贾鹏
中国中铁四局集团城市轨道交通工程分公司
安徽省合肥市230000
摘 要：对中铁装备48#土压平衡盾构机电气控制系统进行概述，并分别对其配电系统、可编程控制系统和计算机控制及数据采集分析系统三个部分的设计进行总结，以加深对其整个电气控制系统原理的理解。
关键词：电气系统 配电系统 可编程控制系统 计算机控制及数据采集分析系统
0中铁装备48#盾构机电气系统简介
盾构机是一种集机械、液压、电气和自动化控制于一体、专用于地下隧道工程开挖的技术密集型重大工程装备，其技术先进、结构庞大。如果把机械部分比喻成人的四肢，那么液压系统比喻成人的血液系统，则电气控制系统就是人的神经系统。当前盾构机电气控制系统均采用世界上最先进、可靠的技术以保证系统稳定可靠地运行。中铁装备盾构机电气控制系统分为配电系统、可编程控制系统和计算机控制及数据采集分析系统三个部分。下面对该三个部分进行介绍同时在日常工作中盾构机电气系统的应用和故障排除方法示例和思路进行简单的介绍。
1 配电系统
盾构施工是参考工厂式的流程化作业施工，盾构机的配电系统设计原则也是参照工厂供配电原理设计的。配电系统分为高压系统和低压系统，其用电设备列表如下：
序号 用电设备 设备容量 备注
1 刀盘驱动 660kW 6组电机
2 螺旋输送机 200kW 轴式
3 推进系统 75kW 最大推力3400t
4 管片安装机 55kW 中心回转式
5 注浆泵 30kW 双活塞
6 辅助泵 22kW
7 液压油箱过滤泵 11kW
8 控制油泵 5.5kW
9 空压机1 37kW
10 空压机2 37kW
11 膨润土泵 18.5kW
12 泡沫混合液泵 8.8kW
13 增压水泵电机 7.5kW
14 内循环水泵 5.5kW
15 污水泵 15kW
16 砂浆搅拌 5.5kW
17 混合液搅拌 4.4kW
18 盾壳膨润土 7.5kW
19 齿轮油泵 4kW
20 风筒吊机 2.2kW
21 进水水管卷筒电机 1.5kW
22 出水水管卷筒电机 1.5kW
23 泡沫泵 0.55kW
24 皮带输送机 37kW
25 二次风机 15kW
26 管片吊机 11kW
27 超挖刀泵 5.5kW
28 照明及工控 5kW
总功率 1288.45kW
1.1高压系统
由于盾构机整机负荷较大(1000KVA以上)，如果直接采用低压供电，电缆将承受巨大的供电电流且压降过大造成设备无法正常工作，故盾构机通常采用高压10KV供电。
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1.1.2高压电缆箱
将约500米高压电缆以“8”字型排列在电缆箱内，掘进时由人力进行放电缆。
1.1.3高压开关柜
高压开关柜将10KV高压供给给变压器，同时变压器的保护触点与高压开关相连。当变压器故障（高温、密封失效）时，高压开关将断开，保护变压器。
1.1.4变压器
盾构机常用的变压器有波纹密封油浸式（油变）和干式变压器（箱变）两种。油浸式变压器具有体积小、价格低、过载能力强、单台容量大等优点，但其维护不便，噪音大；而干式变压器维护方便，运行噪音小，但体积大、价格贵，由于安装空间限制单台容量有限。中铁装备48#盾构机属于电驱盾构采用箱式变电站。变压器容量800KVA干式变压器+1000KVA整流干式变压器。
1.2 低压系统
低压系统主要由以下系统组成
1.2.1 QD、DTL及DTR配电系统主要负责主驱动系统、齿轮油系统、HBW系统及推进油缸、盾尾密封等系统的控制。
1.2.2 TC1配电系统主要负责PLC系统、注浆系统、泡沫发生器系统、螺机系统、管片小车及管片安装机系统的控制和检测。
1.2.3 TC2（电驱）配电系统主要负责液压泵站系统、膨润土、泡沫系统及水系统等的控制和检测。
1.2.4 TC5配电系统主要负责皮带机系统、排污系统及卷筒的控制和检测。弱电系统也是低压系统的组成部分。在中铁装备48#盾构机中照明电压输入整定值36V各个继电器和传感器以及电磁阀提供电源，电压输入整定值为24V。
2 可编程控制系统
中铁装备48#盾构机PLC控制系统包括PLC及上位机。PLC系统是以Siemens S7-400（300）为主站ET200M为从站的可编程控制器系统；采用分布式IO形式的控制结构，能够实现信号就地接入，就地控制，节约配线，便于组装调试。
工业电脑用来监视盾构的运行状态，实时显示盾构的各项运行参数。工业电脑与主PLC通过以太网进行通讯并实时交换数据。在工业电脑上可设置相关参数、显示报警并能够进行历史数据记录，每天的掘进数据自动打包存储于电脑中，方便日后统计使用。地面可通过安装地面监控设备及软件实时监控盾构运行状况。
2.1PLC控制系统构成图
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2.2PLC的模块组成部分
PLC模块组成由CPU、电源模块、通讯模块、DI、DO、AI、AO、专用模块、RAM与ROM、程序清除、备用电池。
RUN、STOP、BF总线开关、INF内部故障、EXF外部故障、FRCE强制
MAINT维护请求
2.3PLC控制的实现
盾构上PLC控制的实现，包含以下几个部件的参与
人机界面：面板与上位机（参数设置、命令给定、数据显示）
供配电：变压器、空气开关、中间继电器、接触器（电能分配、转换）
执行部件：电机、液压阀（控制的输出）
传感器：压力、位移、温度、液位、接近开关等（检测及反馈）
2.4PLC控制流程介绍
2.4.1PLC开关量检测与控制
数字量输入输出控制：+24VDC
控制换向阀和接触器
2.4.2 PLC模拟量检测与控制
电位器控制电压0～10VDC，
输出到比例阀控制电压0～24VDC 0～600mA
温度传感器4-20mA电流信号
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2.4.3中铁装备盾构机PLC网络控制系统的结构形式
PLC网络控制系统的结构形式分为：集中式PLC控制系统、分布式PLC控制网络、分散式IO控制网络。针对中铁装备48#盾构机属于分布式PLC控制网络。
分布式IO控制网络结构图
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PLC系统采用分布式IO控制网络具有以下优点：
拖车之间电气系统的联系只有通信电缆及几根供电电缆，盾构的拆装机工作及为方便；
设备分体始发线路成本降低，工作量得到简化；
控制线路的简化，设备故障率显著降低；
就近控制的形式方便了对IO控制点的检查；
以分布式IO设计相应的图纸，可实现元件与线路的快速查找，方便设备检修；
3 计算机控制及数据采集分析系统
中铁装备48#计算机控制系统主要用于参数设置和数据采集分析。西门子工控机安装在盾构司机室, 由现场操作人员使用, 用于人机对话、显示数据、设置和修改系统控制参数等。工控机与PLC通讯示意图如下：
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最新设计的监视系统采用网络摄像头，将信号传输至主控室监视器上（工业电脑），同时能够将视频信号传输至地面中控室。
4 盾构机电气系统的应用及保养
4.1电气原理图系统分类
1.高压系统 3.低压补偿系统 6.线前照明、空调、插座系统 8.线后交直流控制电源配电系统 9.PLC工控系统 10.线后动力总配电系统 11.过滤循环冷却系统 12.EP2润滑油脂及HBW密封油脂系统 13.刀盘主驱动系统 15.推进系统 16.管片拼装机系统 18.盾尾密封油脂系统 19.辅助液压系统 20.螺旋输送机系统 21膨润土系统 22紧急停止系统 23注浆系统 24泡沫系统 25皮带机系统 26二次通风机系统 32通信及监视系统。
4.2电气系统保养及原则
4.2.1电气系统的保养
盾构机电气系统保养一般注意以下几点：
由于振动较大，要定期紧固接线端子。特别是电机接线端子。
防水、防潮，绝缘检查。
除尘、降温。
传感器加防护。
4.2.1盾构电气故障排查处理一般原则：
先简后繁，由外而内。
先检查电源，在检查外部线路。
绝大多数故障是线路故障，断线、短路、接地和接触不良等。
对于电气故障要先从简单的地方查起，开始不要考虑的太复杂。
4.2.2故障排除步骤与常用方法
结合面板显示与上位机检查操作正确与否。
液压系统与电气系统故障确认。
PLC输出点查询→执行部件信号测量→测量端子与元件电信号→执行线路故障替换法排除→元件故障。
PLC在线监测。
4.3 故障排除步骤与常用方法示例
首先要排除操作原因导致故障，查看上位机有无报警记录，推进允许启动条件是否满足等例如：
4.3.1辅助系统条件未满足
上位机参数设置不当铰接位移等参数超出推进允许范围
常用方法：
测量阀头控制电压、电流调换阀头试验手动液压阀确认电气系统原因
通过PLC模块上信号输入指示灯判断信号状态。
4.3.2推进系统故障
推进允许条件的满足，温度、压力、位移、刀盘转速等条件；
推进速度与压力的配合；
模拟量控制回路故障，如：旋钮、放大板、比例阀故障等；
推进泵压力闭环控制回路故障。
4.3.3管片安装机常见故障及处理建议
遥控器电力不足；
旋转到限位；
抓举头抓紧失效导致不能旋转；
机械限位损坏。
莫一动作失灵，先手动换向阀确定液压机械没问题，电磁阀由于管片安装机振动导致松动接触不良，线路、电磁阀是否损坏。
5 盾构机电气系统的总结
综上所述，中铁装备48#盾构机的电气控制系统是一个庞大复杂但先进又不失人性化的系统。配电系统从高压到低压，从强电到弱电，不但设定值精度高而且寿命长，可编程控制系统为以Siemens S7-400（300）为主站ET200M为从站的可编程控制器系统；采用分布式IO形式的控制结构，能够实现信号就地接入，就地控制，节约配线，便于组装调试。系统稳定，功能强大。在工控机上可以监控程序的运行，还可以进行硬件诊断，可以判断盾构机电气方面的大多数故障。计算机控制及数据采集分析系统可以与PLC进行通讯，采集、处理、存储、显示和评估与掘进机联网所获得的数据。
目前，中铁装备盾构机电器控制系统日趋完善，性能更加可靠，可操作性强能够实现更好的人机对话。
参考文献
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[5唐建编著.盾构机电气控制系统设计概要.[J]隧道建设，2002，22（1）：33-35.