一種土倉可視化伸縮攝像頭控制的國產化方案研究

陳新兵

（中國鐵建重工集團股份有限公司 湖南長沙 410100）

我國已是世界上隧道及地下工程規模最大、數量最多、地質條件和結構形式最復雜、修建技術發展速度最快的國家［1］。盾構作為機械化開挖的工程裝備，已經在我國隧道及地下空間開發中得到了廣泛應用［2］。盾構開挖倉伸縮攝像頭能夠保證盾構法開挖對于前方地質情況準確判斷，大幅提升開挖工作的安全性，目前已經在越來越多盾構機上得到應用。伸縮攝像頭是一種適用于盾構開挖倉環境的專業可視化設備，當盾構掘進異常時，利用伸縮油缸將攝像頭伸進土倉，觀察掘進掌子面及刀盤實時情況，判斷是否存在結泥餅等異常狀態。盤體結構泥餅、土倉中心泥餅、盤面泥餅使刀具失去切削作用，盾構推力雖大但刀盤不能貫入，影響掘進效率［3］。采用土倉可視化系統，可在主控室內清晰觀察土倉內的中心結泥餅情況，為盾構檢修、掘進參數調整等提供可視化依據，方便了調試和操作人員監測、管理并完成掘進狀態診斷［4］。

1 伸縮攝像頭控制的原理概述

伸縮攝像頭具備機器視覺功能，依賴搭載的伸縮電缸將攝像頭送入土倉環境實現。伸縮攝像頭電缸包括伸縮電缸和驅動其旋轉的回轉機構，其整機外形如圖1所示。

圖1 整機外形圖

伸縮電缸的伸縮由伺服電機驅動絲杠螺母實現，頭部搭載有攝像頭，行程為2000mm；回轉驅動主要用于帶動攝像頭繞軸線旋轉，回轉由伺服電機驅動同步帶，帶動電缸整體作±180°旋轉，旋轉速度0～5r/min。伸縮、回轉電纜通過拖鏈實現。

由于土倉空間有限，為了精確控制可視化角度和防止攝像頭等設備損壞，機構的伸縮行程和回轉角度必須嚴格保證，通常行程控制精度要求±0.2mm，回轉角度精度要求±0.1°。由于常規的電機控制精度在±0.5mm 以上，無法滿足此機構控制要求，此方案采用伺服控制。同時，由于盾體空間狹小，對驅動器的尺寸有嚴苛要求，需要使用緊湊型控制單元。目前，市場上可選的、具有成熟應用市場的伺服控制器還是依賴進口，以西門子V90 系統為代表的伺服驅動器占據大部分市場。

隨著我國重工設備自主知識產權化、核心技術國產化的要求不斷提升，進口品牌控制器還存在購入成本高、技術資料復雜、應用門檻高等不足，且目前受國際芯片危機影響，進口設備普遍貨期增長，其采購周期嚴重影響到項目執行效率。因此，研究國產化控制器替代方案有重大意義。在充分獲取西門子V90的應用特性后，本文尋求可行的國產化替代方案，并研究其應用于盾構土倉伸縮攝像頭控制的可靠性。

2 國產化實驗

2.1 硬件配置

本方案盾構項目盾構開挖倉伸縮攝像頭改造前的伺服驅動控制采用西門子V90，電機采用西門子1FL系列，配備20位+12位多圈絕對值編碼器，在無硬件限位的情況下，最多能記錄4096圈，否則計數溢出，而在溢出情況下斷電，無法保存當前位置。在不改變機械結構的情況下，結合此項目，最大安全行程為1024mm，伸縮電缸的最大伸出距離受限。

此方案已有2年左右的應用時間，為了解決國外品牌價格高、貨期長的問題，擬用匯川伺服控制器作為進口品牌西門子V90 的替代產品，電機也同步更換為匯川MS1系列，配置參數對比如表1所示。

表1 配置對比

所選匯川伺服控制器型號可靈活選用單相/三相電源供電，支持高速百M 級Profinet 總線通信，并支持豐富的報文應用，包括伺服控制標準報文1、標準報文3、西門子標準報文102、西門子標準報文111、西門子標準報文105、西門子標準報文750、西門子標準報文850 報文等各類標準報文，軟件可無縫應用之前的伸縮攝像頭程序，極大地減少了國產化過程中編程的工作量。經過調研，匯川伺服控制在軟硬件上都可完全替代進口品牌。另外，此控制器可支持配置23位電子多圈絕對值編碼器，配備編碼器電池，開挖倉伸縮攝像頭應用中不存在計數溢出問題，并且在尺寸上，該產品較進口品牌伺服控制體積更小，在寸土寸金的盾構機盾體土倉更具優勢。方案整體硬件配置如圖2所示，使用“一網到底”模式［5］，由同一個Profinet 網絡連接PLC、HMI、控制器，使用的硬件如下。

圖2 硬件配置

（1）PLC：CPU 1516-3 PN/DP；訂貨號：6ES7 516-3AN01-0AB0；HMI：西門子精簡系列面板KTP1200 Basic PN立式。

（2）控制器：IS620FS5R5I。

（3）電機：MSH1-75B30CB-A331Z（絕對值編碼器）。

2.2 軟件配置

項目使用西門子TIA Portal V15平臺［6］編程，項目中需要安裝IS620F PN 的對應GSD 文件，在網絡視圖中添加IS620F 設備并創建與PLC 的網絡連接，添加后的項目網絡視圖如圖3所示。

圖3 網絡配置

S7-1500 可以通過PROFINET 通信連接IS620F 伺服驅動器，使用EPOS（基本位置控制）模式，對驅動進行控制，該模式位置規劃是在伺服內，只需要使用FB284 功能塊把相關的目標速度、目標位置和加速度等信息送到伺服內，伺服實現位置規劃和速度規劃。

EPOS 基本定位控制需要對在驅動設備視圖內組態西門子標準111 報文，并在程序中調用FB284 程序塊，FB284塊的管腳HWIDSTW及HWIDSZW需要設置為111報文的硬件標識符（見圖4）。

圖4 報文配置和硬件標識符組態

2.3 后臺軟件對比

西門子V90 采用SINAMICS V-ASSISTANT（見圖5a），V-ASSIATANT調試軟件基本功能有選擇驅動、選擇報文、配置網絡、設置參數、監控狀態及測試電機和優化驅動，參數設置采用可視化向導，后臺軟件和設備通信可選擇USB和Ethernet連接。

匯川SI620F 采用InoDriverShop，詳見圖5（b），具有選擇驅動、選擇報文、配置網絡、設置參數、監控狀態及測試電機和優化驅動等基本功能，軟件具有可視化安裝向導，后臺軟件采用伺服驅動器RS232 通信用電纜，方便單機調試?？梢娫诤笈_軟件上，匯川和進口品牌一樣直觀簡潔，操作簡單。

圖5 界面比較

2.4 性能測試

完成程序組態和編譯后，對此系統進行加減速響應和位置控制精度測試，測試方法如下。

使用匯川后臺軟件InoDriverShop，對電子齒輪比、加減速時間進行如下設置并下載：

電子齒數比1（分子）H0507=8 388 608

電子齒數比1（分母）H0509=10 000

Epos最大加速度值H1302=2

Epos最大減速度值H1304=5

程序中先賦值Position 為-100000，在運動過程中更新Position為100000，考察加減速過程的響應速度及動態控制精度。

ExecuteMode的上升沿觸發定位運動，電機開始加速，理論加速時間為5s，實測5s。

更新position 設置后，電機先減速，理論減速時間2s減到速度為0，接著電機反向加速5s，到達設定速度運行，再減速2s，最終位置停在100000，運行曲線如圖6所示。

從圖6可見測試結果機構動作響應迅速，無論是加速時間還是減速時間，都和設定參數保持一致，并且位置顯示與實際測得的距離偏差在預先設計范圍以內，符合控制要求。

圖6 運行曲線

通過以上性能測試，驗證了匯川IS620F 的控制響應特性和實際控制精度，證明此產品理論上可以實現伸縮攝像頭的運動控制。

實際項目中，電子齒輪比需要按實際機械設計參數配置，并按設計要求配置好加減速時間及運行速度。

現場根據使用需求，重復給定不同伸縮位置及旋轉角度，并分別記錄顯示和實測數據實，并和西門子V90測試參數對比，對比結果如表2、表3、表4所示。

表2 伸縮精度對比

表3 回轉角度精度對比

表4 測試結果對比

上述表格表明，國產伺服驅動與西門子伺服驅動的伸縮精度相同，回轉角度精度相同，皆滿足伸縮攝像頭的設計要求精度，并且國產伺服驅動伸縮攝像頭由于配置23位電子式多圈絕對值編碼器，實際安全伸出最大長度比西門子伺服驅動配置的12 位多圈絕對值編碼器的伸縮攝像頭電缸伸出最大長度長。

3 結語

本文從尺寸、硬件配置、軟件設計、性能比較、后臺軟件及實際測量數據對比等多方面對進口品牌西門子V90 和國產品牌匯川IS620F 進行了全方位的對比，可確認匯川SI620F能夠完成西門子V90的替代。由此可見，本文實現了國產化方案的應用驗證，完成了對國外伺服系統的替代。