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1、海瑞克盾构机电气控制系统概述剑祥（中铁六局集团地铁2 号线项目部 518056）摘 要：对海瑞克土压平衡盾构机电气控制系统进行概述，并分别对其配电系统、可编程控制系统 和计算机控制及数据采集分析系统三个部分的设计进行总结，以加深对其整个电气控制系统原理的 理解。关键词：电气系统 配电系统 可编程控制系统 计算机控制及数据采集分析系统0 海瑞克盾构机电气系统简介盾构机是一种集机械、液压、电气和自动化控制于一体、专用于地下隧道工程开挖 的技术密集型重大工程装备，其技术先进、结构庞大。如果把机械部分比喻成人的四肢， 那么液压系统比喻成人的血液系统，则电气控制系统就是人的神经系统。当前盾构机电 气控制
2、系统均采用世界上最先进、可靠的技术以保证系统稳定可靠地运行。海瑞克盾构 机电气控制系统分为配电系统、可编程控制系统和计算机控制及数据采集分析系统三个 部分。下面对该三个部分进行介绍。1 配电系统盾构施工是参考工厂式的流程化作业施工，盾构机的配电系统设计原则也是参照工厂供配电原理设计的。配电系统分为高压系统和低压系统，其用电设备列表如下：序号用电设备设备容量备注1刀盘驱动945kW2超挖刀7.5kW3推进系统75kW4管片安装机45kW5螺旋输送机250kW6皮带输送机22kW7注浆泵30kW8砂浆储存罐的搅拌器7.5kW9液压油过滤泵11kW10主轴承润滑4kW11管片吊机2x2kW12排水泵
3、12kW13冷却水系统7.5kW14二次通风机11kW15空压机110kW16泡沫系统18kW17补油泵55 kW18其他设备75kW总功率1682kW1.1 高压系统经过负荷计算，Sj12000kVA，则选择的电压器容量为2000kVA,选择的高压电缆进线为UGP-3X50+1X25，选用的高压环网柜电压等级为12KV,容量为200A,变压器带温度和密封性故障报警。高压系统原理图如下：变压器温度和密封 性故障动作机构Cabinet*Siqral |&Vi 25159025；-1T2fOkV/iOOV 2030VADyn5 26000666HErmefc&Temn 匸 ehiItoI1.2低压
4、系统变压器将10KVL的市电转变成400V的低压电，之后分成两路，分别经过断路器1-3Q2 （俗称主开关丿和断路器1-4Q2 （副开关丿，其中主开关具有相序保护。主开关控制盾构机主要用电设备，比如各个电机。因各个电机为三相用电设备，在启动和运行 时需消耗无功功率，所以海瑞克盾构机电气系统投入了功率补偿设备，以保障设备运行 时，功率因数大于 0.9。副开关控制台车部位和盾体部位的照明系统和备用插座系统。由此可见，三相用电设备系统与照明系统实行分线布置，提高了两者的供电质量。因盾 构施工也属于临时施工，需要布置临时用电系统，备用插座系统就是与临时用电系统的 接口，满足现场施工需求。弱点系统也是低压
5、系统的组成部分。弱点系统主要是给各个继电器和传感器以及电 磁阀提供电源，电压输入整定值为 24V。2 可编程控制系统海瑞克盾构机的可编程控制系统是由西门子 S7-400 采用主从分布式结构组成的，.word.资料.其硬件组态如上图：如图所示，可编程控制系统采用Profibus-DP协议的现场总线控制技术，在司机室 设置了 S7-400主站和工控机，在低压配电柜设置了IM153从站，并将设备安装的电气元 件通过DP电缆连接至主站。在用电设备相对集中的低压配电柜设置智能远程I/O模块， 这样就可以按照就近原则，将附近的电气设备接入分站，相比接入司机室S7-400主站 节省大量电缆。同时工控机可以通
6、过工业以太网的TCP/IP协议，与地面电脑组成局域 网，使地面的电脑连接与控制工控机，以掌握盾构掘进状况。PLC程序包含源文件和块文件。块文件又包含组织块、功能块、功能和数据块等。 其中组织块一调用各个功能块执行盾构机的运行和动作，还设置了三个中断组织块，一 个为电源故障中断组织块，一个为拼装机角度编码器检测循环中断组织块，一个为每组 推进速度检测计算循环中断组织块。功能块与电气图纸组别一一对应，相应地与盾构机 各个系统相对应，使技术人员方便找到程序与图纸的对应关系。3 计算机控制及数据采集分析系统计算机控制系统主要用于参数设置和数据采集分析。西门子工控机安装在盾构司机 室， 由现场操作人员使
7、用， 用于人机对话、显示数据、设置和修改系统控制参数等。工 控机与PLC通讯示意图如下：PLCTunnelling machEnCurrent nn亡asurmg velues, 5tate of operation, speed of rotation. .I 、PC 卩nxB55 tdtd acquisiticin ani visualisation (PC PDV)Limit values, central panani-eters, correction factors,-Cnntmunfcatio berwee PLC and PC数据采集分析系统就是采集、处理、存储、显示和评估与掘
8、进机联网所获得的数据。 通过调整过的时钟脉冲，所有测量数据都将从工控机连续不断的得到。但是，只在特定 的时间才进行数据的记录。数据采集系统连续不断对盾构机 的资料进行采集、显示和 存储。每一推进时刻的资料均被保存在不同的文档中，这些文档连续的自动编上不同环 号。通过这些推进时刻的文档，就可以获得相关掘进区间每一期、每一刻的文档。测量 的数据将以图形方式显示在工控机上，通过功能键F1到F8、简单的菜单、鼠标 和键盘，可以选择单个的显示区域。如下图为F1界面，其中的参数界面可以进行参数设 置。JI*9Iff嶄皋社克柚AUbarIf止HEftREKtKMi hi-hl.(J Ltr己门汩皿沾囚型阳口
9、抬爲Lui 221)2n* 岸止淤上厢力親書希常st犯竦卑吩FIK| lTn ID件圧方馥己这現In sta聂活的G EEimAtJV0 mcn/m#mMeS| H.Ss命七s讦命洁乐哄厘用誅饰卄rr汕貯磺肚知迎床至竝atrffF7/匚键臭両j囤察算百|一段幄郭面一甩袒舉丽珅弄直压袍握笹(刁键 云O.l rpm| (I.U MNrnQ G bar1 -Lb1 一 一一工作圧ifF1界面每环结束后，掘进报告会自动生成。海瑞克公司还提供了一个额外数据评估程序 可以用来分析多环的各个参数变化情况并形成每环掘进报告。SLS-T 隧道导向系统为测量专用系统，在此不讨论。4 盾构机电气系统的应用41 配电
10、系统的应用海瑞克盾构机的配电系统装配的电器开关都是梅兰日兰生产的，该品牌为全球电器 开关第一品牌。每个电机上端都安装了一个断路器，具有过载短路漏电保护，而且其负 荷电流，漏电电流和动作时间都可以在一定围设定，这一点与国产件不同。比如推进泵 电机上端断路器15-1Q1,出厂时负荷电流调节为12OA，但是该开关可以从9OA-15OA 围随意调节，这样极大的方便了用户对用电容量的设置。当需要改变负荷电流值时，无 须更换开关。弱电系统的输出电压在出厂时，一般设定为27V，到负载端一般为24V, 但是工地现场实际，因为市电的电压，还有弱电负载的变化，都将导致负载端电压值不等于24V。根据工程经验，弱电用
11、电设备输入电压超过本身的10%,将容易损坏。所以 每次盾构机始发调试时都必须根据弱电负载的电压值重新整定弱电系统的输出值，而且 在设备使用过程中,因传感器的损坏或者其他原因导致负载容量变化时引起的电压变化 也需要监控,实时调节。只有这样才能保护好了盾构机的弱电系统。42 可编程控制系统的应用可编程控制系统是盾构机电气控制系统的最关键的部位。如果说电气控制系统是盾 构机的神经系统,那么可编程控制系统就是盾构机的大脑。那么“大脑”是怎样指挥“神 经系统”的呢？我们以推进系统1 号油缸伸出为例说明可编程控制系统程序是如何控制1 号油缸伸出的。如下图所示：M58.4为推进模式下1号油缸伸出信号，M88
12、.0为拼装模式下油缸伸出信号。当M58.4或者M88.0为1时，则Q9.7也为1Q9.7对应电气图纸的“.15/23.3”为控制 1 号油缸伸缩换向阀的伸出电磁线圈,该线圈得电,1 号油缸伸出。通过工控机可以连接PLC进行程序监控，通过该方法可以判断盾构机因条件不满足 使动作无执行这类的故障。43 计算机控制及数据采集分析系统的应用计算机控制及数据采集分析系统应用主要体现在管理级。现举例说明如何通过地面 监控电脑对盾构机掘进过程的各组推进压力数据进行分析。在地面监控电脑与盾构机工 控机之间占用一路线，都使用串口 COM 调制解调器与电脑连接，即建立了工业以太网。 在两部电脑上都安装 PCANY
13、WHERE 软件，经过设置后拨号会自动应答，既地面监控电 脑通过软件查看和控制盾构机的工控机。在控制工控机后，打开 PDV 监视界面，进入F7的DATE EVALUATION，点击选项，得到如下图表：PrtMun pushing Jack*bar卅呷225pr憐需离gnQUPP A 100 -pf弟 Su怡 gQLJp0E14flprBBursgnoup9 F如图所示，在地面监控电脑看到第 225 环三组推进压力的瞬时值。5 盾构机电气系统的总结综上所述，海瑞克盾构机的电气控制系统是一个庞大复杂但先进又不失人性化的系统。配电系统从高压到低压，从强电到弱电，电气元件大多为梅兰日兰的产品，有质量
14、保证，不但设定值精度高而且寿命长，减少了维护的工作量。可编程控制系统为西门子 S7-400 为主站，采用主从分布式结构组成的。系统稳定，功能强大。在工控机上可以 监控程序的运行，还可以进行硬件诊断，可以判断盾构机电气方面的大多数故障。计算 机控制及数据采集分析系统可以与 PLC 进行通讯，采集、处理、存储、显示和评估与掘 进机联网所获得的数据。此时，盾构机电气控制系统的自动化级别为现场级，采用 Profibus-DP 协议的现场总线控制技术。如果在地面设置监控电脑，并通过工业以太网 协议进行通讯，那么其自动化级别可上升至监控级和管理级，实现盾构机的远程监控， 掌握盾构机掘进状况。参考文献1 海瑞克.S436 S437 技术说明，2008.2 江文，许慧中主编.供配电技术.：机械工业，2005.13 运刚，宋小春，郭武强编著.从入门到精通.西门子S7-300/400PLC技术与应用.：人民邮电，2007.8
