浅谈TBM项目电气控制系统.docx

1、浅谈 TBM项目电气控制系统 摘要 本文针对 (tunnel boring machine)隧道掘进机的施工工况。结合某局施工项目现场供配电方案。着重阐述了项目电气系统的组成，分析了电气 PLC控制系统。总结这些，为施工项目的电气从业人员提供参考。 关键词 TBM 供配电 PLC 控制系统 中图分类号： TM571.2 文献标示码： A文章编号 Talking on the Electrical Control system of TBM Project Briefly: take West QinLing tunnel TBM project as an example Wu Yan Chi

2、na Railway 18th Bureau Tunnel company , Chongqing 400700, China Abstract This paper faces to the site conditions of TBM (tunnel boring machine).In combination with the power supply scheme of a bureau, the construction project of lectrical system， analyses the TBM electrical PLC control sysmselves to

3、 electrical system on TBM projstem 引言 TBM 项目供配电基础建设至关重要，项目施工工期长、需要投入大量的人力和物力资源。场地施工用电需求量很大，如何合理分配电力资源对于提高施工效率、缩减工期、降低成本显得十分重要。 TBM 是典型而庞大的系统。掌握其电力配置和 PLC 控制是进一步了解机、电、液之间如何配合工作的起点，也是本文的关键所在。 1 TBM 项目现场供配电分析 根据兰渝线中铁设计院规划，西秦岭 TBM项目新建 35KV高压变电所，为西秦岭隧道出口左、右线 2台直径为 10.23米的 TBM硬岩掘进机施工提供 施工电源。高压变电所为西秦岭隧道出口左

4、右线隧道施工提供电源保障。现场供配电体系的完善与否将直接影响到施工工期和经济效益。如下所示西秦岭隧道出口右线项目施工配电图： 项目基础建设中合理的供配电至关重要，完善的现场用电设备主要由：洞口工地施工区、仰拱车间、生活区以及衬砌区域组成。西秦岭隧道出口右线某局具体的施工用电分配如下图： - 作者简介：吴 彦（ 1988- ）男，大专，参与 TBM 的 2次组装和调试，目前从事 TBM 项目的电气维 护保养工作。 2 结合施工剖析 TBM 电气控制系统 2.1 TBM 供电系统简介 TBM 采用 20KV 高压供电。高压电源从洞外开闭所引入 20KV 专线 ,经电缆载流量选型计算选择线型为 3*

5、120mm2 铜芯铠装电缆。连接 TBM 高压电缆卷筒，经 3 台干式变压器为 TBM 提供电源 .三台高压变压器编号为 T01、 T02、T03。下面简述各变压器的基本用途： T01 和 T02 容量各 3000KVA。是刀盘驱动的 12台主电机供电，每台主驱动电机额定电压 690V,额定功率 330KW。 T01 为 M1 M6提供电源， T02 为M7 M12 提供电源。刀盘主电机启动方式采用伊顿 LCX9000 水冷型变频器。 T03变压器容量 2000KVA。低压侧 400V连接 MEC（ main electric cabinet）主电柜。为以下电气设备提供电源保障： 1、液压泵站

6、（ M21、 M22、 M23、M24）； 2、润滑泵站（ M25）； 3、锚杆钻机泵站（ L1区 110KW 和 L2 区 110KW）；4 仰拱吊机（ 22KW）； 5、除尘风机（每台除尘风机 75KW，共 150KW）； 6、喷锚系统 (2台输送泵、喷锚大车、以及超前喷 )； 7、水冷型空 气压缩机（每台 90KW， 2台共 180KW） ,后备新增 110KW 风冷式空压机； 8、水系统增压水泵（每台 15KW，共 30KW）； 9、 TBM 增压风机（ 160KW）； 10、皮带驱动电机（转渣皮带机 55KW、桥架皮带机 90KW）； 11、 T04、 T05（变压器均为25KVA/

7、400V/230V） TBM 配一台容量为 400KVA 的应急发电机，在突然停电的情况下，将启动应急发电机，为 TBM 提供单项设备供电。如照明、工业控制主机供电 . 从发电机负荷柜引出 2台 25KVA 变压器，编号为 T04、 T05。 T04 连接OE07 配电柜 ,为 TBM 工控主机 ,PLC 输入输出模块 ,以及电磁阀、传感器提供电源。 T05 连接 OE08，为照明系统提供电源。 PLC 系统配置不间断电源一个，在突然停电的情况下，为 PLC可编程控制器提供电源，确保工控主机运行良好。 PLC 的输入输出模块电源为 24VDC。 TBM 上提供动力来源的电机启动方式：功率超过

8、10KW 以上的电动机直接启动时有较大的冲击电流，为了避免启动电流对电网的冲击，对大功率的电动机采用启动方式有：变频启动、软启动或星三角启动。比如刀盘主驱动电机和增压风机采用伊顿 LCX9000的水冷型变频启动、除尘风机和 TBM皮带机采用软启动、液压本站电机 M21 M24 和润滑电机 M25 采用星三角启动；小功率电机采用直接启动方式，比如后备套皮带机调相等。 2.2 结合 TBM 施工现场，基于触摸屏技术的 PLC 控制系统 TBM 是一个机、电、液一体化的工厂化隧道开挖施工机械，是大型化、自动化、流程化的大型联动机。由于其控制环节多，工序复杂，并且相互关联，相互影响，任何一个环节出现故

9、障都将影响正常掘进甚至停机维修。为了保障 TBM工作的高度可靠性安全性和易维护性其控制系统采用了 PLC可编 程控制系统。该系统具有功能强、可靠性高、抗震性能好、编程容易、修改方便、扩充维修容易等一系列优点。 TBM 上所有的传感器和控制开关等信号都输入到 PLC，所有信号都由其发出。方便建立各种连锁关系，因此，PLC 可编程控制器是掘进机的控制中枢，是掘进机的大脑和心脏。 2.2.1 主机控制系统的组成 西秦岭 TBM332-336 采用的 PLC 型号为美国通用电气 GE Proficy Machine Edition 6.0 编程软件版本。 TBM 主机控制系统采用主从上、下位机和分布式

10、 I/O 结构。上位机为工业控制 计算机，下位机为美国通用电气 PME6.0 为主站的可编程控制系统。基于 Profibus-DP协议的现场总线的计算机局域网络，采用彩色液晶触摸屏，用于设置控制系统的参数和显示数据。 PLC控制按其功能分区， TBM电气控制由：带触摸屏的工控主机和镜像工控机（型号采用研华 ARK-5280 系类）、以及 PPS 激光导向系统组成。 触摸屏主机分为 11个操作界面，配合操作台的 15个开关按钮，以及 3个钥匙开关，一个急停按钮，一个急停状态指示灯组成 TBM 掘进操作控制系统。 TBM电气控制系统结构示意图： 2.2.2 触摸屏电气控制 操作控制系统采用组态软件

11、和触摸技术，实现对 TBM 进行操作监控和显示。其中操作画面包括： A、状态监控：监控 TBM在掘进过程中的各种状态，水系统、液压润滑系统、气体、皮带机系统、刀盘驱动系统、钢拱架安装、电气互锁等； B、报警画面：及时显示 TBM 设备运转情况和故障报警； C、掘进界面：施工时主画面，掘进参数、设备状态； D、测量界面：显示 TBM 中各类检测仪器的测量值； E、设定界面：设定 TBM 对象和控制参数，如步进模式下的压力设定。 2.2.3 PLC 程序 TBM电气控制部分所采用的 PLC型号是美国通用电气 GE PME6.0编程软件。而 GE 的编程思路是程序模块化，整个逻辑控制是由子程序构架而

12、成，过程控制的实现是在主程序中顺序扫描、不断循环的方式进行工作的。 在操作室内的工控机上安装 PC卡（ SST_PB3_PCU）。 PC 卡上的输出接口通过 Profibus_DP 总线连接至 PLC 的输入输出模块，可编程控制器通过 PC卡 I/O驱动为各模块分配地址单元。每一个 I/O的地址对应各模块中的各个输入输出端子，使数字输入模块、继电器输出模块和数模转换模块与电磁阀传 感器连为一体，将模拟量转换成数字量，并传送到 PLC指令系统进行数字量的计算和开关量的控制。 2.2.3.1 数字输入和继电器输出模块分析 （ 1）输入输出模块的选型： PLC 模块选型为 32 位数字输入和 16

13、位继电器输出，型号分别是：SMARTSTIX I/O HE459DIM710A、 SMARTSTIX I/O HE459DQM602A （ 2）输入输出模块与 PLC 的运算： 数字输入模块将触点的断开与接通状态转换成为数字量（ 1,0），在 PLC的软元件符号为动合和动 断。当输入模块触点接通得电：动合触点的常开状态由 off 变成 on接通电流；动断触点由常闭状态由 on变成 off。 继电器输出模块的输出为 24VDC2A，可直接驱动电磁阀线圈。输出触点在 PLC梯形图中用软元件线圈符号表示。当梯形图线圈得电，继电器输出模块输出电流，驱动电磁阀动作。 2.2.3.2 模拟量输入及数模转换

14、模块的分析 （ 1）常见的传感器主要有：接近开关，压力传感器、压力开关，流量传感器、流量开关，温度传感器、温度开关，湿度传感器，油污染度检测传感器，位移传感器等。 （ 2） PLC 接收模拟量输入信号的计算： 选型为菲尼克斯模拟模块（ CPHCENIX CONTACT ILB PB AI4 AO2），该模块有 4为输入、 2 位输出。 在 TBM 施工过程中，对气体浓度的检测、液压润滑油和水的温度、皮带机及液压润滑泵的电机电流、扭矩油缸和刀盘护盾以及撑靴的位移、导向 撑靴 推进 护盾油缸以及润滑液压泵和刀盘制动等的压力、液压油相对湿度、液压油污染级别的清洁度，它们都是通过相应的传感器将采集到的

15、物理量电流值转换成模拟值数字量，而这些电流值并不是 PLC所能直接控制的数 字量，故而需要模数转换模块将模拟量信号转换为数字信号用于 CPU的计算。 这些阀度的输出信号是通过电流的大小 4 20mA 对应的数模转换模块数字量 0 27648 来控制的。其精度主要由分辨率来设定，而分辨率的精度又是由 CPU 处理二进制的位宽来决定，这里我们取位宽为 16bit，可以得到对应的测量范围为 -32768 32767，我们取正常测量范围 0 27648。 该菲尼克斯电气模拟量输入模块的量程为 4 20mA，转换后的数字量为0 27648。因此 0计数 =4mA, 27648 计数 =20mA。 每 1

16、728 计数 = 1 mA。这说明了 PLC模拟量输入模块的模拟值与传感器测量物理量电流值之间关系。 例如： PLC 在压力传感器中的对压力值计算。 TBM 的液压系统压力和推进油缸的传感器型号是： STAUFF SPT-5000-S-420-MD。其压力量程是 05000PSI输出直流电流 4-20mA。模拟输入模块将 4 20mA转 换为 0 27648的数字量，当压力传感器测量物理量电流值 18.084mA，试求以 Bar 为单位的压力值 ? 算法：由 1Bar=14.49PSI 可知 5000PSI=345Bar，即 0 345Bar 对应转换后的数字 0 27648，比例系数 K1=

17、27648 34580.139 。当传感器输出18.084mA直流电流，进入数模转换模块计算出数字量 K2=（ 2764818.084 ） 20=25000。 在 PLC 编程软件中，设定比例系数 K1=80.139， 使用 PLC 的算术运算指令 DIV计算出实际压力值 P=K2/K1=25000 80.139=311Bar, 在操作室的人机界面（彩色触摸显示屏）将显示 311Bar 的压力值。 如下图所示液压系统压力传感器的 PLC 梯形图指令结构： 在 TBM 的 PLC 可编程控制器中，模拟量模块通过内部的跳线，同一个模拟量输入模块每个通道组间可以连接不同类型的传感器，设定模块测量方法

18、和测量范围主要使用量程卡。 2.2.3.4 变频控制 变频技术是应交流电动机无级调速的需要而产生的。通过异步电机转速方程式： n=60f1(1 s) p；（ f1 电动机定子绕组的供电频率； p 旋转磁场的磁极对数； s 转差率） 由此可见，改变异步电动机的供电频率 f1就可以改变电动机的转速 n，达到调速的目的。变频器是通过对 电力半导体器件（如 IGBT 等）的通断控制将电压和频率固定不变的交流电（工频 50HZ）电源变换成电压或频率可变的交流电的电能控制装置。 TBM 的调速范围为： 3.66rpm 8.05rpm，其对应的频率为工频 50HZ110HZ 其中 3.66rpm 为基速，

19、8.05rpm 为全速，通过变频器实现无级调速。 1、变频器的构成，如图所示： 从上述原理图中可以看出变频器主要由主回路和控制回路组成。主回路主要有：整流器、中间滤波器和逆变器三部分组成。它的作用是将定压、定额的交流电变成可调直流电经 过中间滤波器滤波后供给逆变器，将直流电变换为可调频的交流电。 现代的变频器基本是用 16位、 32位单片机或者 DSP为控制核心来实现全数字化控制的。控制回路主要是对变频器输出电压和频率的调节提供控制信号。主控回路主要有：频率、电压的 “ 运算控制电路 ” 、主电路的 “ 电压、电流检测电路 ” 及电动机的 “ 速度检测电路 ” 等。其中， “ 运算控制电路 ”

20、 一方面接收由发送来的检测信号；另一方面，又发出控制信号至“ 驱动电路 ” ，并由 “ 驱动电路 ” 驱动逆变器来实现对电动机的调速控制。 2、变频器的工作原理 结合变频 器的构成，可以得到如图所示变频器的工作原理： 2.3 电气系统的维护保养和常见故障的判断处理 2.3.1 TBM 电气系统维护保养 1、定期检查各项设备的工作状况，采取相关维护措施并做好分析记录与存档； 2、由于 TBM震动较大，要定期紧固接线端子，和电气绝缘检查；以及防水、防尘、防潮的定期处理。 2.3.2 TBM 电气系统常见故障的判断处理 处理故障的基本原则： 1、先简后繁，由外而内； 2、先检查电源，再检查外部线路；

21、 3、绝大多数故障是线路故障，断线、 短路、接地和接触不良等； 4、 PLC 程序出现通讯错误可通过复位重启工控机来解决，此问题一般不会出现； 5、对于电气故障要先从电气控制原理着手思考，不同的故障会有不同的表象，往往看似复杂的故障其实也并没有想象中那么难，平时要多留意观察设备的状态，为检查故障积累经验。 3 总结 综上所述，西秦岭隧道 TBM 项目某局的现场供配电方案合理，使用和维护方便； TBM 的 PLC 电气控制设计完善。随着掘进进度的延伸，现场相关维护人员做好监测与维护工作，确保项目电气控制的可靠安全运行。 参考文献： 唐健，浅谈 TB880E隧道掘进机 PLC控制系统故障诊断技术刘介才，工厂供配电技术 M.北京：机械工业出版社， 2004（ 5） 栾秀春，杨爱光， PLC 接收模拟量输入信号的通用计算表达式 J. 电子电气教学学报 2010（ 8） 注：文章内所有公式及图表请用 PDF 形式查看。