中國中鐵盾構(gòu)電氣控制系統(tǒng)介紹

盾構(gòu)電氣系統(tǒng)介紹盾構(gòu)電氣系統(tǒng)主講內(nèi)容1、動力供配電系統(tǒng)介紹2、數(shù)據(jù)采集及PLC系統(tǒng)介紹3、主控制室介紹4、導(dǎo)向系統(tǒng)介紹5、監(jiān)視照明通訊系統(tǒng)介紹6、氣體檢測及消防系統(tǒng)介紹7、盾構(gòu)電氣保養(yǎng)及故障排查1、動力供配電系統(tǒng)介紹

1.1、高壓系統(tǒng)描述及組成常規(guī)描述：由于盾構(gòu)整機負荷較大，如果直接供給380V電壓，在距離過長后將衰減，從而影響使用。盾構(gòu)單區(qū)間施工距離一般為1KM左右，因此采用高壓10KV供電。在長距離隧道中，一般施工距離都超過10KM，這時將采用20KV供電。

高壓供電組成：

液壓驅(qū)動盾構(gòu)一般由高壓電纜卷筒（含約250米高壓電纜）或電纜箱（含約500米高壓電纜）、高壓開關(guān)柜及變壓器組成。

變頻驅(qū)動盾構(gòu)一般由高壓電纜卷筒（含約250米高壓電纜）或電纜箱（含約500米高壓電纜）和箱式變壓器組成。1、動力供配電系統(tǒng)介紹

1.2、高壓系統(tǒng)組成介紹高壓電纜卷筒或電纜箱:卷筒采用將250米高壓電纜纏繞在圓形滾筒上，并通過收放電機控制卷筒正反轉(zhuǎn)從而實現(xiàn)收放電纜。電纜箱是在拖車上排放500米電纜，掘進過程中收放電纜都靠人工進行。高壓開關(guān)柜：高壓開關(guān)柜負責(zé)將10KV高壓供給給變壓器，同時變壓器的保護觸點與高壓開關(guān)相連。當(dāng)變壓器故障（高溫、密封失效）時，高壓開關(guān)將斷開，保護變壓器。變壓器：盾構(gòu)常用的變壓器有密封油浸式和干式變壓器兩種。油浸式壓器具有體積小、價格低等優(yōu)點，但維護不便；而干式變壓器維護方便，過載能力強，但體積大、價格貴。目前常見的液驅(qū)盾構(gòu)機采用的是密封油浸式變壓器，它使變壓器內(nèi)部與大氣隔離，防止油的劣化和絕緣受潮，增強了運行的可靠性。CREC003/004高壓系統(tǒng)由高壓電纜卷筒和箱式變壓器組成。1、動力供配電系統(tǒng)介紹

1.3、高壓系統(tǒng)組成照片—液驅(qū)盾構(gòu)

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1.3、高壓系統(tǒng)組成照片—變頻盾構(gòu)之電纜卷筒

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1.3、高壓系統(tǒng)組成照片—變頻盾構(gòu)之箱式變壓器

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1.2、低壓系統(tǒng)的組成組成：低壓系統(tǒng)由變頻器驅(qū)動系統(tǒng)（TC3）、泵站驅(qū)動系統(tǒng)（TC2）、主控室系統(tǒng)（TC1）、盾體左系統(tǒng)(DTL)、盾體右系統(tǒng)(DTR)、內(nèi)循環(huán)水及皮帶機系統(tǒng)(TC5)和線前系統(tǒng)(TC3)組成。

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1.2、低壓系統(tǒng)的組成

變頻驅(qū)動系統(tǒng)(TC3）布置在TC3的右側(cè)，其功能只為刀盤驅(qū)動系統(tǒng)服務(wù)。

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1.2、低壓系統(tǒng)的組成泵站驅(qū)動系統(tǒng)（TC2）布置在TC2的右側(cè)，緊靠液壓泵站系統(tǒng)，為液壓系統(tǒng)提供動力及控制（螺旋輸送機、推進、管片安裝、過濾循環(huán)、控制、輔助、注漿），同時為TC3及TC2左側(cè)的流體系統(tǒng)提供動力及控制（膨潤土、盾殼膨潤土、泡沫、加水）。

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1.2、低壓系統(tǒng)的組成主控室系統(tǒng)(TC1）為TC1左右側(cè)的系統(tǒng)提供控制，同時為設(shè)備橋的系統(tǒng)

、管片安裝機系統(tǒng)、螺旋輸送機系統(tǒng)、管片小車等提供控制。作為控制系統(tǒng)的核心-PLC主系統(tǒng)也布置在TC1的主控室內(nèi)，此外，數(shù)據(jù)采集及顯示系統(tǒng)（上位機）、視頻監(jiān)視系統(tǒng)及導(dǎo)向系統(tǒng)也布置在主控室內(nèi)。在后面的介紹中將詳細介紹這些系統(tǒng)。

1、動力供配電系統(tǒng)介紹

1.2、低壓系統(tǒng)的組成盾體左側(cè)和盾體右側(cè)系統(tǒng)：為盾體左右側(cè)的系統(tǒng)提供控制，系統(tǒng)大致包括推進系統(tǒng)、盾尾油脂、齒輪油、膨潤土、盾殼膨潤土及刀盤現(xiàn)場控制等系統(tǒng)。

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1.2、低壓系統(tǒng)的組成內(nèi)循環(huán)水及皮帶機系統(tǒng)(TC5)：為布置在TC5及TC6的系統(tǒng)提供動力及控制，包括內(nèi)循環(huán)水系統(tǒng)、皮帶機系統(tǒng)、水管卷筒等系統(tǒng)。

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1.2、低壓系統(tǒng)的組成線前系統(tǒng)（TC3）：為設(shè)備系統(tǒng)照明、插座等系統(tǒng)提供動力，該系統(tǒng)脫離其他拖車系統(tǒng)。

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1.3、供配電原理圖

2、PLC及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.1、盾構(gòu)采用PLC的意義盾構(gòu)是一個機、電、液、氣于一體的工廠化隧道開挖施工機械，是大型化、自動化、流程化的大型連動機。由于其控制環(huán)節(jié)多，工序復(fù)雜，并且相互關(guān)聯(lián)，相互影響，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障都將影響正常掘進甚至停機修理，因為了保障盾構(gòu)機工作的高度可靠性安全性和易維護性，其控制系統(tǒng)采用了PLC可編程控制器系統(tǒng)。

2、PLC及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.1、盾構(gòu)采用PLC的意義PLC可編程控制器系統(tǒng)具有系統(tǒng)功能強、可靠性高、抗震性能好、編程容易、修改方便、擴充維修容易等一系列優(yōu)點。采用PLC可編控制系統(tǒng)的特點是盾構(gòu)機所有傳感器和控制信號都輸入到PLC，所有輸出信號都由PLC發(fā)出的。方便建立各種連鎖關(guān)系。因此PLC可編控制器是掘進機的控制中樞。是掘進機的大腦和心臟。

2、PLC及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.2、盾構(gòu)PLC控制系統(tǒng)的組成PLC控制盾構(gòu)PLC控制系統(tǒng)包括PLC及上位機。PLC系統(tǒng)是以SiemensS7-400為主站ET200M為從站的可編程控制器系統(tǒng)；上位機為面板式工控機組成的基于工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的計算機局域網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)盾構(gòu)上的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與上位機共用面板式電腦，設(shè)計采用為SiemensPC677系列面板式電腦，采用彩色液晶觸摸屏，安置在盾構(gòu)主控室內(nèi)。用于設(shè)置控制系統(tǒng)參數(shù)和顯示數(shù)據(jù)，由現(xiàn)場操作人員（主司機）使用，每天的掘進參數(shù)將自動打包存儲于面板式電腦中，方便日后統(tǒng)計使用。其余PC根據(jù)需要可以放置在機電工程師室或經(jīng)理室。這些計算機上均安裝相應(yīng)的監(jiān)視軟件，用于對隧道內(nèi)的施工情況進行實時監(jiān)控，同時進行打印報表和其他管理工作。

PLC控制系統(tǒng)位置

盾構(gòu)機PLC主機放置在拖車1左側(cè)的主控室內(nèi)，通過PROFIBUSDP總線擴展分布式I/O，分別位于盾體左側(cè)、盾體右側(cè)、拖車2及拖車5，同時TC3的變頻驅(qū)動系統(tǒng)的變頻器也通訊。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也安裝在主控室內(nèi)。

2、PLC及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.3、盾構(gòu)PLC及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖2、PLC及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.5、PLC介紹-S7-4002、PLC及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.6、盾構(gòu)PLC系統(tǒng)-主控室控制面板2、PLC及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.6、盾構(gòu)PLC系統(tǒng)-現(xiàn)場控制面板2、PLC及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.7、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)-總體描述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要完成參數(shù)設(shè)定、監(jiān)控、管理功能。采用西門子WinCC組態(tài)軟件?，F(xiàn)場工控機與辦公室的管理計算機組成局域網(wǎng)，將洞內(nèi)盾構(gòu)機的信息傳輸?shù)降孛孓k公室，并儲存起來。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)界面包括以下10個界面：1、主監(jiān)控界面：實現(xiàn)掘進機各系統(tǒng)采集參數(shù)的顯示；2、泡沫系統(tǒng)界面：實現(xiàn)泡沫系統(tǒng)參數(shù)的顯示、設(shè)置及控制；3、輔助控制界面：實現(xiàn)盾尾密封、膨潤土及調(diào)試選擇等功能；4、啟動條件界面：實現(xiàn)各系統(tǒng)的啟動條件的顯示，方便操作人員及維修

人員及時查找故障；5、參數(shù)設(shè)置界面：對掘進機部分重要參數(shù)進行設(shè)置；6、變頻驅(qū)動：對掘進機刀盤驅(qū)動參數(shù)進行監(jiān)視。7、報警系統(tǒng)界面：對掘進機故障點進行明確指示，便于維修；8、曲線圖界面：可對部分參數(shù)進行線性監(jiān)視。9、運行記錄界面：對掘進機參數(shù)進行歸類保存，并自動存儲在計算機里，

便于日后進行歸納總結(jié)。10、返回界面：方便維修工程師進行上位機程序維修等。2、PLC及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.7、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)-主監(jiān)控界面2、PLC及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.7、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)-泡沫系統(tǒng)界面2、PLC及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.7、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)-輔助控制界面2、PLC及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.7、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)-啟動條件界面（1）2、PLC及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.7、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)-啟動條件界面（2）2、PLC及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.7、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)-參數(shù)設(shè)置界面2、PLC及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.7、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)-變頻驅(qū)動界面2、PLC及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.7、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)-報警系統(tǒng)界面2、PLC及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.7、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)-曲線圖界面2、PLC及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.7、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)-歷史數(shù)據(jù)界面2、PLC及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.7、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)-返回界面（1）2、PLC及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.7、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)-返回界面（2）3、主控室介紹

3.1、總體概述

主控室分為操作間和電氣控制間，操作間為盾構(gòu)司機操作盾構(gòu)運行的控制間，內(nèi)部包含了主控制臺、數(shù)據(jù)采集計算機、導(dǎo)向系統(tǒng)及監(jiān)視系統(tǒng)等；電氣控制間內(nèi)部包含了主可編程控制器（主PLC）及拖車1（含設(shè)備橋）的控制電氣元器件等；3、主控室介紹

3.2、操作間

操作間為盾構(gòu)司機操作盾構(gòu)的地方，內(nèi)部包含了主控制臺、數(shù)據(jù)采集計算機、導(dǎo)向系統(tǒng)及監(jiān)視系統(tǒng)等。盾構(gòu)司機根據(jù)指令，操作相應(yīng)的按鈕及上位機界面按鈕，完成相應(yīng)指令的工作。同時關(guān)注主監(jiān)控界面的各系統(tǒng)參數(shù)，及時調(diào)整，使盾構(gòu)在合理的參數(shù)中運行，降低風(fēng)險的發(fā)生率。在掘進過程中，更應(yīng)時刻關(guān)注導(dǎo)向系統(tǒng)指示的掘進方向參數(shù)，及時調(diào)整掘進參數(shù)，使盾構(gòu)按照設(shè)計軸線掘進。同時，還應(yīng)關(guān)注監(jiān)視界面，及時關(guān)注出渣情況。3、主控室介紹

3.3、電氣控制間

電氣控制間內(nèi)部包含了主可編程控制器（主PLC）及拖車1（含設(shè)備橋）的控制電氣元器件等。

4、導(dǎo)向系統(tǒng)介紹

4.1、整體概述設(shè)備導(dǎo)向系統(tǒng)采用英國ZED公司的ZEDGlobal系統(tǒng)，在用TBM施工的隧道項目中，ZEDGlobal系統(tǒng)是用來監(jiān)視盾構(gòu)精確姿態(tài)的一種導(dǎo)向系統(tǒng)。此系統(tǒng)為用戶提供了盾構(gòu)相對于隧道設(shè)計軸線的詳細偏差信息，便于用戶及時糾正盾構(gòu)的姿態(tài)。由于可連續(xù)地高精度地顯示機器的姿態(tài)，因此可大大提高隧道施工的效率，降低了施工的費用。導(dǎo)向系統(tǒng)包括：1）硬件—激光靶1臺（含1臺激光靶/傾角傳感器+集成棱鏡）—便攜式終端（含導(dǎo)向系統(tǒng)軟件、糾偏曲線、數(shù)據(jù)歷史記錄及隧道設(shè)計軸線計算軟件）—控制單元（含無線傳輸單元、中央控制箱、連接電纜、工具箱及地面電腦瀏覽軟件）—激光全站儀(徠卡TCA1203全站儀)—棱鏡4、導(dǎo)向系統(tǒng)介紹

4.2、導(dǎo)向系統(tǒng)連接示意圖4、導(dǎo)向系統(tǒng)介紹

4.3、導(dǎo)向系統(tǒng)界面-描述

界面被分為8個小的信息窗口，每一個信息窗口都可以通過點擊屏幕進行選擇，然后此窗口放大顯示在屏幕的中央。默認界面在菜單頁面中進行設(shè)置。

每一個窗口都有四個位置顯示數(shù)據(jù)。窗口的上面顯示了窗口的信息主題。跟姿態(tài)有關(guān)的四個值的安排原則是，正值是指在在上部或右邊，負值是指在底部或在左邊。對于本界面及所有其它的界面，如果一個數(shù)字有錯誤符號及窗口的外框為紅色，則表明存在錯誤。不能進行按顯示錯誤的數(shù)據(jù)繼續(xù)駕駛機器。導(dǎo)向系統(tǒng)配備中文和英文兩種操作界面，方便中方和外方人員操作。4、導(dǎo)向系統(tǒng)介紹

4.3、導(dǎo)向系統(tǒng)界面-主界面4、導(dǎo)向系統(tǒng)介紹

4.4、ZED、VMT、演算工房的區(qū)別

ZED及VMT的功能及硬件配置基本一致，都是采用激光導(dǎo)向系統(tǒng)，只是在控制軟件上有所區(qū)別，VMT的控制簡潔一些，界友好一些，而ZED控制軟件專業(yè)開發(fā)，相對穩(wěn)定一些。激光靶導(dǎo)向系統(tǒng)控制精度高，反應(yīng)速度塊，數(shù)據(jù)能實時顯示。正是由于這一點，ZED及VMT的造價較高。

演算工房采用的是棱鏡導(dǎo)向系統(tǒng)，相比ZED及VMT而言，精度較低一些，同時數(shù)據(jù)不是實時數(shù)據(jù)，稍有滯后。但其價格較ZED和VMT便宜一些。4、導(dǎo)向系統(tǒng)介紹

4.4、ZED、VMT、演算工房的區(qū)別

比較項目激光導(dǎo)向系統(tǒng)棱鏡導(dǎo)向系統(tǒng)精度/距離（+）不論在何種條件下，不論將激光靶安裝在哪個固定的位置，刀頭處位置的精度都是能得到保證的。如果隧道中存在嚴重的煙塵/污染，激光的測量距離比EDM測量的距離要長（大約兩倍）(-)棱鏡導(dǎo)向系統(tǒng)的精度很大程度上依賴于他們的安裝位置。兩個棱鏡之間的橫向，縱向距離保證一定的距離，但在擁擠的機器內(nèi)這是很難滿足的。如果把測量棱鏡得的數(shù)據(jù)推算計算到幾米之外刀頭上，則一般有幾倍的誤差放大。激光光束(+)測量水平方位角提醒工作人員不要阻擋測量視線(+)一般情況下沒有激光。也可以加一束激光以來保證全站儀的視線暢通。

全站儀視線窗口(+)僅僅需要一個激光靶的測量窗口-激光窗，這對于擁擠的盾構(gòu)機內(nèi)部是一個很大的優(yōu)點。(-)相對于激光導(dǎo)向系統(tǒng)來說，需要一個較大的測量窗口，這在擁擠的盾構(gòu)機內(nèi)部來說很難保證全站儀測量的視線不被阻擋。系統(tǒng)復(fù)雜程度(+)只有一個集成的單元，包括所有需要的元件，只需要一條電纜連接，電纜中集成了電源供應(yīng)及數(shù)據(jù)傳輸。(-)至少有兩個單獨的裝置，每個裝置都需要連線。傾斜儀要單獨處于一個安全的地方，也需要線連接。機械部件(+)如果導(dǎo)向系統(tǒng)是使用的ELS靶，則靶內(nèi)的唯一的機械部件是用來測量水平方位角的，此部件集成于靶內(nèi)部的，不受泥水和灰塵的影響。(++)最新的激光靶采用的是ALTU激光靶，無任何機械部件。(-)棱鏡導(dǎo)向系統(tǒng)帶有“開閉”式機械防護機構(gòu)，這種機構(gòu)暴漏在外部充滿灰塵的環(huán)境中，很容易遭到腐蝕！機械部件經(jīng)過長時間的使用，很容易勞損，出現(xiàn)打不開等故障。測量循環(huán)所用的時間(+)激光靶采集所需要的數(shù)據(jù)基本上是即時的，1秒之內(nèi)采集完所有的數(shù)據(jù)，因此系統(tǒng)需要的數(shù)據(jù)都是即時數(shù)據(jù)。(-)進行完一次測量循環(huán)，需要較長的時間，由于視線的原因有時候需要更長的時間，所以系統(tǒng)計算采用的數(shù)據(jù)并不是同一個時間內(nèi)采集到的，這對系統(tǒng)精度有影響，需要采取一定的措施。5、監(jiān)視照明通訊系統(tǒng)

5.1、監(jiān)視系統(tǒng)

在螺旋輸送機卸碴口、皮帶機卸碴口、后配套尾部及管片小車區(qū)域安裝一臺攝像機，主控室內(nèi)安裝一臺彩色顯示器，配有轉(zhuǎn)換開關(guān)，用以即時監(jiān)視以上區(qū)域的工作情況。5、監(jiān)視照明通訊系統(tǒng)

5.2、照明系統(tǒng)

照明采用三防日光燈，具有良好的接地保護，每4盞燈配置一套應(yīng)急照明裝置，在設(shè)備停電后，自動切換到應(yīng)急照明，應(yīng)急照明時間能持續(xù)1小時。

5、監(jiān)視照明通訊系統(tǒng)

5.3、通訊系統(tǒng)

在主機及后配套系統(tǒng)上安裝8部電話。

5部電話采用分機號模式通話，并與地面連接，地面電話能直接聯(lián)系到盾構(gòu)上人員，電話具體安裝位置：1）主控制室，2）主艙（人閘）3）材料艙（人閘）4）人閘外部5）拖車尾部人閘部分還安裝了3