土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)控制原理與參數(shù)設(shè)置

1、土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)控制原理與參數(shù)設(shè)置 隨著地下空間的開發(fā)，盾構(gòu)技術(shù)已廣泛地應(yīng)用于地鐵、隧道、市政管道等工程領(lǐng)域。在我國 的各項(xiàng)施工中，盾構(gòu)機(jī)的種類越來越多，其中土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)在上海、南京、廣州等地鐵 施工中有著較為出色的表現(xiàn)，筆者以日本小松公司 6340盾構(gòu)機(jī)為例，結(jié)合施工中的一點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)與理解，對其控制原理和參數(shù)設(shè)置等做簡要總結(jié)?？刂圃?土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)的土壓控制是 PID 自動(dòng)調(diào)節(jié)控制，切削刀盤切下的棄土進(jìn)入土倉， 形成土壓，土壓超過預(yù)先設(shè)定值時(shí)，土倉門打開，部分棄土通過螺旋機(jī)排出土倉，從而保持 土倉內(nèi)土壓平衡，土倉內(nèi)的土壓反作用于挖掘面，防止地層的坍塌。土壓的平衡控制是通過裝在盾構(gòu)機(jī)土倉隔

2、壁上的土壓計(jì)對掘進(jìn)中的土壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視， 土壓計(jì)監(jiān)測到的數(shù)值傳送到 PLC, PLC計(jì)算出測量值與設(shè)定值之間的差值E,通過PID控制,自動(dòng)調(diào)整螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速， 使E值趨向于零，當(dāng)E值大于零時(shí)，PLC發(fā)出指令，增加螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速， 提高出土量直至土倉內(nèi)土壓重新達(dá)到新的平衡狀態(tài)，反之當(dāng)E值小于零時(shí)，PLC會(huì)降低螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速，以減少偏差。以保持土倉內(nèi)土壓平衡，使盾構(gòu)機(jī)正常掘進(jìn)。主要參數(shù)抽樣周期： PID 演算處理的時(shí)間間隔，周期越短，動(dòng)作越連續(xù)，但增加了單位時(shí)間的 處理次數(shù)，因此 PID 以外的控制變慢，不需要細(xì)微變動(dòng)時(shí)，可延長周期。過濾系數(shù)：用來除去輸入模擬值上的高頻成分，數(shù)值越大，則過濾效果越強(qiáng)，系統(tǒng)反

3、應(yīng)也就越遲鈍。比例常數(shù) P: 為了提高系統(tǒng)靈敏度， 使土壓保持在一定范圍， 把計(jì)測值與設(shè)定值的差值 E 乘以一個(gè)系數(shù)，所得結(jié)果再與目標(biāo)值相比較，這個(gè)系數(shù)就是比例常數(shù)P， P 值越大，調(diào)控效果越好。積分時(shí)間I :系統(tǒng)引入比例常數(shù)后，PLC調(diào)控螺旋機(jī)的輸出操作量 mv=P*E,也就是偏差被放大了 P倍，這樣當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生偏差時(shí)，可能會(huì)使螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速突然增大或減小了許多，形 成超調(diào)現(xiàn)象， 于是又反過來調(diào)整， 這就引起螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速忽大忽小， 形成振蕩。 為了消除振蕩， 引入積分環(huán)節(jié)，使操作量 mv 在積分時(shí)間內(nèi)逐漸完成，即螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)變化，直到消除偏 差。積分時(shí)間越小，調(diào)控效果越好。微分時(shí)間:根據(jù)偏差變化率

4、 de/dt 的大小，提前給出一個(gè)相應(yīng)的調(diào)節(jié)動(dòng)作，從而縮短 了調(diào)節(jié)時(shí)間，可以克服因積分時(shí)間太長而使恢復(fù)滯后的缺點(diǎn)。參數(shù)設(shè)定 參數(shù)設(shè)置分為兩步，第一步是在設(shè)備組裝完畢，無負(fù)荷的狀態(tài)下進(jìn)行的一次調(diào)試，第 二步是在掘進(jìn)開始，土層穩(wěn)定后，根據(jù)土層狀況和操作習(xí)慣進(jìn)行的微調(diào)。1、無負(fù)荷調(diào)試(1)比例系數(shù)P,首先不執(zhí)行I和D, I調(diào)至數(shù)值上限，D設(shè)定為0,這樣系統(tǒng)只執(zhí)行 比例動(dòng)作P,變動(dòng)土壓目標(biāo)值，制造約0.01 0.03Mpa的系統(tǒng)偏差，接下來逐漸增大 P值， 使螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸增大, 當(dāng) P 值上升到一定值時(shí), 螺旋機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度會(huì)出現(xiàn)大幅度地反復(fù)升 降,即系統(tǒng)形成振蕩,我們把出現(xiàn)振蕩時(shí) P 值的 85%

5、90% 設(shè)定為系統(tǒng)的比例系數(shù)。( 2)積分時(shí)間 I ,比例系數(shù)確定后,調(diào)節(jié)積分時(shí)間 I ,變動(dòng)土壓目標(biāo)值,制造一個(gè)系 統(tǒng)偏差,觀察螺旋機(jī)回轉(zhuǎn)速度以怎樣的速度變化,繼續(xù)加一定的偏差時(shí),系統(tǒng)向偏差減小的 方向增加或減小操作量,操作量的變化程度隨積分時(shí)間I 的變化而變化,此時(shí)可以根據(jù)操作人員的操作習(xí)慣來確定積分時(shí)間，一般來說，I在數(shù)值上為P值的70%左右。(3)微分時(shí)間D,在盾構(gòu)機(jī)PID控制中，管理對象是土倉內(nèi)的土壓，如果掘進(jìn)速度一定,則土壓與切削土量減排土量之差的時(shí)間累積成正比,另一方面,系統(tǒng)的控制對象是螺旋 機(jī)轉(zhuǎn)速,而螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速同單位時(shí)間的排土量成正比,這樣從系統(tǒng)輸入來看,系統(tǒng)的輸出是以 時(shí)間微

6、分的形式使用，所以盾構(gòu)機(jī) PID 控制中可以不執(zhí)行微分動(dòng)作，把 D 值設(shè)置為 0。2 、土層掘進(jìn)時(shí)的調(diào)整( 1)過濾系數(shù)， 進(jìn)入土層后， 如果腔內(nèi)土壓、 螺旋機(jī)的輸入信號在短周期內(nèi)大幅振蕩 的話，可以慢慢增大過濾系數(shù)， 在短周期內(nèi)如果再次出現(xiàn)小的振蕩， 不需要再增大過濾系數(shù)， 即使在長周期內(nèi)出現(xiàn)較大幅度的振蕩，也只需略微增大過濾系數(shù)。(2)比例系數(shù)P,掘進(jìn)中，把I值和D值固定，按每次0.5%的幅度調(diào)節(jié)P值，P值一 變，控制整體的增益就發(fā)生變化， 相對于同一土壓偏差的操作量的大小也發(fā)生變化 , 觀察螺旋 機(jī)轉(zhuǎn)速變化量，直到滿意即可固定 P值。( 3)積分時(shí)間 I ，與積分時(shí)間相對應(yīng)的是操作量增減

7、時(shí)的梯度，掘進(jìn)中對現(xiàn)有I 值不滿意可以調(diào)整，固定 P值和D值，如果希望操作量增加更快時(shí)，減小I值，反之增大I值，每次增減的幅度以 13 秒為宜，如果 I 值過小，可能會(huì)引起振蕩，調(diào)整時(shí)注意掌握。( 4)微分時(shí)間， 原則上， 土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)不需要設(shè)置微分時(shí)間， 但有些大口徑盾構(gòu) 機(jī)對偏差反應(yīng)會(huì)比較遲鈍， 這種情況下， 使用微分環(huán)節(jié)， 可以改善盾構(gòu)機(jī)對偏差的初始反應(yīng)， 但 D 值限于 2ms 之間。常見問題 在盾構(gòu)機(jī)各參數(shù)設(shè)定完畢，正常掘進(jìn)以后，常見故障往往出現(xiàn)在外圍設(shè)備之中，現(xiàn)簡 要說明設(shè)備各主要環(huán)節(jié)及常見故障處理。1 、刀盤電機(jī)，刀盤電機(jī)即驅(qū)動(dòng)刀盤所用電機(jī)，單機(jī)功率一般在 55KW左右，最常

8、見的控制方式為PLC控制變頻器，變頻器拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)，這一環(huán)節(jié)最易出現(xiàn)故障的就是變頻器。變頻 器在布線時(shí)應(yīng)考慮以下兩點(diǎn)：變頻器如果要長電纜運(yùn)行時(shí)，此時(shí)要采取措施抑制長電纜對地耦合電容的影響， 避免變頻器出力不足，所以在這種情況下，變頻器容量要放大一檔或者在變頻器的輸出端安 裝輸出電抗器。電機(jī)電纜應(yīng)獨(dú)立于其它電纜走線，其最小距離為500mm同時(shí)應(yīng)避免電機(jī)電纜與其它電纜長距離平行走線，這樣可以減少變頻器輸出電壓快速變化而產(chǎn)生的電磁干擾。如果 控制電纜和電源電纜交叉， 應(yīng)盡可能使它們按 90°角交叉。 與變頻器有關(guān)的模擬量信號線與 主回路線分開走線，即使在控制柜中也要如此。變頻器常見故障有如下

9、三點(diǎn)： 過流故障：過流故障可分為加速、減速、恒速過電流。其可能是由于變頻器的加 減速時(shí)間太短、負(fù)載發(fā)生突變、負(fù)荷分配不均，輸出短路等原因引起的。這時(shí)一般可通過延 長加減速時(shí)間、 減少負(fù)荷的突變、 外加能耗制動(dòng)元件、 進(jìn)行負(fù)荷分配設(shè)計(jì)、 對線路進(jìn)行檢查。 如果斷開負(fù)載變頻器還是過流故障，說明變頻器逆變電路損壞，需要更換變頻器。過載故障：過載故障包括變頻過載和電機(jī)過載，可能是加速時(shí)間太短，電網(wǎng)電壓 太低、負(fù)載過重等原因引起的。 一般可通過延長加速時(shí)間、 延長制動(dòng)時(shí)間、 檢查電網(wǎng)電壓等。 負(fù)載過重，所選的電機(jī)和變頻器不能拖動(dòng)該負(fù)載，也可能是由于機(jī)械潤滑不好引起。如前者 則必須更換大功率的電機(jī)和變頻器；如后者則要對生產(chǎn)機(jī)械進(jìn)行檢修。欠壓： 說明變頻器電源輸入部分有問題， 需要查檢主電源， 排除故障后方可運(yùn)行。2 、拼裝機(jī)，拼裝機(jī)是拼裝管片之用，是由油泵通過電磁閥控制相應(yīng)油缸來完成收縮、 擴(kuò)張、壓緊等動(dòng)作，這個(gè)環(huán)節(jié)最易出現(xiàn)故障的是電磁閥，在熟悉圖紙的基礎(chǔ)上，拼裝機(jī)搖控 器上哪個(gè)按鍵對應(yīng)的動(dòng)作沒有反應(yīng)，就查相應(yīng)電磁閥及其相關(guān)電纜是否正常。另外搖控器受 信頭，由于使用頻率很高，偶爾也會(huì)出現(xiàn)故障。3 、雙梁電動(dòng)葫蘆， 雙梁電動(dòng)葫蘆的作用是將電機(jī)車運(yùn)送進(jìn)來的管片吊運(yùn)至管片拼裝機(jī)， 這個(gè)環(huán)節(jié)最易出問