淺談敞開式硬巖掘進機電氣系統(tǒng)

楊金虎+++郇立民

摘 要：文章以美國Robbins公司生產的敞開式硬巖掘進機為研究對象，主要闡述了敞開式硬巖掘進機電氣系統(tǒng)的組成，并對其各組成部分做出了簡單的分析，加深對各部分電氣控制原理的理解與消化，為自主研發(fā)設計提供參考。

關鍵詞：敞開式；硬巖掘進機；TBM；電氣系統(tǒng)

1 引言

硬巖掘進機，在文章中簡稱TBM（Tunnel Boring Machine），是集機械、電氣、液壓、測量、控制等多學科技術于一體，專用于硬巖類地下隧道、穿山隧道等工程施工的大型工程裝備。目前常用的主要分三種：單護盾、雙護盾和敞開式三種。敞開式硬巖掘進機與其他兩種掘進機相比，操作簡單，成本較低，可用于圍巖較好的地質環(huán)境。文章以美國ROBBINS生產的敞開式硬巖掘進機為研究對象，通過分析TBM電氣系統(tǒng)的組成，進一步掌握TBM電氣系統(tǒng)的工作性能，提高使用效率。

2 電氣系統(tǒng)組成

電氣系統(tǒng)結構簡圖

如圖所示，TBM大致由以上幾部分組成。下面我們來簡單分析一下各部分的功能與使用情況。

2.1 高壓供電系統(tǒng)

高壓供電： 由于TBM整機負荷較大，采用20kV高壓供電。為保證設備連續(xù)掘進，采用高壓電纜卷筒（可儲存400m電纜）實現(xiàn)高壓電的傳輸。考慮到與施工方高壓供電對接，選用的是3×95mm2+3×50/3mm2的卷筒電纜。

變壓器：常用的變壓器有油浸式和干式變壓器 。本臺設備選用的是環(huán)氧樹脂干式變壓器。環(huán)氧樹脂干式變壓器有電氣性能好、耐雷電沖擊能力強、抗短路能力強、體積小重量輕等特點。可安裝溫度顯示控制器，對變壓器繞組的運行溫度進行顯示和控制，保證變壓器正常使用壽命。有三臺變壓器，兩臺2200kVA和一臺1500kVA。2200kVA變壓器分別連接兩組變頻柜，每臺變壓器輸出電壓690V。1500kVA變壓器連接主電源柜，為TBM其他系統(tǒng)供電，輸出電壓400V。

2.2 刀盤驅動系統(tǒng)

每臺變頻柜內有兩個整流單元和五個逆變單元組成，采用滑差控制，一臺變頻器控制一臺電機。這種控制方式結構簡單，操作方便，便于使用和維護。刀盤電機通過變頻器控制降低了啟動電流，減少電流沖擊，同時還增強了可靠性，在電機運行的過程中減少中斷。與主從控制相比，減少了兩個編碼器，降低了成本，不過在同步性能上卻沒有主從控制好。變頻柜采用水冷散熱系統(tǒng)，散熱效果好。可以傳輸電流、扭矩、轉速、電壓、頻率、啟停信號等。

2.3 功率補償系統(tǒng)

采用補償電容器加電抗器，在低壓端集中補償，實時監(jiān)測設備的功率因數，通過控制接觸器切換電容組達到動態(tài)補償功率因數的目的，補償后的功率因數不低于0.9。與純電容補償回路相比，串聯(lián)電抗器后，電容器端電壓會升高，高于電網電壓，并增加無功功率補償容量，補償效果更好。

2.4 應急供電系統(tǒng)

采用美國康明斯320kW應急發(fā)電機，通過應急電源切換柜，實現(xiàn)正常供電與應急供電的切換。應急電源柜連接主控室、照明、供水系統(tǒng)和通風系統(tǒng)等，在正常情況下由主控室提供400供電，一旦主供電故障，應急切換裝置可自動切換至應急發(fā)電機供電，繼續(xù)為TBM供電。

2.5 PLC控制系統(tǒng)

采用的是PLC控制系統(tǒng)，目前PLC控制系統(tǒng)在工業(yè)領域有著效果顯著的作用。使用的是美國GE系列PME7.0軟件，該軟件還可以包括界面設計，不用其他軟件就可以實現(xiàn)上位機界面與PLC程序的對接。

PLC可以控制順序啟動各個電機（使瞬時峰值電流最小），自動開啟油過濾裝置和刀盤軸承潤滑裝置。PLC系統(tǒng)預留有供其它設備用的可擴展數據接口，所有與掘進有關的數據和參數，如：刀盤轉速、扭矩、推進速度、推力、拉力、油缸行程、支撐力、各種溫度、壓力、流量、瓦斯?jié)舛燃熬蜻M方向姿態(tài)等數據，均通過傳感器傳輸到PLC上，并通過上位機送到控制臺和顯示器，這些數據可以被記錄和打印。

系統(tǒng)所配備的工業(yè)級平板電腦，觸摸屏設計，操作簡單。配置有先進的工業(yè)用軟件和數據處理軟件，且軟件程序能夠進行中文和英文顯示界面的切換。存儲硬盤容量為1T ，能夠滿足除用軟件外連續(xù)3個月的數據存儲容量。

2.6 數據采集系統(tǒng)

數據采集系統(tǒng)由傳感器（溫度、壓力、液位、流量等）采集信號，通過I/0模塊和Profibus通訊電纜進行數據傳輸，上傳至PLC程序，經處理后，顯示到顯示屏上，為操作人員提供有用的數據信息。數據采集系統(tǒng)先進可靠，宜于操作、檢查和故障排除，具有遠程同步傳輸功能，能夠對掘進參數、設備性能參數、各系統(tǒng)工作時間進行自動記錄、分析統(tǒng)計，以圖表或數字等形式顯示和輸出。還可以顯示輔助設備的工作參數、工作時間等信息，具有故障顯示、診斷功能和報警功能。

當誤操作及故障發(fā)生時，出現(xiàn)報警，嚴重時設備停機。警示燈提醒操作手，操作手可以在故障顯示區(qū)查看故障類型并及時排除。最大程度上幫助施工人員了解TBM的工作狀態(tài)。

2.7 激光導向系統(tǒng)

TBM導向系統(tǒng)能夠向操作手顯示掘進機刀盤和盾體的姿態(tài)和掘進方向，。如圖所示，導向系統(tǒng)由不同的硬件系統(tǒng)組成，與TBM 的 PLC交換信息和測量數據。

測量系統(tǒng)基于三組主要數據進行計算：（1）全站儀測定刀盤上兩塊棱鏡的最終位置；（2）兩軸傾斜儀測定出掘進機水平偏離度和高程偏離度；（3）撐緊油缸和扭矩油缸的伸出量。

激光全站儀由系統(tǒng)程序控制，自動跟隨兩塊主棱鏡的移動。在用戶程序的時間間隔內，檢查遠程棱鏡以核實或變換激光全站儀的方向，包括激光全站儀固定點的穩(wěn)定性檢查。無論何時采集到一套測量數據（測量掘進機里面的兩塊棱鏡和傾斜儀的讀數），掘進機新的位置姿態(tài)和方向就被計算并顯示出來。所有信息都以圖形和數字方式顯示在屏幕上。通過使用雙軸傾斜儀，一次絕對獨立的數據測量就完成了。當導向系統(tǒng)連接失敗時，TBM聯(lián)鎖報警或停機。

3 結束語

通過對Robbins敞開式硬巖掘進機電氣系統(tǒng)的分析，已經了解其電氣系統(tǒng)組成與原理。已經有兩臺TBM分別在在遼寧鐵嶺開原與遼寧撫順清源投入施工，客戶一致反映其性能優(yōu)，故障少，掘進速度快等優(yōu)點。這不僅提高了國內隧道建設的施工技術水平，也為將來自主研發(fā)敞開式硬巖掘進機提供了寶貴的經驗。

參考文獻

[1]天津電氣傳動設計研究所.電氣傳動自動化技術手冊[M].北京：中國電力出版社，2005.

[2]王瑾，高偉賢，劉書兵，等.盾構機刀盤驅動控制系統(tǒng)的設計與應用[J].中國新技術新產品.164-166.

[3]孫孟莉.連續(xù)掘進敞開式全斷面巖石掘進機控制系統(tǒng)[D].

[4]羅賓斯技術文件 Service Manual TBM MB283-389[M].

作者簡介：楊金虎（1986-），男，設計員，助理工程師。endprint

摘 要：文章以美國Robbins公司生產的敞開式硬巖掘進機為研究對象，主要闡述了敞開式硬巖掘進機電氣系統(tǒng)的組成，并對其各組成部分做出了簡單的分析，加深對各部分電氣控制原理的理解與消化，為自主研發(fā)設計提供參考。

關鍵詞：敞開式；硬巖掘進機；TBM；電氣系統(tǒng)

1 引言

硬巖掘進機，在文章中簡稱TBM（Tunnel Boring Machine），是集機械、電氣、液壓、測量、控制等多學科技術于一體，專用于硬巖類地下隧道、穿山隧道等工程施工的大型工程裝備。目前常用的主要分三種：單護盾、雙護盾和敞開式三種。敞開式硬巖掘進機與其他兩種掘進機相比，操作簡單，成本較低，可用于圍巖較好的地質環(huán)境。文章以美國ROBBINS生產的敞開式硬巖掘進機為研究對象，通過分析TBM電氣系統(tǒng)的組成，進一步掌握TBM電氣系統(tǒng)的工作性能，提高使用效率。

2 電氣系統(tǒng)組成

電氣系統(tǒng)結構簡圖

如圖所示，TBM大致由以上幾部分組成。下面我們來簡單分析一下各部分的功能與使用情況。

2.1 高壓供電系統(tǒng)

高壓供電： 由于TBM整機負荷較大，采用20kV高壓供電。為保證設備連續(xù)掘進，采用高壓電纜卷筒（可儲存400m電纜）實現(xiàn)高壓電的傳輸。考慮到與施工方高壓供電對接，選用的是3×95mm2+3×50/3mm2的卷筒電纜。

變壓器：常用的變壓器有油浸式和干式變壓器 。本臺設備選用的是環(huán)氧樹脂干式變壓器。環(huán)氧樹脂干式變壓器有電氣性能好、耐雷電沖擊能力強、抗短路能力強、體積小重量輕等特點。可安裝溫度顯示控制器，對變壓器繞組的運行溫度進行顯示和控制，保證變壓器正常使用壽命。有三臺變壓器，兩臺2200kVA和一臺1500kVA。2200kVA變壓器分別連接兩組變頻柜，每臺變壓器輸出電壓690V。1500kVA變壓器連接主電源柜，為TBM其他系統(tǒng)供電，輸出電壓400V。

2.2 刀盤驅動系統(tǒng)

每臺變頻柜內有兩個整流單元和五個逆變單元組成，采用滑差控制，一臺變頻器控制一臺電機。這種控制方式結構簡單，操作方便，便于使用和維護。刀盤電機通過變頻器控制降低了啟動電流，減少電流沖擊，同時還增強了可靠性，在電機運行的過程中減少中斷。與主從控制相比，減少了兩個編碼器，降低了成本，不過在同步性能上卻沒有主從控制好。變頻柜采用水冷散熱系統(tǒng)，散熱效果好。可以傳輸電流、扭矩、轉速、電壓、頻率、啟停信號等。

2.3 功率補償系統(tǒng)

采用補償電容器加電抗器，在低壓端集中補償，實時監(jiān)測設備的功率因數，通過控制接觸器切換電容組達到動態(tài)補償功率因數的目的，補償后的功率因數不低于0.9。與純電容補償回路相比，串聯(lián)電抗器后，電容器端電壓會升高，高于電網電壓，并增加無功功率補償容量，補償效果更好。

2.4 應急供電系統(tǒng)

采用美國康明斯320kW應急發(fā)電機，通過應急電源切換柜，實現(xiàn)正常供電與應急供電的切換。應急電源柜連接主控室、照明、供水系統(tǒng)和通風系統(tǒng)等，在正常情況下由主控室提供400供電，一旦主供電故障，應急切換裝置可自動切換至應急發(fā)電機供電，繼續(xù)為TBM供電。

2.5 PLC控制系統(tǒng)

采用的是PLC控制系統(tǒng)，目前PLC控制系統(tǒng)在工業(yè)領域有著效果顯著的作用。使用的是美國GE系列PME7.0軟件，該軟件還可以包括界面設計，不用其他軟件就可以實現(xiàn)上位機界面與PLC程序的對接。

PLC可以控制順序啟動各個電機（使瞬時峰值電流最小），自動開啟油過濾裝置和刀盤軸承潤滑裝置。PLC系統(tǒng)預留有供其它設備用的可擴展數據接口，所有與掘進有關的數據和參數，如：刀盤轉速、扭矩、推進速度、推力、拉力、油缸行程、支撐力、各種溫度、壓力、流量、瓦斯?jié)舛燃熬蜻M方向姿態(tài)等數據，均通過傳感器傳輸到PLC上，并通過上位機送到控制臺和顯示器，這些數據可以被記錄和打印。

系統(tǒng)所配備的工業(yè)級平板電腦，觸摸屏設計，操作簡單。配置有先進的工業(yè)用軟件和數據處理軟件，且軟件程序能夠進行中文和英文顯示界面的切換。存儲硬盤容量為1T ，能夠滿足除用軟件外連續(xù)3個月的數據存儲容量。

2.6 數據采集系統(tǒng)

數據采集系統(tǒng)由傳感器（溫度、壓力、液位、流量等）采集信號，通過I/0模塊和Profibus通訊電纜進行數據傳輸，上傳至PLC程序，經處理后，顯示到顯示屏上，為操作人員提供有用的數據信息。數據采集系統(tǒng)先進可靠，宜于操作、檢查和故障排除，具有遠程同步傳輸功能，能夠對掘進參數、設備性能參數、各系統(tǒng)工作時間進行自動記錄、分析統(tǒng)計，以圖表或數字等形式顯示和輸出。還可以顯示輔助設備的工作參數、工作時間等信息，具有故障顯示、診斷功能和報警功能。

當誤操作及故障發(fā)生時，出現(xiàn)報警，嚴重時設備停機。警示燈提醒操作手，操作手可以在故障顯示區(qū)查看故障類型并及時排除。最大程度上幫助施工人員了解TBM的工作狀態(tài)。

2.7 激光導向系統(tǒng)

TBM導向系統(tǒng)能夠向操作手顯示掘進機刀盤和盾體的姿態(tài)和掘進方向，。如圖所示，導向系統(tǒng)由不同的硬件系統(tǒng)組成，與TBM 的 PLC交換信息和測量數據。

測量系統(tǒng)基于三組主要數據進行計算：（1）全站儀測定刀盤上兩塊棱鏡的最終位置；（2）兩軸傾斜儀測定出掘進機水平偏離度和高程偏離度；（3）撐緊油缸和扭矩油缸的伸出量。

激光全站儀由系統(tǒng)程序控制，自動跟隨兩塊主棱鏡的移動。在用戶程序的時間間隔內，檢查遠程棱鏡以核實或變換激光全站儀的方向，包括激光全站儀固定點的穩(wěn)定性檢查。無論何時采集到一套測量數據（測量掘進機里面的兩塊棱鏡和傾斜儀的讀數），掘進機新的位置姿態(tài)和方向就被計算并顯示出來。所有信息都以圖形和數字方式顯示在屏幕上。通過使用雙軸傾斜儀，一次絕對獨立的數據測量就完成了。當導向系統(tǒng)連接失敗時，TBM聯(lián)鎖報警或停機。

3 結束語

通過對Robbins敞開式硬巖掘進機電氣系統(tǒng)的分析，已經了解其電氣系統(tǒng)組成與原理。已經有兩臺TBM分別在在遼寧鐵嶺開原與遼寧撫順清源投入施工，客戶一致反映其性能優(yōu)，故障少，掘進速度快等優(yōu)點。這不僅提高了國內隧道建設的施工技術水平，也為將來自主研發(fā)敞開式硬巖掘進機提供了寶貴的經驗。

參考文獻

[1]天津電氣傳動設計研究所.電氣傳動自動化技術手冊[M].北京：中國電力出版社，2005.

[2]王瑾，高偉賢，劉書兵，等.盾構機刀盤驅動控制系統(tǒng)的設計與應用[J].中國新技術新產品.164-166.

[3]孫孟莉.連續(xù)掘進敞開式全斷面巖石掘進機控制系統(tǒng)[D].

[4]羅賓斯技術文件 Service Manual TBM MB283-389[M].

作者簡介：楊金虎（1986-），男，設計員，助理工程師。endprint

摘 要：文章以美國Robbins公司生產的敞開式硬巖掘進機為研究對象，主要闡述了敞開式硬巖掘進機電氣系統(tǒng)的組成，并對其各組成部分做出了簡單的分析，加深對各部分電氣控制原理的理解與消化，為自主研發(fā)設計提供參考。

關鍵詞：敞開式；硬巖掘進機；TBM；電氣系統(tǒng)

1 引言

硬巖掘進機，在文章中簡稱TBM（Tunnel Boring Machine），是集機械、電氣、液壓、測量、控制等多學科技術于一體，專用于硬巖類地下隧道、穿山隧道等工程施工的大型工程裝備。目前常用的主要分三種：單護盾、雙護盾和敞開式三種。敞開式硬巖掘進機與其他兩種掘進機相比，操作簡單，成本較低，可用于圍巖較好的地質環(huán)境。文章以美國ROBBINS生產的敞開式硬巖掘進機為研究對象，通過分析TBM電氣系統(tǒng)的組成，進一步掌握TBM電氣系統(tǒng)的工作性能，提高使用效率。

2 電氣系統(tǒng)組成

電氣系統(tǒng)結構簡圖

如圖所示，TBM大致由以上幾部分組成。下面我們來簡單分析一下各部分的功能與使用情況。

2.1 高壓供電系統(tǒng)

高壓供電： 由于TBM整機負荷較大，采用20kV高壓供電。為保證設備連續(xù)掘進，采用高壓電纜卷筒（可儲存400m電纜）實現(xiàn)高壓電的傳輸。考慮到與施工方高壓供電對接，選用的是3×95mm2+3×50/3mm2的卷筒電纜。

變壓器：常用的變壓器有油浸式和干式變壓器 。本臺設備選用的是環(huán)氧樹脂干式變壓器。環(huán)氧樹脂干式變壓器有電氣性能好、耐雷電沖擊能力強、抗短路能力強、體積小重量輕等特點。可安裝溫度顯示控制器，對變壓器繞組的運行溫度進行顯示和控制，保證變壓器正常使用壽命。有三臺變壓器，兩臺2200kVA和一臺1500kVA。2200kVA變壓器分別連接兩組變頻柜，每臺變壓器輸出電壓690V。1500kVA變壓器連接主電源柜，為TBM其他系統(tǒng)供電，輸出電壓400V。

2.2 刀盤驅動系統(tǒng)

每臺變頻柜內有兩個整流單元和五個逆變單元組成，采用滑差控制，一臺變頻器控制一臺電機。這種控制方式結構簡單，操作方便，便于使用和維護。刀盤電機通過變頻器控制降低了啟動電流，減少電流沖擊，同時還增強了可靠性，在電機運行的過程中減少中斷。與主從控制相比，減少了兩個編碼器，降低了成本，不過在同步性能上卻沒有主從控制好。變頻柜采用水冷散熱系統(tǒng)，散熱效果好。可以傳輸電流、扭矩、轉速、電壓、頻率、啟停信號等。

2.3 功率補償系統(tǒng)

采用補償電容器加電抗器，在低壓端集中補償，實時監(jiān)測設備的功率因數，通過控制接觸器切換電容組達到動態(tài)補償功率因數的目的，補償后的功率因數不低于0.9。與純電容補償回路相比，串聯(lián)電抗器后，電容器端電壓會升高，高于電網電壓，并增加無功功率補償容量，補償效果更好。

2.4 應急供電系統(tǒng)

采用美國康明斯320kW應急發(fā)電機，通過應急電源切換柜，實現(xiàn)正常供電與應急供電的切換。應急電源柜連接主控室、照明、供水系統(tǒng)和通風系統(tǒng)等，在正常情況下由主控室提供400供電，一旦主供電故障，應急切換裝置可自動切換至應急發(fā)電機供電，繼續(xù)為TBM供電。

2.5 PLC控制系統(tǒng)

采用的是PLC控制系統(tǒng)，目前PLC控制系統(tǒng)在工業(yè)領域有著效果顯著的作用。使用的是美國GE系列PME7.0軟件，該軟件還可以包括界面設計，不用其他軟件就可以實現(xiàn)上位機界面與PLC程序的對接。

PLC可以控制順序啟動各個電機（使瞬時峰值電流最小），自動開啟油過濾裝置和刀盤軸承潤滑裝置。PLC系統(tǒng)預留有供其它設備用的可擴展數據接口，所有與掘進有關的數據和參數，如：刀盤轉速、扭矩、推進速度、推力、拉力、油缸行程、支撐力、各種溫度、壓力、流量、瓦斯?jié)舛燃熬蜻M方向姿態(tài)等數據，均通過傳感器傳輸到PLC上，并通過上位機送到控制臺和顯示器，這些數據可以被記錄和打印。

系統(tǒng)所配備的工業(yè)級平板電腦，觸摸屏設計，操作簡單。配置有先進的工業(yè)用軟件和數據處理軟件，且軟件程序能夠進行中文和英文顯示界面的切換。存儲硬盤容量為1T ，能夠滿足除用軟件外連續(xù)3個月的數據存儲容量。

2.6 數據采集系統(tǒng)

數據采集系統(tǒng)由傳感器（溫度、壓力、液位、流量等）采集信號，通過I/0模塊和Profibus通訊電纜進行數據傳輸，上傳至PLC程序，經處理后，顯示到顯示屏上，為操作人員提供有用的數據信息。數據采集系統(tǒng)先進可靠，宜于操作、檢查和故障排除，具有遠程同步傳輸功能，能夠對掘進參數、設備性能參數、各系統(tǒng)工作時間進行自動記錄、分析統(tǒng)計，以圖表或數字等形式顯示和輸出。還可以顯示輔助設備的工作參數、工作時間等信息，具有故障顯示、診斷功能和報警功能。

當誤操作及故障發(fā)生時，出現(xiàn)報警，嚴重時設備停機。警示燈提醒操作手，操作手可以在故障顯示區(qū)查看故障類型并及時排除。最大程度上幫助施工人員了解TBM的工作狀態(tài)。

2.7 激光導向系統(tǒng)

TBM導向系統(tǒng)能夠向操作手顯示掘進機刀盤和盾體的姿態(tài)和掘進方向，。如圖所示，導向系統(tǒng)由不同的硬件系統(tǒng)組成，與TBM 的 PLC交換信息和測量數據。

測量系統(tǒng)基于三組主要數據進行計算：（1）全站儀測定刀盤上兩塊棱鏡的最終位置；（2）兩軸傾斜儀測定出掘進機水平偏離度和高程偏離度；（3）撐緊油缸和扭矩油缸的伸出量。

激光全站儀由系統(tǒng)程序控制，自動跟隨兩塊主棱鏡的移動。在用戶程序的時間間隔內，檢查遠程棱鏡以核實或變換激光全站儀的方向，包括激光全站儀固定點的穩(wěn)定性檢查。無論何時采集到一套測量數據（測量掘進機里面的兩塊棱鏡和傾斜儀的讀數），掘進機新的位置姿態(tài)和方向就被計算并顯示出來。所有信息都以圖形和數字方式顯示在屏幕上。通過使用雙軸傾斜儀，一次絕對獨立的數據測量就完成了。當導向系統(tǒng)連接失敗時，TBM聯(lián)鎖報警或停機。

3 結束語

通過對Robbins敞開式硬巖掘進機電氣系統(tǒng)的分析，已經了解其電氣系統(tǒng)組成與原理。已經有兩臺TBM分別在在遼寧鐵嶺開原與遼寧撫順清源投入施工，客戶一致反映其性能優(yōu)，故障少，掘進速度快等優(yōu)點。這不僅提高了國內隧道建設的施工技術水平，也為將來自主研發(fā)敞開式硬巖掘進機提供了寶貴的經驗。

參考文獻

[1]天津電氣傳動設計研究所.電氣傳動自動化技術手冊[M].北京：中國電力出版社，2005.

[2]王瑾，高偉賢，劉書兵，等.盾構機刀盤驅動控制系統(tǒng)的設計與應用[J].中國新技術新產品.164-166.

[3]孫孟莉.連續(xù)掘進敞開式全斷面巖石掘進機控制系統(tǒng)[D].

[4]羅賓斯技術文件 Service Manual TBM MB283-389[M].

作者簡介：楊金虎（1986-），男，設計員，助理工程師。endprint