(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，成都，610081)

1 前言

目前，國(guó)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(duì)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(hào)線工程地鐵盾構(gòu)管片施工為例，介紹盾構(gòu)管片自動(dòng)化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

成都軌道交通18號(hào)線是國(guó)內(nèi)運(yùn)行速度最快的地鐵線路，設(shè)計(jì)最高時(shí)速為140km/h，也是目前國(guó)內(nèi)在建的最長(zhǎng)城市軌道交通(地鐵)線路，總長(zhǎng)度為67.93km。該線為成都地鐵首次采用大直徑盾構(gòu)進(jìn)行隧道掘進(jìn)，在高富水砂卵石地層采用大直徑盾構(gòu)在國(guó)內(nèi)外也屬首次。該工程盾構(gòu)管片采用錯(cuò)縫拼裝的方式，管片混凝土強(qiáng)度為C50，抗?jié)B等級(jí)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(jì)。該工程盾構(gòu)管片需求總量為31231環(huán)，月高峰需求強(qiáng)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(hào)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(yàn)可借鑒；同時(shí)，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(zhǎng)±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(duì)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(dòng)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(jìn)而影響到整個(gè)地鐵建設(shè)工程的進(jìn)度、使用壽命、后期維修等全過程。而盾構(gòu)管片生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(dòng)化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，對(duì)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(guó)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(hào)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(dòng)化流水線，投入模具12套，流水線設(shè)計(jì)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(yùn)行。

2.1 生產(chǎn)線組成

主要由混凝土澆搗系統(tǒng)(振動(dòng)室)、作業(yè)線、蒸養(yǎng)線、牽引和頂推系統(tǒng)、進(jìn)模車、出模車、流水線軌道、養(yǎng)護(hù)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(dòng)室、托舉臺(tái)、混凝土運(yùn)輸料斗、液壓鎖緊機(jī)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(shí)現(xiàn)流轉(zhuǎn)。牽引和頂推系統(tǒng)主要以液壓油缸為動(dòng)力源，采用桿式傳動(dòng)方式，傳動(dòng)桿間隔一個(gè)模具距離設(shè)置有模具掛鉤，以實(shí)現(xiàn)固定模具位置并牽引和頂推模具的作用。

2.1.3 進(jìn)、出模小車

進(jìn)模車和出模車具有頂推、牽引模具的作用，以將模具從進(jìn)、出模車移動(dòng)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(jìn)、出模車；同時(shí)，進(jìn)、出模車具備橫向移動(dòng)功能，實(shí)現(xiàn)模具自由移動(dòng)至對(duì)應(yīng)的蒸養(yǎng)線(作業(yè)線)。

2.1.4 養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)

本工程蒸養(yǎng)線為通窯式養(yǎng)護(hù)線，養(yǎng)護(hù)窯通過設(shè)置窯門和隔墻，實(shí)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(hù)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(dòng)閥門的閉合，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(yùn)行原理

該盾構(gòu)管片自動(dòng)化生產(chǎn)線動(dòng)作原理為進(jìn)、出?？拥赖倪M(jìn)、出模小車可在養(yǎng)護(hù)線和作業(yè)線之間自由流轉(zhuǎn)。管片澆筑振動(dòng)完成后，作業(yè)線模具開始頂推模具至進(jìn)模車，出模車同時(shí)將模具頂推進(jìn)入作業(yè)線脫模工位。兩側(cè)蒸養(yǎng)窯門開啟后，進(jìn)模小車將一個(gè)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?？拥肋M(jìn)出模小車；出?？拥莱瞿Ｐ≤囘\(yùn)行到澆注線采用牽引系統(tǒng)將模具牽引至澆筑線，同時(shí)將澆筑完成的模具牽引至進(jìn)?？拥肋M(jìn)出模小車，進(jìn)出模小車再交替運(yùn)行到蒸養(yǎng)線將模具推入蒸養(yǎng)窯；以此類推，實(shí)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(jì)

3.1 控制系統(tǒng)架構(gòu)

PLC控制系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)尤為重要。通過工程實(shí)踐和分析，盾構(gòu)管片自動(dòng)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(duì)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(shí)系統(tǒng)需要監(jiān)測(cè)和分析管片產(chǎn)量、流水節(jié)拍、蒸養(yǎng)溫度、振動(dòng)時(shí)間、故障診斷等數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)多，要求PLC硬件應(yīng)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和通訊能力。本文依托的中國(guó)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(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)架構(gòu)見圖2。

圖2 控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2 控制系統(tǒng)硬件組成

整個(gè)控制系統(tǒng)由上位機(jī)、中央控制柜(下位機(jī)PLC)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、流水線控制箱、進(jìn)模車控制箱、出模車控制箱、振動(dòng)臺(tái)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(hào)檢測(cè)設(shè)備組成?？刂葡到y(tǒng)各現(xiàn)場(chǎng)控制箱具備“手動(dòng)”和“自動(dòng)”兩種方式，其中“手動(dòng)”方式主要用于設(shè)備檢修、故障處理和緊急情況的單機(jī)單點(diǎn)功能控制。

(1)上位機(jī)對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)出模車、牽引頂推油缸、振動(dòng)臺(tái)等設(shè)備運(yùn)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(hào)和數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

(2)下位機(jī)PLC(中央控制柜)主要對(duì)生產(chǎn)線各設(shè)備信號(hào)進(jìn)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(jìn)行執(zhí)行，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的自動(dòng)化運(yùn)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(jī)并排設(shè)置，通過安裝在生產(chǎn)線各個(gè)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(hù)線液壓牽引頂推機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)模具在作業(yè)線(養(yǎng)護(hù)線)上的自動(dòng)/手動(dòng)移動(dòng)，并將各機(jī)構(gòu)限位開關(guān)、傳感器信號(hào)集中采集傳輸給下位機(jī)PLC。進(jìn)(出)模車控制箱主要實(shí)現(xiàn)進(jìn)(出)模車在蒸養(yǎng)線和養(yǎng)護(hù)線之間的橫向移動(dòng)，以及模具在養(yǎng)護(hù)線(作業(yè)線)與進(jìn)(出)模車之間的位置轉(zhuǎn)換等功能，同時(shí)實(shí)時(shí)采集進(jìn)(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(hào)，傳輸給中央控制柜中PLC進(jìn)行處理。

(5)振動(dòng)臺(tái)控制箱主要實(shí)現(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)方式結(jié)合，程序化控制附著式振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)“弱振”排氣泡和“強(qiáng)振”促密實(shí)的功能，同時(shí)該控制箱對(duì)振動(dòng)臺(tái)的頂升/下降、鎖緊/解鎖機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，確保振動(dòng)過程中的安全可靠，控制箱同樣具備采集和傳輸振動(dòng)頻率、振動(dòng)時(shí)間、生產(chǎn)節(jié)拍、位置傳感器等數(shù)據(jù)和信號(hào)的功能。

(6)蒸養(yǎng)過程分為靜養(yǎng)、升溫、恒溫、降溫四個(gè)階段，蒸養(yǎng)窯內(nèi)采用自動(dòng)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(cè)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(gè)區(qū)間的蒸氣通氣量，達(dá)到控制管片蒸養(yǎng)溫度的目的。

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 上位機(jī)設(shè)計(jì)

上位機(jī)采用國(guó)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(jī)與下位機(jī)西門子SIEMENS S7-300 PLC連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。通過人機(jī)交互方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集、故障診斷報(bào)警和報(bào)表統(tǒng)計(jì)打印等功能，同時(shí)，上位機(jī)能夠靈活設(shè)置生產(chǎn)模式、蒸養(yǎng)時(shí)間、溫度、振動(dòng)時(shí)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(jī)界面設(shè)計(jì)了4個(gè)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(bào)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(shí)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(gè)級(jí)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(jī)等按鈕，方便用戶進(jìn)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(hù)線、進(jìn)模車、作業(yè)線、隔振臺(tái)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(shí)，該界面具備顯示各養(yǎng)護(hù)線溫度數(shù)據(jù)、產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)和故障診斷報(bào)警功能；

(3)參數(shù)設(shè)置和反饋界面主要實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)和蒸養(yǎng)過程參數(shù)和趨勢(shì)的實(shí)時(shí)反饋，該界面可根據(jù)生產(chǎn)工藝需要設(shè)置振動(dòng)臺(tái)鎖緊時(shí)間、強(qiáng)(弱)振時(shí)間、作業(yè)線油缸慢縮時(shí)間等參數(shù)，以達(dá)到控制節(jié)拍時(shí)間，提高生產(chǎn)效率和管片澆筑振搗質(zhì)量的目的。同時(shí)該畫面實(shí)時(shí)顯示各蒸養(yǎng)區(qū)域溫度，并記錄和演示溫度變化趨勢(shì)圖；

(4)報(bào)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(jī)設(shè)置、導(dǎo)出Excel報(bào)表等按鈕，以滿足用戶對(duì)管片蒸養(yǎng)過程數(shù)據(jù)的全過程溯源，并進(jìn)行記錄、查詢和歸檔。

4.2 下位機(jī)設(shè)計(jì)

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

下位機(jī)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(hù)線控制程序、FC2振動(dòng)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(duì)象組成。系統(tǒng)編程完成后采用PLCSIM V5.4 SP5軟件對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)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(dòng)化生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，能按生產(chǎn)需要及時(shí)調(diào)整和優(yōu)化工藝參數(shù)，且故障處理和維護(hù)能及時(shí)響應(yīng)；同時(shí)在具備狀態(tài)監(jiān)控、生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集、故障診斷報(bào)警和報(bào)表統(tǒng)計(jì)打印等功能的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)模式、蒸養(yǎng)時(shí)間、溫度、振動(dòng)時(shí)間等參數(shù)設(shè)置功能，可根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整流水節(jié)拍，實(shí)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(jì)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(dòng)作用，且為盾構(gòu)管片生產(chǎn)線在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、優(yōu)化等方面提供重要參考和借鑒。