盾構(gòu)技術(shù)的介紹:為了滿足奧運工程北京地鐵五號線的隧道施工，我集團公司首先引進了德國海瑞克公司生產(chǎn)的土壓平衡盾構(gòu)機（S-169）進行雍和宮至張自忠路區(qū)間的施工。土壓平衡盾構(gòu)（Earth-Pressure-Balance 盾構(gòu)，簡稱EPB盾構(gòu)），特別使用于陶土、粘土、或淤泥含量高、滲水性差的粘性土層。在土壓盾構(gòu)中，刀盤挖掘下的碎土添加適量的添加劑后用于支撐開挖面，以避免沉陷或隆起；在掘進過程中依據(jù)千斤頂?shù)耐屏?、出土量、掘進速度、土倉內(nèi)土壓力來進行判斷，以便控制維持開挖面的平衡，然后拼裝襯砌環(huán)形成隧道。 一、S-169盾構(gòu)機的結(jié)構(gòu) 盾構(gòu)機全長約60m，主體長約8.1m，S355J2G3鋼架，盾殼外徑6.19m，長7.550m， 主體部分主要有刀盤、拼裝機、螺旋輸送機；后配套有6臺臺車組成，分別裝有傳輸帶、工作電機及泵、變壓器、配電柜、漿罐、氣罐、空壓機；這兩大部分分別組成了刀盤驅(qū)動系統(tǒng)、推進系統(tǒng)、拼裝系統(tǒng)、出土系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)、泡沫系統(tǒng)；另外還有盾尾密封系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、超挖系統(tǒng)、齒輪油系統(tǒng)、工業(yè)水系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)。 二、S-169盾構(gòu)機控制系統(tǒng)的要求 盾構(gòu)機的主要動力是液壓驅(qū)動，如刀盤驅(qū)動、螺旋輸送機驅(qū)動、推進系統(tǒng)、拼裝系統(tǒng)等；輔以電驅(qū)動，如泡沫和膨潤土的變頻電機等；在施工過程中，油冷卻系統(tǒng)是所有含液壓工作系統(tǒng)的前提條件，其中刀盤系統(tǒng)的驅(qū)動又增加了水冷卻系統(tǒng)；為了保證安全及改善隧道的施工環(huán)境，又添加了瓦斯檢測系統(tǒng)和隧道通風(fēng)系統(tǒng)；除了拼裝系統(tǒng)和超挖系統(tǒng)在各自的拼裝和超挖模式下運行，推進中的盾構(gòu)機要同時運行其他所有的系統(tǒng)。 系統(tǒng)中由于需要很多監(jiān)測的變量和大量的執(zhí)行機構(gòu)元件，則包含了大量的流量傳感器、行程傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器和少量變頻器、電動機以及大量的比例溢流閥、節(jié)流閥、比例調(diào)節(jié)閥等， 由于構(gòu)成的系統(tǒng)龐大，該系統(tǒng)中需要很多的輸入輸出點，模擬量信號類型有4-20ma、1-10vDC、熱電阻等，為滿足施工工藝的要求，必須選用功能最強大的PLC產(chǎn)品作為控制系統(tǒng)，要求具有快速性、穩(wěn)定性；無風(fēng)扇運行與集中/分布式信號模板的熱插拔性；極為高效的組態(tài)與基于本產(chǎn)品和圖形工程工具的高級語言相結(jié)合；所有項目數(shù)據(jù)、程序原代碼和用戶專用數(shù)據(jù)存儲在CPU中；可以滿足自動化過程中的供電中斷和故障保護等特殊要求。 組態(tài)軟件為了能更好地與硬件兼容，要求選用相應(yīng)PLC的專用組態(tài)軟件作為監(jiān)控平臺，并能對一些涉及生命和設(shè)備安全的重要參數(shù)以多種形式報警，并具備自鎖控制；在施工生產(chǎn)過程中能將生產(chǎn)工藝過程動態(tài)顯示出來，包括設(shè)備圖形、數(shù)字量及模擬量；為了對歷史工藝進行分析和記錄及故障報警信息，須對歷史數(shù)據(jù)進行記錄，間隔時間可依據(jù)工藝需要而定；可以按照管理自動生成便于修改的各類報表；能將工藝參數(shù)以數(shù)字表、模擬表盤、棒圖、游標(biāo)等形式顯示，刷新頻率可調(diào)整；能以一定的時間間隔將重要參數(shù)的工藝曲線以趨勢圖形顯示出來，相關(guān)的參數(shù)可以放在同一畫面上；可以對操作記錄、報警記錄和各種生產(chǎn)報表以漢字形式進行生成和打印。 三、 S-169盾構(gòu)機控制系統(tǒng)方案 該控制系統(tǒng)包括三個層次：過程控制級、過程管理級、生產(chǎn)管理級。過程控制級通過控制單元傳感器和控制部件監(jiān)控生產(chǎn)過程，同時接受操作信息，并向上層傳遞實時數(shù)據(jù)。過程控制級的所有信息將在過程管理機的操作站和工程師被監(jiān)控，可完成如下功能：顯示、記錄、數(shù)據(jù)加工、報表輸出、配置控制回路和修改參數(shù)等。生產(chǎn)管理級是企業(yè)的生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)，通過MPI網(wǎng)用RS485線傳輸與過程管理級建立聯(lián)系，監(jiān)視施工過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)和集成系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)，向下層發(fā)布生產(chǎn)指令。

1）、PLC 系統(tǒng) 依據(jù)隧道施工工程技術(shù)的要求，PLC主機要求選用冗余電源；現(xiàn)場操作控制與管理控制級形成網(wǎng)絡(luò)；PLC站要能接受監(jiān)控計算機的時鐘同步信號來記錄和報送動作順序及故障事件；數(shù)字量和模擬量的I/O點數(shù)滿足控制工藝要求，并留有不少于20%的備用輸入輸出點；要能接受拼裝機旋轉(zhuǎn)角度檢測傳感器的絕對式編碼器；簽于以上要求，系統(tǒng)便采用了帶MPI接口和DP接口的CPU 414-2DP和1塊CP443-1（使用TCP/IP協(xié)議）通訊模塊，UR1 18槽機架，3塊PS407 10A電源，8塊SM431 8通道AI，4塊SM432 8通道AO和15塊SM421 32點DI，14塊SM422 32點DO，在模板之間使用了1塊IM460-3和2塊IM461-3接口模板。 PROFIBUS DP 網(wǎng)絡(luò)：它處理來自DP網(wǎng)絡(luò)中的傳感器或與從站中的模塊信息共享的功能，實現(xiàn)工廠自動化中現(xiàn)場級與單元級的通訊任務(wù)；對于系統(tǒng)中的拼裝機來說，工作中旋轉(zhuǎn)角度需要隨時檢測，并與系統(tǒng)中設(shè)定的限制值進行比較，保證在失電又恢復(fù)供電后，能記憶當(dāng)前讀數(shù)，利用PROFIBUS DP接口的現(xiàn)場總線輸出，受外界的干擾小，傳感器的精度主要取決于編碼器的分辨率，它采用二進制編碼，可滿足了施工工藝的要求。 MPI網(wǎng)絡(luò)：與帶有MPI接口的設(shè)備，如S7-400、S7-300、S7-200的CPU和PC/PG以及TD/OP之間的通訊，MPI符合RS-485標(biāo)準(zhǔn)，具有多點通訊的性質(zhì)，它的波特率設(shè)定為187.5kbps；在本系統(tǒng)中利用CP5611卡與MPI接口使過程管理級的VMT導(dǎo)向系統(tǒng)PC和生產(chǎn)管理級的工程師PC與PLC進行通訊，實時地從PLC中獲取相關(guān)施工數(shù)據(jù)，便于及時了解施工情況，采取相應(yīng)的措施。 PID自動調(diào)節(jié)：系統(tǒng)利用標(biāo)準(zhǔn)的PID算法塊對過程參量進行調(diào)節(jié)，對于泡沫系統(tǒng)的自動控制來說，此功能在推進過程中，判斷刀盤扭矩的大小主要來調(diào)節(jié)泡沫的注入量，保證刀盤的良好運轉(zhuǎn)和排土的通暢性。 數(shù)據(jù)處理：SIMATIC S7-400具有數(shù)學(xué)運算（包括矩陣運算、函數(shù)運算、邏輯運算）、數(shù)據(jù)傳遞、轉(zhuǎn)換、排序和查表、位操作等功能，也能完成數(shù)據(jù)的采集、分析和處理。能實現(xiàn)施工中所有參數(shù)的相應(yīng)處理，以達到系統(tǒng)要求來滿足客戶需要。 自診斷功能：系統(tǒng)中CPU可以檢測系統(tǒng)中的一個響應(yīng)來自I/O模塊信號的硬件中斷、同步響應(yīng)一個來自程序中指令的錯誤、異步響應(yīng)CPU操作或模塊狀態(tài)異常等實時錯誤，并調(diào)用與錯誤相關(guān)的OB（組織模塊）來滿足施工中的各種需要。 2）、網(wǎng)絡(luò)：在眾多的現(xiàn)場總線協(xié)議中，PROFIBUS是目前唯一同時成為歐洲標(biāo)準(zhǔn)和中華人民共和國機械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（JB/T 10308.3-200）以及國際標(biāo)準(zhǔn)（IEC61158）的現(xiàn)場總線，是最成功的現(xiàn)場總線之一，它是不依賴于生產(chǎn)廠家的、開放式的現(xiàn)場總線，各種各樣的自動化設(shè)備均可通過同樣的接口交換信息；SIMATIC S7通過PROFIBUS現(xiàn)場總線構(gòu)成的系統(tǒng)，是一個很好的工廠自動化解決方案，它具有以下優(yōu)點：PLC、I/O模塊、智能化現(xiàn)場設(shè)備可通過現(xiàn)場總線來連接；I/O模塊能安裝在傳感器和執(zhí)行機構(gòu)的附近；過程信號能就地轉(zhuǎn)換和處理；編程仍舊采用傳統(tǒng)的組態(tài)方式。PROFIBUS現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)為工業(yè)現(xiàn)場級的自動化設(shè)備之間的高速數(shù)據(jù)通信提供了一個可靠的傳輸方案。作為一個開放的、標(biāo)準(zhǔn)化的體系，它由PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA、PROFIBUS-FMS三部分組成，系統(tǒng)中通過PROFIBUS DP下掛到現(xiàn)場過程控制級的拼裝機角度檢測傳感器上，通過MPI接口與VMT導(dǎo)向系統(tǒng)電腦和遠(yuǎn)程的生產(chǎn)管理監(jiān)控電腦進行通訊，在操作室中通過CP443-1通訊模塊與控制室操作員電腦建立工業(yè)以態(tài)網(wǎng)進行通訊；因此可以既滿足現(xiàn)場控制管理的要求，又可以滿足生產(chǎn)管理級的實時遠(yuǎn)程監(jiān)控。 四、S-169盾構(gòu)機系統(tǒng)功能 （一）、SIMATIC S7-400 PLC系統(tǒng)： 模擬量輸入處理功能：利用模擬量輸入模塊將現(xiàn)場的模擬量轉(zhuǎn)換成過程值； 工藝參數(shù)信號的處理功能：對于模擬量通過相關(guān)信號處理的過程；如MTS系列的產(chǎn)品MK292卡，可以采集與處理千斤頂行程傳感器提供的信號，把它傳輸?shù)絇LC系統(tǒng)中，并顯示在屏幕上及控制面板上； 控制功能：能實現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備的順序連鎖控制和模擬參數(shù)的調(diào)節(jié)； 通信功能：利用本系統(tǒng)的DP、MPI接口和通訊模塊CP443-1把過程管理級、過程控制級和生產(chǎn)管理級聯(lián)系起來，實現(xiàn)雙向通信； 報警功能：對報警信號進行多種形式的處理，系統(tǒng)中有窗口顯示報警、紅色指示燈應(yīng)答和聲音輸出（檢測CH4氣體含量超標(biāo)的聲音輸出） 監(jiān)視限制功能：為保障系統(tǒng)能在安全的前提下運行，防止各系統(tǒng)不超負(fù)荷運行或使系統(tǒng)處于非正常運行的工作環(huán)境中運行，極大地提高了設(shè)備的安全性 主從站擴展功能：考慮施工規(guī)?；颦h(huán)境改變等因素，可以在本系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行擴展，建立PLC從站，可實現(xiàn)施工要求改變后的控制需要。 （二）、監(jiān)控系統(tǒng)： 地下控制室監(jiān)控操作系統(tǒng)：地下控制室使用的是適用于工業(yè)以態(tài)網(wǎng)TCP/IP協(xié)議的D-Link De-528 Enthernet接口卡與PLC系統(tǒng)中的通訊模塊CP443-1連接，達到與PLC通訊的目的，采用西門子的專用組態(tài)軟件Windows Control Center（簡稱Wincc），可以按照系統(tǒng)工藝流程和要求設(shè)計建立控制組態(tài)操作界面、報警顯示與報警組態(tài)、流程圖組態(tài)、歷史數(shù)據(jù)記錄和維護、實時數(shù)據(jù)顯示；并且用鼠標(biāo)和鍵盤按照施工要求實現(xiàn)參數(shù)調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)輸入和目標(biāo)值設(shè)定等，它是過程控制級與生產(chǎn)管理級的根本區(qū)別。 地面監(jiān)控室系統(tǒng)：地面監(jiān)控系統(tǒng)是使用Paradox 9軟件，它提供了地下監(jiān)控室組態(tài)軟件除修改施工工藝參數(shù)功能外的所有功能，而且又增加了歷史數(shù)據(jù)的記錄和維護、報表組態(tài)、重要參數(shù)的趨勢顯示（相關(guān)參數(shù)可同時顯示）、打印功能。 （三）、VMT導(dǎo)向系統(tǒng)：按照隧道工程的設(shè)計軸線，將施工工藝過程以圖形形式動態(tài)顯示坐標(biāo)系中，并從PLC獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的處理得出施工過程中需要的工藝數(shù)據(jù)（如盾尾間隙、管片選型等）。 五、結(jié)束語 該控制系統(tǒng)中的硬件和軟件配置先進，采用了西門子生產(chǎn)的工業(yè)控制設(shè)備，如西門子的S7-400PLC、兼容產(chǎn)品WINCC組態(tài)軟件等。在繁忙的施工生產(chǎn)中通過自己的摸索學(xué)習(xí)、進一步的體會，漸漸對本系統(tǒng)中有了深入的了解。 系統(tǒng)是目前國內(nèi)較大的應(yīng)用西門子產(chǎn)品的隧道工程施工生產(chǎn)系統(tǒng)，它自投產(chǎn)以來，運行可靠，工程質(zhì)量好，為公司帶來了可觀的經(jīng)濟效益。 參考文獻 a) 鄭晟 鞏建平 張學(xué)，《現(xiàn)代可編程序控制器原理與應(yīng)用》，北京：科學(xué)出版社，2003.4 b) 王