土压平衡盾构机PLC控制系统应用研究

土压平衡盾构机PLC控制系统应用研究摘要：结合工程实践，研究土压平衡盾构机的电气控制系统，介绍西门子S7-300可编程控制器和PROFIBUSDP工业现场总线在盾构机上的应用。关键词：盾构机可编程控制应用工程概况和盾构机简介胜利门站～三阳广场站区间共1011.309m。左线里程为ZSK11+814.828～ZSK12+326.37，短链11.172m，隧道长度为500.37m。右线里程为YSK11+815.431～YSK12+326.37，隧道长度为510.939m。区间隧道断面为外径6.2m，内径5.5m的圆形。根据施工的整体策划，拟以胜利门站南端头井的左线作为盾构施工的始发井。盾构机需要完成左线的施工任务，到达三阳广场站，然后站内掉头转向右线施工，最后到达胜利门站南端头井。图一胜利门站-三阳广场站盾构区间平面图隧道施工采用一台德国海瑞克公司生产的φ6370土压平衡盾构机，盾构机直径为6.39米，长72米，重约400吨。盾构机主要包括刀盘主驱动系统、推进系统、拼装机系统、注浆系统、齿轮油系统、盾尾密封系统、润滑系统、超挖刀系统和工业水循环冷却系统等。PLC控制系统盾构机电气控制系统采用西门子S7系列可编程序控制器（ProgrammableLogicController，简称PLC），系统选用S7-300作为PROFIBUS主站，ET200M、编码器、变频器等为从站的基于PROFIBUS-DP现场总线的可编程控制系统。CPU选型为CPU319-3PN/DP,该型CPU数字处理能力极强，带有内部集成的PROFIBUS-DP接口，其组态灵活，速度快、操作简捷。ET200M通过IM-360接口与PROFIBUS-DP现场总线连接。主站与上位机之间用工业以太网通讯，上位机在系统中实现的功能主要有：显示、监控、报警、数据存档、报表等。操作员通过人机界面将控制命令发出，该信号通过网络传送到PLC的CPU，CPU经过逻辑运算后将命令发出，使现场设备动作。同时，CPU也可将其检测到得设备状态，通过网络快速传送到人机界面。这样操作员就可监测到所有设备的运行状态及所有工艺参数，以便对现场发生的状况进行处理，以提高设备运转效率。S7-300硬件配置SIMATICS7-300是具有中高性能的PLC，适用于对可靠性要求极高的大型复杂的控制系统。S7-300通过I/O采集相关数据和发出控制信号，I/O通过PROFIBUS现场总线与CPU单元通信和软件组态。该总线构成分布式控制系统，性能可靠，硬件组成简单，抗干扰能力强。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。当盾构机发生故障时，可通过一台外部电脑与盾构机的PLC相连，可以实现实时监控程序运行或修改PLC程序。S7－300主要的硬件有：电源（PS）：电源模块提供了机架和CPU内部的供电电源，置于1号机架的位置。中央处理器（CPU）CPU存储并处理用户程序，为模块分配参数，通过嵌入的MPI总线处理编程设备和PC、模块、其它站点之间的通讯，并可以为进行DP主站或从站操作装配一个集成的DP接口。接口模块（IM360和IM361）接口模块将各个机架连接在一起。不同型号的接口模块可支持机架扩展或PROFIBUSDP连接。置于3号机架位置为。信号模块（SM）通常称为I/O（输入/输出）模块。测量输入信号并控制输出设备。信号模块可用于数字信号和模拟信号，还可用于进行连接，如传感器和启动器的连接。通讯处理器（CP）模块化的通讯处理器通过连接各个SIMATIC站点，如：工业以太网，PROFIBUS或串行的点对点连接等。图二PLC控制系统硬件配置图S7-400软件设计本系统采用SIMATICS7-PLC的配套编程软件STEP7完成系统参数设置、PLC程序编制、测试、调试和文档处理。根据工艺要求和结构化编程的原则，系统的控制程序主要完成以下几大功能：刀盘驱动控制、推进控制、管片拼装、冷却循环、齿轮油、盾尾油脂、辅助液压泵、注浆系统、推进油缸行程检测以及压力、温度，流量、系统复位、故障记录、脉冲计数、各动作延时时间等。用户程序由组织块（OB）、功能块（FB、FC）和数据块（DB）构成。其中，OB是系统操作程序与应用程序在各种条件下的接口界面，用于控制程序的运行。FB、FC是用户子程序。DB是用户定义的用于存取数据的存储区。它是上位机监控软件与STEP7程序的数据接口点。在主程序中OB1，分别调用FB5（滚动角、仰俯角、时间脉冲和急停控制等程序）、FB11（工业水控制程序）、FB12（齿轮油控制程序）、FB13（刀盘控制程序）、FB15（推进油缸控制程序）、FB16（拼装机控制程序）、FB18（盾尾油脂控制程序）、FB19（辅助泵控制程序）、FB20（螺旋机控制程序）、FB21（膨润土控制程序）、FB23（注浆系统控制程序）、FB24（泡沫系统控制程序）、FB25（皮带机系统控制程序）、FB26（二次通风机控制程序）、FB28（有害气体检测控制程序）和FB50（设备故障报警控制程序）功能块。图三组织块OB1调用的功能块通讯系统Profibus是一种不依赖生产厂家的、开放式的现场总线。各种各样的自动化设备都可以通过同样的接口交换信息，也是目前国际上通用的现场总线标准之一。Profibus-DP的传输速率可达12Mit/s,构成单主站系统，主站、从站间采用循环数据传送方式工作，用于设备一级的高速数据传送，PLC通过高速串行线与分散的现场设备进行周期性的数据交换。Profibus由三个部分组成，即Profibus-DP、Profibus-PA和Profibus-FMS，其中Profibus-DP是一种高速低成本的通讯协议。它的通信分主站和从站，主站之间的通信为令牌方式，主站和从站之间为主从方式。Profibus-DP主要用于自动化系统中单元级控制设备与分布式I/O的通讯，可以取代4-20MA的模拟信号传输。它采用RS485数据接口，传输介质用双绞电缆，传输波特率从9.6kbps到12Mbps，传输距离可以通过适配器进行扩展。PLC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，它的主要功能如下：数据处理：SIMATICS7-300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。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。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，并显示在人机界面上。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。调节功能：能对压力、速度、流量等模拟量参数进行调节。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。PLC在盾构机调试和故障处理中的应用通过对PLC程序的分析，我们对盾构机故障的处理将会简单快速，应用STEP7监控软件进行现场监控，能快速直观地显示它们的状态以及逻辑关系，就能发现故障点。以下通过在盾构机调试过程中笔者遇到的一个案例来说明PLC在解决故障过程中的应用。案例：2012年9月28日盾构机调试过程中，推进油缸泵无法启动。故障现象：按下推进油缸泵启动按钮，启动指示灯不点亮，泵不启动。解决过程：通过PLC程序查看推进油缸泵启动时所需要满足的条件。打开程序块FB15，查看其调用的功能块FC201。首先检查启动控制按钮的输入I8.1，将启动按钮按下后，I8.1可实现有“0”到“1”的变化，如图四所示，可判断启动按钮的输入信号正常。图四启动按钮的功能检查对比图五FC201块中的FG1检查推进油缸泵启动所需的条件，发现推进油缸泵启动控制功能块FC201中的FG1对应的中间变量#Release_advance_hydraulic条件未满足，如图五所示，其状态为低电平“0”，应该为高电平“1”才能满足泵启动的条件。图六中间变量检查中间变量#Release_advance_hydraulic的输入后发现，如图六所示，输入地址I19.7的输入信号缺失，而其他输入信号均正常。图七连接桥处压力传感器接线图查看电气图纸,图纸代码19/22.5对应的是连接桥和后配套拖车之间的牵引油缸的压力。检查配电盒XD0-1盒子的接线端子后，发现信号线的22号端子，接线松动，将其紧固后，发现输入信号I19.7有“0”变为“1”，信号恢复。同时，通过在线监视发现中间变量也有灰色变成绿色，表明外部信号都已满足，中间变量#Release_advance_hydraulic已得电，如图八所示，故障排除。图八外部信号恢复后的中间变量#Release_advance_hydraulic结束语盾构机上的PLC控制系统运行稳定、可靠，为施工的顺利进行提供了强有力的支持。学习PLC技术需要有一定的英文和电气知识基础，同时还要熟悉盾构的施工工序，才可能看懂PLC的程序，进而可以通过分析程序来解决盾构施工中的所遇到的故障，以保证盾构施工的顺畅进行。参考文献[1]晁阳胡军熊伟《可编程控制器原理应用与实例解析》，清华大学出版社，2007.11[2]龚仲华《S7-200/300/400PLC应用技术》，人民邮电出版社，2008.4[3]米歇尔.伏尔茨《Profibus现场总线手册》，1997[4]刘美俊《西门子S7系列PLC的应用与维护》，机械工业出版社，2008.2