PLC在盾构机上的应用OK

PLC在盾构机上的应用赵永兵中铁十三局第二工程有限公司广州分公司摘要：在机械自动化的工业领域中,PLC作为主要的控制核心,得到了越来越广泛的应用.我公司购置的两台海瑞克盾构机,PLC控制系统发挥着至关重要的作用,PLC控制系统是整个盾构机的心脏.本文将对PLC控制系统在盾构机的作用作一个简要的分析。关键词：PLC控制系统、盾构机、故障分析0引言我公司购置的２台德国海瑞克公司的土压平衡式盾构机，担负着广州地铁隧道的掘进任务。它配备了刀盘驱动系统、螺旋机驱动系统、拼装机系统、同步注浆系统、泡沫发生系统、密封主轴承自动润滑系统等机电一体化液压系统和ＳＬＳ－Ｔ隧道激光自动控制系统，是当今隧道掘进设备中自动化程度较高的机械，而这些系统的自动化都是由ＰＬＣ进行控制。1、PLC的组成及工作原理1.1PLC的组成用PLC实施控制,其实质是按一定算法进行I/O变换,并将这个予以物理实现。I/O变换、物理变换是PLC实施控制的两个基本点。而I/O变换实际上是信息处理，信息通常用通用计算机技术。物理实现要求PLC的输入应当排除干扰信号适用于工业现场。输出应放大到工业控制水平，能为实现控制系统方便使用。而通用计算机只考虑信息本身，变的不多考虑。因此PLC是微型计算机技术于机电控制技术相结合的产物，是一种以微处器为核心，用于电气控制的特殊计算机，他采用典型计算机结构，主要由中央处理器（CPU）、存储器、I/O接口、电源、通信接口、扩展接口等单元部件组成，这些单元都是通过内部总线行进连接的。盾构机PLC由以下组成，如下图所示：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。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的工作原理PLC虽然以微处器为核心，具有微型计算机的许多特点，但他的工作方式却与微型计算机有很大的不同。微型计算机一般采用等待命令或中断命令的工作方式，如常见的键盘扫描方式或I/O扫描方式，当按下或I/O动作，则转入相应的子程序或中断服务程序；无键按下，则继续扫描等待。而PLC采用循环扫描的工作方式，即“顺序扫描，不断循环”。用户程序通过编程器或其他输入设备存放在PLC的用户存储器中。当PLC开始运行时，CPU根据系统监控程序的规定顺序，通过扫描，可完成各输入点状态采集或输入数据采集、用户程序的执行、各输出点状态的更新、编程器的键入响应和显示器更新及CPU自检等功能。PLC采用集中采样、集中输出的工作方式，减少了外界干扰的影响。PLC的循环扫描过程分为输入采样、程序执行和输出处理三个阶段。第一阶段：输入采样阶段，PLC以扫描方式将所有输入端的输入状态进行采样，并将采样结果分别存入相应的输入映像寄存器中，此时输入映像寄存器被刷新。接着进入程序执行阶段，在程序期间即使输入状态发生变化，映像寄存器的内容也不会改变，是、输入状态的变化只能在下一个采样阶段（即下一个扫描工作周期）才被重新采样。第二阶段：程序执行阶段，在程序执行阶段，PLC是按顺序对程序进行扫描执行，如果程序用梯形图表示，则总是按先上后下、先左后右的顺序进行扫描执行。若遇到程序跳转指令是，则根据跳转条件是否满足来决定程序的跳转地址。当指令中涉及输入、输出状态时，PLC从输入映像寄存器将上一阶段采集的输入端子状态独处，从元件映像寄存器读出对应元件的当前状态，并根据用户程序进行相应运算，然后将运算结果再存入元件寄存器中。对于元件寄存器来说，其内容随着程序的执行而发生变化。第三阶段：输出刷新阶段，当所有指令执行完毕后，进入输出刷新阶段。此时，PLC将输出映像寄存器中所有与输出有关的输出继电器的状态转存到输出锁存器中。并通过一定的方式输出，驱动器部负载。2、PLC在盾构机上的作用2.1控制电机的启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。3.1案例一:电机无法正常启动：电机无法正常启动，海瑞克盾构机大大小小有15个电机，为盾构机提供了所有动作的动力，而海瑞克盾构机PLC的设置，为电机启动提供很好保护环境，每一个电机（除二次通风电机外）启动都要许多个条件的满足，如果有一个条件不满足电机启动，那么电机是无法启动的。在日常施工中，电机无法启动是经常发生的事情。下面以刀盘电机为例说明：刀盘启动图（图7）、在PLC中刀盘启动程序（图8）刀盘电机的启动是用星三角的软启动，而控制电路也是我们常用的控制星三角控制（如图7所示）。而要满足我们启动的条件就比单纯的星三角要复杂的多。在本电路图中加入了继电器7K2的常开触点，而要满足7K2继电器线圈得启动（13／7.2有输出），在程序中就有很多的条件要满足，例如急停（9／22.4），主开关常开（13／2.4）等满足（如图8所示）。在我实际的施工中，因为热敏电阻继电器故障而出现刀盘电机无法启动是最频繁的问题。Antrieb1ausAntrieb1ein.9/22.4.13/2.3Konstantbit1.13/2.4.13/3.4UeberwachungAnl.Antr.1FreigabitAntriebTakt_2HzTakt_1.25Hz图8FC201Motorenanlauf“Motorenanlauf”ENTAUSTEINLKBETRSTOOSTOSFG1VORWFG2E_AFGSTHEBTTAKTHSTOTAK2VRIGENO图73.2案例二：刀盘电机启动时程序丢失刀盘和螺旋机电机启动时，PLC电脑显示程序丢失，而启动其他电机就没有这故障。这个问题发生后，我们觉的很棘手，我们从以下几个方面进行了故障的排查；1、程序丢失，可能是程序安装时因为故障少安装了某个程序段。依据以上的可能性，我们重装程序，但是问题依然存在。2、程序丢失那就是电源模块断电，才会出现程序的丢失。检查电源模块的电源连接，但结果没有问题在这里。最后分析可能是电源模块出现问题，所以跟换电源模块，更换电源模块以后，故障没有了。可以正常掘进。3.3案例三：刀盘只能左转，不能右转刀盘只能向左转，而不能向右转。这说明右转的一个条件没有满足，查看程序，发现左转和右转基本是同样的条件，但在左转的时候，所有条件都满足，PLC才会输出信号到继电器，进而控制刀盘左右转的电磁阀得电，使刀盘左转。而向有转时，有一个条件是不能满足的，经查确定是安装在盾体上滚动角传感器出现故障，电脑显示器上显示0.5。而这样进PLC的比较计算后，其值大于PLC给定值。所以不能向右转。处理问题时有两种方法：1、只能继续向左转，当滚动角小于0.5的时候，刀盘就可以右转了。2、就是把滚动角传感器拆除，接连一个范围在内的电阻，这样刀盘也可以右转，但此种解决方法只能暂时使用，因为你给PLC得滚动角检测数据是一个固定值，而不能实时监控盾体的旋转情况。所以方法2只能暂时使用，还是要解决根本的原因。3.4案例四：S7-400PLC中CPU中外部指示(EXTF)灯亮导致系统无法正常运行S7-400PLC中CPU（414-2XG03-0AB0）中外部指示(EXTF)灯亮导致系统无法正常运行，先说明一下CPU中各个指示等的说明：1、INTF红色，内部故障，例如用户程序运行超时，用户程序错误。2、EXTF红色，外部