摘 要：隨著隧道的開挖技術(shù)日益成熟，盾構(gòu)法隧道施工帶來的技術(shù)革新和技術(shù)效益正在凸顯。在各種盾構(gòu)機(jī)中，土壓平衡盾構(gòu)機(jī)是盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的一種，在其工作過程中會(huì)引起土體擾動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成地表開裂和建筑物傾斜等事故。本文主要為避免土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)在推進(jìn)過程中因出土量的過多或者過少引起的超挖或欠挖導(dǎo)致地面隆起或塌陷等情況，設(shè)計(jì)了土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)土傳送帶控制系統(tǒng)，通過STM32F103RCT6單片機(jī)進(jìn)行傳送帶控制，能夠?qū)崿F(xiàn)傳送帶單閉環(huán)PID（比例、積分、微分）控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過Modbus485串口進(jìn)行發(fā)送和讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行傳送帶的速度，最終實(shí)現(xiàn)傳送帶轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。

關(guān)鍵詞：土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)；STM32單片機(jī)；PID閉環(huán)控制；Modbus485串口

1 背景

為了緩解人口增加所造成的交通擁堵問題，城市的輕軌和地鐵建設(shè)加快了進(jìn)程。其中，地下空間開發(fā)尤為重要。地下軌道交通不僅可以均衡人口矛盾，減少污染，同時(shí)對(duì)實(shí)現(xiàn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展有著重要意義。

土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)作為地鐵隧道施工的主要設(shè)備，在施工過程中，可能會(huì)出現(xiàn)超挖和欠挖等狀況。例如城市道路中突然出現(xiàn)地面空洞，對(duì)城市安全生活產(chǎn)生了很大影響，渣土流量監(jiān)測能夠預(yù)防超挖和欠挖，所以對(duì)渣土流量的檢測便成為了重中之重。在各種盾構(gòu)機(jī)中，土壓平衡盾構(gòu)是盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的一種，在其工作過程中會(huì)引起土體擾動(dòng)，從而改變地層的應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)而造成地表變形，當(dāng)變形過大時(shí)會(huì)引發(fā)地表開裂、地面建筑物傾斜等施工事故。由于土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)在推進(jìn)過程中因出土量的過多會(huì)這過少引起的超挖或欠挖導(dǎo)致地面隆起或塌陷等情況，因此得到精確的渣土的流量迫在眉睫。在以往的渣土流量檢測中，普遍采用測量重量的方法，但由于渣土密度多變，致使測量流量得到的測量值與真實(shí)值比較具有較大誤差，故引入激光三維檢測技術(shù)。本文采用了對(duì)電機(jī)速度進(jìn)行控制，使其以一個(gè)恒定速度轉(zhuǎn)動(dòng)，從而對(duì)渣土流量進(jìn)行測量，該方法具有高效率， 高精度且可實(shí)時(shí)監(jiān)測的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)的渣土流量測量系統(tǒng)具有重要的意義。

2 系統(tǒng)總體方案

本文首先將帶有編碼器的電機(jī)中，編碼器 A 相引腳與單片機(jī) PA0 相連，將 PWM（脈沖寬度調(diào)制）輸出引腳與單片機(jī)PB5相連，從而使單片機(jī)正?？刂齐姍C(jī)旋轉(zhuǎn)，將單片機(jī)串口通過 Modbus485 串口進(jìn)行通信，能夠通過上位機(jī)對(duì)電機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送與輸入，對(duì)電機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步控制。

2.1 硬件總體方案

根據(jù)設(shè)計(jì)需要，需構(gòu)建如圖 1 所示調(diào)速系統(tǒng)。系統(tǒng)的主電路主要由電源模塊、控制器、驅(qū)動(dòng)放大模塊、測量反饋、激光雷達(dá)、威綸通構(gòu)成。其中電源模塊一方面實(shí)現(xiàn)對(duì)控制器單片機(jī)系統(tǒng)提供直流電源，同時(shí)為驅(qū)動(dòng)模塊提供電源；測量反饋電路不僅可以對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行測速，而且可以作為輸入信號(hào)反饋給控制器；顯示模塊實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，更好地反映了直流電機(jī)的速度變 化過程。系統(tǒng)原理圖如圖 2 所示。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)硬件采用的方案如下。硬件部分實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速功能，包括：STM32F103RCT6 控制器、直流電機(jī)模塊、供電模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、編碼器、激光雷達(dá)、威綸通。

2.2 軟件總體方案

系統(tǒng)的軟件主程序流程圖如圖 3 所示。軟件部分實(shí)現(xiàn)功串口通信功能，主要設(shè)計(jì)思想是能夠通過 32 單片機(jī)串口進(jìn)行輸出電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)情況，其次能夠通過串口助手向單片機(jī)發(fā)送轉(zhuǎn)速指令，使電機(jī)轉(zhuǎn)速能夠調(diào)節(jié)至設(shè)定的目標(biāo)值。首先啟動(dòng)電源，通過 Modbus485 串口發(fā)送目標(biāo)轉(zhuǎn)速，則 PID 控制器發(fā)出 PWM 信號(hào)，若此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速有偏差，則 PID 控制器會(huì)根據(jù)偏差重新發(fā)送 PWM 信號(hào)，進(jìn)行電機(jī)控制，直至電機(jī)轉(zhuǎn)速等于目標(biāo)轉(zhuǎn)速。

3 電機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路

根據(jù)設(shè)計(jì)要求和硬件總體結(jié)構(gòu)可知，系統(tǒng)硬件選型主要包含以下部分：直流電機(jī)，作為調(diào)速系統(tǒng)的被控對(duì)象，選用帶編碼器的 GA12-N20 電機(jī)；選用 L7809 穩(wěn)壓模塊給直流電機(jī)供電；選用 STM32F103RCT6 作為核心控制器；選用 L298N 作為驅(qū)動(dòng)模塊。上位機(jī)選用威綸通，激光雷達(dá)。

3.1 USB模擬串口電路設(shè)計(jì)

使用 USB-TTL 串口，通過串口助手，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，串口電路設(shè)計(jì)如圖 4 所示。

3.2 驅(qū)動(dòng)模塊電路設(shè)計(jì)

B6612FNG 每通道輸出最高連續(xù)驅(qū)動(dòng)電流為 1 A，啟動(dòng)峰值連續(xù)脈沖電流可以達(dá)到 2 A，啟動(dòng)峰值單脈沖電流可以達(dá)到 3 A。電機(jī)控制模式有 4 種分別是：正轉(zhuǎn)模式、反轉(zhuǎn)模式、制動(dòng)模式、停止模式。TB6612FNG 驅(qū)動(dòng)模塊結(jié)構(gòu)示意圖如圖 5 所示。

3.3 控制器的選型

控制器可選用 STM32F103RCT6 單片機(jī)作為主控制器，較好的完成了目標(biāo)要求。系統(tǒng)原理圖如圖 6 所示。

3.4 激光雷達(dá)模塊設(shè)計(jì)

激光雷達(dá)模組用于將十個(gè)傳感器進(jìn)行固定，本文制作了一塊固定傳感器的電木板，這塊電木板的制作流程則是先查閱傳感器上面各個(gè)位置的尺寸，從而進(jìn)行繪圖，并定好每個(gè)傳感器之間的間距、邊框的大小以及板子的材質(zhì)和厚度等。再通過螺絲使傳感器固定在上面，從而可以實(shí)現(xiàn)傳感器之間距離相等，高度一致，使渣土流量的測量更加精確。

最終需要固定一個(gè)框架，長寬高分別為 46 cm， 44 cm，23 cm，該框架實(shí)物如圖 7 所示，將傳感器以及各種裝置固定在這個(gè)框架中，完成整個(gè)裝置，從而實(shí)現(xiàn)渣土流量的測量，最后，通過 Type-c 接口的 USB 視頻采集卡連接威綸通 HMI 的 HDMI 接口，通過手機(jī)的顯示屏進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，其中數(shù)據(jù)就包括渣土的流量以及各種傳感器參數(shù)。

3.5 PCB版模塊

由于皮帶機(jī)通常在惡劣的環(huán)境下進(jìn)行工作，需要將傳感器穩(wěn)定連接，因此需要制作 TF-mini-i 傳感器專用 Modbus 總線集線器。本文設(shè)計(jì)了集線器 PCB 板，這塊 PCB 板需要通過軟件畫出，然后進(jìn)行制作，其中這塊 PCB 板上面有 10 個(gè)插件，這種插件為直腳插座連接器接插件，間隙為 1.25 mm，一個(gè)小的插件上有六個(gè)直針，用于連接傳感器。共需要 10 個(gè)插件，連接 10 個(gè)傳感器。并且這塊 PCB 板還要有一個(gè)接線端子，在板子內(nèi)部與 10 個(gè)插件相連，用于后續(xù)連接其他裝置。通過這塊 PCB 板子實(shí)現(xiàn) 10 個(gè)紅外傳感器與威綸通 HMI 的連接。最終集線器 PCB 板實(shí)圖如圖 8 所示。

3.6 硬件整體結(jié)構(gòu)

將威綸通與 TF-mini-i 激光雷達(dá)模組進(jìn)行連接，并接通電源，將整個(gè)裝置置于組裝的框架上，進(jìn)行固定，將電機(jī)與模擬的渣土模型相連接，并通過零件進(jìn)行固定，使電機(jī)能夠帶動(dòng)模擬的渣土模型轉(zhuǎn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)完成整個(gè)裝置的連接，該系統(tǒng)的硬件整體結(jié)構(gòu)實(shí)物圖如圖 9 所示。啟動(dòng)電機(jī)，將上方檢測裝置接通電源，最終實(shí)現(xiàn)土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)渣土流量測量系統(tǒng)。

4 系統(tǒng)軟件編程

軟件部分實(shí)現(xiàn)功串口通信功能，主要設(shè)計(jì)思想是能夠通過 32 單片機(jī)串口進(jìn)行輸出電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)情況，其次能夠通過串口助手向單片機(jī)發(fā)送轉(zhuǎn)速指令，使電機(jī)轉(zhuǎn)速能夠調(diào)節(jié)至設(shè)定的目標(biāo)值。首先啟動(dòng)電源，通過 Modbus485 串口發(fā)送目標(biāo)轉(zhuǎn)速，則 PID 控制器發(fā)出 PWM 信號(hào)，若此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速有偏差，則 PID 控制器會(huì)根據(jù)偏 差重新發(fā)送 PWM 信號(hào)，進(jìn)行電機(jī)控制，直至電機(jī)轉(zhuǎn)速等于目標(biāo)轉(zhuǎn)速。

電機(jī)控制系統(tǒng)由 STM32F103RCT6 主控板、電機(jī)和編碼器組成。脈沖寬度調(diào)制技術(shù)簡稱 PWM 技術(shù)，就是用調(diào)制脈沖寬度的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓序列，從而改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。由其原理可知，一段時(shí)間內(nèi)加載負(fù)載兩端的的 PWM 脈沖與相等時(shí)間內(nèi)加載負(fù)載上脈沖相等的直流電壓等效，那么在時(shí)間 T 內(nèi)脈沖寬度為 t，幅值為 U，其等效直流電壓為：

基于威綸通 HMI 和 Modbus 通信的現(xiàn)場總線式傳感器數(shù)據(jù)讀取，通過紅外傳感器測量模擬渣土泡沫的距離，在軟件界面圖上顯示出來，同時(shí)使用電腦連接 STM32 單片機(jī)，可以通過 Easy Builder Pro 軟件對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。Easy Builder Pro 軟件程序如圖 10 所示。

5 系統(tǒng)調(diào)試和結(jié)果分析

基于威綸通 HMI 和 Modbus 通信的現(xiàn)場總線式傳感器數(shù)據(jù)讀取，通過紅外傳感器測量模擬渣土泡沫的距離，在軟件界面圖上顯示出來，同時(shí)使用電腦連接 STM32 單片機(jī)，可以通過 Easy Builder Pro 軟件對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。通過 Modbus 協(xié)議串口 485 進(jìn)行串口通信，本文獲取調(diào)試數(shù)據(jù)，如表 1 所示。

由上所得測試表可知，當(dāng)單片機(jī)通過串口接收到轉(zhuǎn)速為 5 轉(zhuǎn) / 秒時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速開始調(diào)節(jié)，數(shù)據(jù)如圖 11 所示。

上述數(shù)據(jù)經(jīng)過 Matlab 進(jìn)行仿真后，可得出如下曲線示意圖。

如圖 12 所示，可觀察到通過串口發(fā)送目標(biāo)轉(zhuǎn)速后，電機(jī)轉(zhuǎn)速開始調(diào)節(jié)，最終到達(dá)目標(biāo)穩(wěn)定值。

基于威綸通 HMI 和 Modbus 通信的現(xiàn)場總線式傳感器數(shù)據(jù)讀取，通過紅外傳感器測量模擬渣土泡沫的距離，在軟件界面圖上顯示出來，同時(shí)使用電腦連接 STM32 單片機(jī)，可以通過 Easy Builder Pro 軟件對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。

在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，雷達(dá)傳感器可以測得轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)泡沫的距離。通過泡沫距離計(jì)算在瞬時(shí)時(shí)刻的橫截面積?？刂齐姍C(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，某一時(shí)刻時(shí)雷達(dá)傳感器測量距離為如圖 13 所示。

6 結(jié)語

為避免土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)，在推進(jìn)過程中因出土量的過多、過少引起的超挖或欠挖導(dǎo)致地面隆起或塌陷等情況，設(shè)計(jì)了土壓平衡式頓機(jī)構(gòu)渣土傳送帶控制系統(tǒng)，通過 STM32F103RCT6 單片機(jī)對(duì)傳送帶進(jìn)行控制，能夠?qū)崿F(xiàn)傳送帶單閉環(huán) PID 控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，并且能夠通過串口進(jìn)行發(fā)送和讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行傳送帶的速度，最終實(shí)現(xiàn)傳送帶轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。

但是由于驅(qū)動(dòng)原因，當(dāng)給電機(jī)阻力時(shí)，驅(qū)動(dòng)無法輸出更高的電壓給電機(jī)，致使電機(jī)速度無法被調(diào)節(jié)，因此可以通過換一個(gè)性能更好的驅(qū)動(dòng)來進(jìn)一步改善實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

(注：本文轉(zhuǎn)載自《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年9月期)