基于PLC刀盘刀具破岩模态实验平台控制系统设计

张合沛，李凤远，王助锋

(1．盾构及掘进技术国家重点实验室，郑州 450001;2．中铁隧道集团有限公司，河南洛阳 471009)

0 引言

盾构在硬岩及复合地层掘进过程中，盘形滚刀是破岩最有效的工具之一，盘形滚刀破岩机制的研究对盾构及掘进机关键参数(如推力、刀盘扭矩、刀间距等)的地层适应性设计有非常重要的影响，对规范国内盾构的刀盘刀具设计具有重大意义。

根据不同岩石的物理特性，合理设计盘形滚刀的刀间距尤为重要。查阅国内外相关文献，有一些学者或机构进行了滚刀破岩机制方面的研究，但大部分处于初步理论模型研究阶段，A．Bruland于1976年提出的NTNU理论模型，其中提及节理倾向对滚刀破岩速率的影响，但并没有对破岩角进行量化研究。马洪索等［1］介绍了节理倾向对滚刀破岩速率的影响，文中根据室内试验数据重点分析节理倾向对滚刀破岩速率的影响，对破岩角和盘形滚刀刀间距优化设计没有过多的研究，在工程施工过程中更关注的是盘形滚刀的破岩速率和破岩效率，而不同岩层破岩角的合理确定则直接影响到盘形滚刀的破岩速率和破岩效率。

为了把盘形滚刀对不同岩石的刀间距优化设计上升到参数化计算阶段，本文重点介绍和分析刀盘刀具破岩模态实验平台的控制系统设计，同时针对破岩角进行数据采集、分析、处理和计算，以期为盘形滚刀刀间距优化设计提供一种方法。

1 控制系统设计

该实验平台主要利用盘形滚刀对不同岩样进行滚压破岩实验，通过数据采集分析仪器对滚压破岩实验过程中岩样破裂状态数据实时采集，然后分析、计算得到不同岩样的破岩角、贯入度等参数。通过实验分析，确定最优的刀间距，为刀盘设计和刀具选型做出理论指导，并得出岩石破碎的有效推力，从而规范、指导盾构推力参数设计。

实验平台借助PLC控制实验进程、状态参数，声发射采集仪实时记录滚刀破岩的声发射信号，然后分析、计算岩样的破岩角，得出不同岩样在同等受力及同等岩样在不同受力状态下的破岩角、贯入度等参数，为以后盾构施工过程中刀盘刀具的选型设计、施工过程控制等提供理论依据。声发射检测系统目前对岩石在外力作用下破裂状态信息的检测、处理、分析方面的理论和技术日趋成熟。其控制系统和数据采集、处理方案如图1所示。

图1 实验台控制系统Fig．1 Control system of test platform

2 控制系统分析

2．1 控制系统中数据采集、处理

对岩样做破岩实验的时候如何快速、可靠采集到岩样破裂过程的状态信息是本实验的重难点所在。通过传感器采集到的信息，绘出岩样在外力作用下的破裂状态信息图，通过软件近似计算出滚刀破岩角，通过破岩角、贯入度等参数来分析滚刀的破岩机制。岩样在变形、破裂过程中会产生微震波信号和电荷感应信号，同时岩石的电阻率会实时变化，岩石受外力作用过程中岩样破裂过程的状态信息采集可以采用如下方法进行。

1)岩石破裂过程中电阻率的变化采集。电阻率是岩石的重要电性参数，岩体的破碎程度对电阻率的影响较大。一般有裂纹的地方，电阻率会产生突变［2］。在岩石上钻孔实时监测岩石在加载应力水平增加过程中岩石破裂状态下的电阻率变化，不同检测位置对应的电阻率变化不同，由多点检测，通过数据分析近似绘制出岩石的破裂状态［3］。

2)岩石破裂过程中电荷感应信号采集。岩石在变形破裂过程中产生电荷感应信号，并能够被研制的电荷传感器检测到;电荷感应信号是瞬时脉冲，随着加载应力水平的增加，电荷感应信号强度增强，在峰值应力前，电荷感应信号强度达到最大值;在破裂面接收到的电荷感应信号较强，主破裂面接收到的信号最强，因而电荷的产生和岩石的破裂有很大的关系。作为正在探索的检测岩石破坏过程的手段之一，电荷感应方法是一种很具潜力的方法，值得深入研究。同样，如果通过检测岩石在加载应力水平增加过程中感应电荷信号，需要设置多组检测点，根据检测的数据利用数据分析软件近似绘制岩石样本的破裂状态［4］。

3)岩石破裂过程中声发射信号采集。声发射(A-coustic Emission，AE)是研究脆性材料失稳破裂演化过程的一个良好工具，因为它能连续、实时地监测在荷载作用下脆性材料内部微裂纹的产生和扩展，能实时检测整个断裂过程并实现对其破坏位置的定位，对断裂信号的处理和分析就可以表征断裂过程的开始、扩展和断裂等不同阶段，并且这是其他任何实验方法都不具有的特点，已被广泛应用于研究岩石、混凝土等材料的破裂失稳机制。目前，很多岩石力学工作者借助声发射技术研究岩石渐进破裂失稳过程，并已经取得了很多研究成果［5］。

从以上分析可以看出，通过测试岩样破裂过程中岩石电阻率变化的方法可以知道岩样出现裂口，但这种检测方法有它自身的局限性，就是需要预先知道岩样破裂口的具体方位，需要对岩样钻孔处理，工序复杂、准确度低;通过测试岩样在变形破裂过程中产生的电荷感应信号的方法，并能够被研制的电荷传感器检测到，但该项技术还处于研究阶段，目前，只有辽宁工程技术大学在做这个方面的基础理论研究，开发设计出的非接触方式、高放大倍数、高效率的电荷传感器来检测岩样在外力作用下破裂过程中自电位的变化;声发射检测技术可以精确地检测出岩样的破裂状态，并可通过分析软件近似绘制出岩石的破裂状态。

声发射采集仪采用时差定位法确定微震震源位置，时差定位是通过对各个声发射通道信号到达时间差、波速和探头间距等参数的测量及一定的算法运算，来确定声源的坐标或位置。时差定位是一种精确而又复杂的定位方式，广泛用于试样和构件的检测［6］。

岩石破坏而产生的裂纹扩展必将产生一系列向四周传播的微震波，微震波被布置在岩样周围的传感器采集到。根据各传感器采集微震波的到时差，形成一系列的方程组，求解方程组，可确定微震震源位置，进而计算出裂缝分布的方位、长度、高度等岩层参数。声发射采集仪数据处理流程图如图2所示。

图2 声发射采集仪数据处理流程图Fig．2 Data processing flowchart of acoustic emission and acquisition device

2．2 控制系统中硬件设计

实验台的控制系统由西门子S7-200 PLC和数据采集模块组成，控制系统中模拟量采用高灵敏度、高精度传感器采集并传送至数据采集模块处理，上传PLC分析、处理和保存。

2．2．1 CPU 模块

采用PLC作为实验平台的核心控制器，可以增强系统的抗干扰能力及数据的实时处理能力。S7-200系列是一种可编程序逻辑控制器(Micro PLC)，它能够控制各种设备以满足自动化控制需求。S7-200的用户程序中包括了位逻辑、计数器、定时器、复杂数学运算以及与其他智能模块通讯等指令内容，从而使它能够达到监视输入状态、改变输出状态的控制目的。紧凑的结构、灵活的配置和强大的指令集使S7-200成为各种控制应用的理想解决方案。S7-200 CPU将微处理器、集成电源、输入电路和输出电路集成在一个紧凑的外壳中，从而形成了一个功能强大的Micro PLC。下载程序之后，S7-200将保留所需的逻辑，用于监控应用程序中的输入输出设备，本控制系统选用CPU 226［7］。PLC硬件参数介绍如表1所示。

表1 PLC硬件参数配置表Table 1 Parameters of PLC hardware

2．2．2 信号输入输出模块

选用西门子S7-200配套的模拟量采集模块，4个模拟量输入端口，1个模拟量输出端口模块EM235。工作功耗为2 W，输入电流信号范围为0～20 mA DC，输入电压信号范围为0～10 V DC。

EM235作为西门子S7-200系列PLC配套的高速模数转换模块，为控制系统数据实时处理提供了可靠保证。利用EM235的模拟量输出端控制液压泵站的比例伺服阀，根据液压缸压力传感器采集的数据与上位机设定工作压力对比，形成闭环控制，实时调节液压泵站的比例伺服阀，实现实验台液压缸工作压力的精确可调;利用EM235的另外一个模拟量控制变频器，根据转速传感器采集的数据与设定转速对比，形成闭环控制，实时控制变频器，实现实验台电机转速的精确可调，进一步提高系统控制精度。实验台控制系统Ⅰ/O地址配置如表2所示。

2．2．3 数据采集模块

在做滚刀破岩实验的时候需要实时检测刀具对岩石样本的作用扭矩、推进缸的工作压力、检测泵的出口压力及推进油缸移动的距离，这些参数选择传感器进行数据采集、处理。实验台电机的扭矩为0～300N·m;液压泵的出口压力为0～30 MPa;系统液压的工作压力为0～20 MPa;刀盘刀具移动位移的测量为0～800 mm。选用进口的传感器，进一步增强控制系统数据处理的实时性和可靠性。根据以上参数，传感器选型如表3所示。

表2 控制系统Ⅰ/O地址配置Table 2 Ⅰ/O address configuration of control system

表3 传感器参数配置表Table 3 Parameters of sensors

3 系统软件设计

编程软件选择西门子PLC的配套编程软件STEP 7-Micro/WⅠN，该编程软件为用户开发、编辑和监控自己的应用程序提供了良好的编程环境。为了能快捷高效地开发应用程序，STEP 7-Micro/WⅠN软件提供了3种程序编辑器:功能块、语句表及梯形图。本控制程序采用梯形图编写，数据采集处理部分采用对各个A/D信号轮询的方式将数据信号经采集、处理后上传至人机界面。上传PLC模拟量数据处理程序流程如图3所示。

PLC软件程序设计采用自由通讯口模式，波特率采用9 600，8个数据位，1个停止位;SMB87=2#10 110 000为允许接收信息;SMB89=16#0D作为结束信息;SMB90=5为检测空闲状态时间，定时器使用内部定时器;SMB94为最大接收字节数存储器。初始化处理部分代码如图4所示。

4 系统组态软件设计

人机界面采用西门子的组态软件Wincc6．2设计，控制实验台的运行及对采集的数据进行实时分析。根据工艺要求与控制需求，该系统有刀盘刀具三维模型示意图、参数实时记录曲线、实时报警指示、历史报警记录、多参数设置和系统操作控制等。该控制系统将液压泵站工作压力、液压油缸工作压力、刀盘扭矩等信号在计算机上以动态图形显示。系统的各种控制参数、工艺参数及生成的数据均可自动存储，实时查询，同时根据用户需求进行报表打印。当系统有异常发生时，立即以变色、闪烁等各种形式向操作人员报警，危险时可自动停止系统运行。人机界面设置为启动工控机自动启动实验操作界面，界面设置有用户权限登录控制，通过设定操作权限提高系统的安全性。用户可根据操作指示调用目标画面。根据操作说明进行具体操作，提高了工作效率。

根据滚刀在岩样上的贯入距离通过位移传感器采集、处理可以得到滚刀对岩石的实时贯入度。通过PLC实时采集液压油缸的工作压力、刀盘的推进位移、电机的转速和刀盘扭矩等参数，实时处理后，结合声发射采集仪处理的参数构成整个实验平台的数据，并上传至上位机处理，最终以Excel表格形式记录、输出，供后期数据调用及处理，部分组态画面如图5所示。

图5 基本参数设置画面Fig．5 Ⅰnterface of basic parameters set

5 数据处理、分析

声发射采集仪通过分布在岩样上的探头实时采集、存储声发射信号。通过声发射采集仪数据处理软件对实验得到的大量三维数据进行相关处理，可以近似得到某一时段岩样在滚刀破碎时声发射信号在岩样中的三维定位图，如图6所示。

从图6可以看出岩石样本在滚刀破碎时声发射信号在岩石样本中的三维分布情况，要计算出滚刀对岩石样本的破岩角，需要对声发射采集仪采集的声发射定位信号进行如下处理。

1)根据滚刀对岩石样本的贯入度确定定位点三维分布图的基准面。

图6 定位点三维分布图Fig．6 3D distribution of positioning points

2)把每个时段的定位点的三维分布数据进行到基准面的投影，可以得到定位点在基准面上的分布情况，如图7所示。

图7 定位点在基准面的分布Fig．7 Distribution of positioning points on reference surface

3)将定位点靠下并集中的位置作为最深处位置，根据贯入度h可以得出z0坐标，对基准面上的投影点通过软件根据两点确定一条直线、计算多组点的斜率，由((y0，z0)，(y1，z1)，(y2，z2)，…，(yn，zn))得到 (k1，k2，…，kn)，进行数据分析和相关处理，得到基准面上的定位点拟合直线图，如图8所示。

图8 定位点拟合直线图Fig．8 Fitting line of positioning points

根据三角函数公式可以计算出破岩角θ=2arctan((zn-z0)/h)。通过对不同地层的岩石做滚刀破碎实验，可以得到同一种滚刀对不同地层岩石的破岩角、不同型号滚刀对同一地层岩石的破岩角等相应数据，为盾构在不同地层施工时，刀具的优化选择提供一定的指导作用。

6 结论与建议

通过大量实验可以得到不同岩石在相同作用力下的破岩角和贯入度等关系，为后期盾构机刀盘刀具的设计提供重要理论依据，为以后同行业对刀盘刀具进一步深入研究提供一些参考。存在的不足之处是该实验装置控制系统的数据采集、处理部分没有把实现系统控制的数据信号采集环节(液压泵站的压力信号、系统工作压力信号、刀盘的扭矩信号、电机的转速信号)与实现岩样数据分析的数据信号采集环节(刀盘刀具的位移信号)分离。建议把刀盘刀具的位移信号通过传感器直接传送到声发射采集仪，通过声发射采集仪的外部参数接口处理数据;对声发射采集仪的软件进行二次开发，或者让专业公司技术人员进行软件升级，改造后的控制系统与原来的控制系统相比有如下优点:

1)把传感器采集的刀盘刀具的位移数据通过声发射采集仪的外部参数接口直接传送给声发射采集仪进行数据及时处理、分析，可以提高实验数据的实时性;

2)可以提高该实验装置的整体抗干扰能力，尤其是可以增强抑制现场噪声干扰的能力，提高该实验装置的数据处理、分析的准确度;

3)可以为后期该实验装置的改造、升级做一个指导性说明。

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