PLC在盾构机中的应用

PLC在盾构机中的应用作者：邢成上海市第一市政工程有限公司设备分公司2009-5-7PLC在盾构机中的应用摘要在现代工业的各个领域中，PLC控制系统都有着非常广泛的应用。在我公司购入的2台海瑞克盾构（S-472和S473）中，PLC控制系统有着至关重要的作用，可以说，PLC控制系统是整套设备的核心。本文将对PLC控制系统在这两台盾构中的作用作一个简要的分析。关键词：PLC控制系统，盾构，故障分析AbstractNowadays,PLCcontrolsystemiswidelyusedinmanyareaofthemodernindustrial.Inthe2shields(S-472&S-473,manufacturedbyHerrenknechtinGermany)ourcompanyboughtin2008,PLCcontrolsystemisacrucialpart.Inotherwords,PLCcontrolsystemistheheartofthewholeequipment.ThisarticlewillmakeabriefanalysistothePLCcontrolsysteminthis2shields.Keywords:PLCcontrolsystem,Shield,faultanalysis目录0.引言…………………………………………………………………11.PLC系统的组成及主要功能………………………………………11.1PLC系统的组成………………………………………………11.2PLC的主要功能………………………………………………11.3西门子PLC的优点……………………………………………12.PLC在系统中的作用………………………………………………22.1控制电机起动…………………………………………………22.2测量显示模拟量………………………………………………32.3模拟量值的检测报警…………………………………………42.4控制电磁阀……………………………………………………42.5调节模拟量值…………………………………………………43.故障案例分析………………………………………………………54.总结…………………………………………………………………7参考文献………………………………………………………………710.引言我公司于08年购入2台德国海瑞克公司的土压平衡式盾构机（S-472和S473），分别承担深圳地铁2号线2204标3个区间的左右隧道掘进任务。整个盾构系统可分为机械和电气两大系统。其中机械部分主要由液压系统组成，包括：刀盘驱动液压系统、螺旋机液压系统、拼装机液压系统等。它的作用是执行盾构机运行的各个动作。而电气系统的主要起控制作用，即发出指令驱动液压系统。PLC作为控制中心，对所有系统都具有控制和协调作用，由此可见PLC在整套设备中处于核心的地位。系统中由于需要很多监测的变量和大量的执行机构元件，包含了大量的流量传感器、行程传感器、温度传感器、压力传感器和少量变频器、电动机以及大量的比例溢流阀、节流阀等，因此需要很多的输入输出点，模拟信号有4-20mA的电流、0-10V的电压、热敏电阻等，必须选用功能强大的PLC作为控制系统。在本套系统中选用SIMATICManager作为PLC控制软件。1.PLC系统的组成及主要功能1.1PLC系统的组成PLC系统有PLC运行及储存器、各类传感器等输入部分及各类电继电器等输出部分，见图1。SIMATICManager是S7-PLC自动控制程序的管理程序，安装在控制室的控制电脑上。当发生故障需要查看或修改PLC程序时可通过一台外部电脑和调制解调器和盾构机上的调制解调器相互译制，与盾构机的PLC串口相连，从而监控和控制PLC运行。PLC系统的软件主要有控制室室电脑上的操作系统，PLC控制程序SIMATICManager和监控程序PDV。S7-400系列PLC的组成CPU：进行逻辑运算、数学运算，并协调整个系统存储器：用于存放系统编辑程序、监控运行程序、用户程序、逻辑及数学运算的过程变量及其他所有信息。电源：采用PS-407，将交直流网络电压转换成5VDC及24VDC的工作电压。2数字量输入模块（SM421）：连接开关、2线接近开关数字量输出模块（SM422）：连接电磁阀、接触器、灯、电动机起动器模拟量输入模块（SM431）：连接电压、电流传感器，热电阻模拟量输出模块（SM432）：将数字量转换成模拟量接口模块：IM460-3IM461-31.2PLC的主要功能本套设备中使用的PLC是德国西门子公司的SIMATICS7-300和SIMATICS7-400两个系列。1.2.1SIMATICS7-300系列SIMATICS7-300系列位于3号车架的7号配电柜中，其主要功能如下：（1）检测电机的空气开关及漏电保护开关是否已经打开（若没打开则会显示故障信息，并且不能起动电机）。（2）在所有条件都满足后输出信号使中间继电器得电，从而起动电机。（3）刀盘电机热敏电阻的模拟量输入。1.2.2SIMATICS7-400系列SIMATICS7-400系列位于1号车架的控制室内，它的主要功能如下：（1）数据处理：SIMATICS7-400具有数学运算（包括矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传递、转换、排序和查表、位操作等功能，也能完成数据的采集分析和处理。（2）模拟量输入处理功能：利用模拟量输入模块将现场的模拟量转换成过程值。例如：将温度传感器测得的油温与设定值进行比较，将结果转换成开关量输入（“0”或“1”），从而实现对油温的监控报警。（3）工艺参数信号处理功能：对于模拟量通过相关信号进行处理。例如：可以采集和处理千斤顶行程传感器提供的信号，把它传输到PLC系统中，并显示在屏幕及控制面板上。（4）控制功能：能对设备进行联锁控制。例如：若要推进，则会检查推进泵是否打开，盾尾油脂是否工作正常等一些条件，这些条件全部满足才能推进。（5）调节功能：能对压力、速度、流量等模拟量参数进行调节。（6）报警功能：对报警信号进行多种形式的处理。如在显示屏上显示故障信息、指示灯闪烁或声音报警。1.3西门子PLC控制系统的优点与单片机控制系统相比，西门子PLC控制系统具有如下优点：（1）编程方便。用户可根据不同机型的流程要求编制程序，程序调试和修改都非常简便，能根据客户需求进行变化；程序可采用密码保护，保护自己的劳动成果。而且PLC采用的梯形图语言简单易学，容易上手，不象单片机控制系统那样复杂而且一旦定型不易修改，不能根据客户需求变化。（2）系统能非常方便地连接到PC机监控系统或其他系统中，根据应用情况，有时可无须增加额外硬件就能实现；增加适当硬件可连接到互联网上。（3）系统控制灵活，精确度高；故障率低，且排除快捷，节省维护成本。（4）西门子PLC具有各种认证，通行全世界。（5）PLC控制系统具有可追溯性，配备各种相关交换器可具有远程查询功能，有利于领导、技术人员查询。2.PLC在系统中的作用3如上所述，PLC在系统中有许多功能，以下列举几个PLC在系统中的实际作用来对此加以说明。2.1控制电机起动系统中所有电机的起动停止都是由PLC控制的，在此以液压油过滤循环泵为例。图2是液压油过滤循环泵起动的PLC控制电路。按下11-2S4起动按钮后，PLC输入信号E1.1灯亮，经过PLC程序后，输出信号A100.1，使继电器11-1K5得电。只需确保其空气开关和漏电保护开关打开，电机就能正常工作。电机运行时，11-2S4绿灯常亮。按下11-2S2停止按钮后，PLC输入信号E1.0灯亮，使A100.1无输出信号，电机停止，11-2S4绿灯熄灭。Δ注：PLC程序中包含了起动电机所需满足的一些条件，只有当这些条件全部满足时A100.1才会有输出。其中只要有一个条件不满足，则A100.1就没有输出，使电机无法起动。这是最常见的故障。停止电机不需要其他条件。2.2测量显示模拟量在系统运行的过程中，有大量的温度、速度、压力、流量等模拟量值需要实时地监测，它们都是通过PLC来实现的，以下以油箱温度为例。图3是油箱温度测量显示的结构图。温度传感器将测得的温度信号输入到PLC（PEW514），并转换成4-20mA的电流信号。其4关系为温度下限值对应最小电流（即4mA），上限值对应最大电流（即20mA),中间为线性比例关系。其对应的PLC模拟量输出（PAW512）输出相应的0-10V的电压信号，经数显装置转换成数字的形式显示出来。保险丝能防止过大的电流进入PLC，以免对PLC造成伤害。2.3模拟量值的检测报警在系统运行的过程中，若某些模拟量值（如温度、压力、液位等）不在规定的范围之内，会对设备造成伤害。因此就需要对这些值进行监测，当超过报警限值时，发出报警信息；超过最大限值时，直接停止设备。以下以油箱液位为例。图4中的3个液位传感器都在液压油箱上，从上至下依次是最高液位、最低液位报警和最低液位，它将测得的液位值输入到PLC。需要注意的是，这里的PLC输入的是开关量，而传感器测量的液位是模拟量，PLC先将测得的模拟量值与设定的限值进行比较，若在设定范围内，则输入为“1”；若不在规定范围内，则输入为“0”。若油箱液位低于最低液位报警值，则出现故障报警信息“油箱液位报警”，若小于最低液位或大于最高液位，所有设备将无法工作。2.4控制电磁阀在集中润滑、推进、刀盘、拼装机等系统中都有大量的电磁阀，很多动作（如推进油缸的伸缩、刀盘左右转、拼装机旋转等）都是由电磁阀控制执行的，可以说电磁阀是连接电气部分与机械部分的一个非常重要的环节，而它是否通电也是由PLC进行控制的。以下以油脂分配阀为例。图5是油脂分配阀通电的电路结构图。在进行油脂分配的条件都满足后，PLC发出指令（A2.6输出信号）为电磁阀通电，具有压力的油脂进入油脂分配阀，开始进行油脂分配。油脂分配阀阀芯的冲程数通过脉冲传感器输入到PLC，当累积到一定量的冲程数时，PLC发出指令，停止向电磁阀通电，油脂分配阀的进口关闭，油脂分配结束。2.5调节模拟量值5在系统运行时，有许多模拟量值我们需要根据不同的情况来进行调节（如推进的流量、压力、速度，刀盘、螺旋机的转速，注浆速度等）。在相应的控制面板上有调速电位器，通过调节这个电位器就能实现对该模拟量的无级调速。以下以调节刀盘转速为例。图6是刀盘转速调节的电路结构图。在调节刀盘转速所有的条件都满足后，PLC输出信号（A6.5），使刀盘转速调节模块通电，进入工作状态。之后通过旋转控制室右侧操作面板上的调速电位器（13-47R3）来改变电压的大小（0-10V），将该电压输入到PLC模拟量输入端（PEW520），其对应的输出端（PAW514）将0-10V的电压信号输送到刀盘转速调节模块（13-46N4),再由该模块将电压信号送至比例阀。比例阀是以输入信号的电压大小来控制节流阀的节流口开度，从而达到控制流量，进而控制转速的作用。其节流口的开度与输入的电压信号成正比例关系。3.故障案例分析在盾构机运行的过程中，会无法避免地出现一些故障。根据设定的程序，在某些必要条件满足时，PLC才能进行下一步工作，否则，程序就不能往下运行，设备停止运行，同时会将错误信息显示在操作室的电脑上。我们按照显示的错误信息及代码去查找故障原因，即PLC是否正常输入、PLC是否正常输出、前后输入/输出设备是否正常、连接线路是否良好。这样分段分析、仔细排查，故障会很容易得到解决。以下是一些在盾构机调试或运行的过程中遇到的故障案例。案例1：所有电机无法起动S-472工业八路至登良路左线推进完毕，准备烧刀盘吊点，需要旋转刀盘时，发现所有的电机都无法起动。检查外部供电，供电系统正常。按下电机起动按钮后，控制室内PLC输入端有输入信号，7号但是配电柜中PLC输出端没有信号输出。控制室内电脑上也没有显示出相关的故障信息。由于供电系统正常，且通过强制吸合电机起动的接触器可以起动电6机，并且是所有电机都不能起动，因此推测可能是PLC系统出现问题。检查后发现由控制室PLC到配电柜