淺析厄瓜多爾CCS項目雙護盾TBM電氣控制系統

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、先進的隧洞施工設備，使用電子、電氣、液壓、監測、遙控等高新技術對全部作業進行制導和監控，使掘進過程始終處于最佳狀態。在國際上，TBM已廣泛應用于水利水電、礦山開采、交通、市政、國防等工程建設中。

2 TBM電氣系統

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

表1 TBM用電設備表

2.1 高壓系統

該TBM選用的高壓環網柜的電壓等級為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柜及開關柜到變壓器的電纜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。

2.2 低壓系統

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

圖1 1#變壓器原理圖

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

弱電系統為低壓系統的組成部分，弱電系統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

TBM在掘進過程中需要大量的檢測變量和執行元件，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節閥，故該系統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產品作為控制系統且其需具備快速性、穩定性；無風扇運行與集中/分布式信號模塊的熱插拔性；高效的組態與本產品和圖形工程工具的高級語言相兼容；所有數據、程序原代碼和用戶專用數據存儲在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、功能塊和數據塊等。其中組織塊可調用各個功能塊執行TBM的運行及動作并設有電源故障中斷、管片安裝機角度編碼檢測循環、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，以便于電氣工作人員查找故障、分析原因。

2.4 計算機控制及數據采樣分析系統

計算機控制系統主要用于參數設置和數據采樣分析。西門子工控機安裝于操作室，由現場操作人員操作使用，用于對監控、數據顯示、報警提示設置和修改系統控制參數等。

工控機數據采集系統是集采集、處理、存儲、顯示和評估與掘進參數修改于一體，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地得到，TBM工控機不斷地對PLC傳輸的數據進行采樣、顯示、同時存儲數據，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、每一刻的文檔數據并以圖形的方式顯示在監控界面上。通過功能鍵F1到F8、選擇菜單、鼠標，可以選擇單個的顯示區域。如圖2所示的監控界面，其中的參數可以進入參數修改界面進行參數設置。

3 TBM電氣控制系統的應用

圖2 F1監控界面圖

3.1 低壓系統的應用

TBM掘進機配電系統的配電開關主要以分塊控制，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設定，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節為150 A,但是，該開關可以從100 A到220 A范圍內調節，從而極大地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需更換開關。弱電系統的輸出電壓在出廠時一般設定為24 V。S-672 TBM2由于采用獨立發電廠孤網供電，其供電電壓的變化、弱電負載的電壓變化都將導致弱電負載端電壓值不等于24 V。根據筆者的工作經驗，當弱電用電設備輸入電壓超過本身的10%即容易損壞。所以，在TBM始發調試時，都必須根據弱電負載的電壓值重新調定弱電系統的輸出值為26 V，而且在設備使用過程中，因傳感器的損壞或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，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，加強對各個功能直流電源的實時監控和調節，以保護TBM掘進機的弱電系統。

3.2 可編程控制系統的應用

可編程控制系統是TBM電氣控制系統的關鍵部分，S-672系統系采用Siemens公司生產的SIMATIC S7-300系列的PLC，包括：中央處理單元(CPU319)一塊，數字輸入模塊一塊，數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，可用于安裝規模指令執行速度的程序及數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。可編程控制系統由西門子公司S7-300采用主站及從站分布式結構組成，系統程序運行采用Siemens公司生產的、與PLC配套使用的SIMATIC STEP7編程軟件。在用戶程序中設置組織塊(OB1)、功能數據塊(FB)和功能塊(FC)。組織塊(OB1)是操作系統和用戶程序之間的接口，其由操作系統調用并控制循環和中斷程序的執行及PLC的啟動模式。功能塊(FC)是無存儲區的邏輯塊，FC的臨時變量存儲在局域數據堆棧中，當FC執行結束后，這些數據自動丟失。FB是子程序段，此子程序段由組織塊OB1根據控制指令調用。

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視運行情況，也就可以知道I0.3的狀態，從而判斷對位傳感器的好壞。

圖3 PLC監控示意圖

通過工控電腦可以連接PLC進行程序的修改和監控。通過該程序可以判斷TBM不滿足條件時無法執行動作，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控制系統上位機采用工業用計算機，配置為512 M內存、40 G硬盤、兩個顯示器，運行英文Windows XP操作系統，組態軟件為Graphpic7.1英文版，通過西門子的PROFIBUS-DP與下位機通訊。采用Profibus-DP協議的現場總線控制技術，在操作室設置s7-300主站和工控機，在低壓配電柜設置從站并將設備安裝的電氣元件通過DP電纜連接至主站。在用電集中的低壓控制柜、操作室和護盾區設置遠程I/O模塊，按照就近原則，將附近的電氣設備控制線接入分站，相比直接操作室控制設備及采樣數據可以節約大量的控制電纜。

圖4 刀盤轉速歷史數據記錄圖

3.3 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樣分析系統的應用主要體現在管理級，同時方便操作手實時對TBM的工作狀態進行監控并對掘進數據進行分析，同時記錄掘進參數和故障報警。圖4為刀盤轉速歷史數據記錄圖。

4 結 語

綜上所述，S-672 TBM2電氣系統是一個復雜、先進的系統。其配電系統從高壓設備到低壓設備采用集中電源控制，不但設定值精度準確而且防護效果好，從而減少了維護的工作量。可編程邏輯控制系統由主從分布式結構組成，系統穩定，功能強大。在工控機上可以監控程序的運行、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。計算機控制及數據采集分析系統可以與PLC進行通訊、采集、處理、存儲、顯示與評估數據，從而判斷巖石及設備的情況，便于及時掌握TBM的掘進情況，查詢歷史數據，修改掘進參數，起到提高工作效率、保證工程質量的作用。

參考文獻：

[1] 劉 笙. 電氣工程基礎[M]. 北京：科學出版社，2008.

[2] 李 冰，劉富強，王嘉男. 零基礎學西門子S7-300/400 PLC[M]. 北京：機械工業出版社, 2010.

[3] 廖常初. 大中型PLC應用教程[M]. 北京：機械工業出版社，2005.

作者簡介:

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

(責任編輯：李燕輝)