教学用盾构机电气技术方案说明书

教学用盾构机电气技术方案说明书一盾构机电气系统设计总则盾构机电气设计概述教学用土压平衡式盾构机控制系统的设计、集成制造、调试包括以下内容：低压供配电系统，包括可编程控制器控制柜及其他设备配电控制柜；驱动柜、PLC控制柜、操作台、操作箱的电气设计；PLC软件设计开发；HMI软件设计开发，包括人机界面和工业控制PC机的上位软件；电气工艺设计与安装制造；电气系统整机调试。供电电源动力电压：400V3相50HZ控制电压：230V单相50HZ和DC24V照明电压：230V单相50HZ设计标准国际标准化组织计量单位制，质量体系ISO国际电工技术委员会标准电气IEC供配电系统设计规范GB/50052-9510KV及以下变电所设计规范GB/50053-1994施工现场临时用电安全技术规范JGJ46-2005电磁兼容通用标准GB/T17799.2湿热带型装有电子器件的电控设备JB4326-86湿热带型低压电器电控设备JB4374-86电工控制设备造型设计导则GB10217电工成套设备中指示灯和按钮的颜色GB2682二详细系统方案说明书盾构机的电气控制系统分为主机系统和辅助系统两个部分。2.1主机系统主机系统包括：低压配电系统，PLC控制系统，刀盘驱动系统，输送系统，推进系统，铰接系统，管片拼装机系统。1）低压配电系统为了便于装配和拆卸等现场施工，配电柜位于3号台车，两路进行配电，一路到1号台车控制室，3号台车之后的部分由配电柜直接进行配电，同时包括台车的所有照明部分。3号台车之前的配电部分，包括盾体柜，由控制室直接配电。

执行机构功率如下：功率刀盘驱动kw30kw超挖刀kw1kw推进系统kw15kw管片安装机kw15kw螺旋输送机kw4kw皮带输送机kw4kw润滑系统kw5kw管片吊机kw3.5kw+4kw空压机kw5kw泡沫系统kw7.5kw铰接系统kw5kw同步注浆系统kw7.5kw喂片机kw7.5kw其他kw10kw总功率kw约124kw总体配电图如下：

PLC控制系统主控制PLC选用西门子CPU1200,主要用于各系统总体协调控制、铰接系统、注脂系统、液压站控制、水系统、空气加压系统、同步注浆等系统的控制。从站采用西门子ET200SP,由从站来执行电机，气动，液压等控制和数据采集任务。主站和从站之间的通信通过以太网方式进行。相关重要参数：控制点位：约？点输入信号类型：开关信号、4-20mA信号、0-10V信号、频率信号输出信号类型：开关信号、4-20mA信号、0-10V信号主要控制类型：PID闭环控制、逻辑控制通讯网络：以太网、RS4853）刀盘驱动系统刀盘驱动系统是为刀盘切割岩石或土壤时提供转速和扭矩，要求根据岩石地质的变化转速能够方便的调整。为了得到较大的功率和扭矩，主驱动系统采用电控驱动，由一台30kw的变频器带动两个15kw的电机，由以实现刀盘的正反转及转速的无级调整。主驱系统同时要控制超挖刀的伸出收缩。4）输送系统输送系统包括螺旋输送机和皮带输送机。在螺旋输送机上设置一个螺旋输送机伸缩油缸，由电磁阀控制，此油缸目的是用于控制螺旋输送机的伸缩动作。螺旋输送机与土仓铰接处存在一个前闸门，对前闸门的控制采用人工控制，可以进行开度的调节，关闭的前提是螺旋输送机伸缩油缸处于收缩到位状态。当需要安装，维修以及更换设备时，关闭前闸门以免泥土从土仓中流出。在输送机末端与皮带输送机铰接处配备一个控制出料口开启和关闭排土闸门的油缸，此闸门的作用是当设备停止时或者下侧的装土车装土已满时关闭此闸门以免泥土溅落到其它设备上或者隧道内，从而对设备和施工造成影响，同时它还具有调节螺旋输送机内的泥土量的功能。螺旋输送机控制有两种模式：土压控制模式和土方控制模式。前者采用土压传感器闭环的模式控制转速，后者根据掘进速度和盾构机直径计算出的土方折算出螺旋输送机转速进行控制。皮带输送机沿线配备一个拉绳式急停按扭盒，急停操作只针对皮带输送机有效，在皮带输送机末端配备一个驱动电机，皮带输送机停止将关闭螺旋输送机出口阀门。皮带输送机末端装有急停复位按钮，按钮的形式采用钥匙复位开关。皮带输送机运行前将有警示铃和灯光提醒，提示作业人员施工准备，待延时5s后再启动皮带机。螺旋机旋转驱动电机和皮带机运转电机，通过变频器实现调速。5）推进系统盾体内推进系统装有6个推进油缸，分为4组，使用比例阀控制油缸的伸缩动作，以测偏系统和工程施工图纸为依据手动调节推进油缸的伸出量并配合较接系统油缸的控制来调节掘进方向，使盾构机按预先设计的掘进轨迹前进。掘进时，油缸按组的方式动作；手动拼装时，要求可以实现每组油缸的单独动作。拼装结束后对油缸的状态进行校正到初始状态，当出现异常时报警，工作时协调四个块的压力设定，控制输出和油压的上下限控制值。每组中的一个油缸的行程将被检测。对油压进行分析，换算成压力并以此为依据来确定推进系统的总推力，并对这一数据进项进行监视和分析，出现异常时给出报警。推进系统在掘进推进时可选择恒压推进模式或恒速推进模式。在恒压模式下，推进速度由推进压力调节回路控制，但最大推进速度由上位机上预设的最大推进速度限制，同时推进速度还由土压平衡控制回路极限情况限定。在恒压模式时，转盘转矩将在一定范围内向下调节推进压力设定点。在恒速模式时，盾构机上位机上预设的推进速度恒速推进，但当推进压力超过限定值后，控制系统将自动降低推进速度，推进速度还由土压平衡控制回路极限情况限定。【掘进】模式此模式是盾构机掘进时使用的模式，当切到【掘进】模式时，推进油缸将用高压进行伸缩。推进油缸变为用一号台车的主控操作盘进行操作。不能用盾构机内的推进油缸操作箱进行操作。推进模式下，管片拼装机处于锁住状态，不能进行任何动作。【拼装】模式此模式是安装管片时使用的模式，当切到【拼装】模式时，推进油缸变为用低压进行伸缩。推进油缸变为用盾构机内的推进油缸操作箱进行操作，操作箱采用无线连接形式。此时主控台不能控制推进系统，只起监视作用。安装方式中既可以选择所有的油缸一起动作，也可以选择某一组油缸单独动作。在操作箱上配有操作允许、系统状态、油缸动作的指示灯和掘进允许、急停、油缸选择、进退操作、拼装操作的按钮及开关。推进设备按正常的工作顺序进行：螺旋机准备就绪玲螺旋输送机闸门开玲皮带机转动玲刀盘转动玲推进千斤顶动作。不按顺序操作将不能使盾构正常工作。在推进过程中，若发生刀盘扭矩过载或螺旋机反转，或推进速度过速或土压超过上限时，按逻辑条件就将停止推进千斤顶的伸出动作。推进系统启动条件是：掘进模式下，刀盘旋转速度超过一定值时，推进系统工作。管片拼装模式下，推进系统工作，主控台不能操作。推进系统在下列条件下停机：刀盘旋转速度低于一定值时，推进系统停机。刀盘点动模式下、刀盘检修、更换刀具、刀盘脱困状态下推进系统停机。主要检测点：4组行程检测传感器6）铰接系统铰接油缸有三种工作模式，分别是拖拉、保持和浮动模式，三种模式的转换是通过操作台上的一个转换开关实现的。当处于拖拉模式时，铰接油缸主动收缩将尾盾向前拖拉,当处于保持模式时铰接油缸处于锁定状态；当处于浮动模式时，铰接油缸处于浮动状态，此时因为尾盾的摩擦致使铰接油缸被动伸长。正常推进时铰接油缸处于保持模式即锁定状态。铰接油缸共4只，分为A、B、C、D四组，在拖拉、浮动和保持模式下四组油缸须一起动作，但在拖拉模式下每组油缸可以在上位机单独选择，选中与未选中的各组油缸工作压力不同。主要检测点：4组行程检测传感器7）管片拼装机系统管片拼装机由拼装机大梁、支撑架、旋转架和拼装头组成。以拼装头在正下方位置的情况为例来描述拼装机的动作过程。拼装机的两个行走液压油缸可以使支撑架、旋转架、拼装头在拼装机大梁上沿隧道轴线方向移动；安装在支撑架上的两个斜盘式轴向柱塞旋转马达，通过驱动滚珠轴承的内齿圈可以使旋转架和拼装头沿隧道圆周方向左右旋转各200度，拼装时通过编码器检测，设定正反两个方向的限位以保护电缆、油管和其他设备；通过伸缩油缸可以使拼装头上升或下降；拼装头在油缸的作用下又可以实现在水平方向上的摆动，和在竖直方向上的摆动以及抓紧和放松管片的功能。这样在拼装管片时，就可以有六个方向的自由度，从而可以使管片准确就位。拼装手可以使用无线遥控的操作箱来操作管片拼装机，用来拼装管片。管片为1.2m或1.5m长的通用管片，一环管片由六块管片组成，它们是三个标准块、两块临块和一块封顶块。封顶块可以有十个不同的位置，代表十种不同类型的管环，通过选择不同类型的管环就可以使成型后的隧道轴线与设计的隧道轴线拟合。隧道成型后，管环之间及管环的管片之间都装有密封，用以防水。管片之间及管环之间都由高强度的螺栓连接。管状拼装机处设置一个可以停止整机的急停。管片拼装机控制过程：管片拼装控制与推进系统的油缸动作控制集成在一个遥控控制盒内；无线摇控器控制面板上的按钮能控制泵、液压马达与所有油缸的动作；管片机旋转液压马达、提升油缸、平移马达采用比例电磁阀调节动作的速度；抓取平台的左右平衡油缸、后部平衡油缸、中心提升油缸和旋转微调油缸的动作由普通电磁换向阀控制；管片机旋转液压马达、提升油缸、平移马达、左右平衡油缸、后部平衡油缸、中心提升油缸和旋转微调油缸均互锁操作控制、即一个油缸动作其它油缸均不能动作；管片拼装机旋转角度+/-220度，通过旋转编码器来反馈信息，并能在主控台显示出来；管片机的旋转速度0~1.5r/min（可调）；管片拼装机的逻辑动作表：

F号F号动作名称也行机构AZD03kZCJMAZGQ3fizozeAZDEOAEOZlAZO30AZQ31A2032AZC£33AZLODAE10LAD374AZOT3AZOSOA2051]蔡启动n安■兴明汇转■3交袋机吉转.4安装风加战.5安涌讥后退■6■7营缸笫■e*q窣速■Hi51逅ir同生仲.■ii-,；,：1门步器■■12「口，.：•.13抓牵头旅检・14r-.1-^■13遍头郃用恒■IT升更后慢■2.2辅助系统辅助系统包括：注浆系统，泡沫系统，油脂系统，膨润土系统，照明系统，通风系统，水系统，急停控制系统等等。其中，注浆系统，泡沫系统，膨润土系统，油脂系统都用水来代替。1）注浆系统同步注浆有6路注浆，同步注浆可根据需要采用手动控制模式，是由操作人员根据掘进情况控制注浆速度、注浆量和注浆启停。2）泡沫系统泡沫系统有4路管道，泡沫系统的功能为：泡沫装置产生泡沫，并向盾构机开挖室中注入泡沫，用于开挖土层的改良，作为支撑介质的土质在加入泡沫后，其塑型、流动性、防渗性和弹性都得到改进，盾构机掘进驱动功率就可减少，同时也可减少刀具的磨损。另外，泡沫装置同时还向螺旋输送机提供泡沫目的是改善土壤使之在螺旋输送机中更容易运输。3）膨润土系统膨润土装置也是用来改良土质，以利于盾构机的掘进。膨润土装置主要包括膨润土箱、膨润土泵、九个气动膨润土管路控制阀及连接管路。和浆液一样，在竖井，膨润土被放人膨润土车中，电瓶车牵引膨润土车至膨润土箱旁，膨润土车将膨润土泵入膨润土箱中。需要注入膨润土时，膨润土被膨润土泵沿管路向前泵至盾体内，操作人员可根据需要，在控制室的操作控制台上，通过控制气动膨润土管路控制阀的开关，启动膨润土的两条管道，其中第一条管路负责刀盘及一部分前盾耐压舱壁上的膨润土注入口，第二条管路负责盾壳、螺旋输送机及前盾耐压舱壁上的其他膨润土注入口。三人机交互说明人机交互系统的作用是显示盾构机各系统的参数信息，帮助操作员了解盾构机实时的状态，并协助操作员进行盾构机的操作控制。人机交互系统包括两大部分：HMI触摸显示系统和操作琴台系统。HMI触摸显示系统HMI触摸显示系统的硬件部分共有2套触摸显示屏，分别为主屏和副屏（互为备用），主屏和副屏显示和控制内容完全一致，并且同步。人机交互系统和PLC控制系统间的通讯采用以以太网通信方式。HMI触摸显示系统共由14个界面和若干个弹出窗口组成。14个界面包括了主控、刀盘、推进、螺旋机、铰接、辅助、密封润滑、盾尾油脂、泡沫、膨润土、注浆、电力、调试及报警界面。弹出窗口包括了用于参数设置的窗口和用于查询刀盘、推进、螺旋机、铰接等系

统不满足启动条件的窗口。界面的内容包括了各自系统的主要参数显示、报警显示、以及部分系统的按钮指示灯和工艺参数设置。（每个界面的背景都是相同的，顶部是显示系统时间和盾构三大系统即刀盘、推进、螺旋机的相关参数，以及危险气体和PLC通讯正常指示。底部是上述14个界面的切换按钮及急停复位按钮）具体每个界面和窗口的内容详见下表：_HMI人机界面系统。表1_HMI：主控界面主字界而密封翩后尾油脂减翻雕才㈢HRM励独翱正才e雨常油h主字界而密封翩后尾油脂减翻雕才㈢HRM励独翱正才e雨常油heHBW王常少福贬*•EP己正常03正常•上再门底行胆主控界面内容：方向射2EIO飘松转速1）参数显示：A、B、C、D四组分区推进压力；A、B、C、D四组分区推进行程；总推力、推进速度；螺旋机方向、转速、扭矩，伸缩筒行程；皮带机速度；2）状态指示：前闸门开启；泵站正常、润滑油正常、空压机正常、

HBW油脂正常、水系统正常、急停信号正常、EP2正常、通风机正常、磨损检测正常。3）报警信息表2_HMI：刀盘界面刀盘界面内容：1）参数显示：刀盘设置速度；磨损检测压力；超挖刀测量行程。2）状态指示：超挖刀工作模式；超挖刀油箱液位正常、超挖刀油箱温度正常、超挖刀泵运行正常；超挖刀伸、超挖刀缩；磨损检测报警。3）参数设置：超挖刀伸出量设置、超挖刀起始角设置、超挖刀终止角设置、超挖刀步进量设置。4）开关按钮：刀盘启动条件；磨损检测复位。

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口口口肃ICTCTT推迸界面推进界面内容：推婚工悔力口口口肃ICTCTT推迸界面推进界面内容：推婚工悔力蟒机越1）参数显示：、A、B、C、D四组分区推进行程、推进速度；推进泵工作压力、皮带机速度；四个分区压力调节电位器比例2）状态指示：推进控制位置；工作模式。3）开关按钮：推进启动条件4）参数设置：管片模式推进压力设置操作琴台系统。操作琴台是操作员在主控室内操作盾构机的关键部件，操作琴台上面安装有:监控系统、HMI系统及导向系统的工控一体机，同时操作琴台上还安装了大量的按钮、指示灯、电位器及转换开关。

操作琴台的控制面板主要由电机启停控制、盾壳膨润土控制、膨润土控制、盾尾密封控制、泡沫系统控制、皮带机控制、推进控制、铰接控制、刀盘控制、螺旋输送机控制，共十个部分组成。具体内容详见表_操作琴台系统。操作琴台内容：电机启动、停止控制1）启停按钮：3个主驱动泵、过滤冷却泵、超挖刀泵、冷却水泵、增压泵、润滑油脂泵、污水泵、齿轮油泵、通风机、螺旋输送机泵、HBW、辅助泵、推进泵、控制泵、刀盘补油泵、管片安装机泵、铰接泵、螺机补油泵、注浆泵。2）急停按钮（红色）、复位按钮（黄色）、故障铃按钮（黄色）、灯测试按钮（黄色）刀盘控制1）启动、停止按钮；高速、低速按钮；左转、右转按钮。2）主控室控制钥匙开关。3）刀盘调速电位器。推进控制1）推进模式按钮、管片模式按钮、停止按钮。2）推进允许指示灯（绿色）。3）A、B、C、D四个分区推进压力调节电位器。螺旋机控制1）前舱门开、前舱门关、高速、螺机伸、螺机缩、正转、反转、后上闸门开、后上闸门关、后下闸门开、后下闸门关、及停止按钮。2）主控室控制钥匙开关。3）螺机调速电位器。螺机土舱压力极限、螺机压力