基于力控和PLC的盾構(gòu)管片自動化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)

(中國水利水電第七工程局有限公司，成都，610081)

1 前言

目前，國內(nèi)各大城市地鐵建設(shè)快速發(fā)展，地鐵盾構(gòu)管片需求量越來越大，地鐵盾構(gòu)施工對于管片成品質(zhì)量、尺寸精度有著嚴(yán)苛要求。本文以成都軌道交通18號線工程地鐵盾構(gòu)管片施工為例，介紹盾構(gòu)管片自動化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計。

成都軌道交通18號線是國內(nèi)運行速度最快的地鐵線路，設(shè)計最高時速為140km/h，也是目前國內(nèi)在建的最長城市軌道交通(地鐵)線路，總長度為67.93km。該線為成都地鐵首次采用大直徑盾構(gòu)進行隧道掘進，在高富水砂卵石地層采用大直徑盾構(gòu)在國內(nèi)外也屬首次。該工程盾構(gòu)管片采用錯縫拼裝的方式，管片混凝土強度為C50，抗?jié)B等級為P12；成環(huán)后外徑為8300mm，內(nèi)徑為7500mm，管片厚度為400mm，管片寬度為1500mm及1800mm兩種，且首次采用榫槽設(shè)計。該工程盾構(gòu)管片需求總量為31231環(huán)，月高峰需求強度約2710環(huán)。該工程盾構(gòu)管片總需求量大，施工工期緊、任務(wù)重，且該型號參數(shù)管片成都地區(qū)為首次采用，無相關(guān)生產(chǎn)施工經(jīng)驗可借鑒；同時，成品管片質(zhì)量要求嚴(yán)苛，成型后外觀允許偏差為寬度±0.5mm、厚度+3mm～-1mm、弧弦長±1mm，成環(huán)拼裝后允許偏差環(huán)/縱縫≤1mm，內(nèi)徑允許偏差±2mm，外徑允許偏差+6mm～-2mm。以上均對盾構(gòu)管片生產(chǎn)線的產(chǎn)能、生產(chǎn)效率、穩(wěn)定性和可靠性等提出了巨大挑戰(zhàn)。

地鐵盾構(gòu)管片生產(chǎn)技術(shù)的自動化和智能化水平直接影響著盾構(gòu)管片的生產(chǎn)效率、施工成本和成品質(zhì)量，進而影響到整個地鐵建設(shè)工程的進度、使用壽命、后期維修等全過程。而盾構(gòu)管片生產(chǎn)線實現(xiàn)自動流轉(zhuǎn)的核心和關(guān)鍵，即控制系統(tǒng)，因而不斷深入探索和優(yōu)化盾構(gòu)管片自動化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，對于提高盾構(gòu)管片施工的智能化和管片產(chǎn)品質(zhì)量有著重要意義。

2 管片生產(chǎn)線技術(shù)原理

本文依托中國水利水電第七工程局有限公司新津管片廠，該廠目前正承擔(dān)成都軌道交通18號線地鐵盾構(gòu)管片的生產(chǎn)供應(yīng)任務(wù)，管片生產(chǎn)線采用通窯式管片自動化流水線，投入模具12套，流水線設(shè)計采用6線制，即2+4生產(chǎn)模式(2條作業(yè)線、4條蒸養(yǎng)線)，可根據(jù)生產(chǎn)需要靈活選擇1+2、2+3、2+4等生產(chǎn)模式運行。

2.1 生產(chǎn)線組成

主要由混凝土澆搗系統(tǒng)(振動室)、作業(yè)線、蒸養(yǎng)線、牽引和頂推系統(tǒng)、進模車、出模車、流水線軌道、養(yǎng)護系統(tǒng)(蒸養(yǎng)控制系統(tǒng)、蒸養(yǎng)窯門、蒸養(yǎng)管道等)、混凝土周轉(zhuǎn)(高低料斗)等輔助生產(chǎn)設(shè)備組成。生產(chǎn)線依次設(shè)置有脫模、模具清理、噴涂脫模劑、鋼筋籠和預(yù)埋件安裝、合模、混凝土澆筑振搗、收水抹面等工位。

圖1 生產(chǎn)線總體布置

2.1.1 混凝土澆筑振搗系統(tǒng)

主要由封閉式振動室、托舉臺、混凝土運輸料斗、液壓鎖緊機構(gòu)、氣路快接裝置等結(jié)構(gòu)組成，用以完成管片澆注和振搗。

2.1.2 牽引和頂推系統(tǒng)

生產(chǎn)線上模具帶有鋼制滾輪，在牽引和頂推系統(tǒng)作用下在軌道上實現(xiàn)流轉(zhuǎn)。牽引和頂推系統(tǒng)主要以液壓油缸為動力源，采用桿式傳動方式，傳動桿間隔一個模具距離設(shè)置有模具掛鉤，以實現(xiàn)固定模具位置并牽引和頂推模具的作用。

2.1.3 進、出模小車

進模車和出模車具有頂推、牽引模具的作用，以將模具從進、出模車移動至蒸養(yǎng)線(作業(yè)線)，或?qū)⒛＞邚恼麴B(yǎng)線或作業(yè)線牽引至進、出模車；同時，進、出模車具備橫向移動功能，實現(xiàn)模具自由移動至對應(yīng)的蒸養(yǎng)線(作業(yè)線)。

2.1.4 養(yǎng)護系統(tǒng)

本工程蒸養(yǎng)線為通窯式養(yǎng)護線，養(yǎng)護窯通過設(shè)置窯門和隔墻，實現(xiàn)靜養(yǎng)區(qū)、升溫區(qū)、恒溫區(qū)和降溫區(qū)功能。蒸養(yǎng)管路布置于各區(qū)域軌道下方，養(yǎng)護系統(tǒng)采用PID架構(gòu)，通過控制各區(qū)域內(nèi)蒸養(yǎng)管路電動閥門的閉合，實現(xiàn)對溫度的精確控制，以確保蒸養(yǎng)溫度滿足管片生產(chǎn)質(zhì)量要求。

2.2生產(chǎn)線運行原理

該盾構(gòu)管片自動化生產(chǎn)線動作原理為進、出模坑道的進、出模小車可在養(yǎng)護線和作業(yè)線之間自由流轉(zhuǎn)。管片澆筑振動完成后，作業(yè)線模具開始頂推模具至進模車，出模車同時將模具頂推進入作業(yè)線脫模工位。兩側(cè)蒸養(yǎng)窯門開啟后，進模小車將一個靜養(yǎng)后的模具推入蒸養(yǎng)窯并將蒸養(yǎng)完畢的模具推出至出模坑道進出模小車；出模坑道出模小車運行到澆注線采用牽引系統(tǒng)將模具牽引至澆筑線，同時將澆筑完成的模具牽引至進模坑道進出模小車，進出模小車再交替運行到蒸養(yǎng)線將模具推入蒸養(yǎng)窯；以此類推，實現(xiàn)了模具在生產(chǎn)線的流轉(zhuǎn)和循環(huán)。

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)架構(gòu)

PLC控制系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計直接影響著該系統(tǒng)工程的施工成本、抗電磁干擾能力、通訊穩(wěn)定性、安裝靈活性、安全穩(wěn)定性等，因而控制系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計尤為重要。通過工程實踐和分析，盾構(gòu)管片自動化生產(chǎn)線各設(shè)備組成較為單一，各目標(biāo)控制設(shè)備布置集中(最遠(yuǎn)距離110m)，且盾構(gòu)管片對施工質(zhì)量和生產(chǎn)連續(xù)性要求極高，控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性要求嚴(yán)苛；同時系統(tǒng)需要監(jiān)測和分析管片產(chǎn)量、流水節(jié)拍、蒸養(yǎng)溫度、振動時間、故障診斷等數(shù)據(jù)，監(jiān)測點數(shù)多，要求PLC硬件應(yīng)具有強大的數(shù)據(jù)處理和通訊能力。本文依托的中國水電七局新津管片廠管片生產(chǎn)線控制系統(tǒng)基于集中式I/O架構(gòu)，采用功能分類法進行設(shè)計，系統(tǒng)架構(gòu)見圖2。

圖2 控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

3.2 控制系統(tǒng)硬件組成

整個控制系統(tǒng)由上位機、中央控制柜(下位機PLC)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、流水線控制箱、進模車控制箱、出模車控制箱、振動臺控制箱、蒸養(yǎng)溫度控制箱及安全限位開關(guān)、傳感器等信號檢測設(shè)備組成?？刂葡到y(tǒng)各現(xiàn)場控制箱具備“手動”和“自動”兩種方式，其中“手動”方式主要用于設(shè)備檢修、故障處理和緊急情況的單機單點功能控制。

(1)上位機對生產(chǎn)線進出模車、牽引頂推油缸、振動臺等設(shè)備運行狀態(tài)，以及流水節(jié)拍、蒸養(yǎng)溫度、各限位開關(guān)、傳感器通斷等信號和數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測和控制，實現(xiàn)人機交互。

(2)下位機PLC(中央控制柜)主要對生產(chǎn)線各設(shè)備信號進行集中采集、處理，并傳遞至中央控制柜中的西門子S7-300 PLC進行執(zhí)行，以實現(xiàn)生產(chǎn)線的自動化運轉(zhuǎn)。

(3)視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置在中央控制室內(nèi)，與上位機并排設(shè)置，通過安裝在生產(chǎn)線各個工位上方的高清視頻攝像頭，用以監(jiān)控生產(chǎn)線各工位人員和設(shè)備工作狀態(tài)，提高操作人員的可視范圍，確保生產(chǎn)施工安全穩(wěn)定。

(4)流水線控制箱主要用以執(zhí)行1#和2#作業(yè)線、1#～4#養(yǎng)護線液壓牽引頂推機構(gòu)的動作，實現(xiàn)模具在作業(yè)線(養(yǎng)護線)上的自動/手動移動，并將各機構(gòu)限位開關(guān)、傳感器信號集中采集傳輸給下位機PLC。進(出)模車控制箱主要實現(xiàn)進(出)模車在蒸養(yǎng)線和養(yǎng)護線之間的橫向移動，以及模具在養(yǎng)護線(作業(yè)線)與進(出)模車之間的位置轉(zhuǎn)換等功能，同時實時采集進(出)模車推模油缸伸縮閥、位置鎖緊/解鎖閥、模具上(下)模鉤、行走速度、位置等信號，傳輸給中央控制柜中PLC進行處理。

(5)振動臺控制箱主要實現(xiàn)手動和自動方式結(jié)合，程序化控制附著式振動，實現(xiàn)“弱振”排氣泡和“強振”促密實的功能，同時該控制箱對振動臺的頂升/下降、鎖緊/解鎖機構(gòu)進行控制，確保振動過程中的安全可靠，控制箱同樣具備采集和傳輸振動頻率、振動時間、生產(chǎn)節(jié)拍、位置傳感器等數(shù)據(jù)和信號的功能。

(6)蒸養(yǎng)過程分為靜養(yǎng)、升溫、恒溫、降溫四個階段，蒸養(yǎng)窯內(nèi)采用自動門隔離，防止串溫。蒸養(yǎng)溫度控制箱主要用以通過溫度傳感器檢測溫度數(shù)據(jù)，變送并傳輸給PLC，再由PLC采用PID方式控制蒸養(yǎng)管路電磁閥的開度，以控制蒸養(yǎng)窯內(nèi)每個區(qū)間的蒸氣通氣量，達到控制管片蒸養(yǎng)溫度的目的。

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 上位機設(shè)計

上位機采用國產(chǎn)力控Forcecontrol 7.1組態(tài)軟件作為操作軟件，通過PROFINET通訊協(xié)議和以太網(wǎng)工業(yè)交換機與下位機西門子SIEMENS S7-300 PLC連接，進行數(shù)據(jù)通信。通過人機交互方式，實現(xiàn)對設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集、故障診斷報警和報表統(tǒng)計打印等功能，同時，上位機能夠靈活設(shè)置生產(chǎn)模式、蒸養(yǎng)時間、溫度、振動時間等參數(shù)，以滿足生產(chǎn)線生產(chǎn)工藝變化的需求和盾構(gòu)管片生產(chǎn)質(zhì)量控制的技術(shù)要求。

上位機界面設(shè)計了4個系統(tǒng)界面，分別為系統(tǒng)登錄界面、監(jiān)控界面、參數(shù)設(shè)置和反饋界面、報表操作界面。為方便用戶，各界面均設(shè)置由當(dāng)前日期、界面切換按鈕等基本功能。

(1)登錄界面主要實現(xiàn)系統(tǒng)登錄和注銷功能，系統(tǒng)設(shè)置有工程師、管理員和操作員三個級別和權(quán)限。界面右下角組態(tài)有最小化窗口、退出程序、重啟和關(guān)機等按鈕，方便用戶進行系統(tǒng)操作；

(2)監(jiān)控界面主要用以監(jiān)控和模擬出模車、養(yǎng)護線、進模車、作業(yè)線、隔振臺等設(shè)備的工作狀態(tài)及其各限位開關(guān)、傳感器、油缸、電磁閥等通斷狀態(tài)；同時，該界面具備顯示各養(yǎng)護線溫度數(shù)據(jù)、產(chǎn)量統(tǒng)計和故障診斷報警功能；

(3)參數(shù)設(shè)置和反饋界面主要實現(xiàn)對振動和蒸養(yǎng)過程參數(shù)和趨勢的實時反饋，該界面可根據(jù)生產(chǎn)工藝需要設(shè)置振動臺鎖緊時間、強(弱)振時間、作業(yè)線油缸慢縮時間等參數(shù)，以達到控制節(jié)拍時間，提高生產(chǎn)效率和管片澆筑振搗質(zhì)量的目的。同時該畫面實時顯示各蒸養(yǎng)區(qū)域溫度，并記錄和演示溫度變化趨勢圖；

(4)報表操作界面主要用來記錄管片蒸養(yǎng)溫度參數(shù)，該界面設(shè)置有查詢、打印、打印機設(shè)置、導(dǎo)出Excel報表等按鈕，以滿足用戶對管片蒸養(yǎng)過程數(shù)據(jù)的全過程溯源，并進行記錄、查詢和歸檔。

4.2 下位機設(shè)計

下位機主要采用西門子SIEMENS S7-300系列中端PLC，主要由主機架(0)UR和擴展機架(1)UR組成。其中主機架(0)UR安裝的模塊有1個電源模塊(PS 307 10A)、1個CPU模塊(CPU 315-2 PN/DP)、1個接口模塊(IM 365)、5個數(shù)字量輸入模塊(DI32×DC24V)和3個數(shù)字量輸出模塊(DO32×DC24V/0.5A)；擴展機架(1)UR安裝的模塊有1個接口模塊(IM 365)、1個數(shù)字量輸出模塊(DO32×DC24V/0.5A)、2個模擬量輸入模塊(AI8×12Bit)和2個模擬量輸出模塊(AO8×12Bit)。

下位機利用西門子Step7 V5.5 SP4編程軟件，采用梯形圖語言編程，主要包括OB1作業(yè)線控制程序、FC1養(yǎng)護線控制程序、FC2振動參數(shù)設(shè)置程序、FC3溫度轉(zhuǎn)換程序、DB1數(shù)據(jù)采集塊等對象組成。系統(tǒng)編程完成后采用PLCSIM V5.4 SP5軟件對控制系統(tǒng)進行離線仿真與調(diào)試。

5 結(jié)語

本文闡述的盾構(gòu)管片自動化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，能按生產(chǎn)需要及時調(diào)整和優(yōu)化工藝參數(shù)，且故障處理和維護能及時響應(yīng)；同時在具備狀態(tài)監(jiān)控、生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集、故障診斷報警和報表統(tǒng)計打印等功能的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了生產(chǎn)模式、蒸養(yǎng)時間、溫度、振動時間等參數(shù)設(shè)置功能，可根據(jù)需要動態(tài)調(diào)整流水節(jié)拍，實現(xiàn)了過程參數(shù)的可視化，提高了生產(chǎn)效率。本控制系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用，為盾構(gòu)管片生產(chǎn)線智能化技術(shù)的深化有著積極推動作用，且為盾構(gòu)管片生產(chǎn)線在系統(tǒng)設(shè)計、優(yōu)化等方面提供重要參考和借鑒。