盾构机刀盘变频驱动控制系统研究.pdf

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