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1、1北京地铁铰接式土压平衡盾构测控系统 的消化吸收摘要:概括介绍了日本小松公司生产的铰接式土压平衡盾构的功能和特点,以及测控系统的组成和设计思想,剖析了盾构的控制和操作方法,总结了测控系统的特点,对国产盾构测控系统的设计提出了建议。关键词:地铁;铰接式土压平衡盾构;盾构测控系统;消化和吸收1 盾构概况北京地铁 4 号线颐和园至圆明园之间的隧道施工,采用日本小松公司生产的铰接式土压平衡盾构。它将穿越砂砾复合地层,推进距离约 1.5km。该盾构主要参数有,直径:6140mm;长度:8570mm;推进速度:08.5cm/min;总推力:37730kN。铰接式土压平衡盾构主要部件的功能和特点如下:(1)
2、大刀盘是通过 9 台刀盘电机来驱动,再由 5 台变频器控制刀盘电机,实现刀盘转速的选择和切换。刀盘速度设有五档分别为 0.5、0.7、1.1、1.6、2.2r/min。(2)螺旋机由 1 个液压马达来拖动,它可通过比例阀进行无级调速,螺旋机调速范围为 025r/min。(3)螺旋机有伸缩功能,维修时可将螺旋机轴缩回关闭前部二道螺旋机闸门,使螺旋机与泥土仓完全隔离。(4)推进系统由推进泵带动分成四区的 22 个推进千斤顶,并通过一个比例阀对油压进行调整和控制来调节推进速度。(5)铰接系统由铰接泵带动 4 个铰接千斤顶进行上、下、左、右的转动与全伸、全缩等动作,调整盾构的推进姿态。2(6)拼装回转
3、和螺旋机闸门合用 1 台液压泵,分别在拼装/推进状态中使用。(7)皮带机在运行前,予报警 5s,才能正式运转。在皮带机两边设有拉绳式紧停钮,可以紧急停止皮带机。(8)盾尾油脂设前后二道密封,由 1 台盾尾油脂密封泵每道各分 6 个点进行压注。(9)有 2 台集中润滑油脂泵(简称油脂泵)分连续和间断二个工作状态分别注入油脂。(10)有 1 套稀油润滑循环泵(简称循环泵)进行润滑油的加注。(11)用 2 台泥浆泵通过变频器调节加泥流量。向土仓内加泥浆。(12)由注浆泵和搅拌机组成的注浆系统可进行单液浆压注,有清洗管道功能。(13)有 1 套泡沫装置可发生泡沫注入盾构前方土体中。2 盾构测控系统2.
4、1 盾构控制系统盾构控制系统主要由 PLC 可控制编程控制器和显示操作终端机组成。PLC 采用主从结构,有 1 个主站和 2 个从站,另有一套注浆 PLC。见图 1PLC 可编程控制器采用日本三菱公司制造的 Ans 系列产品。该盾构采用的A2USHCPU 组件是当今世界上最先进的微型化 PLCCPU 之一。它采用三菱顺控处理器(MSP),使得其可以达到与许多大型、更昂贵的 PLC 相媲美的速度和功能。PLC 主站设在控制台,主 CPU 型号为 A2USHCPU-S1,带 3 个显示操作终端机,编号为 GC1、GC2、GC7。其中 GC1、GC2 分别操作盾构设备,互为备用。另一个 GC7操作加
5、泥设备。1#从站设在盾构内,带 3 个显示操作终端机,编号为 GC35。其中 GC3、GC4 操作3盾构千斤顶,GC5 远程操作注浆。2#从站设在 2#车架,带 1 个显示操作终端机(俗称触摸屏),编号为 GC6,操作注浆设备。主站同 1#、2#从站通过两个并行的电缆环路连接(双环网)。系统采用了高速可靠的数据通信,即 MELSECNET/数据通信系统,它采用 2 个并行的电缆环路连接各 PLC 站,其中一个称之为正向环路(或主环路),另一个称之为反向环路(或副环路)。当主环路内发生电缆断裂,通信自动切换到副环路,继续保持数据通信。如果 2 个环路均断裂或者均脱接,除断裂的 PLC,连接的站之
6、间仍保持继续通信。注浆 PLC 独立于 PLC 系统外,型号为:FX1N-40MR,通过 I/O 口同 PLC 主站进行信号的交换。PLC 配置了开关量输入/输出组件、模拟量输入/输出组件、通信接口组件和计算机通信组件。详见表 1PLC 配置表。2.2 姿态测控系统盾构的姿态测控系统由盾构和地面 2 个部分组成。盾构部分主要有全站仪、棱镜、测量接口、控制单元、计算机(显示器)等设备组成。地面部分主要有计算机(显示器)和集线器等设备组成,盾构与地面部分通过一对兆比特调制解调器(SDSL)进行信号的联接。见图 2。该系统通过高精度的测量仪器和专用软件来实现盾构姿态的自动测量,可以取得实时的数据信息
7、有:后视点、站的坐标和登录名称;测量目标的数据;4测量时的盾构俯角和转角;盾构前、中、后的坐标值,方位偏差等计算结果。在盾构内,全站仪测量得到的姿态信号和 PLC 获取的盾构施工信号在测量接口单元中集成在一起,在盾构计算机显示器上显示,并送地面计算机。 2.3 检测系统根据盾构测控系统的需求,配置了基本的检测仪器,检测的模拟量信号有:土仓土压力,推进千斤顶油压、行程、速度,四区油压,螺旋机油压、转速,铰接千斤顶行程,刀盘变频器输出功率,刀盘密封温度,螺旋机闸门开度,注浆压力,注浆桶浆液位,泡沫压力,加泥压力,加泥流量,盾构的坡度和转角等。配置的传感器(变送器)共有 40多套,见表 2。另外,对
8、开关量信号的检测,配置了 60 余个限位和 10 多个压力继电器。主要检测拼装机回转左/右限位状态,拼装机电缆盘左/右限位状态,螺旋机的伸/缩状态,螺旋机闸门的开/关状态,气阀、加泥阀、注浆阀、盾尾密封阀的开/闭状态,集中润滑的油脂油位,盾尾油脂油位等,以及集中润滑油脂泵和管道的压力高/低,盾尾密封油压高低,稀油润滑堵塞等信号。2.4 盾构的控制和操作 2.4.1 盾构的控制盾构的主要控制有:土压平衡控制、顺序控制和逻辑控制等。土压平衡控制是盾构的主要控制,正面土体扰动,使土仓土压发生变化时,它同设定值之间产生一个偏差值,通过自动控制螺旋机回转速度调节泥土输出量来减少偏差量,达到土仓土压动态平
9、衡在设定值上。顺序控制是在推进状态下,结合时序、逻辑等控制条件,使推进设备按正常的工作顺序进行:冷却泵运行润滑泵运行刀盘转动螺闸门开皮带机转动螺5旋机转动推进千斤顶动作。不按顺序操作将不能使盾构正常工作。逻辑控制是盾构对每个设备按特定的逻辑关系所制定的控制,如推进时,若发生刀盘扭矩过载或螺旋机反转,或推进速度过速或土压超过上限时,按逻辑条件就将停止推进千斤顶的伸出动作。又如铰接必须在铰接泵运行正常、刀盘正常转动、铰接角度在正常范围内时进行上、下、左、右转动与全伸、全缩等控制,当某个条件不存在时,立即结束铰接控制。联锁条件是盾构控制不可缺少的,盾构中所有设备均涉及联锁条件,如当电源反相、PLC
10、通信故障时,各设备均不能工作。有些设备的动作是互锁的,如前闸门开关时不能进行螺旋机的伸缩与螺旋机出土闸门或拼装机回转的控制,反之相同。这些联锁条件在任何情况下均不能解除,而有些设备在非正常情况下,可以通过解除联锁来单独控制某个设备,如解除刀盘联锁的方法使刀盘停止运行,就可以单独控制皮带机或螺旋机的运行了。2.4.2 盾构的操作在操作台通过按钮、旋钮可以操作刀盘、螺旋机、皮带机的运转和停止,刀盘速度的选择,推进千斤顶的选择和伸缩以及螺旋机闸门的开与关等。而大量的其它操作是在触摸屏上进行的。控制台上有 2 个触摸屏分上下排列。它有:“运转显示”、 “检测显示”、 “泵启动”、 “推进”、 “辅助操
11、作”、 “其它设定”、 “异常显示”等画面。平时,上触摸屏只可以操作一些显示画面,下触摸屏只可以操作一些操作画面。当一台触摸屏故障时,可以把故障一台的画面切换到正常的一台上,即可操作所有的画面。“运转显示”画面:主要显示各设备的状态,如刀盘电机、推进泵、螺旋机、皮带机、盾尾油脂泵、拼装平移泵等设备的运行状态;后闸门、前闸门、人行闸门的开/闭状态,螺旋机千斤顶的伸/缩,推进条件确认,异常状态等等。6“检测显示”画面:主要显示设备和施工数据,如刀盘密封温度、盾构姿态角度、铰接角度、推进行程、推力中心位置、四区推力、土压力、后闸门开度、刀盘转速和扭矩、推进速度和推力、螺旋机速度和油压、刀盘转数累计等
12、。“泵启动”画面:主要操作推进、螺旋机、拼装以及其它泵的启和停以及显示运转状态。“推进”画面:主要操作推进千斤顶的选择、四区油压加/减、千斤顶同步设定、推进速度切换等,显示推力中心位置、四区推力、总推力、千斤顶行程、推进速度等,另有操作引导指示。“辅助操作”画面:主要操作铰接系统和盾尾油脂系统的设备,并显示这些设备的运行状态。“其它设定”画面:由多幅分画面组成,可对系统和土压的参数进行设定。在控制室还有 2 个触摸屏,一台操作加泥设备,另一台操作注浆设备。3 盾构测控系统的特点铰接式土压平衡盾构配置设备基本齐全,测控系统组成完整,功能齐全。控制系统以三菱公司的小型化模块式可编程控制器为主,集小
13、尺寸、高精度、高性能于一体,适合于隧道施工应用。PLC 之间的通信采用 MELSECNET/方式,它是一种高速可靠的数据通信系统。采用 2 个并行的电缆环路连接各 PLC 站。当一环路电缆断裂时可自动切换到另一个环路,继续保持数据通信。控制系统中采用计算机通信组件技术,使得系统能挂上多个显示操作终端机,极大地方便了盾构司机的监视和操作。盾构姿态测量系统是一个相对独立的系统,由日本的专业公司(演算工房)开发,7专业功能性强。地面和盾构计算机通信系统采用兆比特调制解调器(SDSL)技术,使得电缆铺设方便,能可靠进行点对点的数据通信。系统具有报警查询功能,除及时显示报警内容外,还可以进行查询。刀盘由
14、 8 台 75kW 电机和 1 台 110kW 电机拖动,采用 5 台变频器分档速度调节,可以避免无级调速时的主从同步控制难点。台车上的盾构设备信号通过电缆接入 PLC 主站,采用多芯(19 芯)接插件(共有40 多个),方便现场的接线工作。盾构采用以顺序逻辑控制为主的控制方式,为能不按顺序单独控制某个主要设备,在控制台设置了多个联锁解除钮,可方便解除一些联锁条件,单独操作某个设备。4 盾构测控系统的改进意见测控系统中缺少一些设备运转状态信号,不能在控制台的触摸屏上观察设备是否运行。如:各电机运转确认信号。台车上应增加一个从站,使得台车上的盾构设备信号直接就近进入 PLC 从站,以减少电缆接线
15、的故障。如 2#台车上的低压配电柜中的信号要通过电缆接至控制台中。注浆系统的 PLC 也可作为一个 PLC 的从站,这样就不需要通过 PLC 的 I/O 口作为信号传送的接口。使得整个 PLC 成为一个统一的系统。5 对国产盾构测控系统的几点建议通过对铰接式土压平衡盾构测控系统的剖析,了解了国外先进的盾构测控系统的特点,其优点值得我们学习。鉴于原国产盾构设计中的不足,现提出几点建议。国产盾构的测控系统的设计应遵循可靠性、正确性、准确性、通用性、经济性、8先进性等原则。姿态测控是盾构测控系统的重要组成部分,在国产盾构测控系统的设计中要把姿态测控作为其一部分来设计,若没配置该部分设备,也应留有相应接口。在国产盾构的设计中,要把注浆设备、加泥设备的控制纳入盾构测控系统中,要把注浆、加泥的 PL 作为盾构 PLC 系统的从站,操作可以用单独的触摸屏。国产盾构的测控系统设计中,要合理设置 PL 从站,使盾构的设备信号能就近接入 PLC 从站。这样能方便安装、调试、维修等项工作。在国产盾构中,可以采用以触摸屏为主的操作界面,控制台要减少按钮,旋钮以及显示仪的使用,使得操作和监视更为直观、简洁和方便。
