淺談盾構機電氣控制系統構成以及盾構機電氣系統的應用

摘要：本文對于土壓平衡盾構機電氣控制系統進行概述，并分別對其配電系統、可編程控制系統與計算機控制系統的構成進行分析，以加深對其整個工業控制系統構成的熟悉與掌握。

關鍵詞：電氣系統；可編程控制系統；計算機控制系統

1.配電系統

盾構施工是參考工廠式的流程化作業施工，盾構機的配電系統設計原則也是參照工廠供配電原理設計的。配電系統分為高壓系統和低壓系統，其用電設備列表如下：

序號用電設備設備容量

1刀盤驅動6x110kW

2超挖刀1.5kW

3推進系統55kW

4管片安裝機45kW

5螺旋輸送機200kW

6皮帶輸送機55kW

7注漿泵2x30kW

8砂漿儲存罐的攪拌器7.5kW

9液壓油過濾泵11kW

10主軸承潤滑2.2kW

11管片吊機2x2kW

12排水泵15kW

13冷卻水系統3x7.5kW

14二次通風機15kW

15空壓機55kW

16泡沫系統0.75kW

17鉸接系統22kW

18其他設備125kW

總功率1348.95kW

1.1 高壓系統

經過負荷計算，Sj1≈1500kVA，則選擇的電壓器容量為2000kVA，選擇的高壓電纜進線為 UGP-3×50+1×25，選用的高壓環網柜電壓等級為12KV，容量為200A，變壓器帶溫度和密封性故障報警。

1.2 低壓系統

變壓器將10KV的市電轉變成 400V的低壓電，之后分成兩路，主開關和副開關，其中主開關具有相序保護。主開關控制盾構機主要用電設備，比如各個電機。因各個電機為三相用電設備，在啟動和運行時需消耗無功功率，盾構機電氣系統投入了功率補償設備，以保障設備運行時，功率因數大于0.9。副開關控制臺車部位和盾體部位的照明系統和備用插座系統。由此可見，三相用電設備系統與照明系統實行分線布置，提高了兩者的供電質量與穩定性。因盾構施工屬于臨時施工，需要布置臨時用電系統，備用插座系統就是與臨時用電系統的接口，滿足掘進現場施工需求。弱電系統也是低壓系統的組成部分。弱電系統主要是給各個繼電器和傳感器以及電磁閥提供電源，盾構機電氣系統的設計過程中充分考慮了產品的安全性及防護等級的性能要求，弱電系統控制電壓輸入整定值為24V。但是工地現場實際，因為市電電壓變化和弱電負載的變化，都將導致負載端電壓值不等于24V。根據工程經驗，弱電用電設備輸入電壓超過本身的10%，將容易損壞。所以每次盾構機始發調試時都必須根據弱電負載的電壓值重新整定弱電系統的輸出值，而且在設備使用過程中，因傳感器的損壞或者其他原因導致負載容量變化時引起的電壓變化也需要監控，實時調節。只有這樣才能更好的保護好盾構機的弱電系統。

2.可編程控制系統

可編程控制系統（PLC）是整個土壓平衡盾構機電氣系統的“大腦”，它通過現場通訊網絡，采集系統中各個繼電器、傳感器、以及電磁閥的狀態信息，然后匯總、數據計算與對比處理，將運算結果再反饋至盾構機設備各個分系統的執行元件從而實現控制，土壓平衡式盾構機可編程控制系統是由西門子S7-400采用主從分布式結構組成。可編程控制系統采用 Profibus-DP協議的現場總線控制技術，在司機操控室設置了S7- 400主站和工控機，在低壓配電柜設置了從站，并將設備安裝的電氣元件通過DP電纜連接至主站。在用電設備相對集中的低壓配電柜設置智能遠程I/O模塊，這樣就可以按照就近原則，將附近的電氣設備接入分站，相比接入司機室S7- 400主站節省大量電纜，同時也可以降低設備的故障率，提高設備運行時的穩定可靠性。同時工控機可以通過工業以太網的TCP/IP協議，與地面電腦組成局域網，使地面的電腦連接與控制工控機，以實時掌握盾構掘進狀況與參數。PLC程序包含源文件和塊文件。塊文件又包含組織塊、功能塊、功能和數據塊等。其中組織塊一調用各個功能塊執行盾構機的運行和動作，還設置了三個中斷組織塊，一個為電源故障中斷組織塊，一個為拼裝機角度編碼器檢測循環中斷組織塊，一個為每組推進速度檢測計算循環中斷組織塊。功能塊與電氣圖紙組別一一對應，相應地與盾構機上各個系統相對應，這便于技術人員及時找到程序與圖紙的對應關系，方便維護技術人員及時故障排除。

3.計算機控制系統

計算機控制系統主要用于參數設置和數據采集分析。西門子工控機安裝在盾構司機控制室，由現場操作人員使用，用于人機對話、顯示數據、設置和修改系統控制參數等。數據采集分析系統就是采集、處理、存儲、顯示和評估與掘進機聯網所獲得的數據。通過調整過的時鐘脈沖，所有測量數據都將從工控機連續不斷的得到。數據采集系統連續不斷對盾構機的資料進行采集、顯示和存儲。每一推進時刻的資料均被保存在不同的文檔中，這些文檔連續的自動編上不同環號。通過這些推進時刻的原始文檔，就可以獲得相關掘進區間每一期、每一刻的文檔。便于分析積累了一批理論數據和一定的操作經驗，為今后深入研究土壓平衡式盾構掘進機的技術和更廣泛的應用提供了參考。

4.盾構機電氣系統的應用

4.1配電系統的應用

本文以品牌海瑞克盾構機為例，其配電系統裝配的電器開關都是梅蘭日蘭生產的，該品牌為全球電器開關第一品牌。每個電機上端都安裝了一個斷路器，具有過載短路漏電保護，而且其負荷電流，漏電電流和動作時間都可以在一定范圍內設定，這一點與國產件不同。比如推進泵電機上端斷路器15-1Q1，出廠時負荷電流調節為120A，但是該開關可以從90A-150A范圍內隨意調節，這樣極大的方便了用戶對用電容量的設置。當需要改變負荷電流值時，無須更換開關。弱電系統的輸出電壓在出廠時，一般設定為27V，到負載端一般為24V，但是工地現場實際，因為市電的電壓，還有弱電負載的變化，都將導致負載端電壓值不等于24V。根據工程經驗，弱電用電設備輸入電壓超過本身的10%，將容易損壞。所以每次盾構機始發調試時都必須根據弱電負載的電壓值重新整定弱電系統的輸出值，而且在設備使用過程中，因傳感器的損壞或者其他原因導致負載容量變化時引起的電壓變化也需要監控，實時調節。只有這樣才能保護好了盾構機的弱電系統。

4.2可編程控制系統的應用

可編程控制系統是盾構機電氣控制系統的最關鍵的部位。如果說電氣控制系統是盾構機的神經系統，那么可編程控制系統就是盾構機的大腦。通過工控機可以連接PLC進行程序監控，通過該方法可以判斷盾構機因條件不滿足使動作無執行這類的故障。

4.3計算機控制及數據采集分析系統的應用

計算機控制及數據采集分析系統應用主要體現在管理級。現舉例說明如何通過地面監控電腦對盾構機掘進過程的各組推進壓力數據進行分析。在地面監控電腦與盾構機工控機之間占用一路電話線，都使用串口COM調制解調器與電腦連接，即建立了工業以太網。在兩部電腦上都安裝PCANYWHERE軟件，經過設置后撥號會自動應答，既地面監控電腦通過軟件查看和控制盾構機的工控機。

5.結語

綜上所述，海瑞克盾構機的電氣控制系統是一個龐大復雜但先進又不失人性化的系統。配電系統從高壓到低壓，從強電到弱電，電氣元件大多為梅蘭日蘭的產品，有質量保證，不但設定值精度高而且壽命長，減少了維護的工作量。可編程控制系統為西門子S7-400為主站，采用主從分布式結構組成的。系統穩定，功能強大。在工控機上可以監控程序的運行，還可以進行硬件診斷，可以判斷盾構機電氣方面的大多數故障。計算機控制及數據采集分析系統可以與PLC進行通訊，采集、處理、存儲、顯示和評估與掘進機聯網所獲得的數據。此時，盾構機電氣控制系統的自動化級別為現場級，采用Profibus-DP協議的現場總線控制技術。如果在地面設置監控電腦，并通過工業以太網協議進行通訊，那么其自動化級別可上升至監控級和管理級，實現盾構機的遠程監控，掌握盾構機掘進狀況。

參考文獻

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