián)鎖來單獨控制某個設(shè)備,如解除刀盤聯(lián)鎖的方法使刀盤停止運行,就可以單獨控制皮帶機或螺旋機的運行了。2.4.2盾構(gòu)的操作      在操作臺通過按鈕、旋鈕可以操作刀盤、螺旋機、皮帶機的運轉(zhuǎn)和停止,刀盤速度的選擇,推進千斤頂?shù)倪x擇和伸縮以及螺旋機閘門的開與關(guān)等。而大量的其它操作是在觸摸屏上進行的。      控制臺上有2個觸摸屏分上下排列。它有:“運轉(zhuǎn)顯示”、“檢測顯示”、“泵啟動”、“推進”、“輔助操作”、“其它設(shè)定”、“異

14、常顯示”等畫面。平時,上觸摸屏只可以操作一些顯示畫面,下觸摸屏只可以操作一些操作畫面。當一臺觸摸屏故障時,可以把故障一臺的畫面切換到正常的一臺上,即可操作所有的畫面。      “運轉(zhuǎn)顯示”畫面:主要顯示各設(shè)備的狀態(tài),如刀盤電機、推進泵、螺旋機、皮帶機、盾尾油脂泵、拼裝平移泵等設(shè)備的運行狀態(tài);后閘門、前閘門、人行閘門的開/閉狀態(tài),螺旋機千斤頂?shù)纳?縮,推進條件確認,異常狀態(tài)等等。      “檢測顯示”畫面:主要顯示設(shè)備和施工數(shù)據(jù),如刀盤密封溫度、盾構(gòu)姿態(tài)角度、鉸接角度、推進行程、推力中心位置、

15、四區(qū)推力、土壓力、后閘門開度、刀盤轉(zhuǎn)速和扭矩、推進速度和推力、螺旋機速度和油壓、刀盤轉(zhuǎn)數(shù)累計等。      “泵啟動”畫面:主要操作推進、螺旋機、拼裝以及其它泵的啟和停以及顯示運轉(zhuǎn)狀態(tài)。      “推進”畫面:主要操作推進千斤頂?shù)倪x擇、四區(qū)油壓加/減、千斤頂同步設(shè)定、推進速度切換等,顯示推力中心位置、四區(qū)推力、總推力、千斤頂行程、推進速度等,另有操作引導(dǎo)指示。      “輔助操作”畫面:主要操作鉸接系統(tǒng)和盾尾油脂系統(tǒng)的設(shè)備,并顯示這些設(shè)備的運

16、行狀態(tài)。      “其它設(shè)定”畫面:由多幅分畫面組成,可對系統(tǒng)和土壓的參數(shù)進行設(shè)定。在控制室還有2個觸摸屏,一臺操作加泥設(shè)備,另一臺操作注漿設(shè)備。3盾構(gòu)測控系統(tǒng)的特點      鉸接式土壓平衡盾構(gòu)配置設(shè)備基本齊全,測控系統(tǒng)組成完整,功能齊全。      控制系統(tǒng)以三菱公司的小型化模塊式可編程控制器為主,集小尺寸、高精度、高性能于一體,適合于隧道施工應(yīng)用。      PLC之間的通信采用MELSE

17、CNET/方式,它是一種高速可靠的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。采用2個并行的電纜環(huán)路連接各PLC站。當一環(huán)路電纜斷裂時可自動切換到另一個環(huán)路,繼續(xù)保持數(shù)據(jù)通信。      控制系統(tǒng)中采用計算機通信組件技術(shù),使得系統(tǒng)能掛上多個顯示操作終端機,極大地方便了盾構(gòu)司機的監(jiān)視和操作。      盾構(gòu)姿態(tài)測量系統(tǒng)是一個相對獨立的系統(tǒng),由日本的專業(yè)公司(演算工房)開發(fā),專業(yè)功能性強。      地面和盾構(gòu)計算機通信系統(tǒng)采用兆比特調(diào)制解調(diào)器(SDSL)技術(shù),使得電纜鋪設(shè)方便,

18、能可靠進行點對點的數(shù)據(jù)通信。      系統(tǒng)具有報警查詢功能,除及時顯示報警內(nèi)容外,還可以進行查詢。      刀盤由8臺75kW電機和1臺110kW電機拖動,采用5臺變頻器分檔速度調(diào)節(jié),可以避免無級調(diào)速時的主從同步控制難點。      臺車上的盾構(gòu)設(shè)備信號通過電纜接入PLC主站,采用多芯(19芯)接插件(共有40多個),方便現(xiàn)場的接線工作。      盾構(gòu)采用以順序邏輯控制為主的控制方式,為能不按順序單獨控制某個主要設(shè)備,在控制臺設(shè)置了多個聯(lián)鎖解除鈕,可方便解除一些聯(lián)鎖條件,單獨操作某個設(shè)備。4盾構(gòu)測控系統(tǒng)的改進意見      測控系統(tǒng)中缺少一些設(shè)備運轉(zhuǎn)狀態(tài)信號,不能在控制臺的觸摸屏上觀察設(shè)備是否運行。如:各電機運轉(zhuǎn)確認信號。      臺車上應(yīng)增加一個從站,使得臺車上的盾構(gòu)設(shè)備信號直接就近進入PLC從站,以減少電纜接線的故障。如2#臺