趙 炯，王 偉，鄭 晟，侯曉夢，唐 強(qiáng)

ZHAO Jiong, WANG Wei, ZHENG Sheng, HOU Xiao-meng, TANG Qiang

（同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械電子工程研究所，上海 201804）

盾構(gòu)關(guān)鍵部件在線監(jiān)測與遠(yuǎn)程診斷技術(shù)研究

Study of on-line monitoring and remote diagnosis techinique of the key components of shield machine

趙 炯，王 偉，鄭 晟，侯曉夢，唐 強(qiáng)

ZHAO Jiong, WANG Wei, ZHENG Sheng, HOU Xiao-meng, TANG Qiang

（同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械電子工程研究所，上海 201804）

為了提高盾構(gòu)的使用效率，提出了一種對于盾構(gòu)關(guān)鍵部件的在線監(jiān)測與遠(yuǎn)程診斷技術(shù)，并且詳細(xì)闡述了其總體設(shè)計方案以及有關(guān)液壓油溫雜質(zhì)、軸承故障等幾個子系統(tǒng)的具體設(shè)計內(nèi)容。

盾構(gòu)；在線監(jiān)測；遠(yuǎn)程診斷

0 引言

盾構(gòu)機(jī)是一種挖掘隧道的專用機(jī)電液一體化設(shè)備。在盾構(gòu)施工過程中，由于施工環(huán)境惡劣，加上其本身結(jié)構(gòu)龐大和高度集成，使設(shè)備在機(jī)械、液壓和電氣方面出現(xiàn)故障的頻率較高，且對這些故障進(jìn)行排除存在一定的困難。

現(xiàn)在故障排除手段仍主要依賴于人工檢修，故障及時修復(fù)率較低。隨著當(dāng)前城市軌道交通和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)速度的加快，盾構(gòu)施工往往呈現(xiàn)點多面廣的特點，發(fā)生故障后維修人員難以及時到達(dá)現(xiàn)場，而且各施工隊伍相關(guān)設(shè)備及維修技術(shù)力量參差不齊，給盾構(gòu)的檢修帶來很大困難。因此對于盾構(gòu)關(guān)鍵部件在線檢測和遠(yuǎn)程智能診斷技術(shù)的研究有強(qiáng)烈的現(xiàn)實意義。

本文提出了一種對于盾構(gòu)關(guān)鍵部件在線監(jiān)測與遠(yuǎn)程診斷的技術(shù)，通過對盾構(gòu)的關(guān)鍵和易發(fā)生故障部位的監(jiān)控，可以及時了解設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，提防技術(shù)人員誤操作，減小施工風(fēng)險，并且能夠通過智能專家系統(tǒng)檢索查詢故障原因和相應(yīng)的解決方法。

1 系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對施工中的盾構(gòu)關(guān)鍵部件的在線監(jiān)測與遠(yuǎn)程診斷，相當(dāng)于給盾構(gòu)機(jī)裝上一個千里眼，所實現(xiàn)的功能如下：

人機(jī)交互，機(jī)器通過顯示設(shè)備LED顯示屏給工作人員提供各種信息，工作人員通過輸入設(shè)備鍵盤或觸摸屏給機(jī)器輸入有關(guān)命令，實現(xiàn)人與機(jī)器的有效對話。

顯示，將盾構(gòu)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)和各種參數(shù)以某種形式實時、動態(tài)地顯示在屏幕上。

更新，用各種最新數(shù)據(jù)實時更新系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫。

診斷報警，通過對數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測和分析，可以及早地發(fā)現(xiàn)隱患和報警。

檢索查詢，借助長年的數(shù)據(jù)積累以及專家智能系統(tǒng)可以檢索查詢故障原因與維修方法。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

在線監(jiān)測和遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)通過對盾構(gòu)的關(guān)鍵部件的實時在線監(jiān)測和遠(yuǎn)程監(jiān)控，能夠及時獲取設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)，了解設(shè)備關(guān)鍵零部件的使用情況。本系統(tǒng)旨在將企業(yè)內(nèi)，甚至行業(yè)內(nèi)的專家資源整合起來，對盾構(gòu)的維修和日常問題的解決提供專家級的經(jīng)驗和指導(dǎo)，并提供專家技能目錄，員工遇到解決不了的技術(shù)問題，可以自己從系統(tǒng)中找到解決方案。這樣能夠大大提高員工解決問題的能力和企業(yè)的生產(chǎn)效率，并充分利用已有的經(jīng)驗、知識和技能，解決目前盾構(gòu)施工中存在的現(xiàn)場維修能力差、故障解決周期長、直接影響施工進(jìn)度的現(xiàn)實問題。系統(tǒng)整體設(shè)計如下圖1所示：

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計示意圖

由圖1可知，系統(tǒng)分為兩大部分，即機(jī)載監(jiān)控中心和遠(yuǎn)程監(jiān)控與診斷中心。機(jī)載監(jiān)控中心是由盾構(gòu)機(jī)以及其上的嵌入式機(jī)載監(jiān)控子系統(tǒng)組成。遠(yuǎn)程監(jiān)控與診斷中心的主要功能是監(jiān)控、預(yù)警、遠(yuǎn)程故障診斷等。本地機(jī)載和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心之間的通信可以采用光纖通信、無線電波通信和衛(wèi)星通信等方式。

盾構(gòu)機(jī)是由刀盤系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、螺旋機(jī)系統(tǒng)和注漿系統(tǒng)等組成的復(fù)雜機(jī)、電、液設(shè)備，擁有上萬個零部件。根據(jù)對上海盾構(gòu)公司近20年故障歷史記錄的分析，并綜合考慮盾構(gòu)中各部件對盾構(gòu)施工影響的重要程度和維護(hù)成本，項目第一期選取刀盤驅(qū)動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)作為研究對象，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和在線監(jiān)測。

刀盤驅(qū)動系統(tǒng)檢測關(guān)鍵部件包括主軸承、減速箱和主電機(jī)。作為盾構(gòu)機(jī)核心部件之一的主軸承起著支撐盾構(gòu)刀盤并使其回轉(zhuǎn)切削土層的作用。其運(yùn)行狀態(tài)直接影響盾構(gòu)的施工，一旦因故障停機(jī)，將影響施工進(jìn)度，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的后果。造成主軸承損壞大多是人為引起，而不是零件已經(jīng)達(dá)到使用壽命。而且主軸承在特別工況下出現(xiàn)早期失效的情況居多，這些特別工況包括：潮濕環(huán)境；泥沙進(jìn)入軸承，加速了零件磨損；潤滑油系統(tǒng)污染；側(cè)載，造成軸承局部超載問題；銹蝕發(fā)展。另外由于主軸承轉(zhuǎn)速低，低于1.0r/min，且受載小，因此分析軸承故障的現(xiàn)象時也要考慮潤滑油是否進(jìn)水、進(jìn)沙等判斷主軸承是否發(fā)生特別工況，以進(jìn)行早期的預(yù)防。本系統(tǒng)監(jiān)測主軸承運(yùn)行狀態(tài)的振動參數(shù)，擬在主軸承水平、垂直和軸向三個方向上安裝專業(yè)的低頻加速度傳感器，采用加速度包絡(luò)算法提取特征參數(shù)，由上位機(jī)屏幕顯示軸承的振動頻譜圖，分析主軸承的趨勢走向并判斷是否出現(xiàn)故障。減速箱實現(xiàn)以一定的傳動比來傳遞電機(jī)的輸出扭矩，其常見故障為減速箱有異常聲音和異常溫升，這些均能引起異常振動。盾構(gòu)刀盤的轉(zhuǎn)動動力是由刀盤驅(qū)動液壓回路提供，主驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動主油泵為液壓馬達(dá)供油，一般盾構(gòu)機(jī)上主電機(jī)有7對，共14臺，因此主電機(jī)損壞將影響盾構(gòu)施工進(jìn)程。

根據(jù)盾構(gòu)歷史故障記錄顯示，電控系統(tǒng)故障超過95%以上均與傳感器故障有關(guān)?，F(xiàn)有盾構(gòu)機(jī)安裝有約300個傳感器，由PLC控制系統(tǒng)控制操作，故障形式有兩種情況：一是傳感器已經(jīng)損壞，無法讀數(shù)，或者傳感器顯示的數(shù)值基本不變；二是由于各種原因，比如老化、惡劣環(huán)境下使用，使傳感器傳遞數(shù)值偏離正常范圍，出現(xiàn)較大誤差，無法作為參考值。針對這兩種故障形式，擬建立傳感器正常運(yùn)行時數(shù)值顯示范圍的藍(lán)本作為對照，編寫程序以查詢方式檢查各傳感器傳輸數(shù)值是否跟藍(lán)本有出入，考慮到干擾因素，規(guī)定有出入的次數(shù)作為程序判斷該傳感器出故障的條件。

盾構(gòu)作為大型工程機(jī)械設(shè)備，它的刀盤系統(tǒng)、仿形刀系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)等都采用液壓傳動的形式，如盾構(gòu)的向前移動需要依靠盾中的推進(jìn)液壓缸來實現(xiàn)，推進(jìn)系統(tǒng)既要滿足盾構(gòu)推進(jìn)力的要求，又要完成盾構(gòu)推進(jìn)速度、方位的控制。所以液壓系統(tǒng)是盾構(gòu)檢測系統(tǒng)重點監(jiān)測部分。根據(jù)盾構(gòu)使用的歷史故障記錄顯示，液壓系統(tǒng)常見的故障有：液壓系統(tǒng)漏油，泵故障，油馬達(dá)故障，各種閥（如換向閥、溢流閥、單向閥等）故障。

由前面的說明分析可知，本系統(tǒng)異常復(fù)雜，涉及機(jī)械、電工電子、數(shù)據(jù)庫、通信等領(lǐng)域，因此有必要將復(fù)雜的系統(tǒng)細(xì)化，進(jìn)行模塊化處理，以提高系統(tǒng)的可實現(xiàn)性與使用的靈活性。系統(tǒng)的模塊化設(shè)計框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)模塊化設(shè)計框圖

系統(tǒng)各模塊主要分成硬件部分和軟件部分。硬件部分主要包括設(shè)備狀態(tài)檢測模塊設(shè)計、控制器及外圍電路模塊設(shè)計；軟件部分主要包括故障特征采集、傳輸、提取及保存的程序編制，各項功能數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建，智能診斷程序編制，人機(jī)界面程序編制等。

3 機(jī)載子系統(tǒng)設(shè)計

圖1中每臺盾構(gòu)機(jī)上機(jī)載監(jiān)控子系統(tǒng)的功能按層次主要由四部分組成，如圖3所示，其中需要解決的關(guān)鍵問題從底層到上層分別是：實時數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)采集接口與驅(qū)動程序的設(shè)計、數(shù)據(jù)庫設(shè)計和查詢預(yù)測算法的確定。

圖3 機(jī)載監(jiān)控與故障診斷子系統(tǒng)組成框圖

下面以盾構(gòu)的液壓系統(tǒng)為例，具體說明一下此系統(tǒng)的設(shè)計過程。由于盾構(gòu)機(jī)械作為世界上先進(jìn)的大型施工設(shè)備，本身具有一定的檢測功能，如液壓系統(tǒng)的壓力和流量檢測。因此，我們主要解決液壓油污染度和油溫檢測問題。

3.1 數(shù)據(jù)采集和傳輸

盾構(gòu)施工中惡劣的工作環(huán)境條件使得其液壓系統(tǒng)極易被污染，調(diào)查顯示，液壓系統(tǒng)中75%左右的故障是由油液污染引起的。盾構(gòu)機(jī)液壓油污染主要由泥土或金屬顆粒物引起?，F(xiàn)階段油液污染度檢測的主要手段有鐵譜法、光譜法、稱重法、顯微鏡比較法、顆粒計數(shù)法等。其中前4種方法其設(shè)備都是人工取樣的離線檢測，雖然準(zhǔn)確度比較高，但成本高、周期長且受人為因素和環(huán)境因素的影響大。顆粒計數(shù)法雖然能夠?qū)崿F(xiàn)在線測量，但多數(shù)的顆粒計數(shù)器還是出自像美國HIAC這樣的國外品牌，價格昂貴。由于盾構(gòu)機(jī)械上有眾多的液壓系統(tǒng)和液壓元件，考慮到技術(shù)經(jīng)濟(jì)性、應(yīng)用前景及推廣價值等方面，采用自動顆粒計數(shù)監(jiān)測儀較昂貴，而且完全消除油液中顆粒是不可能的。根據(jù)Beer—Lambert吸收定律，本系統(tǒng)采用一種遮光式液壓系統(tǒng)污染度在線監(jiān)測設(shè)計方案。監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理如下所述。

當(dāng)光照射到油液及固體顆粒污染物組成的懸浮液時，將出現(xiàn)夫瑯和費(fèi)衍射現(xiàn)象。光的一部分能量被吸收，另一部分發(fā)生散射，其余的則穿過懸浮液體，這三部分的比例與懸浮液中固體顆粒污染物的濃度有關(guān)。當(dāng)一束光強(qiáng)為I0的平行單色光入射到污染油液中時，受到顆粒散射和吸收的影響，經(jīng)過L距離后光強(qiáng)將衰減為I，入射光強(qiáng)I0和透射光強(qiáng)1之間遵守Beer—Lambert吸收定律：

I=I0e-τL

式中τ為衰減系數(shù)，與污染物的直徑、尺寸分布、光源的波長、油液的相對折射率及被測油池管壁材料和溫度有關(guān)。若已知光源強(qiáng)度與測得的衰減后的光強(qiáng)，就可以求得入射光通過被測油液的相對衰減率，而相對衰減率的大小能反應(yīng)油液的污染程度。監(jiān)測系統(tǒng)光電傳感器工作原理如圖4所示。

圖4 光電傳感器工作原理

當(dāng)入射光波長及光強(qiáng) 確定后，接收光強(qiáng) 與油液的污染度有關(guān)，用光電轉(zhuǎn)換元件將 轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘柌⒓右蕴幚?，便可以得出油液的污染度。在系統(tǒng)調(diào)定后，隨著工作油液污染度的增加，其飽和透光率越來越小，一定的電壓值范圍將對應(yīng)某一污染度范圍。對各種污染度等級的標(biāo)準(zhǔn)液壓油分別進(jìn)行試驗，可得出液壓油污染度與飽和透光率對應(yīng)關(guān)系。

監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖5所示（實線表示液壓油路，虛線表示信號電路），將監(jiān)測裝置并聯(lián)在泵站及壓力控制回路中泵的出口。為了控制通過監(jiān)測裝置的油液的流速和流量，在裝置的入口串入了調(diào)速閥，確保通過監(jiān)測裝置的油液流動處于層流狀態(tài)。選取常用牌號油液，然后按ISO4406標(biāo)準(zhǔn)配制各污染度等級的標(biāo)準(zhǔn)油樣，對各污染度等級懸浮液在室溫下進(jìn)行光電傳感試驗，得出油液透光率與污染度等級的關(guān)系曲線，從而確定油液污染度等級與智能光電傳感器輸出電壓的關(guān)系，把此關(guān)系固化在系統(tǒng)ROM中。當(dāng)液壓系統(tǒng)運(yùn)行時，泵排出的油液一部分通過監(jiān)測系統(tǒng)，當(dāng)油液污染度發(fā)生變化時，智能光電傳感器的輸出也隨之變化。采樣某時刻智能光電傳感器的輸出，送入微處理器經(jīng)過數(shù)字濾波后通過查表便可確定油液的污染度等級，并通過LED顯示。此外當(dāng)油液污染度接近允許的最大值時，系統(tǒng)將會發(fā)出報警信號，提醒操作人員停機(jī)待修或進(jìn)行其它相關(guān)處理。鍵盤用來選擇油液品種、系統(tǒng)初始化等。

圖5 監(jiān)測系統(tǒng)組成框圖

在液壓系統(tǒng)中，輸入功率往往要大于輸出功率，從能量守恒定律角度推算，損失的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃?，被油液和液壓元器件吸收，從而?dǎo)致油溫上升。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)記錄，液壓系統(tǒng)油溫一般不超過55℃，當(dāng)超過60℃時會影響液壓油品質(zhì)和機(jī)器的正常使用，另外由于盾構(gòu)機(jī)油溫上限聯(lián)鎖，當(dāng)油溫升高到設(shè)定的極限時，將會迫使盾構(gòu)機(jī)停止工作等待油溫下降，影響了工程掘進(jìn)進(jìn)度，因此液壓油油溫檢測也是非常有必要。本系統(tǒng)擬設(shè)計一種油溫自動監(jiān)控系統(tǒng)，確保液壓傳動系統(tǒng)在正常溫度范圍內(nèi)工作，如圖6所示。

圖6 油溫自動監(jiān)控原理

在液壓油循環(huán)冷卻散熱裝置前，安裝2個自動電控油閥A閥、B閥，油溫傳感器在線監(jiān)測油溫，此傳感器安裝在油路中，直接檢測液壓油的實際溫度，并將溫度反饋給CPU智能處理單元，CPU智能處理單元將檢測到的實際溫度與設(shè)定溫度（即理論設(shè)計溫度）進(jìn)行比較，再相應(yīng)調(diào)整A、B、C閥的開度，當(dāng)油溫正常時，B閥工作，A閥關(guān)閉；當(dāng)油溫較高時，適當(dāng)開啟A閥，B閥適當(dāng)關(guān)閉，設(shè)計時注意A閥、B閥的開啟與關(guān)閉時，流量Q保持平衡，防止液壓系統(tǒng)產(chǎn)生背壓。當(dāng)系統(tǒng)油溫高時，A閥全開啟，B閥關(guān)閉。如果油液循環(huán)全部經(jīng)散熱裝置，油液溫度還是高時，開大C閥或C閥全開，加大冷卻介質(zhì)循環(huán)流量，以保證正常油液工作溫度。A閥，B閥，C閥的開啟程度通過CPU智能處理單元控制，智能單元的命令的發(fā)出，來自溫度傳感器監(jiān)測溫度的高低，通過智能神經(jīng)系統(tǒng)單元對比處理，實現(xiàn)動態(tài)熱平衡溫度即系統(tǒng)正常工作溫度。

3.2 數(shù)據(jù)接口驅(qū)動

圖7 故障樹示例

針對相應(yīng)關(guān)鍵部件設(shè)計相關(guān)傳感器檢測電路，設(shè)計數(shù)據(jù)I/O接口電路，并編制通用程序，實現(xiàn)對檢測特征量采集、處理和存儲等操作，以總線方式將采集數(shù)據(jù)存入上層數(shù)據(jù)庫中。

3.3 中心數(shù)據(jù)庫

實時存儲盾構(gòu)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)特征信息，中心數(shù)據(jù)庫包括專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫、預(yù)警上下閾值數(shù)據(jù)庫、設(shè)備數(shù)據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，同時實現(xiàn)與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫同步更新。以及與盾構(gòu)現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫如探地雷達(dá)數(shù)據(jù)庫等相互融合和調(diào)用。

3.4 查詢、預(yù)測及顯示

本系統(tǒng)能在設(shè)備發(fā)生故障或?qū)⒁l(fā)生故障時進(jìn)行預(yù)警。另外用戶可以隨時查詢本機(jī)狀態(tài)、預(yù)警等信息。程序可以根據(jù)用戶提供的故障現(xiàn)象，根據(jù)故障樹分析法給出每層原因即中間事件，用戶可以依據(jù)這些中間事件，層層檢索直至找到底事件即故障的原因，并且程序也可以根據(jù)用戶需要顯示底事件的專家解決辦法。

應(yīng)用故障樹分析方法（Fault Tree Analysis簡稱FTA）對故障診斷系統(tǒng)整體架構(gòu)進(jìn)行分析，并按照現(xiàn)象～故障～結(jié)構(gòu)的順序依次確定盾構(gòu)故障的物理位置，生成故障樹，示例如圖7所示。

4 遠(yuǎn)程監(jiān)控與診斷中心設(shè)計

通過有效通信手段，遠(yuǎn)程監(jiān)控與診斷中心能夠有選擇地實時收集遠(yuǎn)程各臺施工中的盾構(gòu)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，分析和確定各臺設(shè)備的當(dāng)前工作狀況。當(dāng)現(xiàn)場設(shè)備發(fā)生故障或故障征兆，現(xiàn)場的維護(hù)人員難以對其作出診斷和維修時，通過網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)端故障診斷中心建立連接，由遠(yuǎn)端診斷中心的設(shè)備專家和診斷系統(tǒng)對其進(jìn)行診斷，在短時間內(nèi)調(diào)動入網(wǎng)的所有資源，實現(xiàn)對設(shè)備故障的及時診斷與維修。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的軟件系統(tǒng)還提供盾構(gòu)機(jī)工作狀況統(tǒng)計功能和詳細(xì)的查詢功能，并能根據(jù)所收集到的數(shù)據(jù)，利用智能庫信息預(yù)計指定盾構(gòu)設(shè)備中所檢測關(guān)鍵部件的使用壽命，在適當(dāng)時間給出預(yù)警信息。

5 結(jié)束語

本文從一個具體項目出發(fā)，闡述了盾構(gòu)機(jī)關(guān)鍵部件在線監(jiān)測與遠(yuǎn)程診斷技術(shù)的總體研究設(shè)計。涉及到的關(guān)鍵技術(shù)有：系統(tǒng)模塊化設(shè)計、狀態(tài)信息的有效獲取、盾構(gòu)施工在線監(jiān)測及遠(yuǎn)程診斷數(shù)據(jù)庫管理、盾構(gòu)施工故障智能診斷、盾構(gòu)性能預(yù)測技術(shù)研究等。技術(shù)開發(fā)上，對于多傳感器系統(tǒng)同步、數(shù)據(jù)接口及驅(qū)動程序編制、數(shù)據(jù)庫設(shè)計等方面需要處理的問題，開發(fā)出設(shè)備狀態(tài)實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)維護(hù)系統(tǒng)。預(yù)期的研究成果具有提高經(jīng)濟(jì)效益的作用和推廣應(yīng)用價值。

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TP273

A

1009-0134(2010)12(上)-0001-05

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.12(上).01

2010-06-17

趙炯（1963 -），男，江蘇蘇州人，副教授，博士，研究方向為計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和物流自動化控制系統(tǒng)等。