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转载请联系本原创平台，谢谢！盾构PLC控制器远程运行监测技术的设计与实现本文选自《上海土木科技》（04）

作者简介：

李晓东（－),男,高级工程师,主要研究方向为远程控制技术。

引言

大多数盾构机的控制器使用可编程逻辑控制器（PLC）来实现对盾构机的掘进控制，需要工人在地下近端对盾构机进行实时的掘进控制，该施工方式存在环境恶劣、安全性不高等弊端，且当盾构控制器即PLC出现故障时难以进行人工检测和排故。本文主要叙述通过应用网络技术，实现盾构控制器的远程监测功能，并重点介绍在出现故障时迅速判定故障点（自动化设备模块或某一网络段）并给出故障解决方案的运行监测技术以及故障诊断技术，该技术的实现从根本上排除因为自动化控制设备故障影响盾构机正常工作的因素，进一步提高盾构施工效率，并能够解决环境恶劣、安全性不高、自动化水平低等弊端。

背景

在盾构机用于隧道挖掘的过程中，自动化控制技术得到了广泛的应用。主要使用可编程逻辑控制器（简称PLC）来完成盾构机油脂系统、推进系统、加液系统等的闭环控制，上述控制过程是通过盾构司机在地下盾构机处完成。同时，传统的盾构机控制系统无法监测到PLC运行过程中的实时运行状况。并且因为PLC控制机柜都安装在盾构机的各个分布式控制机柜中，进一步增加了对其现场故障定位和维护的难度。

本文对远程自动化控制系统的运行监控技术进行了研究，讨论了在传统的PLC的设计基础上增加新的功能以实现PLC诊断数据自获取，通过实时运行监测系统的可视化软件开发和故障匹配算法的研究，实现在盾构机自动化控制系统故障时，软件可以进行定位故障、自动匹配故障ID、并且给出故障解决方案。

1传统系统与新研方案

1.1盾构自动化控制系统

在盾构机控制系统中广泛使用了PLC，实现包括：刀盘驱动、盾构推进、螺旋输送、盾尾油脂压注、同步注浆、皮带输送等功能。

在实际的盾构掘进工作过程中，盾构机内各PLC控制从站分散在盾构机各个不同的控制机柜内。为了实现盾构机的自动化控制，由盾构司机在盾构控制室内通过软件及硬件人机界面统一实施掘进操作。但同时，由于缺乏对盾构控制PLC的故障监测技术及故障定位技术，当PLC出现故障时，难以快速定位及排除系统故障。

1.2远程自动化控制系统运行监测终端方案

由于传统远程自动化控制系统的运行中无法进行实时监测，需要一种运行监测终端和盾构机控制PLC网络相连。在传统的PLC软件的基础上设计故障数据获取的代码和单独的故障数据处理线程，获取和发送故障诊断数据到运行监测终端，并通过运行在监测终端上的可视化软件对远程自动化控制系统进行实时的运行监测。启动软件之后，就进入循环监测过程，通过故障识别算法和可视化软件开发技术，显示故障状态、故障原因以及故障解决方案。

而在终端软件设计过程中需要选择一种可视化软件开发工具，包括：故障ID匹配算法、故障方案配置文件库、运行状态显示、故障排除方案自动解决、诊断数据存储与调用等功能。

总之，为远程自动化控制系统运行监控终端所开发设计的是一种集故障识别、故障显示、故障方案解决为一体的集成软件。

图1运行监测终端原理图

2关键技术研究与实现

对远程自动化控制系统的研究包括了两个方面的内容：

（1）PLC自诊断过程：其中包括了通讯模块诊断数据和功能模块诊断数据；

（2）运行监测终端处理过程：其中包括了故障识别算法与故障解决方案。

图2关键技术流程

2.1PLC自诊断过程

PLC的自诊断数据是通过监测其运行状况的关键环节获取，按照模块种类划分为通讯模块诊断数据和功能模块诊断数据，分别进行研究。

图3PLC自诊断模块划分

对于通讯模块，通过计算网络模块中收到的数据帧数在自动化系统中进行自诊断：网络模块工作正常时，运行监测系统中显示数据帧持续计数；网络故障时，显示数据帧停止计数。

通讯模块自诊断的机理是对于不同网络的模块，其自诊断的机理大致相同，用以太网模块的自诊断模式为例，有以下几个步骤。

图4网络通讯模块自诊断机理图

(一)取出网络通讯模块内存中U0\G中的特殊寄存器到中间寄存器中：MOVU0\GK4M。

如果在设置中指定了第1路网络连接，则第1路网络连接每收到1帧数据，中间寄存器M收到一帧脉冲信号，第2路网络连接每收到1帧数据，中间寄存器M收到一帧脉冲信号，并以此类推。

(二)通过计算脉冲上升变化的INC指令，将第1路网络连接的脉冲变化统计给计数器C0，将第2路网络连接的脉冲变化统计给计数器C1，并以次类推。

(三)将统计第1路网络连接的计数器C0的数值赋值给数据寄存器D0：MOVC0D0，将统计第2路网络连接的计数器C1的数值赋值给数据寄存器D1：MOVC1D1，并以此类推。即把网络传输的数据帧变化转换为运行监测计算机可以识别的16bit格式数据。

对于功能模块，又可以分为智能功能模块和IO功能模块。其在自动化系统中的自诊断的原理，是通过读取特殊数据寄存器，并通过故障诊断表来自动给出诊断方案的。模块工作正常时，在运行监测系统中显示状态灯正常。

图5功能模块自诊断机理图

2.2运行监测终端与故障识别算法

不同的功能组合通过不同的自诊断方式获取故障诊断数据，再通过网络技术汇集来自不同功能组合的自诊断数据，由运行监测终端对各类型模块的自诊断数据进行汇总。

运行监测终端软件自动判断收到的诊断数据，通过数据帧、状态灯、状态数据的显示和回放，在诊断出故障时自动报错。并通过详细、完整的故障解决方案配置文件库，在诊断出故障的同时，系统可以自动给出故障解决方案。

图6运行监测终端诊断模式图

（1）通讯模块的诊断模式：网络帧实时计数显示，同时状态灯闪烁；发生故障时，状态灯显示报警颜色。

（2）功能模块的诊断模式：功能模块的自诊断数据来源于PLC中的特殊数据存储器（SD），自身已经带有故障ID标志，可直接进行ID标志的匹配。功能模块工作正常的ID标志为；异常时，根据不同的ID标志，查找配置数据库中故障ID指向的故障原因和解决方案。

（3）根据收到的自诊断数据与数据库配置文件匹配，实时定位到故障模块、再给出故障原因和解决方案。

3运行监测系统的工程应用与实现

远程监测系统计划应用在Φmm土压平衡C2型盾构掘进机中。盾构机内设4个PLC站，主站位于控制台、1#站位于1C柜、2#站位于2C柜、3#站位于拼装控制箱。运行监测系统需要通过软件实现，在运行监测软件中融合了数字显示、状态显示、数据保存、故障识别以及方案解决。

远程监测系统与盾构机内PLC之间采用VPN方式通信。由位于地上控制间内的PC终端通过OPC方式读取PLC内数据，并采用VPN透传的方式经过互联网将诊断数据发送至远程监测系统。

（1）通讯模块的运行状态监控为监测终端到盾

构控制PLC的网络段。当网络段正常时，各自显示数据帧计数和运行状态灯亮绿；反之，显示数据帧计数停滞和运行状态灯亮红。

（2）功能模块的运行状态监控包括了以下功能模块：监测PLC主站功能模块运行状态；监测PLC1#站功能模块运行状态；监测PLC2#站功能模块运行状态；监测PLC3#站功能模块运行状态。

当PLC各站工作正常时，PLC1到PLC4状态灯亮绿；反之，状态灯亮红。

（3）点击“故障ID匹配”按钮时，软件通过ID匹配算法查找数据库配置文件，并在“故障方案显示”区域给出故障的解决方案。

图7运行监测软件可视化界面

4结束语

本文对盾构机自动化控制系统的运行监测技术进行了研究，讨论了对盾构机控制系统进行实时运行监视的可视化软件和故障匹配算法的研究：即软件可以在远程自动化控制系统故障时进行定位故障、自动匹配故障ID、并给出故障解决方案。通过在盾构教练机的运行表明：该技术应用在实际排故工作中十分高效，将原来需要六到七小时的排故过程缩短为只需十几分钟，在市政、交通等基础设施建设工程方面有着重要意义。

《上海土木科技》（01）

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