盾構技術的介紹:為了滿足奧運工程北京地鐵五號線的隧道施工，我集團公司首先引進了德國海瑞克公司生產的土壓平衡盾構機（S-169）進行雍和宮至張自忠路區間的施工。土壓平衡盾構（Earth-Pressure-Balance 盾構，簡稱EPB盾構），特別使用于陶土、粘土、或淤泥含量高、滲水性差的粘性土層。在土壓盾構中，刀盤挖掘下的碎土添加適量的添加劑后用于支撐開挖面，以避免沉陷或隆起；在掘進過程中依據千斤頂的推力、出土量、掘進速度、土倉內土壓力來進行判斷，以便控制維持開挖面的平衡，然后拼裝襯砌環形成隧道。 一、S-169盾構機的結構 盾構機全長約60m，主體長約8.1m，S355J2G3鋼架，盾殼外徑6.19m，長7.550m， 主體部分主要有刀盤、拼裝機、螺旋輸送機；后配套有6臺臺車組成，分別裝有傳輸帶、工作電機及泵、變壓器、配電柜、漿罐、氣罐、空壓機；這兩大部分分別組成了刀盤驅動系統、推進系統、拼裝系統、出土系統、注漿系統、泡沫系統；另外還有盾尾密封系統、潤滑系統、超挖系統、齒輪油系統、工業水系統、冷卻系統。 二、S-169盾構機控制系統的要求 盾構機的主要動力是液壓驅動，如刀盤驅動、螺旋輸送機驅動、推進系統、拼裝系統等；輔以電驅動，如泡沫和膨潤土的變頻電機等；在施工過程中，油冷卻系統是所有含液壓工作系統的前提條件，其中刀盤系統的驅動又增加了水冷卻系統；為了保證安全及改善隧道的施工環境，又添加了瓦斯檢測系統和隧道通風系統；除了拼裝系統和超挖系統在各自的拼裝和超挖模式下運行，推進中的盾構機要同時運行其他所有的系統。 系統中由于需要很多監測的變量和大量的執行機構元件，則包含了大量的流量傳感器、行程傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器和少量變頻器、電動機以及大量的比例溢流閥、節流閥、比例調節閥等， 由于構成的系統龐大，該系統中需要很多的輸入輸出點，模擬量信號類型有4-20ma、1-10vDC、熱電阻等，為滿足施工工藝的要求，必須選用功能最強大的PLC產品作為控制系統，要求具有快速性、穩定性；無風扇運行與集中/分布式信號模板的熱插拔性；極為高效的組態與基于本產品和圖形工程工具的高級語言相結合；所有項目數據、程序原代碼和用戶專用數據存儲在CPU中；可以滿足自動化過程中的供電中斷和故障保護等特殊要求。 組態軟件為了能更好地與硬件兼容，要求選用相應PLC的專用組態軟件作為監控平臺，并能對一些涉及生命和設備安全的重要參數以多種形式報警，并具備自鎖控制；在施工生產過程中能將生產工藝過程動態顯示出來，包括設備圖形、數字量及模擬量；為了對歷史工藝進行分析和記錄及故障報警信息，須對歷史數據進行記錄，間隔時間可依據工藝需要而定；可以按照管理自動生成便于修改的各類報表；能將工藝參數以數字表、模擬表盤、棒圖、游標等形式顯示，刷新頻率可調整；能以一定的時間間隔將重要參數的工藝曲線以趨勢圖形顯示出來，相關的參數可以放在同一畫面上；可以對操作記錄、報警記錄和各種生產報表以漢字形式進行生成和打印。 三、 S-169盾構機控制系統方案 該控制系統包括三個層次：過程控制級、過程管理級、生產管理級。過程控制級通過控制單元傳感器和控制部件監控生產過程，同時接受操作信息，并向上層傳遞實時數據。過程控制級的所有信息將在過程管理機的操作站和工程師被監控，可完成如下功能：顯示、記錄、數據加工、報表輸出、配置控制回路和修改參數等。生產管理級是企業的生產管理信息系統，通過MPI網用RS485線傳輸與過程管理級建立聯系，監視施工過程中的相關數據和集成系統歷史數據，向下層發布生產指令。

1）、PLC 系統 依據隧道施工工程技術的要求，PLC主機要求選用冗余電源；現場操作控制與管理控制級形成網絡；PLC站要能接受監控計算機的時鐘同步信號來記錄和報送動作順序及故障事件；數字量和模擬量的I/O點數滿足控制工藝要求，并留有不少于20%的備用輸入輸出點；要能接受拼裝機旋轉角度檢測傳感器的絕對式編碼器；簽于以上要求，系統便采用了帶MPI接口和DP接口的CPU 414-2DP和1塊CP443-1（使用TCP/IP協議）通訊模塊，UR1 18槽機架，3塊PS407 10A電源，8塊SM431 8通道AI，4塊SM432 8通道AO和15塊SM421 32點DI，14塊SM422 32點DO，在模板之間使用了1塊IM460-3和2塊IM461-3接口模板。 PROFIBUS DP 網絡：它處理來自DP網絡中的傳感器或與從站中的模塊信息共享的功能，實現工廠自動化中現場級與單元級的通訊任務；對于系統中的拼裝機來說，工作中旋轉角度需要隨時檢測，并與系統中設定的限制值進行比較，保證在失電又恢復供電后，能記憶當前讀數，利用PROFIBUS DP接口的現場總線輸出，受外界的干擾小，傳感器的精度主要取決于編碼器的分辨率，它采用二進制編碼，可滿足了施工工藝的要求。 MPI網絡：與帶有MPI接口的設備，如S7-400、S7-300、S7-200的CPU和PC/PG以及TD/OP之間的通訊，MPI符合RS-485標準，具有多點通訊的性質，它的波特率設定為187.5kbps；在本系統中利用CP5611卡與MPI接口使過程管理級的VMT導向系統PC和生產管理級的工程師PC與PLC進行通訊，實時地從PLC中獲取相關施工數據，便于及時了解施工情況，采取相應的措施。 PID自動調節：系統利用標準的PID算法塊對過程參量進行調節，對于泡沫系統的自動控制來說，此功能在推進過程中，判斷刀盤扭矩的大小主要來調節泡沫的注入量，保證刀盤的良好運轉和排土的通暢性。 數據處理：SIMATIC S7-400具有數學運算（包括矩陣運算、函數運算、邏輯運算）、數據傳遞、轉換、排序和查表、位操作等功能，也能完成數據的采集、分析和處理。能實現施工中所有參數的相應處理，以達到系統要求來滿足客戶需要。 自診斷功能：系統中CPU可以檢測系統中的一個響應來自I/O模塊信號的硬件中斷、同步響應一個來自程序中指令的錯誤、異步響應CPU操作或模塊狀態異常等實時錯誤，并調用與錯誤相關的OB（組織模塊）來滿足施工中的各種需要。 2）、網絡：在眾多的現場總線協議中，PROFIBUS是目前唯一同時成為歐洲標準和中華人民共和國機械行業標準（JB/T 10308.3-200）以及國際標準（IEC61158）的現場總線，是最成功的現場總線之一，它是不依賴于生產廠家的、開放式的現場總線，各種各樣的自動化設備均可通過同樣的接口交換信息；SIMATIC S7通過PROFIBUS現場總線構成的系統，是一個很好的工廠自動化解決方案，它具有以下優點：PLC、I/O模塊、智能化現場設備可通過現場總線來連接；I/O模塊能安裝在傳感器和執行機構的附近；過程信號能就地轉換和處理；編程仍舊采用傳統的組態方式。PROFIBUS現場總線標準為工業現場級的自動化設備之間的高速數據通信提供了一個可靠的傳輸方案。作為一個開放的、標準化的體系，它由PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA、PROFIBUS-FMS三部分組成，系統中通過PROFIBUS DP下掛到現場過程控制級的拼裝機角度檢測傳感器上，通過MPI接口與VMT導向系統電腦和遠程的生產管理監控電腦進行通訊，在操作室中通過CP443-1通訊模塊與控制室操作員電腦建立工業以態網進行通訊；因此可以既滿足現場控制管理的要求，又可以滿足生產管理級的實時遠程監控。 四、S-169盾構機系統功能 （一）、SIMATIC S7-400 PLC系統： 模擬量輸入處理功能：利用模擬量輸入模塊將現場的模擬量轉換成過程值； 工藝參數信號的處理功能：對于模擬量通過相關信號處理的過程；如MTS系列的產品MK292卡，可以采集與處理千斤頂行程傳感器提供的信號，把它傳輸到PLC系統中，并顯示在屏幕上及控制面板上； 控制功能：能實現生產設備的順序連鎖控制和模擬參數的調節； 通信功能：利用本系統的DP、MPI接口和通訊模塊CP443-1把過程管理級、過程控制級和生產管理級聯系起來，實現雙向通信； 報警功能：對報警信號進行多種形式的處理，系統中有窗口顯示報警、紅色指示燈應答和聲音輸出（檢測CH4氣體含量超標的聲音輸出） 監視限制功能：為保障系統能在安全的前提下運行，防止各系統不超負荷運行或使系統處于非正常運行的工作環境中運行，極大地提高了設備的安全性 主從站擴展功能：考慮施工規模或環境改變等因素，可以在本系統的基礎上進行擴展，建立PLC從站，可實現施工要求改變后的控制需要。 （二）、監控系統： 地下控制室監控操作系統：地下控制室使用的是適用于工業以態網TCP/IP協議的D-Link De-528 Enthernet接口卡與PLC系統中的通訊模塊CP443-1連接，達到與PLC通訊的目的，采用西門子的專用組態軟件Windows Control Center（簡稱Wincc），可以按照系統工藝流程和要求設計建立控制組態操作界面、報警顯示與報警組態、流程圖組態、歷史數據記錄和維護、實時數據顯示；并且用鼠標和鍵盤按照施工要求實現參數調節、數據輸入和目標值設定等，它是過程控制級與生產管理級的根本區別。 地面監控室系統：地面監控系統是使用Paradox 9軟件，它提供了地下監控室組態軟件除修改施工工藝參數功能外的所有功能，而且又增加了歷史數據的記錄和維護、報表組態、重要參數的趨勢顯示（相關參數可同時顯示）、打印功能。 （三）、VMT導向系統：按照隧道工程的設計軸線，將施工工藝過程以圖形形式動態顯示坐標系中，并從PLC獲得相應的數據進行相應的處理得出施工過程中需要的工藝數據（如盾尾間隙、管片選型等）。 五、結束語 該控制系統中的硬件和軟件配置先進，采用了西門子生產的工業控制設備，如西門子的S7-400PLC、兼容產品WINCC組態軟件等。在繁忙的施工生產中通過自己的摸索學習、進一步的體會，漸漸對本系統中有了深入的了解。 系統是目前國內較大的應用西門子產品的隧道工程施工生產系統，它自投產以來，運行可靠，工程質量好，為公司帶來了可觀的經濟效益。 參考文獻 a) 鄭晟 鞏建平 張學，《現代可編程序控制器原理與應用》，北京：科學出版社，2003.4 b) 王