淺談盾構(gòu)機(jī)電氣控制系統(tǒng)構(gòu)成以及盾構(gòu)機(jī)電氣系統(tǒng)的應(yīng)用

摘要：本文對于土壓平衡盾構(gòu)機(jī)電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行概述，并分別對其配電系統(tǒng)、可編程控制系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的構(gòu)成進(jìn)行分析，以加深對其整個(gè)工業(yè)控制系統(tǒng)構(gòu)成的熟悉與掌握。

關(guān)鍵詞：電氣系統(tǒng)；可編程控制系統(tǒng)；計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

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：

序號用電設(shè)備設(shè)備容量

1刀盤驅(qū)動(dòng)6x110kW

2超挖刀1.5kW

3推進(jìn)系統(tǒng)55kW

4管片安裝機(jī)45kW

5螺旋輸送機(jī)200kW

6皮帶輸送機(jī)55kW

7注漿泵2x30kW

8砂漿儲(chǔ)存罐的攪拌器7.5kW

9液壓油過濾泵11kW

10主軸承潤滑2.2kW

11管片吊機(jī)2x2kW

12排水泵15kW

13冷卻水系統(tǒng)3x7.5kW

14二次通風(fēng)機(jī)15kW

15空壓機(jī)55kW

16泡沫系統(tǒng)0.75kW

17鉸接系統(tǒng)22kW

18其他設(shè)備125kW

總功率1348.95kW

1.1 高壓系統(tǒng)

經(jīng)過負(fù)荷計(jì)算，Sj1≈1500kVA，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)柜電壓等級為12KV，容量為200A，變壓器帶溫度和密封性故障報(bào)警。

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，主開關(guān)和副開關(guān)，其中主開關(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)需消耗無功功率，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，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)量與穩(wěn)定性。因盾構(gòu)施工屬于臨時(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，滿足掘進(jìn)現(xiàn)場施工需求。弱電系統(tǒng)也是低壓系統(tǒng)的組成部分。弱電系統(tǒng)主要是給各個(gè)繼電器和傳感器以及電磁閥提供電源，盾構(gòu)機(jī)電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中充分考慮了產(chǎn)品的安全性及防護(hù)等級的性能要求，弱電系統(tǒng)控制電壓輸入整定值為24V。但是工地現(xiàn)場實(shí)際，因?yàn)槭须婋妷鹤兓腿蹼娯?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)。只有這樣才能更好的保護(hù)好盾構(gòu)機(jī)的弱電系統(tǒng)。

2.可編程控制系統(tǒng)

可編程控制系統(tǒng)（PLC）是整個(gè)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)電氣系統(tǒng)的“大腦”，它通過現(xiàn)場通訊網(wǎng)絡(luò)，采集系統(tǒng)中各個(gè)繼電器、傳感器、以及電磁閥的狀態(tài)信息，然后匯總、數(shù)據(jù)計(jì)算與對比處理，將運(yùn)算結(jié)果再反饋至盾構(gòu)機(jī)設(shè)備各個(gè)分系統(tǒng)的執(zhí)行元件從而實(shí)現(xiàn)控制，土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)可編程控制系統(tǒng)是由西門子S7-400采用主從分布式結(jié)構(gòu)組成?？删幊炭刂葡到y(tǒng)采用 Profibus-DP協(xié)議的現(xiàn)場總線控制技術(shù)，在司機(jī)操控室設(shè)置了S7- 400主站和工控機(jī)，在低壓配電柜設(shè)置了從站，并將設(shè)備安裝的電氣元件通過DP電纜連接至主站。在用電設(shè)備相對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)也可以降低設(shè)備的故障率，提高設(shè)備運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定可靠性。同時(shí)工控機(jī)可以通過工業(yè)以太網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議，與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)，以實(shí)時(shí)掌握盾構(gòu)掘進(jìn)狀況與參數(shù)。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)角度編碼器檢測循環(huán)中斷組織塊，一個(gè)為每組推進(jìn)速度檢測計(jì)算循環(huán)中斷組織塊。功能塊與電氣圖紙組別一一對應(yīng)，相應(yīng)地與盾構(gòu)機(jī)上各個(gè)系統(tǒng)相對應(yīng)，這便于技術(shù)人員及時(shí)找到程序與圖紙的對應(yīng)關(guān)系，方便維護(hù)技術(shù)人員及時(shí)故障排除。

3.計(jì)算機(jī)控制系統(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)控制室，由現(xiàn)場操作人員使用，用于人機(jī)對話、顯示數(shù)據(jù)、設(shè)置和修改系統(tǒng)控制參數(shù)等。數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)就是采集、處理、存儲(chǔ)、顯示和評估與掘進(jìn)機(jī)聯(lián)網(wǎng)所獲得的數(shù)據(jù)。通過調(diào)整過的時(shí)鐘脈沖，所有測量數(shù)據(jù)都將從工控機(jī)連續(xù)不斷的得到。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連續(xù)不斷對盾構(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。通過這些推進(jìn)時(shí)刻的原始文檔，就可以獲得相關(guān)掘進(jìn)區(qū)間每一期、每一刻的文檔。便于分析積累了一批理論數(shù)據(jù)和一定的操作經(jīng)驗(yàn)，為今后深入研究土壓平衡式盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的技術(shù)和更廣泛的應(yīng)用提供了參考。

4.盾構(gòu)機(jī)電氣系統(tǒng)的應(yīng)用

4.1配電系統(tǒng)的應(yīng)用

本文以品牌海瑞克盾構(gòu)機(jī)為例，其配電系統(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用電容量的設(shè)置。當(dāng)需要改變負(fù)荷電流值時(shí)，無須更換開關(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)。

4.2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。如果說電氣控制系統(tǒng)是盾構(gòu)機(jī)的神經(jīng)系統(tǒng)，那么可編程控制系統(tǒng)就是盾構(gòu)機(jī)的大腦。通過工控機(jī)可以連接PLC進(jìn)行程序監(jiān)控，通過該方法可以判斷盾構(gòu)機(jī)因條件不滿足使動(dòng)作無執(zhí)行這類的故障。

4.3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?，F(xiàn)舉例說明如何通過地面監(jiān)控電腦對盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程的各組推進(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)過設(shè)置后撥號會(huì)自動(dòng)應(yīng)答，既地面監(jiān)控電腦通過軟件查看和控制盾構(gòu)機(jī)的工控機(jī)。

5.結(jié)語

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，減少了維護(hù)的工作量?？删幊炭刂葡到y(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)化級別為現(xiàn)場級，采用Profibus-DP協(xié)議的現(xiàn)場總線控制技術(shù)。如果在地面設(shè)置監(jiān)控電腦，并通過工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行通訊，那么其自動(dòng)化級別可上升至監(jiān)控級和管理級，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，掌握盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)狀況。

參考文獻(xiàn)

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