淺析厄瓜多爾CCS項目雙護盾TBM電氣控制系統(tǒng)

宋 武 洋

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

厄瓜多爾科卡科多-辛克雷(Coca Codo Sinclair)水電工程項目1#輸水隧洞全長13.7 km。該項目引進了德國海瑞克公司生產(chǎn)的先進的雙護盾TBM(Tunnel Boring Machine)進行隧洞施工。TBM是一種集機械、液壓、電氣與自動化控制于一體、專門用于地下隧洞工程開挖的新型、先進的隧洞施工設(shè)備，使用電子、電氣、液壓、監(jiān)測、遙控等高新技術(shù)對全部作業(yè)進行制導(dǎo)和監(jiān)控，使掘進過程始終處于最佳狀態(tài)。在國際上，TBM已廣泛應(yīng)用于水利水電、礦山開采、交通、市政、國防等工程建設(shè)中。

2 TBM電氣系統(tǒng)

TBM為工廠化流水作業(yè)施工。此臺TBM(型號為S-672)電氣系統(tǒng)是參考工廠供配電原理進行設(shè)計的。配電系統(tǒng)分為高壓系統(tǒng)、低壓系統(tǒng)，其用電設(shè)備見表1。

表1 TBM用電設(shè)備表

2.1 高壓系統(tǒng)

該TBM選用的高壓環(huán)網(wǎng)柜的電壓等級為24 kV，所選擇的高壓電纜線為20 kV三芯軟電纜3×150 mm2，從高壓接線柜到開關(guān)柜及開關(guān)柜到變壓器的電纜20 kV采用單軟電纜1×90 mm2, 所選擇的變壓器電壓等級為20 kV，容量為2 000 kVA一臺，2 700 kVA兩臺，1 200 kVA一臺，變壓器配有溫度和瓦斯及密封性故障報警系統(tǒng)。

2.2 低壓系統(tǒng)

1#變壓器將20 kV的高壓轉(zhuǎn)變成400 V低壓電，由電氣柜MCC01集中分配電能，經(jīng)斷路器1-1Q1主開關(guān)供TBM后配套、推進系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)的供電，主開關(guān)具有相序保護功能，同時，由于TBM在啟動和運行時需要消耗無功功率，故S-672電氣系統(tǒng)投入了功率補償設(shè)備，以保證設(shè)備運行時功率因素大于0.9。MCC01電氣柜采用用電設(shè)備分線布置，并對其用

圖1 1#變壓器原理圖

電設(shè)備采用獨立開關(guān)控制。因TBM屬于施工設(shè)備，在施工過程中，為解決臨時用電需求，在TBM不同區(qū)域布置了不同容量的電源插接盒，并加裝了漏電保護開關(guān)以保證用電安全，其原理見圖1。

弱電系統(tǒng)為低壓系統(tǒng)的組成部分，弱電系統(tǒng)主要是為各控制儀表、繼電器、傳感器以及電磁閥提供電源，輸出直流電壓值為12 V和24 V。

2.3 可編程控制系統(tǒng)

TBM在掘進過程中需要大量的檢測變量和執(zhí)行元件，其中包含了大量的位移傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、液位傳感器和20臺變頻器、電動機以及大量的比例調(diào)節(jié)閥，故該系統(tǒng)需要很多的輸入輸出點、大量的模擬量信號，如1～10VDC、4～20 mA、熱電阻等，必須選用功能強大的PLC產(chǎn)品作為控制系統(tǒng)且其需具備快速性、穩(wěn)定性；無風(fēng)扇運行與集中/分布式信號模塊的熱插拔性；高效的組態(tài)與本產(chǎn)品和圖形工程工具的高級語言相兼容；所有數(shù)據(jù)、程序原代碼和用戶專用數(shù)據(jù)存儲在CPU中；滿足施工過程中的快速動作、供電中斷和故障保護等特殊要求。

由于整個處理工藝器件占用的面積比較大，控制回路多，為了避免鋪設(shè)大量的控制線路，最終采用西門子的從站模塊，將一部分I/O放置在距離中心控制室較遠、而控制點又比較集中的地方。

PLC程序包含源文件和塊文件，塊文件又包括組織塊、功能塊和數(shù)據(jù)塊等。其中組織塊可調(diào)用各個功能塊執(zhí)行TBM的運行及動作并設(shè)有電源故障中斷、管片安裝機角度編碼檢測循環(huán)、推進檢測等組織塊。程序中的各個地址與電氣圖紙一一對應(yīng)，以便于電氣工作人員查找故障、分析原因。

2.4 計算機控制及數(shù)據(jù)采樣分析系統(tǒng)

計算機控制系統(tǒng)主要用于參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)采樣分析。西門子工控機安裝于操作室，由現(xiàn)場操作人員操作使用，用于對監(jiān)控、數(shù)據(jù)顯示、報警提示設(shè)置和修改系統(tǒng)控制參數(shù)等。

工控機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是集采集、處理、存儲、顯示和評估與掘進參數(shù)修改于一體，通過調(diào)整過的時鐘脈沖，所有測量數(shù)據(jù)都將從工控機連續(xù)不斷地得到，TBM工控機不斷地對PLC傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行采樣、顯示、同時存儲數(shù)據(jù)，每動作一次的資料均被保存在不同的文檔中,通過這些掘進時的文檔即可獲得每一期、每一刻的文檔數(shù)據(jù)并以圖形的方式顯示在監(jiān)控界面上。通過功能鍵F1到F8、選擇菜單、鼠標，可以選擇單個的顯示區(qū)域。如圖2所示的監(jiān)控界面，其中的參數(shù)可以進入?yún)?shù)修改界面進行參數(shù)設(shè)置。

3 TBM電氣控制系統(tǒng)的應(yīng)用

圖2 F1監(jiān)控界面圖

3.1 低壓系統(tǒng)的應(yīng)用

TBM掘進機配電系統(tǒng)的配電開關(guān)主要以分塊控制，每個電機上端安裝一個斷路器，具有過載短路漏電保護功能，其負荷電流、漏電電流和動作時間均可在一定范圍內(nèi)設(shè)定，比如推進液壓泵1#電機上端斷路器15-1Q1，將出廠時的負荷電流調(diào)節(jié)為150 A,但是，該開關(guān)可以從100 A到220 A范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，從而極大地方便了用戶對用電容量的設(shè)置，當(dāng)需要改變負荷電流值時無需更換開關(guān)。弱電系統(tǒng)的輸出電壓在出廠時一般設(shè)定為24 V。S-672 TBM2由于采用獨立發(fā)電廠孤網(wǎng)供電，其供電電壓的變化、弱電負載的電壓變化都將導(dǎo)致弱電負載端電壓值不等于24 V。根據(jù)筆者的工作經(jīng)驗，當(dāng)弱電用電設(shè)備輸入電壓超過本身的10%即容易損壞。所以，在TBM始發(fā)調(diào)試時，都必須根據(jù)弱電負載的電壓值重新調(diào)定弱電系統(tǒng)的輸出值為26 V，而且在設(shè)備使用過程中，因傳感器的損壞或其他原因?qū)е仑撦d容量變化時引起的電壓變化也需要監(jiān)控，并對直流電源模塊末端分配多個帶有故障提示的穆爾開關(guān)，加強對各個功能直流電源的實時監(jiān)控和調(diào)節(jié)，以保護TBM掘進機的弱電系統(tǒng)。

3.2 可編程控制系統(tǒng)的應(yīng)用

可編程控制系統(tǒng)是TBM電氣控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，S-672系統(tǒng)系采用Siemens公司生產(chǎn)的SIMATIC S7-300系列的PLC，包括：中央處理單元(CPU319)一塊，數(shù)字輸入模塊一塊，數(shù)字輸入模塊以及一塊接口擴展模塊(IM360)。中央處理單元CPU319可進行部分I/O配置，可用于安裝規(guī)模指令執(zhí)行速度的程序及數(shù)字輸入模塊并使用光電耦合背光板隔離，該模擬輸入模塊具有反極性保護。可編程控制系統(tǒng)由西門子公司S7-300采用主站及從站分布式結(jié)構(gòu)組成，系統(tǒng)程序運行采用Siemens公司生產(chǎn)的、與PLC配套使用的SIMATIC STEP7編程軟件。在用戶程序中設(shè)置組織塊(OB1)、功能數(shù)據(jù)塊(FB)和功能塊(FC)。組織塊(OB1)是操作系統(tǒng)和用戶程序之間的接口，其由操作系統(tǒng)調(diào)用并控制循環(huán)和中斷程序的執(zhí)行及PLC的啟動模式。功能塊(FC)是無存儲區(qū)的邏輯塊，F(xiàn)C的臨時變量存儲在局域數(shù)據(jù)堆棧中，當(dāng)FC執(zhí)行結(jié)束后，這些數(shù)據(jù)自動丟失。FB是子程序段，此子程序段由組織塊OB1根據(jù)控制指令調(diào)用。

SIMATIC STEP7 編程軟件提供了三種編程工具，分別是：語句表(STL)、功能圖(FBD)和梯形圖(LAD)三種語言編寫程序。

可編程邏輯控制器編程軟件STEP7具有在線監(jiān)視功能。假如我們不能確定某個傳感器是好還是壞，或者是不方便找到傳感器時，可以通過SIMATIC的在線監(jiān)視功能，如圖3中的PG和PLC連接好后，點擊菜單欄中的小眼鏡即可在線監(jiān)視運行情況，也就可以知道I0.3的狀態(tài)，從而判斷對位傳感器的好壞。

圖3 PLC監(jiān)控示意圖

通過工控電腦可以連接PLC進行程序的修改和監(jiān)控。通過該程序可以判斷TBM不滿足條件時無法執(zhí)行動作，能夠進行故障確定和信號短接，能快速排除故障使機器投入工作。

SIMATIC S7-300PLC控制系統(tǒng)上位機采用工業(yè)用計算機，配置為512 M內(nèi)存、40 G硬盤、兩個顯示器，運行英文Windows XP操作系統(tǒng)，組態(tài)軟件為Graphpic7.1英文版，通過西門子的PROFIBUS-DP與下位機通訊。采用Profibus-DP協(xié)議的現(xiàn)場總線控制技術(shù)，在操作室設(shè)置s7-300主站和工控機，在低壓配電柜設(shè)置從站并將設(shè)備安裝的電氣元件通過DP電纜連接至主站。在用電集中的低壓控制柜、操作室和護盾區(qū)設(shè)置遠程I/O模塊，按照就近原則，將附近的電氣設(shè)備控制線接入分站，相比直接操作室控制設(shè)備及采樣數(shù)據(jù)可以節(jié)約大量的控制電纜。

圖4 刀盤轉(zhuǎn)速歷史數(shù)據(jù)記錄圖

3.3 計算機控制及數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)的應(yīng)用

計算機控制及數(shù)據(jù)采樣分析系統(tǒng)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在管理級，同時方便操作手實時對TBM的工作狀態(tài)進行監(jiān)控并對掘進數(shù)據(jù)進行分析，同時記錄掘進參數(shù)和故障報警。圖4為刀盤轉(zhuǎn)速歷史數(shù)據(jù)記錄圖。

4 結(jié) 語

綜上所述，S-672 TBM2電氣系統(tǒng)是一個復(fù)雜、先進的系統(tǒng)。其配電系統(tǒng)從高壓設(shè)備到低壓設(shè)備采用集中電源控制，不但設(shè)定值精度準確而且防護效果好，從而減少了維護的工作量?？删幊踢壿嬁刂葡到y(tǒng)由主從分布式結(jié)構(gòu)組成，系統(tǒng)穩(wěn)定，功能強大。在工控機上可以監(jiān)控程序的運行、硬件的診斷，可以由工控機判斷電氣故障點，以便快速排除故障。計算機控制及數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)可以與PLC進行通訊、采集、處理、存儲、顯示與評估數(shù)據(jù)，從而判斷巖石及設(shè)備的情況，便于及時掌握TBM的掘進情況，查詢歷史數(shù)據(jù)，修改掘進參數(shù)，起到提高工作效率、保證工程質(zhì)量的作用。

參考文獻：

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[3] 廖常初. 大中型PLC應(yīng)用教程[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2005.

作者簡介:

宋武洋(1988-)，男，四川儀隴人，技術(shù)員，從事建筑工程施工技術(shù)與管理工作.

(責(zé)任編輯：李燕輝)