海瑞克盾構(gòu)機(jī)電氣系統(tǒng)概述

1、海瑞克盾構(gòu)機(jī)電氣控制系統(tǒng)概述李劍祥（中鐵六局集團(tuán)有限公司深圳地鐵2號(hào)線項(xiàng)目部 廣東 深圳 518056）摘 要：對(duì)海瑞克土壓平衡盾構(gòu)機(jī)電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行概述，并分別對(duì)其配電系統(tǒng)、可編程控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制及數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)三個(gè)部分的設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)，以加深對(duì)其整個(gè)電氣控制系統(tǒng)原理的理解。關(guān)鍵詞：電氣系統(tǒng) 配電系統(tǒng) 可編程控制系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)控制及數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)0 海瑞克盾構(gòu)機(jī)電氣系統(tǒng)簡(jiǎn)介盾構(gòu)機(jī)是一種集機(jī)械、液壓、電氣和自動(dòng)化控制于一體、專用于地下隧道工程開挖的技術(shù)密集型重大工程裝備，其技術(shù)先進(jìn)、結(jié)構(gòu)龐大。如果把機(jī)械部分比喻成人的四肢，那么液壓系統(tǒng)比喻成人的血液系統(tǒng)，則電氣控制系統(tǒng)就是人的神經(jīng)系統(tǒng)。當(dāng)前

2、盾構(gòu)機(jī)電氣控制系統(tǒng)均采用世界上最先進(jìn)、可靠的技術(shù)以保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。海瑞克盾構(gòu)機(jī)電氣控制系統(tǒng)分為配電系統(tǒng)、可編程控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制及數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)三個(gè)部分。下面對(duì)該三個(gè)部分進(jìn)行介紹。1 配電系統(tǒng)盾構(gòu)施工是參考工廠式的流程化作業(yè)施工，盾構(gòu)機(jī)的配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則也是參照工廠供配電原理設(shè)計(jì)的。配電系統(tǒng)分為高壓系統(tǒng)和低壓系統(tǒng)，其用電設(shè)備列表如下：序號(hào)用電設(shè)備設(shè)備容量備注1刀盤驅(qū)動(dòng)945kW2超挖刀7.5kW3推進(jìn)系統(tǒng)75kW4管片安裝機(jī)45kW5螺旋輸送機(jī)250kW6皮帶輸送機(jī)22kW7注漿泵30kW8砂漿儲(chǔ)存罐的攪拌器7.5kW9液壓油過(guò)濾泵11kW10主軸承潤(rùn)滑4kW11管片吊機(jī)2x2kW

3、12排水泵12kW13冷卻水系統(tǒng)7.5kW14二次通風(fēng)機(jī)11kW15空壓機(jī)110kW16泡沫系統(tǒng)18kW17補(bǔ)油泵55 kW18其他設(shè)備75kW總功率1682kW1.1高壓系統(tǒng)經(jīng)過(guò)負(fù)荷計(jì)算，Sj12000kVA，則選擇的電壓器容量為2000kVA，選擇的高壓電纜進(jìn)線為UGP-3×50+1×25，選用的高壓環(huán)網(wǎng)柜電壓等級(jí)為12KV，容量為200A，變壓器帶溫度和密封性故障報(bào)警。高壓系統(tǒng)原理圖如下：變壓器溫度和密封性故障動(dòng)作機(jī)構(gòu)1.2 低壓系統(tǒng)變壓器將10KV的市電轉(zhuǎn)變成400V的低壓電，之后分成兩路，分別經(jīng)過(guò)斷路器1-3Q2（俗稱主開關(guān)）和斷路器1-4Q2（副開關(guān)），其中主開

4、關(guān)具有相序保護(hù)。主開關(guān)控制盾構(gòu)機(jī)主要用電設(shè)備，比如各個(gè)電機(jī)。因各個(gè)電機(jī)為三相用電設(shè)備，在啟動(dòng)和運(yùn)行時(shí)需消耗無(wú)功功率，所以海瑞克盾構(gòu)機(jī)電氣系統(tǒng)投入了功率補(bǔ)償設(shè)備，以保障設(shè)備運(yùn)行時(shí)，功率因數(shù)大于0.9。副開關(guān)控制臺(tái)車部位和盾體部位的照明系統(tǒng)和備用插座系統(tǒng)。由此可見(jiàn)，三相用電設(shè)備系統(tǒng)與照明系統(tǒng)實(shí)行分線布置，提高了兩者的供電質(zhì)量。因盾構(gòu)施工也屬于臨時(shí)施工，需要布置臨時(shí)用電系統(tǒng)，備用插座系統(tǒng)就是與臨時(shí)用電系統(tǒng)的接口，滿足現(xiàn)場(chǎng)施工需求。弱點(diǎn)系統(tǒng)也是低壓系統(tǒng)的組成部分。弱點(diǎn)系統(tǒng)主要是給各個(gè)繼電器和傳感器以及電磁閥提供電源，電壓輸入整定值為24V。2 可編程控制系統(tǒng)海瑞克盾構(gòu)機(jī)的可編程控制系統(tǒng)是由西門子S7-

5、400采用主從分布式結(jié)構(gòu)組成的，I/O從站行程數(shù)據(jù)接收轉(zhuǎn)換卡遙控器無(wú)線通訊從站工控機(jī)行程顯示器×8I/O從站拼裝機(jī)角度編碼器西門子電表400主站VMT電腦 圖一：硬件組態(tài) 其硬件組態(tài)如上圖：如圖所示，可編程控制系統(tǒng)采用Profibus-DP 協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)，在司機(jī)室設(shè)置了S7-400 主站和工控機(jī),在低壓配電柜設(shè)置了IM153從站，并將設(shè)備安裝的電氣元件通過(guò)DP電纜連接至主站。在用電設(shè)備相對(duì)集中的低壓配電柜設(shè)置智能遠(yuǎn)程I/O模塊，這樣就可以按照就近原則，將附近的電氣設(shè)備接入分站，相比接入司機(jī)室S7-400 主站節(jié)省大量電纜。同時(shí)工控機(jī)可以通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)的TCP/IP 協(xié)議，與

6、地面電腦組成局域網(wǎng)，使地面的電腦連接與控制工控機(jī)，以掌握盾構(gòu)掘進(jìn)狀況。PLC程序包含源文件和塊文件。塊文件又包含組織塊、功能塊、功能和數(shù)據(jù)塊等。其中組織塊一調(diào)用各個(gè)功能塊執(zhí)行盾構(gòu)機(jī)的運(yùn)行和動(dòng)作，還設(shè)置了三個(gè)中斷組織塊，一個(gè)為電源故障中斷組織塊，一個(gè)為拼裝機(jī)角度編碼器檢測(cè)循環(huán)中斷組織塊，一個(gè)為每組推進(jìn)速度檢測(cè)計(jì)算循環(huán)中斷組織塊。功能塊與電氣圖紙組別一一對(duì)應(yīng)，相應(yīng)地與盾構(gòu)機(jī)各個(gè)系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)，使技術(shù)人員方便找到程序與圖紙的對(duì)應(yīng)關(guān)系。3 計(jì)算機(jī)控制及數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主要用于參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)采集分析。西門子工控機(jī)安裝在盾構(gòu)司機(jī)室, 由現(xiàn)場(chǎng)操作人員使用, 用于人機(jī)對(duì)話、顯示數(shù)據(jù)、設(shè)置和修改系統(tǒng)控

7、制參數(shù)等。工控機(jī)與PLC通訊示意圖如下：數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)就是采集、處理、存儲(chǔ)、顯示和評(píng)估與掘進(jìn)機(jī)聯(lián)網(wǎng)所獲得的數(shù)據(jù)。通過(guò)調(diào)整過(guò)的時(shí)鐘脈沖，所有測(cè)量數(shù)據(jù)都將從工控機(jī)連續(xù)不斷的得到。但是，只在特定的時(shí)間才進(jìn)行數(shù)據(jù)的記錄。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連續(xù)不斷對(duì)盾構(gòu)機(jī) 的資料進(jìn)行采集、顯示和存儲(chǔ)。每一推進(jìn)時(shí)刻的資料均被保存在不同的文檔中，這些文檔連續(xù)的自動(dòng)編上不同環(huán)號(hào)。通過(guò)這些推進(jìn)時(shí)刻的文檔，就可以獲得相關(guān)掘進(jìn)區(qū)間每一期、每一刻的文檔。測(cè)量的數(shù)據(jù)將以圖形方式顯示在工控機(jī)上，通過(guò)功能鍵<F1> 到<F8>、簡(jiǎn)單的菜單、鼠標(biāo)和鍵盤，可以選擇單個(gè)的顯示區(qū)域。如下圖為F1界面，其中的參數(shù)界面可以進(jìn)行參數(shù)

8、設(shè)置。 F1界面每環(huán)結(jié)束后，掘進(jìn)報(bào)告會(huì)自動(dòng)生成。海瑞克公司還提供了一個(gè)額外數(shù)據(jù)評(píng)估程序，可以用來(lái)分析多環(huán)的各個(gè)參數(shù)變化情況并形成每環(huán)掘進(jìn)報(bào)告。SLS-T 隧道導(dǎo)向系統(tǒng)為測(cè)量專用系統(tǒng)，在此不討論。4 盾構(gòu)機(jī)電氣系統(tǒng)的應(yīng)用41配電系統(tǒng)的應(yīng)用海瑞克盾構(gòu)機(jī)的配電系統(tǒng)裝配的電器開關(guān)都是梅蘭日蘭生產(chǎn)的，該品牌為全球電器開關(guān)第一品牌。每個(gè)電機(jī)上端都安裝了一個(gè)斷路器，具有過(guò)載短路漏電保護(hù)，而且其負(fù)荷電流，漏電電流和動(dòng)作時(shí)間都可以在一定范圍內(nèi)設(shè)定，這一點(diǎn)與國(guó)產(chǎn)件不同。比如推進(jìn)泵電機(jī)上端斷路器15-1Q1，出廠時(shí)負(fù)荷電流調(diào)節(jié)為120A，但是該開關(guān)可以從90A-150A范圍內(nèi)隨意調(diào)節(jié)，這樣極大的方便了用戶對(duì)用電容量

9、的設(shè)置。當(dāng)需要改變負(fù)荷電流值時(shí)，無(wú)須更換開關(guān)。弱電系統(tǒng)的輸出電壓在出廠時(shí)，一般設(shè)定為27V，到負(fù)載端一般為24V，但是工地現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，因?yàn)槭须姷碾妷?，還有弱電負(fù)載的變化，都將導(dǎo)致負(fù)載端電壓值不等于24V。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，弱電用電設(shè)備輸入電壓超過(guò)本身的10%，將容易損壞。所以每次盾構(gòu)機(jī)始發(fā)調(diào)試時(shí)都必須根據(jù)弱電負(fù)載的電壓值重新整定弱電系統(tǒng)的輸出值，而且在設(shè)備使用過(guò)程中，因傳感器的損壞或者其他原因?qū)е仑?fù)載容量變化時(shí)引起的電壓變化也需要監(jiān)控，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。只有這樣才能保護(hù)好了盾構(gòu)機(jī)的弱電系統(tǒng)。42可編程控制系統(tǒng)的應(yīng)用可編程控制系統(tǒng)是盾構(gòu)機(jī)電氣控制系統(tǒng)的最關(guān)鍵的部位。如果說(shuō)電氣控制系統(tǒng)是盾構(gòu)機(jī)的神經(jīng)系統(tǒng)，那么可

10、編程控制系統(tǒng)就是盾構(gòu)機(jī)的大腦。那么“大腦”是怎樣指揮“神經(jīng)系統(tǒng)”的呢？我們以推進(jìn)系統(tǒng)1號(hào)油缸伸出為例說(shuō)明可編程控制系統(tǒng)程序是如何控制1號(hào)油缸伸出的。如下圖所示：M58.4為推進(jìn)模式下1號(hào)油缸伸出信號(hào)，M88.0為拼裝模式下油缸伸出信號(hào)。當(dāng)M58.4或者M(jìn)88.0為1時(shí)，則Q9.7也為1。Q9.7對(duì)應(yīng)電氣圖紙的“.15/23.3”為控制1號(hào)油缸伸縮換向閥的伸出電磁線圈，該線圈得電，1號(hào)油缸伸出。通過(guò)工控機(jī)可以連接PLC進(jìn)行程序監(jiān)控，通過(guò)該方法可以判斷盾構(gòu)機(jī)因條件不滿足使動(dòng)作無(wú)執(zhí)行這類的故障。43計(jì)算機(jī)控制及數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)的應(yīng)用計(jì)算機(jī)控制及數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)應(yīng)用主要體現(xiàn)在管理級(jí)?，F(xiàn)舉例說(shuō)明如何通過(guò)

11、地面監(jiān)控電腦對(duì)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程的各組推進(jìn)壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。在地面監(jiān)控電腦與盾構(gòu)機(jī)工控機(jī)之間占用一路電話線，都使用串口COM調(diào)制解調(diào)器與電腦連接，即建立了工業(yè)以太網(wǎng)。在兩部電腦上都安裝PCANYWHERE軟件，經(jīng)過(guò)設(shè)置后撥號(hào)會(huì)自動(dòng)應(yīng)答，既地面監(jiān)控電腦通過(guò)軟件查看和控制盾構(gòu)機(jī)的工控機(jī)。在控制工控機(jī)后，打開PDV監(jiān)視界面，進(jìn)入F7的DATE EVALUATION，點(diǎn)擊選項(xiàng)，得到如下圖表：如圖所示，在地面監(jiān)控電腦看到第225環(huán)三組推進(jìn)壓力的瞬時(shí)值。5 盾構(gòu)機(jī)電氣系統(tǒng)的總結(jié)綜上所述，海瑞克盾構(gòu)機(jī)的電氣控制系統(tǒng)是一個(gè)龐大復(fù)雜但先進(jìn)又不失人性化的系統(tǒng)。配電系統(tǒng)從高壓到低壓，從強(qiáng)電到弱電，電氣元件大多為梅蘭日蘭的產(chǎn)品，有質(zhì)量保證，不但設(shè)定值精度高而且壽命長(zhǎng)，減少了維護(hù)的工作量。可編程控制系統(tǒng)為西門子S7-400為主站，采用主從分布式結(jié)構(gòu)組成的。系統(tǒng)穩(wěn)定，功能強(qiáng)大。在工控機(jī)上可以監(jiān)控程序的運(yùn)行，還可以進(jìn)行硬件診斷，可以判斷盾構(gòu)機(jī)電氣方面的大多數(shù)故障。計(jì)算機(jī)控制及數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)可以與PLC進(jìn)行通訊，采集、處理、存儲(chǔ)、顯示和評(píng)估與掘進(jìn)機(jī)聯(lián)網(wǎng)所獲得的數(shù)據(jù)。此時(shí)，盾構(gòu)機(jī)電氣控制系統(tǒng)的自動(dòng)化級(jí)別為現(xiàn)場(chǎng)級(jí)，采用Profibus-DP 協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)。如果在地面