PLC自动化控制系统在长距离顶管施工中的应用.pdf

P L C自动化控制系统在长距离顶管施工 中的应用 P L C Au t o ma t i c Co n t r o l S y s t e m Ap p l i e d t o Lo n g Di s t a n c e Pi p e J a c k i n g Co n s t r u c t i o n 王 平 上海市基础工程有限公司 2 0 0 0 0 2 摘 要 介绍了 P L C 可编程控制器在长距离顶管施工中的应用 ，并针对顶管工具头、中继环、配套设备的控制 ，设 计了顶管 自动化控制系统，从而提高了系统的稳定性、可靠性及高效性 。该系统使用效果好 ，值得在今后顶管工程中 应用和推广。 关键词 顶管自动化控制P L C C C L i n k 中图分类号 U 4 5 5 ． 4 7 ／ 文献标识码 B 【 文章编号】1 0 0 4 1 0 0 1 2 0 1 2 0 4 0 3 4 3 - 0 3 随着自动化、 计算机等信息技术的飞速发展 ， 自动化技 术越来越 多地在项管施工中得到应 用。由于传统的顶管机 都是通过继 电器控制、 表盘读数和 多芯电缆连接进行作业， 其可靠性差、 维护困难 ， 已经不能满足 目前的施工需求了 ； 同时 ， 又因顶管管内设备众多 ， 若采用人工控 制， 不但需要 大量操作人员且人员之间联系不便 ， 很难实现设备联动。 为 解决这一难题，所 以我们专门设计开发 了顶管 P L C自动化 控制系统 ，该系统不仅可以控制工具头 、中继环和配套设 备 ， 而且能对所有相关设备传感器数据进行实时采集、 显示 和保存 ， 并对设备故障进行报警 ， 从而实现了顶管的自动化 远程控制。 1 系统设计 本控制系统的设计思想是运 用国际上 自动控制领域的 新技术 ， 使其具有先进性、 高可靠性 、 实时性和可维护性等 优点 ， 并采用现场总线和分布式 I ／ 0 控制技术 ， 充分发挥网 络信息技术的优势，从而来实现对顶管施工的 自动化控制 和管理。 1 ． 1 功能 目标 1 ． 1 ． I 下位 机 工具 头控制 可以单独工作 ， 控制刀盘、 液压 、 纠偏、 进排泥和辅助五 大系统的所有动作 ， 并按照工艺要求进行联锁保护 还实时 采集传感器数据， 包含姿态 、 土压 、 油压、 转速等模拟量 ； 同 时实现对采集数据的预警及故障点的报警功能。 作者简介 王 平 1 9 8 5一 ， 男 ， 本科 ， 助理工程 师。 作者地址 上海市江西中路 4 0 6 号 2 0 0 0 0 2 。 ’ 收稿 日期 2 0 1 2 0 3 0 2 1 ． 1 ． 2 中继环控制 结合后座主千斤顶 ，通过上位机实现最多 6 O 个 中继 环的远程联动。 1 ． 1 ． 3 配套设备控制 包含进水接 力泵、 排泥接力泵 、 压浆泵和送浆泵等 管 内设备 ， 以及 引水泵 、 高压泵 、 泥浆泵等地面设备的集中化 控制管理。 1 ． 1 ．4 上位 机 通过网络与下位机通讯 ，实现对顶管工具头的远程控 制， 同时实现 3 k m管路 内的中继环 、 配套设备的集中控制 ， 并对所有工程数据、 运行记录、 故障报警信息等记录于计算 机来实现报表功能。 1 ． 2方案设计 为实现上述功能 目标 ， 我们采用“ 集 中监测 ， 分散控制 ” 的原则构建整个顶管自动化控制系统 ，其系统网络架构如 图 1 所示。 I l I 圆⋯豳圆匹 ⋯圃I t l 图 1 系统 网络架构 为了保证系统的稳定性和可靠性 ，设计中采用 P L C对 顶管作业流程进行控制 ，C C - L i n k 现场总线作 为控制系统 主干的方案对顶管 的各个环节进行集 中监控。这是因为 C C L i n k是 C o n t r ＆C o m m u n i c a t i o n L i n k 控制与通信链 路系统 的缩写， 是一种可以同时高速处理控制和信息数据 的现场网络系统 ， 其具有性能卓越 、 使 用简单、 应用广泛、 节 建 筑 施 工第 3 4 卷第 4 期 l 3 4 3 省成本等优点 ， 不仅能解决工业现场配线复杂的问题 ， 同时 具有优异的抗噪性能和兼容性。C C L i n k 采用双绞线为连 接介 质的主从结构 ， 最 多可 以支持 6 4 个从站 ； 采用广播轮 询方式 ， 最高可达到 1 0 M b p s 速度 ； 通过 中继器 ， 网络通讯 距离最长可达 l 3 ． 2 K H 。综合这些优秀性能 ， 我们最终选择 C C - L i n k 作为顶管 自动化控制系统的网络架构。 在该顶管 自动化控制系统的网络架构 中， 自动化控制 计算机作为上位机 ，是显示和操作的平台 ；主站是主控制 器 ， 是整个系统 的核心 ， 协调控制各从站工作 ， 同时监控地 面配套设备 ； 从站 本方案暂定设计为 4 0 个 根据主站的指 令 ， 分别控制就近 中继环、 管道泵等配套设备工作 ； 触摸屏 作为下位机 ， 通过 R S 一 2 3 2 C 连接从站 P L C对工具头进行 单独监控操作 。 2 硬件设计 本系统硬件全线采用日本三菱公司的工控产品。主站 选 用 Q系列 高性能 型 C P U ，配 以 C C L i n k 总线 主站模块 Q J 6 1 B T 1 1 N ，并通过 R S - 2 3 2 C端口连接一台工控计算机 ， 作 为上位机 从站选用 F X 2 N系列产 品， 配以 C C L i n k 总线接 口模块 F X 2 N - 3 2 C C L ， 其中 从站还通过 R S 一 2 3 2 C 端 口连接 一 个 G T 1 1 系列人机界面 ，作为下位机 ；主从站之间通过 C C L i n k 专用通讯 电缆进行连接 ， 每 当通讯距离超过 1 0 0 0 m时加设一个通讯 中继器 ；变频器等其它主要元器件也都 采用三菱的设备 ， 以保证设备运行的稳定性、 可靠性。该系 统硬件具体配置如图 2 所示。 上 位 机 主站柏 主站3 9 图 2 一磊 苣 毫 鬟 l l ＼ ＼从站 电 阻 ＼ ＼ }鏊 l 翟 I 鐾 l 星 系统硬件配置 2 ． 1 P L C主站及上位机 2 ． 1 ． 1 主 站 Q O 2 H C P U - F Q Y I O Q X 4 0 Q 6 8 A D Q 6 4 D A Q J 6 1 B T 1 1 N 。 2 ． 1 ． 2 上 位 机 工控计算机。 具体功能为 能够连接 6 4个从站， 以满足 控制最 多 6 O 个中继环的需求 ； 能够提供开关量输入 ／ 输 出 各 1 6 路 ， 模拟量输入 8 路 ， 模拟量输出 4 路且都留有一定 3 4 4 I 2 0 l 2 4 B 词 Img 余量， 可以满足地面配套设备的扩容和监控。 2 ． 2 P L C从站 1及下位机 2．2 ． 1 从 站 1 F X 2 N -1 2 8M R F X 2 N -3 2 C C L F X 2 N -4 8 E R 2 F X 2 N 一5 A F X 2 N 一8 A D 。 2 , 2 ． 2 下位 机 G T 1 5 7 5 一 V N B A 触摸屏。具体功能为 具有与主站通讯的 功能 ， 可传送 1 6 字和 1 2 8 位数据信息 能够提供开关量输 入 ／ 输出各 8 8 路 ，其中模拟量输入 1 6 路 ，模拟量输 出 2 路 能够独立运行并通过下位机对工具头所有动作进行监 控。 2 。 3 其它 P L C从站 2 4 0 其它从站 F X 2 N 一 3 2 M RF X 2 N 一 4 A D F X 2 N 一 3 2 C C L 。主 要功能为 具有与主站通讯的功能 ， 可传送 4 位和 3 2 位数 据信息 ； 能够提供开关量输入 ／ 输 出各 1 6 路 ， 模拟量输入 4 路 ；当通讯距离达到 1 0 0 0 m以上时 ，可在就近从站安装 A J 6 5 S B T - R P T 通讯中继器 ， 以提高通讯效果。 3 软件设计 系统程序软件按照开发平台的不 同进行分类 ，可分为 上位机 、 主从站及下位机 3 个部分。 上位机程序采用组态王 软件编制 ， 主从站程序通过 M E L S O F T系列 G P P W开发软件 ， 采用 P L C 梯形图语言编程 ， 下位机程序则由 G T W o r k s开发 软件编制。 主从站程序对于用户来说是透明的， 相当于硬件 的驱动程序 ，而呈现在用户面前的是上位机和下位机 的界 面 。 系统程序软件的编制关键在于 主顶与中继环的联动、 各类动作 的联锁保护、 配套设备的联动、 监测数据 的预警和 故障检测报警等。这些在传统的继 电器控制系统和人工操 作 中是很难做到的， 而本系统则很好地将之实现了 ， 并且还 充分考虑到设备的故障误动作以及人工误操作的各种可能 性，对应设计了各类动作的联锁保护和设备的故障自我检 测机制， 同时 ， 还对一些重要数据的变化范围进行 了限位保 护 ， 以避免各子系统故障隐患的发生， 从而保证设备的安全 稳定和施工的高工效 图 3 。 图 3 系统逻辑框 3 ． 1 上 位机 程序 上位机程序通过组态王开发 ，组态王软件是集控制技 术、 网络技术、 人机 界面技术 、 数据库技术 、 图形技术于～ 体 ， 包含动态显示、 报警、 控件、 趋势、 报表等组件 ， 具有灵活 易用的向导式报表功能、强大的脚本语言处理能力以及丰 富的设备支持库等特点。用组态王软件开发的应用程序是 以图形界面为基础的， 可以用 4个画面来涵盖 ， 分别是初始 画面、 手动 画面、 自动 画面和设置画面 ； 另外 ， 还可以查阅历 史数据及} T E P 实时或历史报表 ， 可供技术人员分析总结 ， 从 而改善施工工艺。 上位机是系统和 用户之 间进行交互和信息 交换 的媒 介 ， 只是起到人机交互的功能。 因此我们可以直接通过它发 出开关指令、 接收状态反馈信号、 调节参数设置和读取实时 数据信息等信息 ，其具体功能的实现则 由 P L C 主从站完成 图 4 图 4上位机界面 3 ． 2 主从站程序 主站程序是系统的核心 ，负责协调各个从站以及本站 设备的运行与监控 ，并通过开关量和模拟量的输入输 出来 实现 。 系统发出开关指令控制设备启停 ， 然后设备反馈一开 关信号至系统 ， 以检测设备的运行正常与否 ； 系统还要采集 所有传感器模拟量数据 ，并通过改变模拟量输 出以调整变 频器频率， 以满足施工要求。 主从站程序主要由以下 5个模 块组成 ， 以实现系统的功能 目标。 3 ． 2 ． 1 工具 头监控 模 块 其可控制整个顶管机工具头的各种动作 ， 也可监视整 个顶管机系统的运行状况。 3 ． 2 ． 2 主顶 及 中继 环联动 控 制模 块 其根据控制要求和操作 指令手动或 自动控制 中继环 工作。自动控制时采用 M 项 N M ， N 0 i M N 的控制模式 ， 此模式的优点是可 以实现任意环组合与主顶的联动控制 ， 避免了倒退现象的发生 ， 从而更加实用可靠 ， 更能满足对顶 管控 制的实际需求 ， 并提高 了自动控制的适用范围和性能。 3 ． 2 ． 3 配套设备 控 制模 块 配套设备包含进水接 力泵 、 排泥接 力泵 、 压浆泵和送 浆泵等管内设备 ， 以及引水泵、 高压泵、 泥浆泵等地面设备， 不管进排泥接力泵安装在管道内什么位置 ，都可以由就 近 从站加以控制。 3 ． 2 ． 4 数据预警故障报警模块 它对重要的运行数据的变化范围进行监控 ，超限时进 行预警提示 ； 实时监测主站与从站的通讯状态 ， 以及所有相 关设备的运行情况，一旦发生故障立刻进行相应的故障处 理并发出报警指令。 3 ． 2 ． 5 变频 调速 模 块 根据施工实际需要 ， 其对于后座油泵车、 高压泵 、 出土 螺旋机等采取变频技术，通过改变频率来调节速度 ，实现 P I D 控制 ， 以维持挖掘面土体 的压力平衡。 3 ． 3 下位机程序 下位机是整个项管机工具头的人机界面，可监视整个 顶管机系统的运行状况，也可配合工具头控制面板操作控 制整个顶管机工具头的各种动作 。 它和上位机一样 ， 也是以 图形界面为基础 ， 分为主画面、 设置画面和报警画面。主画 面显示所有 1 6 路传感器的实时数据值 ， 以及各类 电机或泵 的工作状态 ， 还有主站传送过来的部分联络信号 ； 设置 画面 对一些重要数据的变化范围设置限位 ， 以起到预警作用； 当 系统发生故障时会有声光报警 ，并在报警画面可以查到具 体的故障原因， 供施工人员快速排障 图 5 。 图 5下位 机界 面 4 结语 以往的控制系统仅局限于控制中继环或工具头 ，功能 比较单一， 其控制有效距离也仅限于 1 0 0 0 m之内， 而如今 顶管自动化控制系统不仅控制的中继环多 ， 距离更长 ， 而且 还集中控制诸多配套设备 ，另外可以对顶管工具头所有动 作进行远程监控 ，这样实现 了顶管全套设备的 自动化全程 集中控制。 项管 自动化控制系统在顶管施工中的应用 日益广泛 ， 不仅提高了设备稳定性和可靠性 ， 更提高 了施工效率， 而且 为施工提供了现代化的技术手段和科学的管理方法 ，便于 技术人员全面、 及时、 准确地掌握各项技术数据 ， 更是保质、 保量地完成各项顶管工程的重要保障。 建筑施工 第 3 4 卷 第 4 期f 3 4 5