基于单片机的盾构推进控制系统的研究

控制援　０ＯＮＴＲＯＬ　Ｔ　ｅ朔　Ｏ｝　Ｏ　Ｖ　基于单片机的盾构推进控制系统的研究　何平，李万莉　同济大学机械电子研究所，上海２ＯＯＯ９２）　［摘要］根据盾构推进系统控制的特点，提出＿ｒ蝤于　片机１＇８７Ｃ５２Ｘ２的推进控制系统，Ｊｉ：应用芯片　ＧＭ８１　５４解决ｒ浚系统Ｉ／（）／ｆ　址的问题，最后给出了祜个系统的软艘件的没计。　［关键词］盾佝饥；推进拧制系统；　：片ＧＭ８１６４；Ｉ　（）扩展　［中图分类号］Ｕ４５５．４３　［文献标识码］Ｂ　［文章编号］ｉ００１—５５４Ｘ（２（）（）６）１２　００９０　０４　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｔｈｒｕｓｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｓｈｉｅｌｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｓｉｎｇｌｅ－ｃｈｉｐ　ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ　ＨＥ　Ｐｉｎｇ，Ｉ　１　Ｗａｎ　ｌｉ　为了加快盾构同产化进程，本文对　经　构饥推进时，所有三位四通电磁换向阀７均处在右　海一、＿＿Ｊ－号地铁施＿］　建设中使用过的法囡ＦＣＢ公　位推进ＩＩ　作状态，推动液压缸４、５的活塞杆向前　司　．３４ｍ土　平衡盾构机进行研究、分析、改　运动。推进过程中，液　缸５中的内置式位移传感　造。该机具有机械化稗度高、开挖面稳定、掘进　器实时检测推进位移，并转换成电信号反馈到比　速度快、作业安全等特点，适用寸　各种粘性地层、　例ｉ培４速阀２的比例电磁铁上，控制比例调速阀中的　砂性地层、砂砾地层。盾构机本体的长度为　节流几开度，从而实现推进速度的实时控制，此　６５４０ｍｍ，最人推进力为３３．３２ｋＮ，推进速度为　时系统中多余的流疑可从比例溢流阀１中流出。为　３ｃｍ／ｍｉｎ。其中，推进系统是盾构机的・个关键部　了实现姿态调整，还必须实时控制推进压力，此　分，也是其主要的工作部件。推进液压系统的协　时口Ｊ　由压力传感器６检测液压缸的推进压力，转换　调动作町以使盾构掘进机保持合适的姿态，是盾　成电信号反馈到比例溢流阀的比例电磁铁上，控　构掘进机能够沿着没计路线方向准确向前推进的　制比例溢流阀的　流口丌度来实现。当快速　退　前提。目前，大多盾构机都是采用ＰＩ　Ｃ对其系统　时，二位　通电磁换向阀９得电，比例渊速阀短　进行控制，控制这种厅式需要大量的ＰＩ　（　，造成　路，系统采用大流茸供油，此时　位网通电磁换　布线复杂、价格昂贵的缺点。本文采用　片机＋　向阀切换到左位Ｔ作状态，推动液压缸的活塞杆　ＣＡＮ总线对其推进液压系统进行研究分析。　快速回退，以满足管片拼装的要求。　１　推进液压系统的基本工作原理　分组中的压力传感器和位移传感器与比例溢　流阀和比例调速阀构成压力流量复合控制，可实　盾构掘进机的推进液压系统比较复杂。属Ｊ　时摔制推进液压缸的推进压力及推进速度。在推　变负载、大功率、小流量的应用场合。该系统采　进过稗巾，土　平衡受到诸多凶素的影响，为了　用推进液压缸分组控制技术对盾构的掘进　‘向进　尽可能地达到土仓内外的压力平衡，采用开环比　行控制及纠偏，即将３２个（１６对）推进液厩缸分　例压力控制系统实现无级调速，为系统提供合适　成Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ　４组（其中Ａ、Ｃ组各４对液压　的压力，避免ｒ系统升压、降压等变换点阶跃变　缸，ｎ组３对液压缸，Ｄ组５对液压缸）；并对每　化引起的压力冲击和运动不平稳。同时，比例调　组分别调整，以完成推进工作，从『ｌＥ『ｉ在符合实际　工作要求的前提下，达到控制成本、简化结构的　［收稿日期］２００６一Ｏ４　１４　日的。其＿Ｔ作原理如图１所示（以八组为例），盾　［通讯地址］何平，上海市四平路１２３９号　建玩札械２００６．１　２（Ｌ＠Ｈ刊）　维普资讯 http://www.cqvip.com

进出　油油　口Ｕ　１．比例溢流阀２比例调速阀３．平衡阀４液　缸：５液　缸（带｛　他感器），　６．　传感器７　．三位用通换向阀８液　锁９，■ｆ　二通换向阀　图１　推进液压系统原理图　速阀在满足一定速度时保证系统工作压力较低，　构庞大，增大系统ＰＣＢ布线面积，成本高，而且　减小功率损失，降低　发热量，大大提高了牛产　可靠性下降；　（２）采用移位寄仔器，如采用多片　效率和设备性能。　７４１７４、７４１６５等，这类芯片的输出一般不带锁存，　２　推进控制系统的硬件设计　在大部分场合不适用，同时也存在扩展片数多等缺　点；（３）采用Ｉ２Ｃ总线的芯片，如使用ＰＣＦ８５７４　盾构机推进液压系统的控制系统采用以＿Ｌ控　扩展Ｉ／ｏ等，这种方法价格贵、速度慢，对没有　机为上位机、以Ｐ８７Ｃ５２Ｘ２系列单片机为下位机的　Ｉ２Ｃ总线接ＬＩ的ＣＰＵ，在设计时也带来不便。　方式，因考虑到盾构机控制系统非常复杂，节点　本文采用成都国腾集团公司自主开发的芯片　模块较多，因而上位机与下位机采用ＣＡＮ总线连　ＧＭｇ１６４，可较好地解决这些问题。ＧＭｇｌ６４可提　接，有利＿ｌｊ　各个节点的通信。　供多达３２位并行输入口和４（）位并行输出口，且输　２．１扩展芯片的选用　出口中有８个（）Ｃ门输出，方便了电平转换和驱　根据上述液压系统的分析，整个液压系统存　动；ＧＭ８１６４允许级联，可实现Ｉ／（）任意扩展；　在着大量的开关量信号，如压力传感器、位移传　还具有宽工作电压范围（２．７～５．６Ｖ）、低功耗、　感器、电磁阀线圈等。但是，在Ｐ８７Ｃ５２Ｘ２系列的　速度快（可达１ＭＨｚ的全速率同步串行接口，非常　单片机中，Ｐ（）［Ｊ可作低８位地址的输出口，Ｐ２口　方便和通用ＭＣＵ接　）、封装小、成本低等优点，　可作高８位地址的输出口，Ｐ３　ｕ是一个具有特殊　可广泛应用ｆ需要实现大扩展口的各领域，如ＩＣ　功能的第二功能口，真正意义上只有Ｐ１口是普通　卡话机、安防系统、　业控制等。ＧＭ８１６４串行Ｉ／　Ｉ／Ｏ输入、输出几。　（）扩展芯片具有扩展１　（）数量多，占用（　ＰＵ硬件　由于Ｐｇ７Ｃ５２Ｘ２单片机Ｉ／（１）有限，所以有必要　资源少、接口电路与控制时序简单等特点，町方　对其Ｉ／ｏ进行扩展。目前，通常采用以下３种方法　便地应用于各种需要较多Ｉ／Ｏ口的系统。　来完成：（１）扩展通用并行ＬＩ　Ｉ／Ｏ　邕：片，如８２５５、　ＧＭ８１６４内部功能框图如图２所示，主要由施密　剐５５、以及７４系列中的锁存器触发器等，不仅结　特触发器、移位寄存器、输出允许锁存器等组成。　建诧札械２００６．Ｉ２（上半月刊）　９１　维普资讯 http://www.cqvip.com

控卷ｌ技　ｅＯＮＴＲＯＬ　１‘　０“ＮＯＬＯＧＹ　已建立的电平。利用Ｉ　Ｅ的这一控制特点，可实现　（）（）一（）３９同时输出的功能，且在移位过程中不影响　输　口的状态。　④级联工作方式：当用户系统昕需要的输　入输出口数量较少时（如分别少于１６个），可以只　使用１（）一Ｉ１５、（）（）一（）Ｉ　５，此时ＤＯＵＴＡ则町作为　串行数据输出端。而当系统需要的Ｉ／Ｏ【］数量很　多时，则可通过ｒ）（）ＵＴＣ再级联・片ＧＭ８１６４芯　图２　ＧＭ８１６４功能框图　片，以扩展Ｉ／Ｏ数量。　２．２　控制系统的电路图　（１）Ｉ／Ｏ引脚。ＩＮ（）一ＩＮ３１为异步并行数据输　图３所示为控制系统硬件电路的原理示意图，　入端（带施密特触发器）（）ｕＴ（）一ＯＵＴ３９为并行　Ｆ｝１图可看出该电路由３部分组成：成都国腾集团公　数据输出端（００—０７带（）（　门输出，耐压值　司自丰开发的带有３２位输人口和４（）位输出口的芯　１５Ｖ）。　片ＧＭ８１６４，内带８Ｋ　ＦＩ　ＡＳＨ的ＰＨＩＩ　ＩＰＳ公司的　（２）支撑信号。ＤＩＮ为同步串行数据输入端；　微控制器８７Ｃ５２Ｘ２和四选一开关芯片７４ＨＣ４０５２。　Ｄ（）ＵＴＡ（１６位）、ＤＯＵＴＢ（３２位）、ＤＯＵＴＣ　其中芯片ＧＭ８１６４中ＩＮ（）一ＩＮ３２是各种传感器信　（４０位）为同步串行数据输出端；ＣＩ　Ｋ为时钟输　号输入口，而ＯｕＴ（）ＯＵＴ４０是各种控制信号的　入端；Ｉ／Ｏ为串行／并行数据输入允许端；Ｉ　Ｆ为　输出Ｌ１。　００　０３９并行数据输出锁存控制端；０Ｃ为（）（）　单片机８７Ｃ５２Ｘ的Ｐ１．２、Ｐ１．３、Ｐ１．４分别与　０３９并行数据输出允许控制端。　芯片ＧＭ８１６４的Ｉ／Ｏ控制、锁存控制Ｉ．Ｅ和高阻输　（３）电源供给。电源ＶＣＣ、地ＧＮＤ。　出控制口ＯＣ相连。其中芯片７４ＨＣ４０５２负责选取　（４）丁作方式。　芯片ＧＭ８１６４的工作方式，同时不影响单片机串　①并行输入／串行输出工作方式：　！Ｉ　Ｅ和　行通信。Ｐ１．（）、Ｐ１．１口实现Ａ、Ｂ通道的选择，　ＯＣ置为“０”，当Ｕｏ为“１”时，并行置数，即并　当Ｐ１．１Ｐ１．（）＝（）（）时选择串行输入／并行输出；　行数据从Ｔ（）一Ｉ３１输入至内部寄存器，然后将Ｕｏ　Ｐ１．１　Ｐ１．（）＝（）１时选择并行输入／串行输出；　端清“０”，在ＣＰＵ输出指令时钟ｃＩ～　升沿作　Ｐ１．１　Ｐ１．（）＝１（）时为串Ｌｌ通信功能；Ｐ１．１　Ｐ１．（）：　用下，内部寄存器数据从串行数据输出端　１１时禁Ｌｌ：所有功能。　Ｄ（１）ＵＴＡ，或ＤＯＵＴＢ，或Ｄ０ＵＴＣ端输出。　②串行输入／并行输出　作方式：在（）Ｃ为　“０”，ＬＥ为“Ｉ”时，当１／（）为“（）”时．并行数　据输入口Ｉ（）一Ｉ３１为高阻态。在ＣＰＵ输出指令时　钟ｃＬＫ上升沿作用下，串行数据从Ｄ１Ｎ口输入，　且在内部寄存器完成数据从低位向高位移动，串行　输人数据从００—０３９并行输出。　图３　控制系统原理图　③并行输出口受输出允许控制端ＯＣ和输出　锁存控制端Ｉ　Ｅ控制方式：当ＯＣ为“１”时，输出　推进控制系统的软件设计　口００—０３９为高阻态，禁止并行数据输出，但芯片　推进控制系统的软件设计包括４部分：ＣＰＵ　的串行输入、并行置数及串行输出功能不受影响；　初始化、并行输入／串行输出　程序、串行输入／　当ＯＣ为“（）”时，输出口００一（）３９受ＬＥ信号控　并行输出子程序、控制程序。软件的设计思想是　制。即１　Ｅ为“１”时，（）（）一０３９输出内部数据寄　系统上电后先对Ｐ８７Ｃ５２Ｘ２单片机进行初始化，确　存器内的数据；Ｉ　Ｅ为“０”时，（）（）一０３９被锁存在　定串几通信波特率，设定通信模式和中断触发类　建冠礼拭２００６．１２（卜半月ＩＩ）　维普资讯 http://www.cqvip.com

上下限的值，控制程序除＿『电机启停、电磁铁线　圈信号外，还包括在推进过程中压力流量复合控　制程序。　４　结语　本文采用Ｐ８７Ｃ５２Ｘ２　片机对盾构推进控制系　统设计和分析，其中扩展芯片ＧＭ８１６４得到较好　的应用，解决了Ｉ／Ｏ数量少、占用　片机ＣＰＵ资　源多的问题；并且能够很好地与ＣＡＮ　ｅｄ，线模块进　行通信，克服了原有ＰＩ　ｃ主从控制方式不灵活的　缺点；同时解决了ＰＩ　ｃ布线复杂、造价昂贵等问　题。本系统经反复的模拟试验验证其具有ｎ　靠性　和可操作性，也有利于调试和维修，为盾构国产　化提供一种可行的方案。　［参考文献］　［１］李敏，盂　．带人量１／Ｏ¨扩展的串行　片ＧＭ８１６４　及其应用［Ｊ］．新器什的　用，２００２，（５）　［２］杨扬，龚国芳，胡国良，杨华勇．ＰＬＣ住模拟盾构推　图４　主程序框图　进液压系统中的应用［Ｊ］　液压与气动，２００５，（５）．　型，然后再对ＧＭ８１６４初始化以确定系统的工作　［３］庀欠伟，焦围芳，杨华勇．盾构机推进系统分析＿Ｊ］　模式、中断方式等，整个主程序框图如图４所示。　液　与气动，２Ｏ０４，（４）．　露　其中ＣＰＵ初始化包括各油缸压力、位移、速度的　［责任编缉：胡方华］　（上接第８３页）　行正常”。　处理故障信息时，采取了故障编码、排队技　术。首先对所有显示信息进行ＡＳＣ编码，出现故　４结束语　障时，ＰＩ　ｃ端程序通过传送指令将相应编码传送　通过ＰＩ　Ｃ和触摸屏的结合，充分克服了单片　给触摸屏。触摸屏端编程采用信息列表控件，将　机　继电器控制系统的可靠性低、故障率高、　编码值指向的故障信息调出显示。　维护困难等缺点，使系统结构简洁、紧凑，提高　设备有时会同时出现２个以上故障，而基于　了控制程序和人机界面的灵活性。由于触摸屏作　ＰＩ　Ｃ程序顺序执行的特点，屏幕只能显示最后执　为显示终端，可随时将没备的当前状态及故障信　行的那条指令的编码故障。因此，根据故障的急　息用汉字直观显示，便于操作人员掌握设备状态，　缓程度，进行优先级排队，将最紧要故障的判　快速处理故障。同时，由Ｊ：省去了大量的现场按　断，安排为最后一条指令，依次前推。当多故障　钮、指示灯等易损器件，使连线简化，系统的日丁　同时出现时，显示最高级别故障的信息，紧急故　靠性大为提高。　嚣　障处理完毕，会自动显示次ｒ・级故障信息。设备　无故障时，显示优先级最低的信息，即“设备运　［责任编辑：田利芳］　建冠机械２００６．１２（　半月刊）