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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 China 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 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*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M1M6提供电源，T02为M7M12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（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/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M21M24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420mA对应的数模转换模块数字量027648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-3276832767，我们取正常测量范围027648。 该菲尼克斯电气模拟量输入模块的量程为420mA，转换后的数字量为027648。因此0计数=4mA, 27648计数=20mA。 每1728 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 420mA转 换为027648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0345Bar对应转换后的数字 027648，比例系数K1=2764834580.139。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=2500080.139=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(1s)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：3.66rpm8.05rpm，其对应的频率为工频50HZ110HZ其中3.66rpm为基速，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”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