（机械电子工程专业论文）基于can总线盾构控制系统的研究.pdf

摘要 摘要 随着地下轨道交通的发展，盾构机将更加广泛地应用于各类隧道建设工程 中。其中，盾构机的控制系统是影响施工质量关键的因素之一，直接影响了整 个隧道是否能满足当初工程的设计要求和实际需要，进而是否达到施工监控部 门质量标准。 为了加快盾构机的国有化的进程，本文从研究原有控制系统出发，大胆的 提出在盾构机控制系统中采用单片机+ c a n 总线的方式。这种方式不仅克服了原 有控制系统的p l c + c c - - l i n k 的主从模式，而且节约了很大的成本，不需花费 很大的财力来购买国外的产权。根据盾构机的施工特点，本文提出了一套可供 参考的设计方案，其重要研究内容如下： 首先，详细地给出盾构机控制系统的整体设计方案，包括通讯的传输方式 和主要智能节点。按照整体设计方案的要求，给出盾构机控制系统的硬件设计， 其中关键的智能节点( 智能控制器) 的设计。同时，为了实现上位机与c a n 智 能节点的通讯，选择了p c i 卡作为上位机与c a n 总线作为接口，并给出了其二 者进行通讯的实现方法。 其次，针对控制方案和控制要求，编写与硬件相匹配的软件。 再次，上位机选用“组态王”软件来监控整个旅工现场，并且用其编写入 机界面来进行实时监控各主要参数。为今后盾构施工提供有价值地数据参考， 使用s q l 数据库来保存历史和实时数据，同时，对“组态王”软件与数据s q l 进行通讯实验。 最后，对全文进行了简要的总结和进一步工作展望。 关键词：盾构机，c a n 总线，控制系统，组态王 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fr a i l w a yt r a f f i c ，s h i e l dm a c h i n ew i l lb eu s e di nv a r i e t y o ft u n n e lc o n s t r u c t i o np r o j e c t si nm a n yn a t i o n so ft h ew o r l d t h ec o n t r o ls y s t e mo f s h i e l dm a c h i n ei so n eo fs e v e r a lf a c t o r st h a tt h ew h o l ep r o j e c tc a nm e e tr e q i e r e m e n t s o fo r i g i n a ld e s i g n sa n dp r a t i c a ld e m a n d s ；a n dt h e na c c o r dw i t ht h eq u a l i t ys t a n d a r d s w h i c ha r ec o n s t i t u t e db yt h eq u a l i t yi n s p e c t i n gd e p a r t m e n t s i no r d e rt om a k et h ep r o g r e s so fl o c a l i z a t i o nf u rs h i e l dm c h i n em o r er a p i d ，t h i s p a p e rc o m e su pw i t ham o d eb o l d l yt h a ts i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e ra n dc a n b u s w i l lb eu s e di nc o n t r o ls y s t e mo fs h i e l dm a c h i n ef r o mo r i g i n a ls y s t e m t h i sm o d en o t o n l yo v e r c o m e ss h o r t c o m i n go fi t sm a i n s u b o r d i n a t em o d e ，b u ta l s os a v e ss oh i g l l c o s tt os p e n dm u c hm o n e yo nb u y i n gp r o p e r t yr i g h t s a c c o r d i n gt oi t sc o n s t r u c t i o n c h a r a c t e r , t h i sp a p e rp u t sf o r w a r das e to ff e a s i b l ep l a n , w h i c hi n c l u d e st h ef o l l o w i n g r e s e a r c b s f i r s t l y , t h ew h o l ed e s i g np l a ni sg i v e ni nd e t a i l s ，i n c l u d i n gt r a m s m i s s i o nm o d e o fc o m m u n i c a t i o na n dm a i ni n t e l l i g e n tn o d e s , t h e nt h eh a r d w a r ef u ri t sc o n t r o l s y s t e mi sd e s i g n e d , e s p e c i a l l yt h ek e yi n t e l l i g e n tc o n t r o l l e r a tt h es a n l et i m e ，p c i c a r di ss e l e c t e da n du s e da si n t e r f a c ef u rc o m m u n i c a t eb e t w e e np ca n dc a nb u s ，a n d t l l e i rc o m m u n i c a t i o nm o d ei si n t r o d u c e d s e c o n d l y , t h es o f e w a r ef u rc o n t r o ls y s t e mo fs h i e l dm a c h i n ei sc o m p l e t e dt o m a t c hi t sc o r r e s p o n d e n c eh a r d w a r ea c c o r d i n gt oc o n t r o lr e q u i r e m e n t sa n dp l a n s t h i r d l y , c o n f i g u r a t i o nk i n gi sc h o o s e d t om o n i t o rt h ew h o l ec o n s t r u c t i o ns p o ti n p ca o n dh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c ei sm a d et om o n i t o rm a i nr e a lp a r a m e t e r s s q l d a t a b a s ei su s e df u rs a v i n gh i s t o r i c a la n dr e a ld a t af u rr e f e r e n c ei nt h ef u t u r e ，a n d m e a n w i l et h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e e ns q ld a t a b a s ea n dc o n f i g u r a t i o nk i n gi sd o n e i nt h ee x p e r i m e n t f i n a l l y ，t h ep r o b l e m e sr e x t i r i n gf u r t h e rs t u d i e sa r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：s h i e l dm a c h i n e ，c a nb u s ，c o n t r o ls y s t e m ，c o n f i g u r a b l e 硒n g 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规 定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和 电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影 印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目 录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权 按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子 版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分 或全部内容用于学术活动。 学位论文储签名f j 彳 沙7 年乡月加日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名： 对城市的正常功能及周围环境的影响很小。除盾构竖井处需要一定的施 工场地以外，隧道沿线不需要施工场地，无需进行拆迁而对城市的商业、 交通、住居影响很小。可以在深部穿越地上建筑物、河流：在地下穿过 各种埋设物和已有隧道而不对其产生不良影响。施工一般不需要采取地 下水降水等措施，也无噪声、振动等施工污染。 盾构机是根据施工隧道的特点和地基情况进行设计、制造或改造的。盾 构机必须根据旌工隧道的断面大小、埋深条件、地基围岩的基本条件进 行设计、制造或改造，所以是适合于某一区间的专用设备。当将盾构机 转用于其它区段或其它隧道时，必须考虑断面大小、开挖面稳定机理、 围岩粒径大小等基本条件是否相同，有差异时要进行改造。 对施工精度的要求高。区别于一般的土木工程，盾构施工对精度的要求 非常之高。管片的制作精度几乎近似于机械制造的程度。由于断面不能 随意调整，对隧道轴线的偏离、管片拼装精度也有很高的要求。 盾构施工是不可后退的。盾构施工一旦开始，盾构机就无法后退。由于 管片外径小于盾构外径，如要后退必须拆除已拼装的管片，这是非常危 险的。另外盾构后退也会引起的开挖面失稳、盾尾止水带损坏等一系列 的问题。所以，盾构施工的前期工作是非常重要的，一旦遇到障碍物或 刀头磨损等问题只能通过实施辅助施工措施后，打开隔板上设置的出入 孔进入压力舱进行处理。 2 第1 章引言 1 2 盾构机研究现状 1 2 1 盾构机国外研究现状 目前，盾构机的生产主要集中在美、日、欧等。“删枷1 发达国家和地区。据 统计全球已累计生产各种盾构机8 0 0 0 多台主要生产厂家有日本三菱重工( 1 3 0 0 多台) ，川崎重工( 1 2 0 0 多台) ，德国海瑞克公司( 8 0 0 多台) “” 柚】。在盾构机技 术性能方面，日本和德国处于世界领先水平。其先进性主要表现为： 基本实现了掘进、衬砌、排土施工工艺的全机械化和全自动化； 地层适应性广。可用于硬岩、沙砾层、卵石层、沙层和软土等各种地层； 掘进断面的形状多样化，尺寸变化范围较大。己生产出圆形、矩形、双 圆、三圆、球型和子母型盾构等，径向尺寸从0 2 m 到1 8 m ； 普遍采用液力驱动和电液比例控制技术，具有大功率、变负载、低能耗 的特点，以及自动检测、自动纠偏、故障诊断等功能； 广泛地采用了遥控技术、激光雷达技术、卫星制导技术、现场总线控制 技术、摄像及视觉信号处理技术等现代高新技术成果。 1 2 2 盾构机国内研究现状 对我国而言，从2 0 世纪5 0 年代开始盾构技术的研究，但受到各种因素的 制约，未能取得明显进展。儿盯“甜。1 9 6 3 年，上海隧道工程公司结合上海软土地层 对盾构掘进机、预制钢筋混凝土衬砌、隧道掘进施工参数、隧道接缝防水进行 了系统的试验研究，研制了1 台直径4 2 m 的手掘式盾构进行浅埋和深埋隧道掘 进试验，隧道掘进长度6 8 m 。1 9 9 6 年，上海黄浦路越江公路隧道工程主隧道采 用由上海隧道工程设计院设计、江南造船厂制造的我国第一台直径1 0 2 m 超大 型网格挤压盾构掘进机施工，辅以气压稳定开挖面，在黄浦江底顺利掘进隧道， 掘进总长度1 3 2 2 m 。 7 0 年代，采用1 台直径3 6 埘和2 台直径4 3 m 的网格挤压型盾构，在上海 金山石化总厂建设1 条污水排放隧道和2 条引水隧道，掘进了3 9 2 6 m 海底隧道， 并首创了垂直顶升法建筑取排水口的新技术。1 9 8 7 年上海隧道股份公司研制成 功了我国第一台4 3 5 m 加泥式土压平衡盾构掘进机，用于市南站过江电缆隧道 第1 章引言 工程，穿越黄浦江底粉砂层，掘进长度5 8 3 m ，技术成果达到8 0 年代国际先进水 平，并获得1 9 9 0 年国家科技进步一等奖。 9 0 年代以来，我们已成功地研制了3 8 m - 6 3 4 m 的土压平衡隧道掘进机1 0 余台，技术水平已接近国际先进，用于地铁隧道、引排水隧道、电缆隧道工程； 在导向技术、监控技术方面的研究也达到了国际先进。最近，上海已研制了国 内第一台3 8 m x 3 8 m 组合刀盘土压平衡式矩形顶管机，完成了2 条6 2 m 长的地 下人行通道，使我国在异形盾构的开发研究方面挤入世界先进行列。在微型隧 道掘进机方面，我国也已研制了直径6 0 0 8 0 0 哪的中心螺杆出土顶管机、夯管 顶管机和水平定向钻机等设备。 1 9 9 0 年，上海地铁1 号线工程全线开工，1 8 k m 区间隧道采用7 台由法国f c b 公司、上海隧道股份、上海隧道工程设计院、沪东造船厂联合制造的6 3 4 m 土 压平衡盾构掘进机。每台盾构月掘进2 0 0 m 以上，进表沉降控制达+ 1 3 c m 。1 9 9 6 年，上海地铁2 号线再次使用原7 台土压盾构，并从法国f m t 公司引进2 台土 压平衡盾构，掘进2 4 k m 区间隧道，上海地铁2 号的1 0 号盾构为上海隧道公司 自行设计制造。 上海隧道工程股份有限公司机械厂是盾构掘进机专业制造厂。1 9 9 5 1 9 9 9 年，该厂制造各类盾构3 2 台( 其中制造4 6 m 地铁盾构5 台，修复9 台，制造3 - 5 m 盾构6 台，制造1 5 - 3 m 盾构1 0 台，制造矩形盾构2 台) 。上海隧道工程股份有 限公司自行设计制造了6 台3 8 - 6 3 4 m 土压平衡盾构，用于地铁隧道、取排水 隧道、电缆隧道等，掘进总长度约1o k m 。在9 0 年代中，直径1 5 - 3 o m 的项管 工程也采用了小刀盘和大刀盘的土压平衡顶管机，在上海地区使用了l o 余台， 掘进管道约2 0 i ( 1 i l 。1 9 9 8 年，上海黄浦江观光隧道工程购买国外二手7 6 5 m 铰接 式土压平衡盾构，经修复后掘进机性能良好，顺利掘进隧道6 4 4 m 。 最近，上海已经研制了国内第一台3 8 m x 3 8 m 组合刀盘土压平衡矩形盾构， 完成2 条6 2 m 长的地下人行通道，使我国在异形隧道的开发研究方面进入世界 行列。北京首台加泥式土压平衡盾构机“京盾一号”也在最近研制并试运转成 功，该机是专门针对北京地区含水砂、卵石地层面研制的盾构机，直径3 6 3 m ， 日掘进速度l o m ，是传统开槽施工的1 0 倍。 我国的盾构技术经过近二十年来的高速发展，已经取得了长足的进步。在 3 ，8 m - 6 34 m 国产土压平衡盾构掘进机中采用的隧道导向和监控技术已达到国际 先进水平，为测控技术的国产化奠定了良好的基础；在异形刀盘、刀具材料、 4 第l 章引言 以及衬砌、出土与密封技术等方面也取得了一批具有自主知识产权的先进成果： 国产土压平衡盾构和泥水压盾构技术已接近国际先进水平；在某些领域，如异 形盾构的研究方面，已挤身世界先进行列嘲嘲。但就其研发技术而言，与国外相 比，我国仍然存在着底层稳定控制技术、结构设计技术、刀盘刀具设计技术、 衬砌技术、盾构防水及同步注浆技术、系统集成技术、制造技术等方面的差距m 1 3 现场总线 现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支 结构的通信网络”1 。它实现了网络技术向车间现场智能设备的延伸，从而构成分 布式自动化系统。分布式自动化系统可以实现基本控制、补偿计算、参数修改、 报警、显示、监控，优化、及控管一体化的综合自动化功能，这是一项集嵌入 式系统、控制、计算机、数字通信、网络为一体的综合技术。 2 0 世纪8 0 年代现场总线技术才开始形成和发展。在这二十几年的时间中， 已经出现了多种现场总线，其中的一部分已经成熟并被吸收为国际标准，在工 业界得到逐步的推广和应用。比较著名的现场总线有以下几种： 1 、基金会现场总线f f t 9 9 4 年，迫于用户的压力，支持工s p 和w o r l df i p 协议的两大集团成立了 基金会现场总线f f ( f i e l df o u n d a t i o n ) 。f f 以i s o o s i 参考模型为基础，取 其物理层、链路层和应用层为f f 通信模型的相应层次，并在此基础上增加了用 户层。f f 分低速m 和高速h 2 两种透信速率。h l 的传输速率为3 1 2 5 k b p s ，通 信距离可达1 9 0 0 m 。高速h 2 的传输速率有i m b p s 和2 5 m b p s 两种，通信距离分 别为7 5 0 m 和5 0 0 m 。f f 物理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码。另外，传输速 率为l o o m b p s 的u s b ( 高速以太网) 正在f f 中发展嘲。 2 、l o n w o r k s l o n w o r k s 是由美国e c h e l o n 公司研制，于1 9 9 0 年正式公布的现场总线网络。 它采用了工i s 0 o s i 模型的全部七层通信协议和面向对象的设计方法，通过网 络变量把网络通信设计简化为参数设置。l o n w o r k s 通信速率从3 0 0 b p s 至1 5 m b p s 不等，直接通信距离可达2 7 0 0 0 m 。 3 、过程现场总线p r o f i b u s p r o f i b u s 是德国国家标准d i n l 9 2 4 5 和欧洲标准e n 5 0 1 7 0 的现场总线标准， 第1 章引言 由p r o f i b u s d p ，p r o f i b u s f m s ，p r o f i b u s p a 三个兼容部分组成。近年来，多 家公司联合开发p r o f i b u s 通信系统的专用集成电路芯片，目前已经能够将 p r o f i b u s d p 协议全部集成在一块芯片中“”。 4 、h a r t h a r t ，这种被称为可寻址远程传感高速通道的开放通信协议，涵盖了工 i s o o s i 参考模型的物理层、数据链路层和应用层。它的特点是采用了基于 b e l l 2 0 2 通信标准的频移键控f s k 技术。h a r t 在现有模拟信号传输线上实现数 字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变过程的过渡性产品。 5 、c a n c a n ( c o n t r o ll e ra r e an e t w o r k ) ，即控制器局域网，是由德国b o s c h 公司 推出，最早用于汽车内部检测部件于控制部件的数据通信系统，在车载控制系 统各电子控制装置e c u 之间交换信息，形成汽车电子控制网络。比如：发动机 管理系统、变速箱控制器，仪表装各电子土干系统中，均嵌入c a n 总线控制装 置。现在c a n 总线己经逐步应用到其它控制领域，是国际上应用最广泛的现场 总线之一【”“。 由于c a n 总线技术具有更大的优越性，所以本文采用了c a n 总线技术，有 关c a n 的进一步描述将在后面的章节进行具体的描述。 1 4 论文的提出及其研究的主要内容 2 l 世纪是人类开发地下空间的世纪。目前，我国修建的铁路隧道6 8 7 6 座， 长度3 6 7 0 公里，居世界首位，近两年则以每年2 0 0 公里的速度快速增长。我国 的隧道及地下工程技术已经接近世界先进水平，中国已经跨入世界隧道大国的 行列。 随着我国基础设施的大规模建设以及西部大开发战略的实施，铁路、公路、 大中型水电站建设以及南水北调等工程都将有大量的长、大隧道需要建设。现 代化城市建设中的地铁工程、市政工程( 排污水管、输水管) 、越江隧道也在不 断增加。越来越多的工程建设单位将首选隧道掘进杌旄工。据预测。仅2 0 1 0 年 前的十年问就需购置直径3 9 米岩石和盾构掘进机1 9 0 余台，还不包括微型掘 进机在内。远期估计，随着城市立体化、管线入地化趋势的到来，盾构掘进机 市场需求将超过千台。 6 第1 章引言 面对如此庞大的市场要求，首先，如果不加强在盾构掘进机技术领域的研 究、开发、生产和应用，伴随我国加入w t o 、市场准入的逐步放开，我国将失去 更大的市场份额，错过掘进机早日实现产业化的时机，人为造成大量的外汇流 失。其次，如果没有具有自主知识产权的盾构掘进机设备，国内制造企业只能 在低效率、高能耗的层次上徘徊，最终被挤出市场。再次，由于缺少研究、开 发、生产资金的投入，国内科研机构的潜力挖不出来，一些重型机械制造企业 找不到活干，就无从谈起形成我国自己的盾构掘进机产业体系，更带不动相关 产业的发展。其结果是我国的基础设施建设救活了国外企业，从另一个方面削 弱了扩大内需、拉动经济持续增长目标的实现。盾构掘进机如不早日实现产业 化，则将成为制约我国国民经济相关产业发展的瓶颈之一。 为了加快盾构机的国有化的进程，本文大胆的提出在盾构机控制系统中采 用单片机+ c a n 总线的方式。这种方式不仅克服了原有控制系统的p l c + c c l i n k 的主从模式，而且节约了很大的成本，不需花费很大的财力来购买国外的 产权。本文研究的主要内容及其创新点如下： 1 根据盾构机施工的特点，给出盾构机控制系统的整体设计方案，包括通 讯的传输方式和主要智能节点。 2 按照整体设计方案的要求，给出盾构机控制系统的硬件设计，其中关键 的智能节点( 智能控制器) 的设计。 3 为了实现上位机与c a n 总线通讯，选择了p e i 卡作为上位机与c a n 总线 作为接口，并给出了其二者进行通讯的实现方法。 4 针对控制方案和控制要求，编写与硬件相匹配的软件。 5 为了更好的监控盾构主要施工参数，使用s q l 数据库来保存历史和实时 数据，选用“组态王”软件与数据s q l 进行通讯并且进行实验，同时利用“组 态王”软件编写人机界面，更方便于实时监控。 7 第2 章盾构控制系统 勺总体设计和实现方法 第2 章盾构控制系统的总体设计和实现方法 2 1 控制系统数据传输方案的确定 目前，数据传输的方式多种多样，对盾构机智能化、信息化的要求，本文 给出了基于无线电台技术和c a n 总线技术的两种方案，并根据实际情况对两种 方案进行了比较和选择。 2 1 1 基于无线电台方案的设计 基于无线电台数据传输方案，主要采用多个可插拔的p l c 芯片用于控制， 通过无线电台与p c 机进行数据传输，进而实现数据的实时监控、存储、输出。 地下控制室操作人员可以根据显示的数据进行工作参数的调整，以提高整机的 工作效率。系统结构模式如图2 1 所示： 无线 l l i 台 元线 毡台 图2 1 基于无线电台的系统组成 功能说明：根据盾构机的功能需要确定系统需要控制的i o 点数选用p l c 第2 章盾构控制系统的总体设计和实现方法 芯片，插到c p u 插槽垦内，实现控制功能，而后通过无线电台与p c 机之间进行 数据交换，以实现整个系统的智能化控制。采用比较成熟的软件进行开发设计， 方便实现人机对话。 本方案的主要特点：在系统设计中连线较少，结构比较简单，具有良好的 人机。但是由于采用无线电台，由于盾构机施工环境差，噪声大，易于干扰， 使数据的传输的可靠性降低。因而，很难满足对盾构机的智能控制的要求。 以上的分析可知：系统的方案设计中，数据传输的可靠性成为设计的关键。 目前，在数据传输的可靠性传输中，基于c _ n 总线的传输方式同其他方式相比 具有无可替代的优势。 2 1 2 基于c a n 总线方案的设计 由c a n 总线的特点可知，采用c a n 总线技术传输数据，不仅节省硬件的数 量和投资以及安装费用，同时也可以节省系统的维护费开支，使用户具有高度 的系统集成主动权，提高系统的可靠性和准确性。 1 c a n 总线系统的模式 c a n 总线系统的一般组成模式( 如图2 2 ) 咖1 ： 操作控制室 图2 2c a n 总线系统组成 系统设计应在系统可靠工作和降低成本的条件下，具有通用性、实时性和 可扩展性等特点。 第2 章盾构控制系统的总体设计和实现方法 2 盾构控制系统的设计原理及其组成 盾构控制系统需要实现工作参数的自动监控、掘进、姿态、拼装等参数的 自动控制、故障智能诊断以及远距离通讯等方面。因而盾构机的系统控制应包 括整机控制和通讯控制两大部分。整机控制包括盾构机的掘进、姿态、拼装、 注浆等机械系统本身的控制和检测。通讯控制部分包括系统参数的设置、传输 和实时显示及盾构机的远程数据传输。整个系统完成各种信号的采集、传输、 比较、放大、输出和控制的整个过程。 盾构机操作员，只要在驾驶室通过扳动相应的开关、手柄或电位计，系统 就能完成相应的动作。通讯系统可以帮助驾驶员实时的获取盾构机的工作参数， 并可以进行参数的修改或重新设置。中央监控室也可以通过远程通讯模块随时 获取各作业机器的状况信息，可通过无线指令，实现远程操作控制目的。 在c a n 总线上传输数据遵循c a n o p e n 协议。c a n o p e n 是基于c a n 串行通讯的 网络系统，它假定硬件设备的收发器和控制器完全遵循i s 0 11 8 9 8 标准。 在c a n o p e n 的系统中必须有一个且仅有一个主节点，可以有多个从节点( 0 1 2 6 ) ，其中主节点有启动网络、停止网络、节点检查、网络引导的特殊作用。结 合c a n 总线的系统模型，整个系统拟采用上下位机的结构。上位机作为c a n 主 节点，下位机作为c a n 从节点，总线上数据传输遵循c a n o p e n 协议“。 2 2 盾构控制系统的设计方案 图2 - 3c a n 总线设计原理图 l o 第2 章盾构控制系统的总体设计和实现方法 本方案中整个控制系统拟采用上、下位机的结构形式，下位机为各功能模 块采用单片机，上位机采用单片机或工控机。上、下位机由c a n 总线连接。设 计原理如图2 - 3 所示“。 2 3 盾构控制系统的整体构成 针对上述方案的目标和要求，系统主要由上位计算机和微控制器构成，包 括p c 机、接至p c 机内部的一块c a n 适配卡和若干个c a n 网络节点。结合单片 机控制系统的特点，根据整机控制参数的需要和功能要求，划分功能控制节点， 各节点之间采用c a n 总线相连接，完成单机通讯，并且c a n 总线可以通过g s m g p s 与远程总控室之间实现数据传输，从而实现机群控制。结合本系统的特点及需 要实现的功能，系统整体结构示意图如图2 - 4 所示。 图2 4 系统整体结构 在本系统中，p c 机里编制的程序通过p c c a n 卡与c a n 总线相连接，下载 到显示器模块和控制器模块。而后，系统所要完成的各项功能主要通过显示器 与控制器之间以及控制器与控制器之间进行数据通讯实现。 系统的工作过程；c a n 适配卡上电复位和初始化后，等待p c 机的命令和数 据，当显示器模块发出命令和数据时，通知c n 适配卡( 可有两种方式：一种是 查询，一种是中断) ，c a n 适配卡将命令进行处理：( 1 ) 将命令作为数据写入c a n 第2 章盾构控制系统的总体设计和实现方法 控制器，置标志位，与c 州网络上的节点建立联系后，由软件参与完成数据通 讯。( 2 ) 根据命令将数据写入c a n 控制器，并置标志位，随后网络上的帧由c a n 控制器自动完成。当c a n 适配卡完成一次通信后，通知p c 机，p c 机取出数据作 进一步处理。作为c a n 网络节点的显示器模块和控制器模块均集成了c a n 控制 器，因而节点之间的数据传输既可以采用软件参与完成，又可以由c a n 控制器 自动完成。c a n 与远程通讯模块可以通过g s m 、g p s 进行通讯，完成数据的远程 传输m 1 。 2 4 盾构控制系统节点实现方法 2 4 1 土压平衡自动控制节点 此系统由土压力传感、变送，p i d 回路调节，变频调速等几部分组成。 土压力传感部分的高稳定性、高精确度是土压平衡建立的基础。大部分此 类压力传感部分是由应变片组成的惠斯登电桥。为保证传感器的精度达到要求， 应变片单片阻抗大于1 k ；在结构上，4 片应变片组成桥路，另外4 片作为补偿 片贴于4 个桥臂上。这种结构能减少受力分布不均匀和避免力的水平分量所引 起的测量误差。 传感器的外形结构为适应地下施工的条件，应作到防水、防泥、防冲击等。 为了防冲击，传感器的感压面的结构在不影响使用精度和灵敏度的情况下，应 尽量加厚。为了防水，防泥传感器采用整体密封，变送器出线处也要采取密封。 为使传感器测量到的土压力为表压而非绝对压力，必须采用空心电缆，以保持 传感器内部与外界大气相通；在土压力测量导线布线时，应注意不要使空心电 缆发生弯折，以免影响侧量的准确性。 p i d 回路调节器的作用是对盾构开挖面土压力的检测值与经理论计算出的 设定值的差经回路调节器做p i d 运算后，输出标准控制信号给执行机构，调节 螺旋机转速，使土仓内土压力达到设定值，通过引入负反馈，使此控制回路成 为闭环控制系统，如图2 5 所示。 具体调节过程如下： 在自动运行时，当实测土压力大于设定土压力时，控制器就会对偏差信号e 进行p i ( 比例、积分) 控制( 在压力控制回路中，较少引人微分控制) 。调节器的 第2 章盾构控制系统的总体设计和实现方法 输出信号控制执行机构动作，加快螺旋机的转速，逐渐使土压力恢复到设定值， 与此同时可减小推进速度，配合螺旋机转速，达到更理想的控制效果；反之， 减小螺旋机转速，加快推进速度。为便于工人操作，在选用调节器时，要使此 过程可实现自动或手动的无扰动转换。 控制回路执行机构的选用要看螺旋机的驱动方式。如采用电机驱动，随着 交频技术的成熟应用，电机调速较多采用变频器。大多数变频器都拥有外部电 压、电流信号设定频率的端子，信号采用标准控制信号，这给引人控制回路提 供了可能。变频器控制输人端接调节器输出端，控制信号在电流4 - 2 0 r a a 变化， 对应变频器频率在o - 5 0 h z 线性变化，从而调节电机转速，使螺旋机转速根据土 压力的大小作相应调节。 图2 5p i d 调节同路 螺旋机如采用液压驱动，执行机构可采用电控比例变量泵或比例流量阀。 调节器输出信号经伺服比例放大器，控制流量，达到调节螺旋机转速的效果 推进速度的控制可同样采用电控比例变量泵或比例流量阀来控制。 2 4 2 刀盘、顶进及拼装控制节点 刀盘泵站采用多台大功率电机驱动，在刀盘启动时，由微控制器设置延时 电路，以防止启动电流叠加对变压器的冲击。刀盘系统多采用超挖刀或仿行刀。 全断面超挖时可控制出刀速度和行程；仿行操作时将盾构圆周分为若干等份， 可任意操作刀具在某一区域出刀和收刀。这样的操作在盾构拐弯和纠偏时能起 到至关重要的作用。为使盾构在推进过程中能及时调整推进姿态，顶进千斤项 在圆周上应被分为4 个区域，每个区域的推进压力可进行独立调节操作，电控 比例减压阀和相应比例放大器配合使用时，能通过连续改变电信号来连续降低 系统中的压力，以达到比例减压的目的。 另外，值得一提的是，盾构在掘进过程中的姿态对施工人员是一个非常重 要的参数。盾构在轴向和径向上的倾角即盾构姿态，如采用传统倾角传感器， 存在量程过大、灵敏度低等缺点，不适用于盾构的实际应用要求。这里介绍一 第2 章盾构控制系统的总体设计和实现方法 种p m p 一4 t 2 l a 0 6 型姿态仪测量，此传感器把盾构两个方向上的倾角( 坡度角、 旋转角) 的测量传感器合成在一个姿态仪上，它有两路信号输出，信号为模拟量 的电流信号，可进行信号的远距离传输。它的有效倾斜角在x 轴上为+ 一4 ，在y 轴上为t + 1 0 ；盾构姿态基本上在传感器有效的范围内变化，测量数据较准确 地反映实际情况，避免了量程过大而降低灵敏度的弊病。 拼装操作通过现场手持操作盒控制。操作台的拼装、推进旋钮使这两个操 作独立开来，以避免误操作带来的危险。在管片拼装机正反转2 2 0 处，各设置 两只接近开关( 或限位) ，作为回转极限位置，起到报警和紧急停车的作用。 管片拼装机控制采用有线操作，其中有大量自由移动电缆，容易损坏。在 设计中可使移动电缆经过电缆卷筒至拼装机各电气元件，以减少电缆机械损伤 的几率；再有，随着无线遥控技术的发展，拼装机操作采用无线遥控，将给盾 构内管线和电缆布置带来很大方便，并增强操作安全性。 2 4 3 加泥( 水) 、双液注浆、盾尾密封注浆控制节点 加泥( 水) 系统由泥浆泵、储泥槽和搅拌机、电磁流量计、压力计、管路、 阀件组成。可根据土压力的大小、螺旋机出土情况等因素来调节加泥压力和加 泥量。 双液注浆控制系统具有手动、自动、冲洗三种模式组成。根据上位机组态 程序，由数字量输出通道输出信号，控制注浆阀和其他同步注浆设各。注浆量 和注浆压力可由计算出的盾尾脱出后所留的空隙大小和土体的劈裂压力来控 制。 盾尾密封油脂注人控制可分为手动、自动两种方式。手动方式可分别对各 个注入孔独立操作，自动方式可按时间来控制。 2 4 4 数据采集控制节点 地下监控室可实时地采集盾构掘进、注浆等各个环节的数据，给施工管理 人员及时了解施工情况和解决问题带来极大方便。在数据采集系统中，需要采 集模块对各种信号的采集。同时将采集的数据传送到工控机中，工控机中组太 软机以全屏幕中文显示满足施工管理的要求。盾构掘进时，以每2 0 n , , m 处理并保 存施工数据：软件具有掘进、姿态曲线、实时棒状图、历史曲线、报警记录等 1 4 第2 章盾构控制系统的总体设计和实现方法 几幅画面；数据查询和报表打印功能通过“组态王”s q l 访问功能在数据库软件 s q ls e r v e r 中完成，能实现复杂条件的数据查询“。 2 5 系统实现的主要功能 本课题研究开发的基于c a n 总线的盾构机的控制系统主要功能如下： 1 盾构机作状态参数的实时显示功能 盾构机在工作过程中，盾构机的工作状态通过分布于不同部位的若干个传 感器进行监测，检测到的信号经过控制器模块或直接通过c a n 总线传输到显示 器模块上并以多种方式实时显示，以便操作人员的观察控制，并可根据工作需 要调节盾构机的工作参数，以提高工作效率、 2 盾构机工作状态参数设置、修改和存储功能 盾构机在工作中能够根据实际工况，比较盾构机掘进设计曲线和设计曲线 来调整盾构机的某些工作状态参数，如：倾斜角、掘进速度、油压等。这些可以 通过操作显示器面板上的按钮对其进行设置修改和调整，然后通过c a n 总线传 输到控制器中，以执行相应的操作。 3 实现数据的远距离传输功能 对于在多点施工而言，控制中心需要对单机的状态进行实时监控，盾构机 的各种工作状态以及所检测到的前方相关信息通过c a n 总线传送到系统无线通 讯模块，进而实现远距离通讯的功能。 第3 章盾构控制系统的硬件设计 第3 章盾构控制系统的硬件设计 在盾构机的施工过程中，要求盾构机能够可靠，安全地进行工作，因此， 盾构机控制系统的硬件设计是整机系统地中心环节。同时，考虑到国产化地过 程中，尽量用最低的成本达到最好性能。本章给出了一整套地具体地硬件设计 方法，为盾构的国产化和信息化提供了一条可供参考的方案。 3 1c a n 总线概述“7 m ”“” 3 1 1c a n 总线的介绍 c a n ( c o n t r o la r e an e t w o r k ) 是控制局域网络的简称。它是属于现场总线的 范畴，是一种有效的支持分布式控制或实时控制的串行通信系统。由于它的高 性能、高可靠性及独特的设计，c a n 越来越受到人们的重视。国外已经有许多大 公司的产品采用了这一技术。 c a n 最初是由德国的b o s c h 公司在8 0 年代初为解决现代汽车中众多的控制 与测量仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通讯协议，它能够有效支持 分布式控制或实时控制。众所周知，现代汽车越来越多的采用电子装置控制， 如发动机的定时、注油控制，加速、刹车控制( a s c ) 及复杂的抗锁定刹车系统 ( a b s ) 等。由于这些控制需要检测及交换大量数据，采用一对一的连接信号线 的方式不但繁琐昂贵，而且维护及其困难；如果采用基于c a n 总线的控制系统， 上述问题就能很好地解决。c a n 总线技术以其易于掌握、易于开发等优点受到普 遍重视，在工业和信息通讯领域都得到了广泛应用。目前，在国外，尤其是在 美国及欧洲，c a n 总线已经被广泛的应用于汽车、机器人技术、机械制造、传感 器、自动化仪表等领域。在国外的工程机械上运用也已经越来越普遍，如推土 机、钻机、摊铺机等机械设备均大量采用了c a n 总线控制系统，c a n 总线技术已 经成为一种日趋成熟的实用技术。 c a n 总线属于总线式串行通信网络，由于其采用了许多新技术及独特地设 计，与一般地通信总线相比，c a n 总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和 1 6 第3 章盾构控制系统的硬件设计 灵活性。其特点可概括如下： c a n 总线为多主方式工作，网络上任一节点在任意时刻主动地向网络上 其它节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，且无需占地址等节点 信息。利用这一特点可方便地构成多机备份系统。 c a n 总线网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求， 高优先级的数据最多可在1 3 4 l ls 内传输。 c a n 总线采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息 时，优先级较低的节点会主动退出发送，而最高优先级的节点可不受影 响地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。尤其是在网络 负载很重的情况下，也不会出现网络瘫痪的情况( 以太网则可能出现) 。 c a n 总线只需要通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播 等几种方式传送接收数据，不需要专门的“调度”。 c a n 总线直接通信距离最远可达l o k m ( 速率5 k b p 以下) ；通信速率最高 可达1 m b p s ( 此时通信距离最长为4 0 m ) 。 c a n 总线上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达1 1 0 个；报文 标识符可达2 0 3 2 种，而扩展标准的报文标识符几乎不受限制 c a n 总线采用数据短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有极好的 检错效果。 c a n 总线的每帧信息都有c r c 校验及其他检错措施，保证了数据出错率 极低。 c a n 总线的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。 c a n 总线节点在错误严重的情况下具有自动关闭节点输出的功能，以使 得总线上的其它节点的操作不受影响。 3 1 2c a n 总线的体系结构 c a n 总线的通讯协议主要是用来描述通过c a n 总线连接的设备之间的信息传 递方式。c a n 总线层的定义与开放系统互连模型o s i 一致，表4 1 中展示了o s i 开放式互连模型的各层。每一层与另一设备上相同的那一层通讯。实际的通讯 发生在每一设备上相邻的两层，而设备只通过模型物理层的物理介质互连。c a n 的规范定义了模型的最下面两层：数据链路层和物理层。 第3 章盾构控制系统的硬件设计 表3 1o s i 开放式互连模型 7 应用层最高层用户软件嘲络终端等之问用来进行信息交换 6表示层将两个应用不同数据格式的系统信息转换为能共同理解的格式 5会话层 依靠低层的通信功能来进行数据的有效传递 4 传输层两通讯节点之日j 数据传输控制操作，如数据重发数据错误修复 3网络层规定了网络连接的建立维持和拆除的协议，如路由和寻址 2数据链路层规定了在介质上传输的数据位的排列和组织，如数据校验和帧结构 l 物理层规定通讯介质的物理特性，如电气特性和信号交换的解释 为了提高透明度并实现柔韧性，c a n 总线被细分为以下不同的层次： c a n 对象层( t h eo b j e c tl a y e r ) ： 其作用范围包括：查找被发送的报文：确定由实际要使用的传输层接收哪 一个报文；为应用层相关硬件提供接口。 c a n 传输层( t h et r a n s f e rl a y e r ) ： 其作用主要是传送规则，也就是控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出 错标定、故障晃定。总线上什么时候开始发送新报文及什么时候丌始接 收报文，均在传输层里确定。位定时的一些普通功能也可以看作是传输 层的一部分。 物理层( t h ep h y s i c a ll a y e r ) ： 其作用是在不同节点之间根据所有的电气属性进行位信息的实际传输。 其中，对象层和传输层包括所有由i s o o s i 模型定义的数据链路层的服 务和功能。c a n 应用层协议是在数据链路层和物理层之上形成的协议，可 以由c a n 用户定义成合适的方案，常用的有c a n o p e l l 和d e v i c e n e t 协议。 3 1 3c n 总线