1、1土压平衡盾构机 PLC 控制系统应用研究摘要：结合工程实践，研究土压平衡盾构机的电气控制系统，介绍西门子 S7-300 可编程控制器和 PROFIBUS DP 工业现场总线在盾构机上的应用。 关键词：盾构机 可编程控制 应用 中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号： 工程概况和盾构机简介 胜利门站三阳广场站区间共 1011.309m。左线里程为ZSK11+814.828ZSK12+326.37，短链 11.172m，隧道长度为 500.37m。右线里程为 YSK11+815.431YSK12+326.37，隧道长度为 510.939m。区间隧道断面为外径 6.2m，内径 5.5m 的
2、圆形。根据施工的整体策划，拟以胜利门站南端头井的左线作为盾构施工的始发井。盾构机需要完成左线的施工任务，到达三阳广场站，然后站内掉头转向右线施工，最后到达胜利门站南端头井。 图一 胜利门站-三阳广场站盾构区间平面图 隧道施工采用一台德国海瑞克公司生产的 6370 土压平衡盾构机，盾构机直径为 6.39 米，长 72 米，重约 400 吨。盾构机主要包括刀盘主驱动系统、推进系统、拼装机系统、注浆系统、齿轮油系统、盾尾密封系统、润滑系统、超挖刀系统和工业水循环冷却系统等。 2PLC 控制系统 盾构机电气控制系统采用西门子 S7 系列可编程序控制器（Programmable Logic Contro
3、ller，简称 PLC） ，系统选用 S7-300 作为PROFIBUS 主站，ET200M、编码器、变频器等为从站的基于 PROFIBUS-DP现场总线的可编程控制系统。CPU 选型为 CPU 319-3 PN/DP,该型 CPU 数字处理能力极强，带有内部集成的 PROFIBUS-DP 接口，其组态灵活，速度快、操作简捷。ET200M 通过 IM-360 接口与 PROFIBUS-DP 现场总线连接。主站与上位机之间用工业以太网通讯，上位机在系统中实现的功能主要有：显示、监控、报警、数据存档、报表等。操作员通过人机界面将控制命令发出，该信号通过网络传送到 PLC 的 CPU，CPU 经过逻
4、辑运算后将命令发出，使现场设备动作。同时，CPU 也可将其检测到得设备状态，通过网络快速传送到人机界面。这样操作员就可监测到所有设备的运行状态及所有工艺参数，以便对现场发生的状况进行处理，以提高设备运转效率。 S7-300 硬件配置 SIMATIC S7-300 是具有中高性能的 PLC，适用于对可靠性要求极高的大型复杂的控制系统。S7-300 通过 I/O 采集相关数据和发出控制信号，I/O 通过 PROFIBUS 现场总线与 CPU 单元通信和软件组态。该总线构成分布式控制系统，性能可靠，硬件组成简单，抗干扰能力强。PLC 系统有PLC 运行及储存器、各类传感器等输入部分及各类电继电器等输
5、出部分。当盾构机发生故障时，可通过一台外部电脑与盾构机的 PLC 相连，可以实现实时监控程序运行或修改 PLC 程序。S7300 主要的硬件有： 3电源（PS）：电源模块提供了机架和 CPU 内部的供电电源，置于 1号机架的位置。 中央处理器（CPU）CPU 存储并处理用户程序，为模块分配参数，通过嵌入的 MPI 总线处理编程设备和 PC、模块、其它站点之间的通讯，并可以为进行 DP 主站或从站操作装配一个集成的 DP 接口。 接口模块（IM360 和 IM361）接口模块将各个机架连接在一起。不同型号的接口模块可支持机架扩展或 PROFIBUSDP 连接。置于 3 号机架位置为。 信号模块（
6、SM）通常称为 I/O（输入/输出）模块。测量输入信号并控制输出设备。信号模块可用于数字信号和模拟信号，还可用于进行连接，如传感器和启动器的连接。 通讯处理器（CP）模块化的通讯处理器通过连接各个 SIMATIC 站点，如：工业以太网，PROFIBUS 或串行的点对点连接等。 图二 PLC 控制系统硬件配置图 S7-400 软件设计 本系统采用 SIMATIC S7-PLC 的配套编程软件 STEP7 完成系统参数设置、PLC 程序编制、测试、调试和文档处理。根据工艺要求和结构化编程的原则，系统的控制程序主要完成以下几大功能：刀盘驱动控制、推进4控制、管片拼装、冷却循环、齿轮油、盾尾油脂、辅助
7、液压泵、注浆系统、推进油缸行程检测以及压力、温度，流量、系统复位、故障记录、脉冲计数、各动作延时时间等。用户程序由组织块（OB） 、功能块（FB、FC）和数据块（DB）构成。其中，OB 是系统操作程序与应用程序在各种条件下的接口界面，用于控制程序的运行。FB、FC 是用户子程序。DB 是用户定义的用于存取数据的存储区。它是上位机监控软件与 STEP7程序的数据接口点。在主程序中 OB1，分别调用 FB5（滚动角、仰俯角、时间脉冲和急停控制等程序） 、FB11（工业水控制程序） 、FB12（齿轮油控制程序） 、FB13（刀盘控制程序） 、FB15（推进油缸控制程序） 、FB16（拼装机控制程序）
8、 、FB18（盾尾油脂控制程序） 、FB19（辅助泵控制程序） 、FB20（螺旋机控制程序） 、FB21（膨润土控制程序） 、FB23（注浆系统控制程序） 、FB24（泡沫系统控制程序） 、FB25（皮带机系统控制程序） 、FB26（二次通风机控制程序） 、FB28（有害气体检测控制程序）和 FB50（设备故障报警控制程序）功能块。 图三 组织块 OB1 调用的功能块 通讯系统 Profibus 是一种不依赖生产厂家的、开放式的现场总线。各种各样的自动化设备都可以通过同样的接口交换信息，也是目前国际上通用的5现场总线标准之一。Profibus-DP 的传输速率可达 12Mit/s,构成单主站系
9、统，主站、从站间采用循环数据传送方式工作，用于设备一级的高速数据传送，PLC 通过高速串行线与分散的现场设备进行周期性的数据交换。Profibus 由三个部分组成，即 Profibus-DP、Profibus-PA 和 Profibus-FMS，其中 Profibus-DP 是一种高速低成本的通讯协议。它的通信分主站和从站，主站之间的通信为令牌方式，主站和从站之间为主从方式。Profibus-DP 主要用于自动化系统中单元级控制设备与分布式 I/O 的通讯，可以取代 4-20MA 的模拟信号传输。它采用 RS485 数据接口，传输介质用双绞电缆，传输波特率从 9.6kbps 到 12Mbps，
10、传输距离可以通过适配器进行扩展。 PLC 的主要功能 本套设备中使用的 PLC 是德国西门子公司的 SIMATIC S7-300，它的主要功能如下： 数据处理：SIMATIC S7-300 具有数学运算（包括矩阵运算、函数运算、逻辑运算） 、数据传递、转换、排序和查表、位操作等功能，也能完成数据的采集分析和处理。 模拟量输入处理功能：利用模拟量输入模块将现场的模拟量转换成过程值。例如：将温度传感器测得的油温与设定值进行比较，将结果转换成开关量输入（“0”或“1” ） ，从而实现对油温的监控报警。 工艺参数信号处理功能：对于模拟量通过相关信号进行处理。例如：可以采集和处理千斤顶行程传感器提供的信
11、号，把它传输到 PLC 系统中，并显示在人机界面上。 6控制功能：能对设备进行联锁控制。例如：若要推进，则会检查推进泵是否打开，盾尾油脂是否工作正常等一些条件，这些条件全部满足才能推进。 调节功能：能对压力、速度、流量等模拟量参数进行调节。 报警功能：对报警信号进行多种形式的处理。如在显示屏上显示故障信息、指示灯闪烁或声音报警。 PLC 在盾构机调试和故障处理中的应用 通过对 PLC 程序的分析，我们对盾构机故障的处理将会简单快速，应用 STEP7 监控软件进行现场监控，能快速直观地显示它们的状态以及逻辑关系，就能发现故障点。以下通过在盾构机调试过程中笔者遇到的一个案例来说明 PLC 在解决故
12、障过程中的应用。 案例：2012 年 9 月 28 日盾构机调试过程中，推进油缸泵无法启动。 故障现象：按下推进油缸泵启动按钮，启动指示灯不点亮，泵不启动。 解决过程：通过 PLC 程序查看推进油缸泵启动时所需要满足的条件。打开程序块 FB15，查看其调用的功能块 FC201。首先检查启动控制按钮的输入 I8.1，将启动按钮按下后，I8.1 可实现有“0”到“1”的变化，如图四所示，可判断启动按钮的输入信号正常。 图四 启动按钮的功能检查对比 7图五 FC201 块中的 FG1 检查推进油缸泵启动所需的条件，发现推进油缸泵启动控制功能块FC201 中的 FG1 对应的中间变量#Release_
13、advance_hydraulic 条件未满足，如图五所示，其状态为低电平“0” ，应该为高电平“1”才能满足泵启动的条件。 图六 中间变量 检查中间变量#Release_advance_hydraulic 的输入后发现，如图六所示，输入地址 I19.7 的输入信号缺失，而其他输入信号均正常。 图七连接桥处压力传感器接线图 查看电气图纸, 图纸代码 19/22.5 对应的是连接桥和后配套拖车之间的牵引油缸的压力。检查配电盒 XD0-1 盒子的接线端子后，发现信号8线的 22 号端子，接线松动，将其紧固后，发现输入信号 I19.7 有“0”变为“1” ，信号恢复。同时，通过在线监视发现中间变量也
14、有灰色变成绿色，表明外部信号都已满足，中间变量#Release_advance_hydraulic已得电，如图八所示，故障排除。 图八 外部信号恢复后的中间变量#Release_advance_hydraulic 结束语 盾构机上的 PLC 控制系统运行稳定、可靠，为施工的顺利进行提供了强有力的支持。学习 PLC 技术需要有一定的英文和电气知识基础，同时还要熟悉盾构的施工工序，才可能看懂 PLC 的程序，进而可以通过分析程序来解决盾构施工中的所遇到的故障，以保证盾构施工的顺畅进行。参考文献 1 晁阳 胡军 熊伟 可编程控制器原理应用与实例解析 ，清华大学出版社 ，2007.11 2 龚仲华 S7-200/300/400PLC 应用技术 ，人民邮电出版社 ，2008.4 3 米歇尔.伏尔茨 Profibus 现场总线手册 ，1997 4 刘美俊 西门子 S7 系列 PLC 的应用与维护 ，机械工业出版社 ，2008.2
