盾構(gòu)機(jī)后配套多帶式輸送機(jī)PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊 軍

（上海盈洲能源技術(shù)股份有限公司，上海 201607）

引言

地鐵建設(shè)、鐵路建設(shè)、水利建設(shè)等工程中，需要采用盾構(gòu)機(jī)對(duì)山體或地下空間進(jìn)行開(kāi)挖。為保證盾構(gòu)機(jī)高效、持續(xù)掘進(jìn)，需及時(shí)將其掘進(jìn)產(chǎn)生的渣土轉(zhuǎn)運(yùn)至隧洞外。渣土轉(zhuǎn)運(yùn)距離較短時(shí)可采用運(yùn)輸機(jī)車進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)，但運(yùn)輸機(jī)車單次轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間較長(zhǎng)，連續(xù)性差，噪聲污染大，不便于盾構(gòu)機(jī)持續(xù)掘進(jìn)[1]；距離較長(zhǎng)時(shí)，需采用帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)，其具有運(yùn)距長(zhǎng)，運(yùn)量大，速度快，污染小等特點(diǎn)[2],其作為盾構(gòu)機(jī)后配套設(shè)備，通過(guò)多條帶式輸送機(jī)搭配，能夠很好地承擔(dān)起渣土輸送重任。

本文就珠江三角洲水資源配置工程工B4 標(biāo)盾構(gòu)機(jī)后配套多條帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行探討，根據(jù)其現(xiàn)場(chǎng)特性及控制需求，設(shè)計(jì)一套控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

珠江三角洲水資源配置工程工B4 標(biāo)采用兩套盾構(gòu)機(jī)同時(shí)掘進(jìn)，需配套五條帶式輸送機(jī)，將盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的渣土轉(zhuǎn)運(yùn)至地面渣場(chǎng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該項(xiàng)目五條帶式輸送機(jī)，分別為連續(xù)輸送機(jī)1、轉(zhuǎn)載輸送機(jī)1、連續(xù)輸送機(jī)2、轉(zhuǎn)載輸送機(jī)2、提升輸送機(jī)。生產(chǎn)過(guò)程中，盾構(gòu)機(jī)1 掘進(jìn)產(chǎn)生的渣土卸載至連續(xù)輸送機(jī)1，渣土后經(jīng)轉(zhuǎn)載輸送機(jī)1 運(yùn)至提升輸送機(jī)，最終提升輸送機(jī)將渣土提升運(yùn)至地面渣場(chǎng)。盾構(gòu)機(jī)2 掘進(jìn)渣土轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程與盾構(gòu)機(jī)1 相同，兩盾構(gòu)機(jī)出渣共用同一提升輸送機(jī)。連續(xù)輸送機(jī)1、連續(xù)輸送機(jī)2、提升輸送機(jī)采用變頻驅(qū)動(dòng)方式，轉(zhuǎn)載輸送機(jī)1、轉(zhuǎn)載輸送機(jī)2 采用星三角軟啟動(dòng)。

圖1 輸送機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成

此五條帶式輸送機(jī)是掘進(jìn)施工的重要組成部分，該系統(tǒng)連續(xù)可靠運(yùn)行是隧道掘進(jìn)正常施工的重要保障。根據(jù)工作特性，輸送機(jī)控制系統(tǒng)需具備以下功能：

1）盾構(gòu)機(jī)1 及盾構(gòu)機(jī)2 均可獨(dú)立進(jìn)行開(kāi)挖施工，其工作過(guò)程互不干涉；

2）整個(gè)系統(tǒng)五條輸送機(jī)既可以單獨(dú)運(yùn)行，又可以根據(jù)需求進(jìn)行組合，實(shí)現(xiàn)其工藝連鎖；

3）生產(chǎn)線較長(zhǎng)，尤其是連續(xù)輸送機(jī)2，其長(zhǎng)度約3 100 m，對(duì)數(shù)據(jù)通信實(shí)時(shí)性、可靠性要求較高；

4）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備較分散，大量現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備信號(hào)需采集，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮電纜敷設(shè)及后期維護(hù)檢修便捷性；

5）現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)輸送機(jī)1、連續(xù)輸送機(jī)2、提升輸送機(jī)主電機(jī)采用變頻驅(qū)動(dòng)方式，控制系統(tǒng)需能夠方便快捷讀取變頻器電壓、電流、頻率、故障信息等參數(shù)；

6）在每條輸送機(jī)頭部位置均可對(duì)全生產(chǎn)線進(jìn)行操作、監(jiān)視；

7）能夠采集現(xiàn)場(chǎng)拉線開(kāi)關(guān)、跑偏開(kāi)關(guān)、縱撕開(kāi)關(guān)、堵料開(kāi)關(guān)等保護(hù)傳感器，并用于輸送機(jī)控制。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工況的分析研究，此生產(chǎn)線較長(zhǎng)，設(shè)備較為分散，若只設(shè)置一套PLC 模塊，將不可避免地敷設(shè)大量電纜，電纜成本高，后期維護(hù)復(fù)雜，多點(diǎn)分散控制較為合適。

變頻器需要采集及控制的參數(shù)較多，如采用傳統(tǒng)模擬量讀取方式，將需要擴(kuò)展多個(gè)模擬量模塊，電纜敷設(shè)較復(fù)雜，靈活性不高，經(jīng)綜合考慮，該項(xiàng)目通過(guò)總線通信控制變頻器，選用ProfiNet 通信方式，它是全開(kāi)放、全數(shù)字化的網(wǎng)絡(luò)，遵照網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的不同廠商的設(shè)備容易實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)[3]。該總線方式通信速率快，可靠性高，硬件敷設(shè)方便，PLC 和變頻器間僅需敷設(shè)一根屏蔽網(wǎng)線即可。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況，在連續(xù)輸送機(jī)1 頭部、連續(xù)輸送機(jī)2 頭部、提升輸送機(jī)頭部設(shè)置PLC 控制主站，分別為控制主站1-3；在連續(xù)輸送機(jī)1 尾部、連續(xù)輸送機(jī)2 尾部，設(shè)置控制分站，分別為控制分站1、控制分站2。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

各控制站點(diǎn)功能如下：控制主站1 用于連續(xù)輸送機(jī)1 及轉(zhuǎn)載輸送機(jī)1 信號(hào)采集及設(shè)備控制；控制主站2 用于連續(xù)輸送機(jī)2 及轉(zhuǎn)載輸送機(jī)2 信號(hào)采集及設(shè)備控制；控制主站3 用于提升輸送機(jī)信號(hào)采集及設(shè)備控制；控制分站1 用于與盾構(gòu)機(jī)1 進(jìn)行信號(hào)連鎖，該站點(diǎn)同時(shí)用于操作員對(duì)連續(xù)輸送機(jī)進(jìn)行控制操作；控制分站2 用于與盾構(gòu)機(jī)2 進(jìn)行信號(hào)連鎖，該站點(diǎn)同時(shí)用于操作員對(duì)連續(xù)輸送機(jī)進(jìn)行控制操作。

各控制站間通過(guò)光纖進(jìn)行以太網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高速可靠傳輸。

2.2 各控制站主要硬件構(gòu)成

綜合經(jīng)濟(jì)成本及可靠性，選用西門子SIMATIC S7-1200 系列PLC 作為控制核心，它可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單卻高度精確的自動(dòng)化任務(wù)，單個(gè)CPU 最多可擴(kuò)展8 個(gè)信號(hào)模塊，滿足現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備信息采集及控制需求；集成的PROFINET 接口可用于進(jìn)行編程以及HMI 和PLC 之間的通信，此外它還通過(guò)開(kāi)放的以太網(wǎng)協(xié)議支持與第三方設(shè)備的通信?？刂破魇褂渺`活、功能強(qiáng)大、設(shè)計(jì)緊湊、組態(tài)靈活且具有強(qiáng)大的指令集[4]。

各控制主站能夠獨(dú)立完成對(duì)應(yīng)輸送機(jī)控制，每個(gè)站點(diǎn)均配置CPU 一套，選用型號(hào)為CPU1214C，其集成14 路開(kāi)關(guān)量輸入、10 路開(kāi)關(guān)量輸出、兩路模擬量輸入功能；每個(gè)站點(diǎn)另外配置16 路開(kāi)關(guān)量輸入模塊兩套，型號(hào)6ES7 221-1BH32-0XB0；8 路開(kāi)關(guān)量輸入模塊1 套，型號(hào)6ES7 222-1BF32-0XB0；8 路RTD 輸入模塊1 套，型號(hào)6ES7 231-5PF32-0XB0。以上模塊用于采集每條輸送機(jī)拉繩開(kāi)關(guān)、跑偏開(kāi)關(guān)、縱向撕裂開(kāi)關(guān)、堵料開(kāi)關(guān)、電機(jī)風(fēng)扇運(yùn)行、拉緊裝置狀態(tài)、輸送機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)繞組溫度、電機(jī)軸承溫度等數(shù)據(jù)，并完成對(duì)應(yīng)設(shè)備控制。

各控制分站配置CPU 一套，選用CPU1214C 型，其自帶開(kāi)關(guān)輸出功能，用于與盾構(gòu)機(jī)實(shí)現(xiàn)連鎖，在連續(xù)輸送機(jī)因故障停機(jī)時(shí)，及時(shí)停止盾構(gòu)機(jī)，避免物料堆積。

為滿足生產(chǎn)及檢修需求，各控制站點(diǎn)均配備了工業(yè)觸摸屏，用于組態(tài)編制上位監(jiān)控界面，工業(yè)觸摸屏選用昆侖通泰公司產(chǎn)品，型號(hào)為TPC1061Ti，它通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)與每臺(tái)PLC 通信。

為便于各站點(diǎn)間通信，各站點(diǎn)配置工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)光電交換機(jī)，交換機(jī)具有6 個(gè)電通信接口，兩個(gè)光通信口，通過(guò)光電交換機(jī)光通信接口間級(jí)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)各站點(diǎn)通信。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 變頻器通信

本系統(tǒng)主要控制對(duì)象為變頻器，使用丹佛斯FC302 系列產(chǎn)品，PLC 和其之間通過(guò)ProfiNet 通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)。項(xiàng)目中，使用TIA Portal V14 進(jìn)行通信程序編制，這是一款由西門子打造的全集成自動(dòng)化編程軟件，可用于PLC 編程與仿真操作，支持多種操作系統(tǒng)，它可在全圖形化的設(shè)備視圖和網(wǎng)絡(luò)視圖中對(duì)所有硬件進(jìn)行組態(tài)和聯(lián)網(wǎng)設(shè)置。以圖形方式進(jìn)行連接組態(tài)，對(duì)PC、HMI 設(shè)備、控制器和驅(qū)動(dòng)裝置的連接更為輕松便捷[4]。

為完成PLC 和變頻器間通信，首先需將變頻器GSDML 文件導(dǎo)入TIA Portal V14 中，然后在TIA Portal V14 中組態(tài)丹佛斯FC302 變頻器，接著根據(jù)通信及項(xiàng)目控制要求，在變頻器側(cè)設(shè)置控制地點(diǎn)、控制源、數(shù)據(jù)讀寫內(nèi)容，變頻器IP 地址等相關(guān)參數(shù)，其中變頻器IP 地址不得重復(fù)，以下為連續(xù)輸送機(jī)1 變頻器主要通訊參數(shù)，其他變頻器類似。

接下來(lái)在TIA Portal V14 編程環(huán)境中，通過(guò)指令“DPWR_DAT”完成變頻器數(shù)據(jù)寫入，即表1 中9-15參數(shù)數(shù)據(jù)寫入變頻器，用于設(shè)定變頻器轉(zhuǎn)速并控制其啟動(dòng)、停止、復(fù)位等；通過(guò)指令“DPRD_DAT”完成變頻器數(shù)據(jù)讀取，即表1 中9-16 數(shù)據(jù)讀入PLC，用于對(duì)變頻器運(yùn)行狀態(tài)、速度、功率等參數(shù)進(jìn)行顯示及數(shù)據(jù)分析。

表1 連續(xù)輸送機(jī)1 變頻器通信參數(shù)設(shè)置

通過(guò)ProfiNet 通信方式，能夠方便快捷地實(shí)現(xiàn)變頻器控制。

3.2 監(jiān)控界面程序

監(jiān)控界面程序主要分為主畫面、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、故障及操作記錄、歷史曲線等多個(gè)窗口。主畫面可直觀顯示各處PLC 通信狀態(tài)、連續(xù)輸送機(jī)狀態(tài)，提升輸送機(jī)狀態(tài)并對(duì)其驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作電流、輸送機(jī)帶速等主要參數(shù)進(jìn)行顯示，通過(guò)該頁(yè)面工具條可快速切換到每條輸送機(jī)詳細(xì)頁(yè)面；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)頁(yè)面用于顯示變頻器頻率給定、電機(jī)溫度、電機(jī)電流、電機(jī)電壓等詳細(xì)運(yùn)行參數(shù)；故障及操作記錄頁(yè)面可對(duì)各輸送機(jī)產(chǎn)生的故障及操作進(jìn)行記錄，通過(guò)這些頁(yè)面，可對(duì)輸送機(jī)異常情況進(jìn)行分析判斷，便于維護(hù)及故障處理。

3.3 PLC 控制程序

盾構(gòu)機(jī)1 及盾構(gòu)機(jī)2 在掘進(jìn)及出渣過(guò)程中，其中一套設(shè)備停機(jī)、斷電檢修時(shí)，不得影響另一套正常使用。因此，現(xiàn)場(chǎng)控制程序分別編制于控制主站1、控制主站2 及控制主站3，各控制主站獨(dú)立完成相應(yīng)設(shè)備控制，并通過(guò)通信進(jìn)行連鎖。每條輸送機(jī)按照驅(qū)動(dòng)方式及所處環(huán)節(jié)功能略有區(qū)別，主要控制流程見(jiàn)圖3。

圖3 帶式輸送機(jī)控制流程圖

根據(jù)輸送機(jī)工作特性，輸送機(jī)開(kāi)始時(shí)首先進(jìn)行自檢，主要包括檢查拉線開(kāi)關(guān)、跑偏開(kāi)關(guān)、縱撕開(kāi)關(guān)、堵料開(kāi)關(guān)是否有報(bào)警信號(hào)，電機(jī)軸承溫度是否正常，PLC 和變頻器通是否正常，變頻器是否報(bào)故障等。以上自檢無(wú)誤后，檢查并等待系統(tǒng)啟動(dòng)信號(hào)，啟動(dòng)信號(hào)發(fā)出后，輸送機(jī)首先預(yù)警30 s，提示附近人員注意安全，預(yù)警完成后，開(kāi)始啟動(dòng)輔助設(shè)備，主要包括電機(jī)冷卻風(fēng)扇、拉緊裝置等，以上設(shè)備運(yùn)行后，開(kāi)始啟動(dòng)變頻器，為消除輸送機(jī)膠帶張力，變頻器首先照速度10 Hz運(yùn)行1 min，然后按照設(shè)定速度進(jìn)行運(yùn)行。運(yùn)行過(guò)程中需對(duì)電機(jī)電壓、電流、軸承溫度等信息進(jìn)行采集存儲(chǔ)，以備后期維護(hù)需要；運(yùn)行中還需對(duì)停止命令及異常信號(hào)進(jìn)行采集，一旦檢測(cè)此類信息，需按照停機(jī)程序進(jìn)行處理。

為了后期維護(hù)方便，同時(shí)利于工藝的擴(kuò)充，本項(xiàng)目采用結(jié)構(gòu)化編程，將實(shí)現(xiàn)不同功能的程序，編制于不同的子程序中，然后通過(guò)主程序進(jìn)行調(diào)用。子程序主要有初始化程序、變頻器通信程序、站點(diǎn)間通訊程序、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序、輸送機(jī)保護(hù)程序、輸送機(jī)控制程序。

4 結(jié)語(yǔ)

該系統(tǒng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線方式的使用，避免敷設(shè)大量電纜，節(jié)省人力財(cái)力。同時(shí)具有數(shù)據(jù)通信實(shí)時(shí)性好、自動(dòng)化程度高、抗干擾能力強(qiáng)操作維護(hù)簡(jiǎn)單易行等特點(diǎn)。通過(guò)多個(gè)人機(jī)界面的應(yīng)用，帶式輸送機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)、故障信息等高度集中，操作及維護(hù)人員較同等工況大幅度減少。自2021 年投入以來(lái)，安全穩(wěn)定運(yùn)行，為盾構(gòu)機(jī)高效、持續(xù)掘進(jìn)提供有力保障。