土压平衡式盾构机控制原理与参数设置

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随着地下空间的开发，盾构技术已广泛地应用于地铁、隧道、市政管道等工程领域。在我国的各项施工中，盾构机的种类越来越多，其中土压平衡式盾构机在上海、南京、广州等地铁施工中有着较为出色的表现，笔者以日本小松公司Φ6340盾构机为例，结合施工中的一点经验与理解，对其控制原理和参数设置等做简要总结。  
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    控制原理  
+ Q9 Z, j5 D5 I8 Y; I! X4 U0 ?    土压平衡式盾构机的土压控制是PID自动调节控制，切削刀盘切下的弃土进入土仓，形成土压，土压超过预先设定值时，土仓门打开，部分弃土通过螺旋机排出土仓，从而保持土仓内土压平衡，土仓内的土压反作用于挖掘面，防止地层的坍塌。  
    土压的平衡控制是通过装在盾构机土仓隔壁上的土压计对掘进中的土压进行实时监视，土压计监测到的数值传送到PLC，PLC计算出测量值与设定值之间的差值 E，通过PID控制，自动调整螺旋机转速，使E值趋向于零，当E值大于零时，PLC发出指令，增加螺旋机转速，提高出土量直至土仓内土压重新达到新的平衡状态，反之当E值小于零时，PLC 会降低螺旋机转速，以减少偏差。以保持土仓内土压平衡，使盾构机正常掘进。  
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    主要参数  
    抽样周期：PID 演算处理的时间间隔，周期越短，动作越连续，但增加了单位时间的处理次数，因此PID以外的控制变慢，不需要细微变动时，可延长周期。  
    过滤系数：用来除去输入模拟值上的高频成分，数值越大，则过滤效果越强，系统反应也就越迟钝。  
    比例常数P:为了提高系统灵敏度，使土压保持在一定范围，把计测值与设定值的差值E 乘以一个系数，所得结果再与目标值相比较，这个系数就是比例常数P，P 值越大，调控效果越好。  
    积分时间I：系统引入比例常数后，PLC调控螺旋机的输出操作量mv=P*E,也就是偏差被放大了P倍，这样当系统产生偏差时，可能会使螺旋机转速突然增大或减小了许多，形成超调现象，于是又反过来调整，这就引起螺旋机转速忽大忽小，形成振荡。为了消除振荡，引入积分环节，使操作量mv 在积分时间内逐渐完成，即螺旋机转速平稳变化，直到消除偏差。积分时间越小，调控效果越好。  
9 y3 X; O5 h" e) B9 _# K    微分时间：根据偏差变化率de/dt 的大小，提前给出一个相应的调节动作，从而缩短了调节时间，可以克服因积分时间太长而使恢复滞后的缺点。  
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. [" Q6 J2 \' H5 ?9 T    参数设定  
( P) `- J5 T% D) U1 ?2 \    参数设置分为两步，第一步是在设备组装完毕，无负荷的状态下进行的一次调试，第二步是在掘进开始，土层稳定后，根据土层状况和操作习惯进行的微调。  
    1、无负荷调试  
    （1）比例系数P，首先不执行 I和D，I调至数值上限，D设定为 0,这样系统只执行比例动作P，变动土压目标值，制造约0.01 － 0.03Mpa 的系统偏差,接下来逐渐增大 P 值，使螺旋机转速逐渐增大，当 P 值上升到一定值时，螺旋机的旋转速度会出现大幅度地反复升降，即系统形成振荡，我们把出现振荡时P 值的 85% － 90% 设定为系统的比例系数。  
    （2）积分时间I，比例系数确定后，调节积分时间I，变动土压目标值，制造一个系统偏差，观察螺旋机回转速度以怎样的速度变化，继续加一定的偏差时，系统向偏差减小的方向增加或减小操作量，操作量的变化程度随积分时间I的变化而变化，此时可以根据操作人员的操作习惯来确定积分时间，一般来说，I在数值上为 P值的70% 左右。  
    （3）微分时间D，在盾构机PID 控制中，管理对象是土仓内的土压，如果掘进速度一定，则土压与切削土量减排土量之差的时间累积成正比，另一方面，系统的控制对象是螺旋机转速，而螺旋机转速同单位时间的排土量成正比，这样从系统输入来看，系统的输出是以时间微分的形式使用，所以盾构机PID控制中可以不执行微分动作，把D值设置为0。  
- M, S! R- C. ^! V+ D; A    2、土层掘进时的调整  
' h4 |; l0 r# a0 \( y4 }1 [    （1）过滤系数，进入土层后，如果腔内土压、螺旋机的输入信号在短周期内大幅振荡的话，可以慢慢增大过滤系数，在短周期内如果再次出现小的振荡，不需要再增大过滤系数，即使在长周期内出现较大幅度的振荡，也只需略微增大过滤系数。  
    （2）比例系数P，掘进中，把I值和D值固定，按每次0.5%的幅度调节P值，P值一变，控制整体的增益就发生变化，相对于同一土压偏差的操作量的大小也发生变化,观察螺旋机转速变化量，直到满意即可固定P值。  
1 W: e- M( j+ ^8 X% R" n+ P- N7 t    （3）积分时间I，与积分时间相对应的是操作量增减时的梯度，掘进中对现有I值不满意可以调整，固定P值和D值，如果希望操作量增加更快时，减小I值，反之增大I值，每次增减的幅度以1－3秒为宜，如果I值过小，可能会引起振荡，调整时注意掌握。  
% k8 j) w4 [  M4 m2 H, k' h    （4）微分时间，原则上，土压平衡式盾构机不需要设置微分时间，但有些大口径盾构机对偏差反应会比较迟钝，这种情况下，使用微分环节，可以改善盾构机对偏差的初始反应，但D 值限于2ms 之间。  

    常见问题  
! ?8 Y+ \+ W0 ]" y5 V, b! {$ O    在盾构机各参数设定完毕，正常掘进以后，常见故障往往出现在外围设备之中，现简要说明设备各主要环节及常见故障处理。  
7 l0 \. u9 G, p4 K8 @( t) M- \    1、刀盘电机，刀盘电机即驱动刀盘所用电机，单机功率一般在55KW左右,最常见的控制方式为PLC控制变频器，变频器拖动电动机，这一环节最易出现故障的就是变频器。变频器在布线时应考虑以下两点：  
    ——变频器如果要长电缆运行时，此时要采取措施抑制长电缆对地耦合电容的影响，避免变频器出力不足，所以在这种情况下，变频器容量要放大一档或者在变频器的输出端安装输出电抗器。  
5 i4 O- j. U: t+ q% B) P+ a" }    ——电机电缆应独立于其它电缆走线，其最小距离为500mm。同时应避免电机电缆与其它电缆长距离平行走线，这样可以减少变频器输出电压快速变化而产生的电磁干扰。如果控制电缆和电源电缆交叉，应尽可能使它们按90°角交叉。与变频器有关的模拟量信号线与主回路线分开走线，即使在控制柜中也要如此。  
: E! k, Y7 h6 m& N" x. R4 u5 U    变频器常见故障有如下三点：  
, ?* z& z- o* K    ——过流故障：过流故障可分为加速、减速、恒速过电流。其可能是由于变频器的加减速时间太短、负载发生突变、负荷分配不均，输出短路等原因引起的。这时一般可通过延长加减速时间、减少负荷的突变、外加能耗制动元件、进行负荷分配设计、对线路进行检查。如果断开负载变频器还是过流故障，说明变频器逆变电路损坏，需要更换变频器。  
: w( x4 q( }' d! e    ——过载故障：过载故障包括变频过载和电机过载，可能是加速时间太短，电网电压太低、负载过重等原因引起的。一般可通过延长加速时间、延长制动时间、检查电网电压等。负载过重，所选的电机和变频器不能拖动该负载，也可能是由于机械润滑不好引起。如前者则必须更换大功率的电机和变频器；如后者则要对生产机械进行检修。  
5 ]- s0 D" c! l    ——欠压：说明变频器电源输入部分有问题，需要查检主电源，排除故障后方可运行。  
    2、拼装机，拼装机是拼装管片之用，是由油泵通过电磁阀控制相应油缸来完成收缩、扩张、压紧等动作，这个环节最易出现故障的是电磁阀，在熟悉图纸的基础上，拼装机摇控器上哪个按键对应的动作没有反应，就查相应电磁阀及其相关电缆是否正常。另外摇控器受信头，由于使用频率很高，偶尔也会出现故障。  
7 O7 V8 l7 v* M# Y& j2 h    3、双梁电动葫芦，双梁电动葫芦的作用是将电机车运送进来的管片吊运至管片拼装机，这个环节最易出问题的是电缆，要经常检查电缆有无受拉损坏，滑环是否正常等，另外接触器因为频繁动作也是易损部件，出现问题时可作为重点排查对象。  
    综上所述，掌握了盾构机的基本控制原理和参数的设置要点，就可以根据土层情况及操作人员的操作习惯，逐渐把盾构机调试到最佳状态。关于盾构机常见故障，还需维修人员结合图纸，在工作中积累经验。