皮帶機渣土流量控制系統

摘 要：隨著(zhù)隧道的開(kāi)挖技術(shù)日益成熟，盾構法隧道施工帶來(lái)的技術(shù)革新和技術(shù)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(jìn)機的一種，在其工作過(guò)程中會(huì )引起土體擾動(dòng)，嚴重時(shí)會(huì )造成地表開(kāi)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(jìn)過(guò)程中因出土量的過(guò)多或者過(guò)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，通過(guò)STM32F103RCT6單片機進(jìn)行傳送帶控制，能夠實(shí)現傳送帶單閉環(huán)PID（比例、積分、微分）控制電機轉速，通過(guò)Modbus485串口進(jìn)行發(fā)送和讀取數據進(jìn)行傳送帶的速度，最終實(shí)現傳送帶轉速閉環(huán)控制。

關(guān)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(wèn)題，城市的輕軌和地鐵建設加快了進(jìn)程。其中，地下空間開(kāi)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)對實(shí)現社會(huì )可持續發(fā)展有著(zhù)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(guò)程中，可能會(huì )出現超挖和欠挖等狀況。例如城市道路中突然出現地面空洞，對城市安全生活產(chǎn)生了很大影響，渣土流量監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(jìn)機的一種，在其工作過(guò)程中會(huì )引起土體擾動(dòng)，從而改變地層的應力狀態(tài)，進(jìn)而造成地表變形，當變形過(guò)大時(shí)會(huì )引發(fā)地表開(kāi)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(jìn)過(guò)程中因出土量的過(guò)多會(huì )這過(guò)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(shí)值比較具有較大誤差，故引入激光三維檢測技術(shù)。本文采用了對電機速度進(jìn)行控制，使其以一個(gè)恒定速度轉動(dòng)，從而對渣土流量進(jìn)行測量，該方法具有高效率， 高精度且可實(shí)時(shí)監測的優(yōu)點(diǎn)，對土壓平衡式盾構機的渣土流量測量系統具有重要的意義。

2 系統總體方案

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(guò) Modbus485 串口進(jìn)行通信，能夠通過(guò)上位機對電機進(jìn)行數據發(fā)送與輸入，對電機進(jìn)行進(jìn)一步控制。

2.1 硬件總體方案

根據設計需要，需構建如圖 1 所示調速系統。系統的主電路主要由電源模塊、控制器、驅動(dòng)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(shí)現對控制器單片機系統提供直流電源，同時(shí)為驅動(dòng)模塊提供電源；測量反饋電路不僅可以對直流電機進(jìn)行測速，而且可以作為輸入信號反饋給控制器；顯示模塊實(shí)現人機交互，更好地反映了直流電機的速度變 化過(guò)程。系統原理圖如圖 2 所示。

根據設計要求，系統硬件采用的方案如下。硬件部分實(shí)現控制電機轉速功能，包括：STM32F103RCT6 控制器、直流電機模塊、供電模塊、驅動(dòng)模塊、編碼器、激光雷達、威綸通。

2.2 軟件總體方案

系統的軟件主程序流程圖如圖 3 所示。軟件部分實(shí)現功串口通信功能，主要設計思想是能夠通過(guò) 32 單片機串口進(jìn)行輸出電機轉速調節情況，其次能夠通過(guò)串口助手向單片機發(fā)送轉速指令，使電機轉速能夠調節至設定的目標值。首先啟動(dòng)電源，通過(guò) Modbus485 串口發(fā)送目標轉速，則 PID 控制器發(fā)出 PWM 信號，若此時(shí)電機轉速與目標轉速有偏差，則 PID 控制器會(huì )根據偏差重新發(fā)送 PWM 信號，進(jìn)行電機控制，直至電機轉速等于目標轉速。

3 電機控制系統硬件電路

根據設計要求和硬件總體結構可知，系統硬件選型主要包含以下部分：直流電機，作為調速系統的被控對象，選用帶編碼器的 GA12-N20 電機；選用 L7809 穩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(dòng)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(guò)串口助手，實(shí)現單片機數據的發(fā)送與接收，串口電路設計如圖 4 所示。

3.2 驅動(dòng)模塊電路設計

B6612FNG 每通道輸出最高連續驅動(dòng)電流為 1 A，啟動(dòng)峰值連續脈沖電流可以達到 2 A，啟動(dòng)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(dòng)模式、停止模式。TB6612FNG 驅動(dòng)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(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(guò)螺絲使傳感器固定在上面，從而可以實(shí)現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(cháng)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)現渣土流量的測量，最后，通過(guò) Type-c 接口的 USB 視頻采集卡連接威綸通 HMI 的 HDMI 接口，通過(guò)手機的顯示屏進(jìn)行數據顯示，其中數據就包括渣土的流量以及各種傳感器參數。

3.5 PCB版模塊

由于皮帶機通常在惡劣的環(huán)境下進(jìn)行工作，需要將傳感器穩定連接，因此需要制作 TF-mini-i 傳感器專(zhuān)用 Modbus 總線(xiàn)集線(xiàn)器。本文設計了集線(xiàn)器 PCB 板，這塊 PCB 板需要通過(guò)軟件畫(huà)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(xiàn)端子，在板子內部與 10 個(gè)插件相連，用于后續連接其他裝置。通過(guò)這塊 PCB 板子實(shí)現 10 個(gè)紅外傳感器與威綸通 HMI 的連接。最終集線(xiàn)器 PCB 板實(shí)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(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，將電機與模擬的渣土模型相連接，并通過(guò)零件進(jìn)行固定，使電機能夠帶動(dòng)模擬的渣土模型轉動(dòng)，最終實(shí)現完成整個(gè)裝置的連接，該系統的硬件整體結構實(shí)物圖如圖 9 所示。啟動(dòng)電機，將上方檢測裝置接通電源，最終實(shí)現土壓平衡式盾構機渣土流量測量系統。

4 系統軟件編程

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

電機控制系統由 STM32F103RCT6 主控板、電機和編碼器組成。脈沖寬度調制技術(shù)簡(jiǎn)稱(chēng) PWM 技術(shù)，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，以調節電機轉速。由其原理可知，一段時(shí)間內加載負載兩端的的 PWM 脈沖與相等時(shí)間內加載負載上脈沖相等的直流電壓等效，那么在時(shí)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 通信的現場(chǎng)總線(xiàn)式傳感器數據讀取，通過(guò)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(lái)，同時(shí)使用電腦連接 STM32 單片機，可以通過(guò) Easy Builder Pro 軟件對電機轉速進(jìn)行控制。Easy Builder Pro 軟件程序如圖 10 所示。

5 系統調試和結果分析

基于威綸通 HMI 和 Modbus 通信的現場(chǎng)總線(xiàn)式傳感器數據讀取，通過(guò)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(lái)，同時(shí)使用電腦連接 STM32 單片機，可以通過(guò) Easy Builder Pro 軟件對電機轉速進(jìn)行控制。通過(guò) Modbus 協(xié)議串口 485 進(jìn)行串口通信，本文獲取調試數據，如表 1 所示。

由上所得測試表可知，當單片機通過(guò)串口接收到轉速為 5 轉 / 秒時(shí)，電機轉速開(kāi)始調節，數據如圖 11 所示。

上述數據經(jīng)過(guò) Matlab 進(jìn)行仿真后，可得出如下曲線(xiàn)示意圖。

如圖 12 所示，可觀(guān)察到通過(guò)串口發(fā)送目標轉速后，電機轉速開(kāi)始調節，最終到達目標穩定值。

基于威綸通 HMI 和 Modbus 通信的現場(chǎng)總線(xiàn)式傳感器數據讀取，通過(guò)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(lái)，同時(shí)使用電腦連接 STM32 單片機，可以通過(guò) Easy Builder Pro 軟件對電機轉速進(jìn)行控制。

在電機轉動(dòng)時(shí)，雷達傳感器可以測得轉動(dòng)時(shí)泡沫的距離。通過(guò)泡沫距離計算在瞬時(shí)時(shí)刻的橫截面積?？刂齐姍C轉動(dòng)，某一時(shí)刻時(shí)雷達傳感器測量距離為如圖 13 所示。

6 結語(yǔ)

為避免土壓平衡式盾構機，在推進(jìn)過(guò)程中因出土量的過(guò)多、過(guò)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，通過(guò) STM32F103RCT6 單片機對傳送帶進(jìn)行控制，能夠實(shí)現傳送帶單閉環(huán) PID 控制電機轉速，并且能夠通過(guò)串口進(jìn)行發(fā)送和讀取數據進(jìn)行傳送帶的速度，最終實(shí)現傳送帶轉速閉環(huán)控制。

但是由于驅動(dòng)原因，當給電機阻力時(shí)，驅動(dòng)無(wú)法輸出更高的電壓給電機，致使電機速度無(wú)法被調節，因此可以通過(guò)換一個(gè)性能更好的驅動(dòng)來(lái)進(jìn)一步改善實(shí)驗結果。

(注：本文轉載自《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年9月期)