皮帶機渣土流量控制系統(tǒng)

摘 要：隨著隧道的開挖技術日益成熟，盾構法隧道施工帶來的技術革新和技術效益正在凸顯。在各種盾構機中，土壓平衡盾構機是盾構掘進機的一種，在其工作過程中會引起土體擾動，嚴重時會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機在推進過程中因出土量的過多或者過少引起的超挖或欠挖導致地面隆起或塌陷等情況，設計了土壓平衡式盾構機土傳送帶控制系統(tǒng)，通過STM32F103RCT6單片機進行傳送帶控制，能夠實現(xiàn)傳送帶單閉環(huán)PID（比例、積分、微分）控制電機轉速，通過Modbus485串口進行發(fā)送和讀取數(shù)據(jù)進行傳送帶的速度，最終實現(xiàn)傳送帶轉速閉環(huán)控制。

關鍵詞：土壓平衡式盾構機；STM32單片機；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加快了進程。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，同時對實現(xiàn)社會可持續(xù)發(fā)展有著重要意義。

土壓平衡式盾構機作為地鐵隧道施工的主要設備，在施工過程中，可能會出現(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，對城市安全生活產生了很大影響，渣土流量監(jiān)測能夠預防超挖和欠挖，所以對渣土流量的檢測便成為了重中之重。在各種盾構機中，土壓平衡盾構是盾構掘進機的一種，在其工作過程中會引起土體擾動，從而改變地層的應力狀態(tài)，進而造成地表變形，當變形過大時會引發(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機在推進過程中因出土量的過多會這過少引起的超挖或欠挖導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值比較具有較大誤差，故引入激光三維檢測技術。本文采用了對電機速度進行控制，使其以一個恒定速度轉動，從而對渣土流量進行測量，該方法具有高效率， 高精度且可實時監(jiān)測的優(yōu)點，對土壓平衡式盾構機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中，編碼器 A 相引腳與單片機 PA0 相連，將 PWM（脈沖寬度調制）輸出引腳與單片機PB5相連，從而使單片機正?？刂齐姍C旋轉，將單片機串口通過 Modbus485 串口進行通信，能夠通過上位機對電機進行數(shù)據(jù)發(fā)送與輸入，對電機進行進一步控制。

2.1 硬件總體方案

根據(jù)設計需要，需構建如圖 1 所示調速系統(tǒng)。系統(tǒng)的主電路主要由電源模塊、控制器、驅動放大模塊、測量反饋、激光雷達、威綸通構成。其中電源模塊一方面實現(xiàn)對控制器單片機系統(tǒng)提供直流電源，同時為驅動模塊提供電源；測量反饋電路不僅可以對直流電機進行測速，而且可以作為輸入信號反饋給控制器；顯示模塊實現(xiàn)人機交互，更好地反映了直流電機的速度變 化過程。系統(tǒng)原理圖如圖 2 所示。

根據(jù)設計要求，系統(tǒng)硬件采用的方案如下。硬件部分實現(xiàn)控制電機轉速功能，包括：STM32F103RCT6 控制器、直流電機模塊、供電模塊、驅動模塊、編碼器、激光雷達、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。軟件部分實現(xiàn)功串口通信功能，主要設計思想是能夠通過 32 單片機串口進行輸出電機轉速調節(jié)情況，其次能夠通過串口助手向單片機發(fā)送轉速指令，使電機轉速能夠調節(jié)至設定的目標值。首先啟動電源，通過 Modbus485 串口發(fā)送目標轉速，則 PID 控制器發(fā)出 PWM 信號，若此時電機轉速與目標轉速有偏差，則 PID 控制器會根據(jù)偏差重新發(fā)送 PWM 信號，進行電機控制，直至電機轉速等于目標轉速。

3 電機控制系統(tǒng)硬件電路

根據(jù)設計要求和硬件總體結構可知，系統(tǒng)硬件選型主要包含以下部分：直流電機，作為調速系統(tǒng)的被控對象，選用帶編碼器的 GA12-N20 電機；選用 L7809 穩(wěn)壓模塊給直流電機供電；選用 STM32F103RCT6 作為核心控制器；選用 L298N 作為驅動模塊。上位機選用威綸通，激光雷達。

3.1 USB模擬串口電路設計

使用 USB-TTL 串口，通過串口助手，實現(xiàn)單片機數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，串口電路設計如圖 4 所示。

3.2 驅動模塊電路設計

B6612FNG 每通道輸出最高連續(xù)驅動電流為 1 A，啟動峰值連續(xù)脈沖電流可以達到 2 A，啟動峰值單脈沖電流可以達到 3 A。電機控制模式有 4 種分別是：正轉模式、反轉模式、制動模式、停止模式。TB6612FNG 驅動模塊結構示意圖如圖 5 所示。

3.3 控制器的選型

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

3.4 激光雷達模塊設計

激光雷達模組用于將十個傳感器進行固定，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位置的尺寸，從而進行繪圖，并定好每個傳感器之間的間距、邊框的大小以及板子的材質和厚度等。再通過螺絲使傳感器固定在上面，從而可以實現(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。

最終需要固定一個框架，長寬高分別為 46 cm， 44 cm，23 cm，該框架實物如圖 7 所示，將傳感器以及各種裝置固定在這個框架中，完成整個裝置，從而實現(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，通過手機的顯示屏進行數(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

由于皮帶機通常在惡劣的環(huán)境下進行工作，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。本文設計了集線器 PCB 板，這塊 PCB 板需要通過軟件畫出，然后進行制作，其中這塊 PCB 板上面有 10 個插件，這種插件為直腳插座連接器接插件，間隙為 1.25 mm，一個小的插件上有六個直針，用于連接傳感器。共需要 10 個插件，連接 10 個傳感器。并且這塊 PCB 板還要有一個接線端子，在板子內部與 10 個插件相連，用于后續(xù)連接其他裝置。通過這塊 PCB 板子實現(xiàn) 10 個紅外傳感器與威綸通 HMI 的連接。最終集線器 PCB 板實圖如圖 8 所示。

3.6 硬件整體結構

將威綸通與 TF-mini-i 激光雷達模組進行連接，并接通電源，將整個裝置置于組裝的框架上，進行固定，將電機與模擬的渣土模型相連接，并通過零件進行固定，使電機能夠帶動模擬的渣土模型轉動，最終實現(xiàn)完成整個裝置的連接，該系統(tǒng)的硬件整體結構實物圖如圖 9 所示。啟動電機，將上方檢測裝置接通電源，最終實現(xiàn)土壓平衡式盾構機渣土流量測量系統(tǒng)。

4 系統(tǒng)軟件編程

軟件部分實現(xiàn)功串口通信功能，主要設計思想是能夠通過 32 單片機串口進行輸出電機轉速調節(jié)情況，其次能夠通過串口助手向單片機發(fā)送轉速指令，使電機轉速能夠調節(jié)至設定的目標值。首先啟動電源，通過 Modbus485 串口發(fā)送目標轉速，則 PID 控制器發(fā)出 PWM 信號，若此時電機轉速與目標轉速有偏差，則 PID 控制器會根據(jù)偏 差重新發(fā)送 PWM 信號，進行電機控制，直至電機轉速等于目標轉速。

電機控制系統(tǒng)由 STM32F103RCT6 主控板、電機和編碼器組成。脈沖寬度調制技術簡稱 PWM 技術，就是用調制脈沖寬度的方法，把恒定的直流電源電壓調制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓序列，從而改變平均輸出電壓的大小，以調節(jié)電機轉速。由其原理可知，一段時間內加載負載兩端的的 PWM 脈沖與相等時間內加載負載上脈沖相等的直流電壓等效，那么在時間 T 內脈沖寬度為 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，同時使用電腦連接 STM32 單片機，可以通過 Easy Builder Pro 軟件對電機轉速進行控制。Easy Builder Pro 軟件程序如圖 10 所示。

5 系統(tǒng)調試和結果分析

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，同時使用電腦連接 STM32 單片機，可以通過 Easy Builder Pro 軟件對電機轉速進行控制。通過 Modbus 協(xié)議串口 485 進行串口通信，本文獲取調試數(shù)據(jù)，如表 1 所示。

由上所得測試表可知，當單片機通過串口接收到轉速為 5 轉 / 秒時，電機轉速開始調節(jié)，數(shù)據(jù)如圖 11 所示。

上述數(shù)據(jù)經(jīng)過 Matlab 進行仿真后，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)送目標轉速后，電機轉速開始調節(jié)，最終到達目標穩(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，同時使用電腦連接 STM32 單片機，可以通過 Easy Builder Pro 軟件對電機轉速進行控制。

在電機轉動時，雷達傳感器可以測得轉動時泡沫的距離。通過泡沫距離計算在瞬時時刻的橫截面積?？刂齐姍C轉動，某一時刻時雷達傳感器測量距離為如圖 13 所示。

6 結語

為避免土壓平衡式盾構機，在推進過程中因出土量的過多、過少引起的超挖或欠挖導致地面隆起或塌陷等情況，設計了土壓平衡式頓機構渣土傳送帶控制系統(tǒng)，通過 STM32F103RCT6 單片機對傳送帶進行控制，能夠實現(xiàn)傳送帶單閉環(huán) PID 控制電機轉速，并且能夠通過串口進行發(fā)送和讀取數(shù)據(jù)進行傳送帶的速度，最終實現(xiàn)傳送帶轉速閉環(huán)控制。

但是由于驅動原因，當給電機阻力時，驅動無法輸出更高的電壓給電機，致使電機速度無法被調節(jié)，因此可以通過換一個性能更好的驅動來進一步改善實驗結果。

(注：本文轉載自《電子產品世界》雜志2022年9月期)