中铁隧道集团二处有限公司河北三河065201
摘要：随着技术的不断发展、标准的不断成熟、自动化生产管理水平的不断提升，特别是网络的日益普及，集中监控系统在社会各行各业得到了越来越广泛的应用。为解决在双护盾TBM施工中经常出现设备的非正常停机对施工成本及工期的影响，利用基于以太网通讯技术对双护盾TBM监测调试的应用研究，构建故障诊断及状态监测平台，为双护盾TBM维护保养及平稳运行提供参考。
1.对于TBM监测必要性的分析
随着技术的不断发展、标准的不断成熟、自动化生产管理水平的不断提升，特别是网络的日益普及，集中监控系统在社会各行各业得到了越来越广泛的应用。TBM主要是诸多总成和设备构成的联动体，使得隧道工程的施工以工厂化形式进行，其任何结构及其设备出现了故障都将会影响正常作用，甚至是造成TBM的停机，阻碍了正常施工的进程，而不同的部位出现故障所造成的影响又存在着严重程度的差异，比如说：TBM的刀具、皮带传输器、水供应系统、主轴承等以及与之相关的电气系统、液压系统等发生故障必须直接停机进行针对性的故障维修。所以，其不仅使得TBM施工质量无法得到有效保证，而且会埋下施工安全隐患。此外，还需考虑TBM锚杆钻机、仰拱块吊机等的辅助施工结构发生故障所造成的影响较轻，并且造成的破坏有着一定滞后性，结合实际施工的情况，选择在保养时间里进行维修，不必立即停机处理[1]。TBM是集机械、电气、液压、光学、网络、自控、传感和信息等先进技术于一体的高附加值复杂装备，可靠性要求极高。刀盘主轴承、主驱动、减速机、变频器和液压系统等核心零部件及系统的状态，直接影响双护盾TBM施工的工期、安全、成本和质量。由于施工单位人员流动性大、人员水平参差不齐、施工环境复杂等的原因，双护盾TBM一直处于粗放式管理模式，在双护盾TBM施工中经常出现设备的非正常停机，严重影响工程的施工成本、质量和工期。[2]
2通过以太网监测调试的方案的分析
图1以太网监测调试方案布置
2.1方案应用优势
（1）节省硬件与投资
由于双护盾TBM现场总线系统中分散在现场的智能设备能直接执行多种传感器控制报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的调节器、计算单元等，也不需要DCS系统的信号调理、转换、隔离等功能单元及其复杂接线，还可以用工控PC机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资，并可减少控制室的占地面积。
（2）节省安装费用
双护盾TBM现场总线系统的接线十分简单，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，也减少了设计和安装的工作量。
（3）节省维护开销
由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行状态，诊断维护信息以便早期分析故障原因并快速排除，缩短了维护停工时间，同时由于系统结构简化，连线简单而减少了维护工作量。
2.2方案布置思路
如图1所示，建立一路与操作室工控机建立远程连接。利用远程连接获取设备的实时信息及故障代码。同时通过交换机与PLC的以太网、PROFIBUS建立连接。通过与工控机的连接，实现对现场设备的维修及故障恢复。
以太网监测的连接可以通过以太网直接与操作室内的工控机建立连接，通过光纤通讯中继减少以太网信号在传输过程中的衰减。
3现场应用案例分析
3.1刀盘脱困
在参与青岛地铁1号线故障恢复期间，由于出现非正常停机，刀盘被困。其双护盾TBM选用的PLC为S7-300系列，拥有PROFINET工业以太网。通过对现场一些改动建立了如图1所示方案的以太网监测调试网络。
刀盘经过初步清理后，测试刀盘启动过程中，通过以太网监测刀盘启动过程中的扭矩变化，刀盘扭矩达到5.800MN•m仍无法启动，由于刀盘已经经过初步清理，刀盘扭矩的主要来源为刀具与开挖面的摩擦力，以及剩余渣土与刀盘摩擦力。判断为变频器的启动限流保护。利用以太网调试，调整设备定值，运用机器设计冗余为刀盘脱困，将PLC调整为停止运行模式，上位机安装西门子STEP7编程软件，如图3所示选取与以太网调试口连接的网卡，上位机通过以太网与PLC建立通讯如图4所示，将PLC内主程序上传至上位机，进入PLC主程序，在程序功能块FB198第17网络段中调整额定参数，将设定值由1.3500000e+2调整为1.5000000e+2，保存修改后下载至PLC中。运行后，刀盘再次启动测试，通过以太网监测，扭矩达到5.900MN•m，刀盘出现转动迹象，随后刀盘转动，扭矩下降，刀盘成功脱困。
图4上位机通过以太网与PLC建立通讯
通过对现场网络布置的简单更改，即可运用以太网远程连接获取设备的实时信息，以太网的高传输速率以及极低的通讯延迟确保了地面的上位机能够及时从地面获取地下现场设备信息，并通过以太网直接调整设备定值，无需至设备现场，大大改善了操作环境，减少了地面地下往返，极大的提升了效率。
3.2PLC从站恢复
青岛地铁1号线故障恢复期间，由于出现非正常停机，双护盾TBM的控制系统的PLC主站为S7-300，从站为WAGO750-833，由于出现涌水情况，位于前盾位置的PLC从站被水浸泡出现损坏。修复方案为：故障恢复需要将原有程序导入到新购买的WAGO750-833中。
传统方法需要在地面地下频繁往返，将完好的从站拆卸后，将程序导入至全新的从站中，需要频繁往返，利用以太网调试的端口通讯，经由预先设置好的以太网通讯参数可以直接与现场总线通讯，上位机安装CODESYS，通过通讯参数与从站建立连接，将程序导出保存至上位机，再导入至新购入的WAGO750-833产品中，在地面调试完成后再到设备现场完成安装。
通过对现场网络布置的简单更改，即可对现有设备进行拓展，以太网易于拓展的特性，使得简单的改动，即可完成对PLC网络内设备的连接调试成为可能，并通过以太网直接导出网络内设备的程序设定作为故障灾难备份，节省了操作时间，大大改善了操作环境，减少了地面地下往返，极大的提升了效率。
结论与讨论：
随着技术的不断发展，以太网的速率及响应速度不断提高以及物联网技术的不断推广，以太网拥有更多的可能，目前基于以太网通讯在双护盾TBM监测调试在实际运用过程中能够及时有效的获取实时的设备信息，传输速率及响应时间能够支持上位机与设备的实时通讯，并且易于改造及拓展，并可根据需要接入互联网，实现异地管理调试。但仍然存在局限性，TBM状态的监测主要是经过设备在运行中的各结构部件工作情况，对潜在隐患的判断分析过程，这一过程还需要强大的数据积累作为后盾。以太网是一个全开放式系统，具有很强移植性和技术升级空间，同时易于设备的后期维护，相信随着技术的不断发展，基于以太网通讯的监测调试将拥有着更多的可能。
参考文献：
[1]郝彭彭.TBM应用信息管理系统设计[D].石家庄：石家庄铁道大学，2013.
[2]陈文远，张继宏，张刚宏，赵珀，田水清基于互联网的状态监测技术在盾构维护保养中的应用隧道建设201838（4）
[3]顾苑婷工业以太网和CAN现场总线在煤矿监控系统上的应用研究