最新土壓平衡式盾構(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(guó)的各項(xiàng)施工中，盾構(gòu)機(jī)的種類越來(lái)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)，筆者以曰本小松公司 06340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(duì)其控制原理和參數(shù)設(shè)置 等做簡(jiǎn)要總結(jié)?？刂圃硗翂浩胶馐蕉軜?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(cāng)，形成土壓，土壓超過預(yù)先設(shè)定值時(shí)，土倉(cāng)門打開，部分棄土通過螺 旋機(jī)排出土倉(cāng)，從而保持土倉(cāng)內(nèi)土壓平衡，土倉(cāng)內(nèi)的土壓反作用于挖掘面，防 止地層的坍塌。土壓

2、的平衡控制是通過裝在盾構(gòu)機(jī)土倉(cāng)隔壁上的土壓計(jì)對(duì)掘進(jìn)中的土壓進(jìn) 行實(shí)時(shí)監(jiān)視，土壓計(jì)監(jiān)測(cè)到的數(shù)值傳送到PLC, PLC計(jì)算出測(cè)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，増加螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速，提高出土量直至土倉(cāng)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(cāng)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)，但増加了 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(zhǎng) 周期。過濾系數(shù)：用來(lái)除去輸入模擬值上的高頻成分，數(shù)值越

3、大，則過濾效果越 強(qiáng)，系統(tǒng)反應(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(cè)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 増大或減小了許多，形成超調(diào)現(xiàn)象，于是又反過來(lái)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

4、差變化率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(zhǎng)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(wú)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(wú)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(lái)逐漸増大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)向偏差減小的方向増加或減小操作量，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(lái)確定積分時(shí)間，一般來(lái)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(duì)象是土倉(cāng)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(duì)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(lái)看，系統(tǒng)的輸出是以時(shí)間微分的形

6、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(hào)在短周期 內(nèi)大幅振蕩的話，可以慢慢増大過濾系數(shù)，在短周期內(nèi)如果再次出現(xiàn)小的振 蕩，不需要再増大過濾系數(shù)，即使在長(zhǎng)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，控制整體的増益就發(fā)生變化，相對(duì)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(duì)應(yīng)的是操作量增減時(shí)的梯度，掘進(jìn)中對(duì) 現(xiàn)有I值不滿意

7、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，每次増減的幅度以1-3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(duì)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(duì)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(jiǎn)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

8、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(zhǎng)電纜運(yùn)行時(shí)，此時(shí)要采取措施抑制長(zhǎng)電纜對(duì)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(zhǎng)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(hào)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

9、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(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)加速時(shí)間、延長(zhǎng) 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(rùn)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(duì)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(lái) 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(duì)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(lái)的管片吊運(yùn)至 管片拼裝機(jī)，這個(gè)環(huán)節(jié)最易出問題的是電