盾構(gòu)機推進系統(tǒng)及PID控制簡析

1盾構(gòu)機推進系統(tǒng)的組成1.1盾構(gòu)機推進系統(tǒng)的組成盾構(gòu)機正常推進由ABCD四組千斤頂油缸提供的反力實現(xiàn)，直線掘進時四組油缸均勻用力，轉(zhuǎn)彎時通過調(diào)節(jié)四組油缸的油壓實現(xiàn)左右轉(zhuǎn)或者升降，推進系統(tǒng)的組成可細(xì)分為壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、推進速度總調(diào)節(jié)系統(tǒng)、PLC、電機及泵頭、ABCD四組閥組及油缸。另外還有管路系統(tǒng)，電源放大器及壓力傳感器等組成。見下圖1-1圖1-1推進系統(tǒng)示意圖1.2ABCD四組油缸壓力調(diào)節(jié)及總推進速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)如上圖1-1所以，在盾構(gòu)機操作室內(nèi)20個（不同盾構(gòu)機油缸個數(shù)和分組會有所不同）推進油缸被分成ABCD四組,每組油缸可單獨作為一個單元提供單獨推力。每組調(diào)節(jié)旋鈕（5000歐姆電阻）在全行程范圍內(nèi)將0-10V電壓信號傳送給PLC模擬量輸入模塊，經(jīng)過系統(tǒng)邏輯計算輸出信號用于調(diào)節(jié)每組油缸的比例溢流閥控制每組油缸的壓力。對應(yīng)A組油缸當(dāng)調(diào)節(jié)A壓力旋鈕時，將0-10V的電壓信號傳送到PLC的模擬量通道模塊，經(jīng)過系統(tǒng)邏輯運算輸出0-10V電壓信號作用于電源放大器，電源放大器將接收子PLC的0-10V電壓信號轉(zhuǎn)換成0-1600mA的電流信號用于控制A組油缸的比例溢流閥A100，來控制A組油缸的壓力。對于A組油缸調(diào)節(jié)過程中，通過壓力傳感器將A組油缸的壓力值存入數(shù)字塊（DB40）的數(shù)據(jù)雙字（DBD44）中。并將該油缸的（行程數(shù)據(jù)和）壓力數(shù)據(jù)顯示到控制室對應(yīng)的顯示器上（如A組壓力）。模擬量通道處理FC105功能塊處理輸入信號程序如下CALL"SCALE"IN:="模擬輸入通道"模擬量模塊的輸入通道地址，在硬件組態(tài)時分配HI_LIM:=4.000000e+002現(xiàn)場信號的最大量程值LO_LIM:=0.000000e+000現(xiàn)場信號的最小量程值BIPOLAR:=FALSE極性設(shè)置，如果現(xiàn)場信號為+10V~-10（有極性信號），則設(shè)置為1，如果現(xiàn)場信號為4mA~20mA或者0~10V（無極性信號）；則設(shè)置為0RET_VAL:=#Fehler_Wort功能塊的故障字，可存放在一個字里面OUT:="Komm_datenbaustein".現(xiàn)場信號值1.3可編程控制器采用西門子S7-400可編程控制器通過采集外部變送器信號經(jīng)過程序運算輸出信號用于控制外部機構(gòu)。在盾構(gòu)機的各個系統(tǒng)中可編程控制器充當(dāng)大腦的作用。1.4電機與液壓泵頭圖1-2液壓泵頭原理推進系統(tǒng)泵頭由75kW電機驅(qū)動。電機帶一個單向變量液壓泵。通過電控外部壓力控制比例溢流閥A300調(diào)節(jié)配油盤的角度使主油管壓力和配油盤達(dá)到平衡。當(dāng)通過調(diào)速旋鈕調(diào)節(jié)盾構(gòu)機推進速度時，PLC通過程序運算將0-10V電壓信號送給電源放大器，電源放大器（雙通道PAM-196W.E.ST.）將0-10V信號轉(zhuǎn)換成0-1600Ma電流信號用于控制比例溢流閥A300，使閥芯彈簧與電磁作用力平衡而將該溢流閥的溢流壓力達(dá)到某一設(shè)定值。泵頭的工作原理：當(dāng)電機剛啟動時，恒壓泵在未達(dá)到調(diào)定壓力之前，處于以最大排量的定量泵作用工作狀態(tài)。恒壓變量泵是由柱塞泵、變量油缸和調(diào)壓閥組成。恒壓泵在未達(dá)到泵上調(diào)壓閥（A300）設(shè)定壓力之前，變量泵斜盤處于最大偏角，泵排量最大且排量恒定，實際上這個階段恒壓變量泵相當(dāng)定量泵。在達(dá)到調(diào)壓閥設(shè)定壓力之后，A300溢流泄壓，使得滑閥右側(cè)壓力降低，滑閥向右移動，使得斜盤調(diào)節(jié)閥前后油路相通,控制油進入變量油缸，變量油缸推動斜盤減小泵排量。在恒壓變量泵系統(tǒng)里，如果存在溢流閥，泵上調(diào)壓閥設(shè)定壓力（A300的設(shè)定壓力）要小于系統(tǒng)溢流閥（圖中V2溢流閥）調(diào)定壓力0.5-1Mpa。否則泵壓力無法達(dá)到調(diào)壓閥設(shè)定值，也就無法變量。恒壓泵進入恒壓工況后，它能根據(jù)系統(tǒng)的需要提供最大流量以下的流量，系統(tǒng)要多就多提供，系統(tǒng)要少就少提供，而保持系統(tǒng)為恒壓壓力。在保壓系統(tǒng)這種情況下不需要流量時，泵的流量只滿足于內(nèi)泄漏就可以。1.5ABCD四組閥組對于A組推進油缸閥組，當(dāng)推進模式激活的情況下，程序跳轉(zhuǎn)至M007，此時對于推進閥組，系統(tǒng)直接將操作面板的設(shè)置壓力通過PLC模擬量模塊通過電源放大器用電流信號控制整組油缸的電控比例溢流閥A100來限制該組油缸的推進壓力并將調(diào)速信號傳送給每一組油缸的電控比例節(jié)流閥如A110控制流量。在拼裝模式下系統(tǒng)跳轉(zhuǎn)至M008，此時電控比例溢流閥A100與電控比例節(jié)流閥A110賦予最大值處于全開啟狀態(tài)。當(dāng)拼裝模式或者該組油缸中任一根油缸動作時A120得電，使得進油路繞過比例節(jié)流閥A110直接與油缸閥組相通如下程序段。由于控制比例閥的電流信號較大，所以實際采用的是PAM-190W.E.ST.雙通道電源放大器控制比例閥，調(diào)試中對于A110，電流信號在約250-500mA控制液壓油流量在0-24L/min變化，對于A100，電流信號在約100-500mA控制壓力在0-350bar變化（對于不同的盾構(gòu)機或者相同的盾構(gòu)機參數(shù)也不一樣，需現(xiàn)場調(diào)試整定）。A"BitVortriebaktiviert"推進模式JCM007M007:L"Komm_datenbaustein".A組油缸壓力T#Ansteuerung_Druck_AL"Komm_datenbaustein".B組油缸壓力T#Ansteuerung_Druck_BL"Komm_datenbaustein".C組油缸壓力T#Ansteuerung_Druck_CL"Komm_datenbaustein".D組油缸壓力T#Ansteuerung_Druck_DL"Komm_datenbaustein".總調(diào)速流量L1.000000e+002最大流量*RT#Ansteuerung_Menge_AA組油缸流量T#Ansteuerung_Menge_BB組油缸流量T#Ansteuerung_Menge_CC組油缸流量T#Ansteuerung_Menge_DD組油缸流量圖1-3A組推進油缸閥組對于系統(tǒng)推進泵泵頭A300的控制，當(dāng)處于拼裝模式時A"BitVortriebaktiviert"推進模式激活JCM003跳轉(zhuǎn)至M003M003:L#最大拼裝壓力L2.000000e+001補償管路壓降+RT#Vorgabe_A10V_Regelung將壓力傳送給局部變量2推進系統(tǒng)的控制2.1基本控制原理系統(tǒng)通過傳感器圖1-2中A3031S004檢測泵頭主管路出油壓力即過程變量（SP_IN），通過PID連續(xù)控制模塊，與需要達(dá)到的壓力，即四組油缸最大壓力加20bar（預(yù)設(shè)值SP_INT）中間變量值#Vorgabe_A10V_Regelung對比并不斷平滑校正，使推進泵泵頭工作在穩(wěn)定平滑的調(diào)節(jié)狀態(tài)。這是一個利用偏差進行控制并最后消除偏差的過程。PID控制系統(tǒng)在盾構(gòu)機推進系統(tǒng)的應(yīng)用使盾構(gòu)機在地下掘進過程中能夠平滑緩慢的調(diào)節(jié)推進速度，使系統(tǒng)對地層的沖擊擾動降低到最低，同時也將反作用力對盾構(gòu)機刀盤，主軸承等設(shè)備的磨損降到最低，同時通過PID控制系統(tǒng)不必使推進電機泵頭油壓始終工作在最大壓力或最大功率狀態(tài)下，這樣不僅降低了設(shè)備的磨損率也達(dá)到了節(jié)能的目的，這是一個近乎于零成本投入集眾多優(yōu)點的技術(shù)解決方案。它的采用也在客觀上給人為誤操作（如不小心將調(diào)速旋鈕從零迅速調(diào)到最大）轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)反饋控制下的連