盾构机刀盘变频驱动控制系统研究.pdf_第1页
盾构机刀盘变频驱动控制系统研究.pdf_第2页
盾构机刀盘变频驱动控制系统研究.pdf_第3页
全文预览已结束

下载本文档

版权说明:本文档由用户提供并上传,收益归属内容提供方,若内容存在侵权,请进行举报或认领

文档简介

盾构机刀盘变频驱动控制系统研究 任亚 军 赵明 1 辽 宁装备制 造职 业技 术 学院 辽 宁 沈 阳 1 1 0 1 6 1 2 北 方重 工集 团盾构机 分公 司 辽 宁 沈 阳 1 1 0 0 2 7 Re s e a r ch o n Fr e q u e ncy Co nv e r s io n Co n t r o l o f Tu nn e l Bo r in g M a chin e S Cut t e r H e a d Dr iv ing Sy s t e m REN Ya j u n Z HAO Mi n g 1 Lia o n in g Eq u ip me n t M a n u f a ct u r in g Co l l e g e S h e n y a n g 1 1 0 1 6 1 Ch in a 2 NH I Gr o u p TBM Co mp a n y S h e n y a n g 1 1 0 0 2 7 Ch in a 摘 要 针对盾 构 机 的 刀盘 驱 动 系统进 行 了全 新 的设计 系统 选 用 8台 西 门子 G1 3 0系列 变 频 器 采 用主从控 制方 式 重 点 解 决 多 电机 的 同 步运 行 问 题 实现 了 多 台电机 之 间 的转 矩 平 衡 8台变 频 器 同时响 应 P L C的转速给 定信 号 每 台变频 器 分别 对 各 自的 电机施 加 力 矩 具备 结构 简单 运 行 稳 定 电 机 力矩 一 致 性 好 和 易 于 维护 等优 势 在 程 序 结 构 的设计 上 采 用 了应 用 接 口程 序 的 编 写 方 式 使 程 序核心部分相对稳定 又有灵活的扩展及操作能力 关 键词 盾 构 机 刀盘 驱 动 变 频器 P L C 中图分 类号 TP 2 7 3 文 献标 识码 A 文 章编 号 1 0 0 1 2 2 5 7 2 0 1 5 0 4 0 0 4 4 0 3 Ab s t r a ct I n t his p a p e r t he ne w cu t t e r he a d dr iv i ng s y s t e m of t un ne l bo r in g m a ch ine is d e s i gne d The s ys t e m in cl u de s 8 s e t s of S ie me n s G1 3 0 s e r i e s f r e q ue ncy co nv e r t e r s t he ma s t e r s l a ve con t r ol m o d e is u s e d t o s o l v e t h e p r ob l e m o f mul t i mot or s yn ch r on ou s op e r a t i on a n d t he t o r qu e ba l a nce b e t we e n mul t i pl e mo t o r s is r e a l i z e d The s pe e d s e t of 8 f r e qu e n cy co nv e r t e r s co m e s f r o m t he PLC a t t he s a m e t i m e a nd t he t o r q ue o f e a ch e l e c t r ic mot or a pp l ie d b y t he f r e q ue ncy co nv e r t e r The s y s t e m h a s t h e a d va n t a g e s of s impl e s t r uct ur e s t a bl e o pe r a t io n go o d a g r e e me nt o f m o t o r t o r q ue a n d e a s y ma in t e n a nce Th e pr o g r a m u s in g t h e int e r f a ce a p p l ica t io n i s d e s ig n e d it ca n ma k e t h e co r e p a r t o f t h e p r o g r a m s t a b l e a n d it ca n a l s o h a s t h e a b il it y t o e x p a nd a nd e a s y u s e 收稿 日期 2 0 1 5 0 1 1 4 4 4 Ke y wo r d s t unn e l bo r in g ma chine cut t e r he a d d r ivin g f r e q u e ncy con v e r t e r PLC 0 引 口 盾构 机 的刀 盘 及 其 驱 动 部 分 是 盾 构 机 的核 心 部件 之一 常见 的刀 盘 系 统 驱 动方 式 主 要 有液 压 驱 动和 电机 驱动 液 压驱 动 刀 盘 使 用 的历 史 较 早 系 统成熟可靠 常用于中 小直径 的软土地质盾构机 满足 其速度 较低 扭矩 较 大 的特 殊要 求 而 电机 驱 动 的盾构 机刀 盘也 是 近几 年 随 着 电机 拖 动 技 术 变 频调 速技 术 的发展 日渐 广 泛地 应 用 于 盾 构 机 的设 计制 造领 域 在此 介绍 了一 种 刀 盘 电 机驱 动 系 统 的设 计 方 法 满足了多 电机 的同步驱动控制要求 并使得变 频控 制 的驱 动 电机 随施 工 状 况 和 土质 的 软 硬 进 行 灵活 的调 整 可 以满 足 盾 构 机在 较 复 杂 地 质情 况 下 的切削对刀盘的要求 具有抗 突变性负载能力强 的 特 点 1 盾构机 刀盘 驱动的特 点与要 求 1 1 盾构 机 刀盘驱 动的 特点 盾构机刀盘 的主要功能是将盾构 机前方土体 进行切削 搅拌 便于排土 同时也起到减小盾构机 推进阻力 保持开挖 面土体稳 定的重要作用 现 阶 段盾 构 机 刀 盘 的装 机 功 率 基 本 在 6 0 0 3 0 0 0 k w 之间 2 由于刀盘结构及使用方式的特殊要求无法 采用单电机 的驱动方式 多采用多 电机同步驱动 的 方式 实现 一般 的 电机 数 量 在 4 1 2台之 间 系统 采用 了 8台 电机对 刀盘 进 行 驱 动 由 8个 电机 通 过 减速 机和 主齿 轮驱 动盾 构 机 刀 盘 各 电 机 轴通 过 减 机 械 与 电子 2 O 1 5 4 速器和主齿轮耦合在一起 其结构如 图 1所示 图 1 电机 刚 性 啮合 结 构 1 2刀盘 的驱 动要 求 由上述 分析 可 知 盾 构 机 刀 盘 变 频 调 速 系 统属 于多电机刚性啮合 的力矩同步控制 对力矩的一致 性要求较高 在忽 略齿 轮 啮合缝 隙 的情况 下 这些 电机 的速度是强制 同步的 要求传动系统之间既要 保 持一 定 的刚性 又 要 保 持 一定 的柔 性 由于 机 械 近似刚性结 合 所 以需 要软化 电机 的输 出力矩 来 实现负荷平衡 避免机械损伤和电气故障 2 变频 驱 动 系统 的 配 置 2 1 驱 动 系统的 硬件 配置 本 项 目配 置 8台 电机 驱 动 刀 盘 每 台 电机 的功 率为 4 3 0 k W 电机的额定扭矩为 2 9 6 4 N r n 额定 转 速 为 1 4 5 0 r min 最 高转 速 2 3 2 0 r rai n 系统 的 总效率 为 0 9 0 2 5 变 频 器 选 择 西 门子 G1 3 0系 列 变 频器 控 制 P L C选 择 西 门子 S 7 3 0 0系 列 P L C 并 配 置 了通讯 卡及 编 码器 2 2驱 动 系统控 制 方案 对 于多 电机 的 同步驱 动 控制 主要 有 2种 一种 是 主从 控 制 另 外 一 种 是 滑 差 控 制 主 从 控 制 方 式 即将其中的 1台电机设置为主机 对其进行速度 控制 其他电机设置 为从机 采用扭矩控制 扭矩控 制 的设定 值 由主机 经 过 计 算 获 得 滑差 控 制 将 电 机的 自然机械特性变软 也可 以变硬 即可使 得在 电机 转 速 刚 性 一 致 的 前 提 下 力 矩 也 几 乎 保 持 一 致 引 系统采用 了主从 控制 该控制方 式简单 可靠 其控制结构如图 2 所示 其中 主 P L C为盾构机刀 盘变频驱动系统 的主控单元 为 了保证系统的相对 独 立及 通用 性 针对 刀 盘变 频 驱 动 系 统 设 置 变 频 柜 P L C 变频柜 P L C主要是处理 柜 内的变频器控制 与主 P L C通讯的方式采用 Mo d b u s TC P协议进行 机 械 与 电 子 2 0 1 5 4 数据交换 减轻主 P L C的程序负担 并使变频系统 相对 独立 满 足盾 构 机 复杂 控 制 模 块 化处 理 的控 制 思路 图 2 刀 盘 驱 动 系统 控 制 结 构 刀盘变频驱动系统 由 8台西 门子 G1 3 0系列变 频 器组 成 为 了避 免 冲 击 实 现 所 有 电机 之 间 的 转 矩平衡 将 8台电机 中的 l号电动机设置为主机 8 号 电动机设 置 为备 用 主 机 其 他 电 机设 置 为 从 电动 机 从 电动机 的参 数跟 随主 电动机参 数 的变化 而 变化 为 了保证 系统 的可 靠 性 预 先 在 变频 控 制 系统 内设 置 2套控 制参 数 分 别 是 以 1号 电机 为 主 电机 的控 制参 数 和 以 8号 电 机 为 备 用 主 电机 的 控 制 参 数 以便在某 台主机 出现故障时 可 以在最短 时间 内启动备用主机 减少停机时间 由于采 用带有 编 码 器 的矢 量 控 制 需要 对 每套 电机系统 配 置速度 反 馈 信 号 但 由于 8台电机 通 过 减速机安装在 同一齿 圈上 在忽略齿间间隙的情况 下 可以认为 电机速度一致 为 了降低成本 并考 虑到设备 的可靠性等问题 系统设置了 2个编码器 即 1号 编码 器和 8号 编码 器 其 他 电机 的速 度 反馈 信号都是通过脉冲分配器虚拟信号的方法获得 2 3控 制流 程 2 3 1主 程序控 制 过程 主 P L C将变 频 控 制 系 统作 为 一 个 整体 进 行 控 制 发出启停等控制要求 并可 以对 8台电机进行选 择 以便在某 台电机 出现故障 时进行屏 蔽 同时对 每台变频器的运行状态 进行监控 监控 内容包括 变频器 的状 态 当前 是否有 故 障和相关 的报警信 45 息 以及 速 度 扭 矩 电 流 变 频 器 温 度 和 电机 温 度 等信息 主 P L C控制流程如图 3 所示 图 3主 PL C控 制 流 程 2 3 2 驱 动 系统基 本控 制参 数接 口 为了保证变频器控制程序 的通 用性和可扩展 性 在程序设计时对 程序进行 了接 口化处 理 将 刀 盘驱动看做一个整体进行控制 设计 了刀盘驱动的 接 口程序 控制指令接 口信息如表 1所示 通过对 相应变量的赋值即可满足相应 的功能要求 如在通 信代码 中的 Dp d r v l r u n o r d e r变量置为 1 则代 表下达启动命令 而刀盘驱动的状态信息则由表 2 中的相 关变量 中获 得 表 1 控 制命 令接 口信 息表 节选 4 6 表 2 刀盘驱动状态信息表 节选 一 般技术人员只需要对表 1 表 2中的数据进 行监控和修改 即可完 成对刀盘变频系统 的控制 而不用 对程 序 内部进 行 操 作 以此 保证 了 系统 的稳 定可靠 3 结 束 语 将 变频 调 速 技 术 应 用 到 盾 构 机 刀 盘 驱 动 系 统 中 采 用 主从 控 制 方 式 控 制西 门 子 变 频 器 实 现 了 对盾构类大扭矩 负载有效 稳定 的控制要求 重点 解决了多 台电机 同步驱 动的难题 刀盘驱动系统 采用 带有 编码器 的 矢 量控 制 能够 很 好 地 跟踪 各 个 电机的速度给定 且具有快 速力矩调节功 能 可 以 满足盾构机在较复杂条件下对 刀盘的要求 因此 该方 案可 以广 泛 地 应 用 于 盾 构 机 刀 盘 驱 动 系 统 控 制 中 参 考文献 1 吴启谊 海瑞 克盾 构机刀盘 电液控 制系 统分析 E J 流 体传动与

温馨提示

  • 1. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
  • 2. 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等,如果需要附件,请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
  • 3. 本站RAR压缩包中若带图纸,网页内容里面会有图纸预览,若没有图纸预览就没有图纸。
  • 4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
  • 5. 人人文库网仅提供信息存储空间,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑,并不能对任何下载内容负责。
  • 6. 下载文件中如有侵权或不适当内容,请与我们联系,我们立即纠正。
  • 7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。

评论

0/150

提交评论