葉愷
（上海工程機(jī)械廠有限公司 上海 200072）
摘 要：TRD工法機(jī)具有切削能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、適用范圍廣、行走靈活、運(yùn)行平穩(wěn)、操作簡(jiǎn)單、智能控制、維修方便等特點(diǎn)，適用于地下連續(xù)墻施工和地基礎(chǔ)改良施工，滿足我國(guó)現(xiàn)有地下連續(xù)墻施工需求。本文對(duì)上海工程機(jī)械廠有限公司研發(fā)的TRD-D工法機(jī)電氣控制系統(tǒng)各個(gè)組成部分以及自動(dòng)糾偏功能進(jìn)行逐一的介紹。
關(guān)鍵詞：TRD工法；地下連續(xù)墻；控制系統(tǒng)；自動(dòng)糾偏
1.TRD工法簡(jiǎn)述：
TRD工法由日本90年代初開(kāi)發(fā)研制，是能在各類土層和砂礫石層中連續(xù)成墻的成套設(shè)備和施工方法。其基本原理是利用鏈鋸式刀具箱豎直插入地層中，然后作水平橫向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)由鏈條帶動(dòng)刀具作上下的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，攪拌混臺(tái)原土并灌入水泥漿，形成一定厚度的墻體，以取代目前常用的高壓噴射灌漿，單軸和多軸水泥土攪拌樁組成的柱列式地下連續(xù)墻。TRD工法機(jī)主要應(yīng)用于建筑物的基礎(chǔ)工程、地下道路及盾構(gòu)的豎井、大型垃圾填埋場(chǎng)、地鐵交叉口工作井、基礎(chǔ)的擋土墻、止水墻、港灣及大型水庫(kù)堤防的地基加固止水等施工工程。
2.TRD-D工法機(jī)電氣控制系統(tǒng)：
TRD-D工法機(jī)電氣控制系統(tǒng)由駕駛室操作控制臺(tái)、輔助系統(tǒng)控制箱（含動(dòng)力配電）、動(dòng)力控制箱（含柴油機(jī)就地控制盤(pán)）、多組壓力傳感器、多組位移傳感器、多組傾角傳感器和操作手柄按鈕指示儀表組成。
駕駛室操作控制臺(tái)設(shè)置操作控制器、兩臺(tái)10英寸觸摸顯示操作屏、配置操作手柄按鈕指示燈儀表，輔助系統(tǒng)控制箱配置輔助系統(tǒng)控制器、動(dòng)力控制箱配置動(dòng)力控制器、設(shè)置高防護(hù)就地控制盤(pán)、柴油機(jī)動(dòng)力柜配置EMR柴油機(jī)控制器（柴油機(jī)配套）。駕駛室操作控制臺(tái)安裝在駕駛室前部，輔助系統(tǒng)控制箱安裝在駕駛室后部，動(dòng)力控制箱則安裝在柴油機(jī)動(dòng)力柜上。
圖1 電氣控制系統(tǒng)圖
2.1控制器
操作控制器、輔助系統(tǒng)控制器、動(dòng)力控制器則采用工程機(jī)械專用可編程控制器，工程控制器是專門針對(duì)行走機(jī)械控制而設(shè)計(jì)的控制器，能夠適應(yīng)行走機(jī)械的惡劣的工作環(huán)境如：溫度變化范圍大、高振動(dòng)、高沖擊、強(qiáng)電磁干擾等。配置如下：
控制器編程符合IEC61131-3,使用CoDeSys軟件進(jìn)行應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)。
每臺(tái)控制器具有52路特殊設(shè)計(jì)的I/O 端口
可承受高達(dá)100G 的沖擊和震動(dòng)
IP67防護(hù)等級(jí)。
控制器有兩個(gè)CAN口，CAN2.0B，任意一個(gè)CAN口可以設(shè)置為CANOpen協(xié)議。
2.2控制網(wǎng)絡(luò)
控制網(wǎng)絡(luò)配置為2級(jí)，采用分布控制模式。
一級(jí)網(wǎng)絡(luò)是操作控制器、輔助系統(tǒng)控制器、動(dòng)力控制器、EMR柴油機(jī)控制器通過(guò)250KBPS CAN2.0A工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線互聯(lián)；二級(jí)網(wǎng)絡(luò)是輔助系統(tǒng)控制器通過(guò)獨(dú)立CANOPEN現(xiàn)場(chǎng)總線和6組桿式傾角傳感器、1只安裝于驅(qū)動(dòng)部?jī)A角傳感器、1只安裝于平臺(tái)傾角傳感器、1只安裝于門型架傾角傳感器互聯(lián)。同時(shí)操作控制器分別通過(guò)MODBUS、MODBUSTCP和兩臺(tái)觸摸操作顯示屏連接。
2.3觸摸顯示屏
觸摸操作顯示屏共配置2臺(tái)。
主顯示屏選用觸摸顯示屏，modbus總線接口，專用于刀具、大船船體、動(dòng)力頭支架等傾角顯示。
輔顯示屏選用觸摸顯示屏，modbusTCP總線接口,用于各壓力、位移、開(kāi)關(guān)狀態(tài)顯示和操作控制。
圖2 主顯示屏界面
圖3 輔顯示屏界面
操作控制臺(tái)分低位操作臺(tái)和高位操作臺(tái)，低位操作臺(tái)用于TRD-D工法機(jī)驅(qū)動(dòng)部和底盤(pán)行走操作，內(nèi)置操作臺(tái)控制器，臺(tái)面設(shè)置觸摸屏顯示器；高位控制臺(tái)則用于柴油機(jī)遠(yuǎn)程控制。
圖4 操作臺(tái)臺(tái)面布置
主控制柜安裝在柴油機(jī)主泵動(dòng)力集裝箱內(nèi)，包含控制器、主控電源回路配電、照明配電、接線端子、中間繼電器等。主控制柜采用防塵結(jié)構(gòu)，配鑰匙門鎖。
2.6動(dòng)力柜控制箱
動(dòng)力柜控制箱是主控柜的補(bǔ)充，是遠(yuǎn)端IO擴(kuò)展箱，用于動(dòng)力柜的信號(hào)和執(zhí)行器統(tǒng)一控制管理。主要控制說(shuō)明：
2.6.1驅(qū)動(dòng)部水平缸控制
控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)上下兩組水平缸的同步控制，控制方式可選擇單動(dòng)、交叉和同步。根據(jù)實(shí)時(shí)獲得的水平缸作用力的數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)作用力和位置控制的限制和切換，具有超載連鎖保護(hù)、速度可調(diào)、故障自動(dòng)退出等基本功能?？刂葡到y(tǒng)采用位移壓力閉環(huán)控制模式。
2.6.2驅(qū)動(dòng)部斜撐缸控制
通過(guò)驅(qū)動(dòng)部?jī)A角狀態(tài)獨(dú)立開(kāi)關(guān)調(diào)整斜撐缸伸縮長(zhǎng)度，符合施工工藝要求后自動(dòng)液壓鎖定。
2.6.3刀具馬達(dá)切削控制
通過(guò)主泵組流量控制壓力比例閥，實(shí)現(xiàn)在功率曲線工作區(qū)域內(nèi)的轉(zhuǎn)速控制，當(dāng)負(fù)載增加到接近曲線邊緣時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)減少流量輸出，降低轉(zhuǎn)速，反之亦然。
2.6.4鏈條漲緊控制
鏈條漲緊控制采用漲緊液壓油缸伸出后加壓鎖定方式，當(dāng)漲緊壓力低于設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)解鎖補(bǔ)壓。
2.6.5切割箱傾角和切削深度監(jiān)控
切割箱折線顯示共有7段，每段設(shè)置XY軸傾角傳感器，控制系統(tǒng)可模擬出X、Y方向上的切割箱空間曲線模型，進(jìn)而計(jì)算出X、Y方向偏移量和切削深度數(shù)據(jù)（結(jié)合升降缸數(shù)據(jù)）。
2.6.6步履行走控制
設(shè)計(jì)為步履縱移、橫移單缸單控手動(dòng)電比例閥，采用 4片1組配置，操作臺(tái)設(shè)置相應(yīng)模擬式手柄，步履支腿頂升則采用電磁閥和同步馬達(dá)控制方式，控制信號(hào)進(jìn)入主控制器。
2.6.7報(bào)警及急停操作
主控柜和操作臺(tái)均設(shè)置聲光報(bào)警燈和急停開(kāi)關(guān)。
圖5 動(dòng)力操作盤(pán)布置
駕駛室操作臺(tái)配置5只霍爾型雙軸主令無(wú)級(jí)操作手柄（用于大船縱移橫移和斜撐油缸操作控制）及1只雙軸無(wú)級(jí)調(diào)速手柄（配模式切換開(kāi)關(guān)，用于機(jī)頭水平速度操作控制），操作手柄采用）0～5V標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)接口方式，工作狀態(tài)10%～50%～90%Vdc電壓輸出。
2.8傳感器
控制系統(tǒng)配置壓力、溫度、磁致伸縮位移、拉線位移、編碼器、傾角傳感器多組，分別如下：
2.8.1切割箱雙軸傾角傳感器
為滿足切割箱工作環(huán)境和安裝需要，雙軸傾角傳感器采用IP68特殊封裝，即傳感器封裝在帶導(dǎo)向空心金屬連桿中，連桿通過(guò)上下端快速接頭連接安裝在切割箱中，起到定位和保護(hù)作用。傳感器連接則采用5芯水下連接器互連。
傾角傳感器測(cè)量范圍±15°，分辨率0.01°，采用CANopen總線接口，數(shù)量6只。
2.8.2驅(qū)動(dòng)部?jī)A角傳感器、平臺(tái)傾角傳感器、門型架傾角傳感器
該類型兩軸傾角傳感器仍采用IP68金屬灌漿封裝，為盒狀帶法蘭結(jié)構(gòu)，XY雙軸傾角測(cè)量范圍±15°，分辨率0.01°，采用CANopen總線接口，數(shù)量3只。
2.8.3轉(zhuǎn)速編碼器
采用空心軸增量編碼器，IP67防護(hù)等級(jí)，編碼器在動(dòng)力頭馬達(dá)串聯(lián)軸安裝，用于動(dòng)力頭轉(zhuǎn)速測(cè)量。
2.8.4壓力傳感器
壓力傳感器分4MPa，40MPa兩種規(guī)格，約18只，精度0.25，G1/4螺紋接口，4～20mA兩線制信號(hào)接口。分別用于測(cè)量鏈條，主泵，頂升液壓油缸，斜撐液壓油缸，大泵小泵的壓力。
2.8.5磁致伸縮位移傳感器
采用磁致伸縮位移傳感器，測(cè)量范圍分別為1050mm 2只，1250mm 2只，用于斜撐和橫移油缸。
2.8.6拉線位移傳感器
TRD-D工法機(jī)驅(qū)動(dòng)部升降位移測(cè)量采用電位器式拉線位移傳感器一只，行程5.5米，0～5VDC信號(hào)接口，用于頂升油缸。
2.8.7.溫度傳感器
一體化溫度傳感器1只，4~20mA信號(hào)接口。用于液壓油箱溫度測(cè)量。
2.9分線盒及電線電纜連接器
為簡(jiǎn)化現(xiàn)場(chǎng)安裝維護(hù)和設(shè)備分解運(yùn)輸需要，設(shè)備設(shè)置2~4處防水分線盒，主分線盒設(shè)置多芯電纜連接器?？刂齐娎|和動(dòng)力電纜分類布置，傾角傳感器配置專用船用電纜。
3.TRD-D工法機(jī)糾偏功能：
TRD-D工法機(jī)驅(qū)動(dòng)部測(cè)斜糾偏控制系統(tǒng)是一個(gè)基于CAN總線技術(shù)的自動(dòng)糾偏控制系統(tǒng)。TRD-D工法機(jī)在施工過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)部會(huì)在縱向產(chǎn)生偏斜，該系統(tǒng)通過(guò)控制桅桿縱向偏移角度，使驅(qū)動(dòng)部以及切割箱的縱向傾角達(dá)到符合工程預(yù)計(jì)的角度要求。工法機(jī)駕駛員通過(guò)觀察傾角顯示屏顯示的傾角讀數(shù)調(diào)整左、右斜撐油缸的伸縮長(zhǎng)度，使切割箱達(dá)到符合成墻要求的角度，此時(shí)控制器讀取安裝于左、右兩側(cè)斜撐油缸內(nèi)的磁致伸縮位移傳感器的數(shù)據(jù)，且將該數(shù)據(jù)記錄保存為數(shù)值（顯示于主顯示屏參數(shù)屏界面），該數(shù)值代表TRD-D工法機(jī)切割箱達(dá)到成墻要求的縱向垂直角度時(shí)左右斜撐的伸縮位置。TRD-D工法機(jī)工作時(shí)，如果左右斜撐油缸的伸縮位置發(fā)生改變導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)部以及切割箱角度產(chǎn)生偏移，則CAN控制器讀取斜撐油缸內(nèi)的磁致伸縮位移傳感器此時(shí)的數(shù)據(jù)（顯示于主顯示屏參數(shù)屏界面），同時(shí)CAN控制器發(fā)送相應(yīng)的控制指令給驅(qū)動(dòng)電路，推動(dòng)電液比例方向閥的開(kāi)啟/關(guān)閉，驅(qū)動(dòng)調(diào)整左、右斜撐油缸伸出/收回，從而實(shí)現(xiàn)傾角的調(diào)節(jié)。
1-斜撐油缸；2-磁致伸縮衛(wèi)衣傳感器；3-驅(qū)動(dòng)部
圖6 控制系統(tǒng)原理圖
TRD-D工法機(jī)與各類TRD工法設(shè)備相比，具有數(shù)據(jù)監(jiān)控更全面、精度更高、響應(yīng)更快、顯示界面清晰直觀，操作更人性化等優(yōu)勢(shì)。駕駛室內(nèi)部的顯示屏采用雙觸控屏，通過(guò)觸控切換，可以清晰地同時(shí)顯示傾斜儀的實(shí)時(shí)曲線、驅(qū)動(dòng)部和各油缸的實(shí)時(shí)負(fù)載變化、各個(gè)壓力閥的負(fù)荷壓力、主副油箱溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等各種數(shù)據(jù)指標(biāo)。布置在提升油缸、鏈條漲緊油缸、斜撐油缸、橫切油缸的壓力及位移傳感器，精確地顯示出各機(jī)構(gòu)的工作進(jìn)給量，外界負(fù)載情況等工況參數(shù)，幫駕駛員判斷實(shí)時(shí)狀態(tài)，控制施工進(jìn)度。自動(dòng)糾偏功能則能簡(jiǎn)化駕駛員對(duì)于成墻縱向角度的操作量，提升工程質(zhì)量。TRD-D工法機(jī)作為一種符合地下施工發(fā)展趨勢(shì)、具有顯著高技術(shù)特點(diǎn)的新型水泥土攪拌墻施工設(shè)備，具有遠(yuǎn)大的發(fā)展前景。
參考文獻(xiàn)：
[1] 張鵬,吳閻松.一種新型地下連續(xù)墻施工設(shè)備TRD-D工法機(jī).2014第四屆深基礎(chǔ)工程發(fā)展論壇論文集,2014.3:199-205.
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