PLC在南京长江隧道盾构机上的应用

PLC在南京长江隧道盾构机上的应用中铁十四局隧道公司南京长江隧道第一项目部刘中华摘要：现代隧道工程中已逐渐广泛应用盾构机施工，而盾构机的自动控制系统多采用可编程序控制器（PLC）实现，文中介绍了德国西门子PLC在南京长江隧道海瑞克大直径泥水盾构机上的硬件组态及软件组成，运行过程。结合实例分析PLC的应用及故障的处理。关键词：可编程序控制器；盾构机；应用TheapplicationofPLCinNanjingYangtzeTBMLIUzhonghua14thEngineerBureauGroupCo.,Ltd,CRCCAbstract:Thetunbuildingmachine(TBM)isappliedinthemoderntunnelprojectswidely,andtheautomaticcontrolsystemoftheTBMisrealizedbytheprogrammablelogiccontroller(PLC),itintroducethehardwareconfigurationandsoftwarecomponentsoftheSiemens’PLC,whichismanufacturedinGermany,italsointroducetheprocessofthesystemintheNanjingYangtzeTBM.AnalysiswithpracticalexamplesoftheapplicationofPLCandmalfunctionhandling.Keywords:PLC;TBM;application1工程概况南京过江通道是《南京城市总体规划》确定的一条重要的城市过江快速通道，连接南京河西新城区-江心洲-浦口区。整个工程通道总长5853m，双洞双线六车道设计，采用“左汊盾构隧道+右汊桥梁”方案，其中左汊盾构隧道（分为左、右线两条隧道）江北起点里程为K3+600，江南梅子洲到达里程为K6+532.756，盾构区间长度为2932.756m，左、右线两条隧道分别采用德国海瑞克公司生产的两台（S349、S350）Φ14.93m泥水加压平衡盾构机施工。左、右线隧道分别于2009年5月20日和8月22日贯通，现正在对盾构机进行保养工作。2盾构机及对控制系统的要求每台盾构机全长约134米，主体部分约8米，主体部分主要有刀盘、管片拼装机、碎石机；后配套有3台台车组成，分别装有管片运输吊机、喂片机、液压泵站、变压器、配电柜、泥水罐、储气罐、空压机；以上各部分组成了由西门子PLC控制的液压推进系统、刀盘驱动系统（电机变频调速）、膨润土泥水系统、拼装系统、盾尾油脂加注系统、同步注浆系统、刀盘主轴承自动润滑及密封系统、工业水系统、冷却系统和VMT激光导向控制系统，是当今隧道掘进设备中自动化集成程度很高的机械。盾构机在掘进过程中需要大量的检测变量和执行元件，其中包含了大量的位移传感器、温度传感器、压力传感器、流量传感器液位传感器和二十多台变频器、电动机以及大量的比例调节阀，所以该系统需要很多的输入输出点，大量的模拟量信号如1-10vDC、4-20mA、热电阻等，必须选用功能强大的PLC产品作为控制系统且具有快速性、稳定性；无风扇运行与集中/分布式信号模块的热插拔性；高效的组态与本产品和图形工程工具的高级语言相兼容；所有数据、程序原代码和用户专用数据存储在CPU中；满足施工过程中的供电中断和故障保护等特殊要求。3盾构机控制系统组成该盾构机的PLC控制系统分为两大部分。一部分是由SIMATICS7-300组成的三个吊机（中箱涵吊机、管片运输吊机、管片转运吊机）的控制系统，其硬件及控制程序都是单独的，其硬件就是由S7-300系列中CPU315-2DP组成的控制系统，管片转运吊机PLC硬件组态见图1；另一部分就是由CPU414-2DP为主站组成的SIMATICS7-400盾构机PLC控制系统。后一部分是盾构机PLC的核心部分。图1管片运输吊机PLC硬件组态图SIMATICS7-400PLC控制系统上位机（隧道内中央控制室监控操作系统）采用工业用计算机，配置为PⅢ1100、512M内存、40G硬盘、两个21显示器，运行英文WindowsXP操作系统，组态软件为Graphpic7.1英文版，通过西门子的PROFIBUS－DP与下位机通讯；下位机采用S7-400系列中的CPU414-2DP。由于整个处理工艺的面积比较大，控制回路多，为了避免铺设大量的控制线路，所以采用西门子的从站模块将一部分I/O放置在距离中心控制室较远而控制点又比较集中的地方（如采用ET200将在地面膨润土泥水场，距隧道内盾构机最远有3000米的P1.1A、P1.1B泥水泵实现电机变频调速及信息反馈；采用西门子的ET300模块将离盾构机较远的P2.3、P2.2泥水泵实现电机变频调速及信息反馈等），该盾构机与以前盾构机的通讯不通所有通讯都利用西门子的PROFIBUS－DP通讯协议形成远程I/O。控制系统结构如图2所示：图2控制系统网络示意图PROFIBUS-DP网络处理来自DP网络中的传感器或与从站中的模块信息共享的功能，实现自动化中现场执行元件间的通讯任务；对于系统中拼装机和刀盘的旋转角度需要随时检测，并与系统中设定的限制值进行比较，保证在失电又恢复供电后能记忆当前读数，利用PROFIBUS-DP接口的现场总线输出，受外界干扰小，传感器的精度主要取决于编码器的分辨率，它采用二进制编码，可满足施工工艺的要求。地面监视系统是通过地面监视计算机与隧道内工业用计算机连接起来，可以通过WindowsXP系统自带的远程登录功能，以实现在地面上就可以对隧道内盾构机运行状态的监视。VMT导向系统能按照隧道工程设计的轴线，将施工工艺过程以形象生动的动态显示坐标展现给盾构司机，并能将从PLC获得的相应数据进行运算处理得出施工所需要的数据（如盾尾间隙、管片选型、拼装点数等）。本系统中采用PLC的DP接口与装有CP5611通讯卡的VMT电脑进行通讯，实现实时的从PLC中获取相关施工数据，以便于施工。4SIMATICS7-400PLC控制系统硬件组态SIMATICS7-400PLC控制系统主体放在中心控制室的电柜中。如图3所示，该系统硬件由一个18槽的主机架UR1和四个18槽的扩展机架ER1及下挂一个P1.1A泥水泵（ET200）、一个P1.1B泥水泵（ET200）、一个P2.1泥水泵（ET300）、一个P2.2泥水泵（ET300）、一个P2.3泥水泵（ET300）、MDB1电柜的两个ET200、一个拼装机旋转角度检测传感器编码器和一个刀盘旋转角度检测传感器编码器及各中继器。各机架之间通过5个接口模块IM460-3连接起来。根据隧道工程施工要求，PLC主机电源选用冗余电源；现场操作控制与管理控制级形成网络；PLC站能够接收监控计算机的时钟同步信号来记录和报送动作顺序及故障信息；数字量和模拟量的输入输出点数满足控制工艺要求，保留不少于20%的备用点；并且要能接受拼装机和刀盘的旋转角度检测传感器ET200(P1.1A泥浆泵)ET200(P1.1B泥浆泵)ET300(P2.1泥浆泵)ET300(P2.3泥浆泵)ET300(P2.2泥浆泵)拼装机旋转角度传感器拼装机旋转角度传感器ET200（MDB1配电柜）地面监视计算机上位机下位机PLC（CPU414-2DP）VMT导向系统的绝对式编码器；为满足以上要求系统采用带MPI和DP接口的CPU414-2DP和一块CP443-1通讯模块。图3SIMATICS7-400PLC硬件组态5结合实际故障分析SIMATICS7-400PLC控制系统程序盾构机PLC的软件是SIMATICManager软件，在组装盾构机时海瑞克公司电气工程师，用装有SIMATIC程序的专门随盾构机配备的PG将硬件组态好且将程序下载到下位机中。在施工过程中，PLC程序不停的循环运行，检测到某个传感器故障或超出设定限制值时，都会在上位机上出现报警提示或报警急停。首先解释一下实际的PLC上标记，如图4和图5分别是控制室配电柜内PLC的输入点与输出点，也就是所谓的硬件组态的输入I与输出Q，但在实际作标记时用的是德语Eingeben的首字母E和Ausgeben的首字母A，模拟量输入标记为PEW，也就是程序中的PIW，而且在程序中有很多标注都用到了德语，对我们没有学过德语的人可以用灵格斯翻译软件对其翻译。图4PLC输入点标记图5PLC输出点标记5.1上位机出现“.11/27.2partialflowfiltertank1”报警这样的报警对有经验的工程师来说，一看可能就知道是哪的故障，但对于不熟悉或从未出现过的故障我们可以按照以下方法解决。从提示上可以看出，这是有输入点提示的，我们可以直接按“.11/27.2”找到电气图纸的第11部分的27页的第2列。如下图图6电气图纸所示，可以看到“.11/27.2”是液压油箱tank1的旁通冷却滤芯传感器。我们首先想到的是滤芯脏了。如果更换内滤芯后还是报警，通过图6找到对应的PLC输入点“=9-9D4”的“E13.7”即程序中的“I13.7”，用随机配备的PG连接到PLC。图6“.11/27.2”电气图纸如下图图7所示，从程序中可以看出在正常掘进情况下PLC的输入点“=9-9D4”的“E13.7”是亮的，也就是图6中传感器-27B2是得电的、闭合的，我们可以检查传感器或线路进行排除。图7“I13.7”程序图5.2上位机出现“DB50.DBX34.0”报警对于这样没有输入点提示的报警，可以通过SIMATICS7程序，如图8可以查到“DB50.DBX34.0”在程序FB50的Network21中。图8“DB50.DBX34.0”在程序中的位置如图9所示，程序FB50找到“DB50.DBX34.0”，从程序注释中可以看出是连续复位导致报警提示。图9FB50中“DB50.DBX34.0”程序图5.3SIMATICS7软件在线监视功能假如我们不确定某个传感器是好还是坏，或者是不方便找到传感器时，可以通过SIMATIC的在线监视功能。如图10中PG和PLC连接好后，点击黑色圈中小眼镜就可在线监视运行情况，也就可知道I0.3的状态，从而判断轮对位置传感器的好坏。图10右前方轮对限位中断掘进程序段6小结目前两条隧道都已顺利贯通，通过实际应用可以证明该控制系统中的硬件和软件配置先进，如西门子SIMATICS7-400PLC等。该系统是目前国内较大的应用西门子产品的隧道施工生产系统，自投产以来运行可靠，工程质量好。在施工生产中通过自己的摸索学习、进一步的体会，渐渐对本系统有了较深的了解，希望对以后使用或研究该系统的同行有所帮助，但由于实践时间不是很长，文中分析难免有误，恳请指教更正。参考文献(Referenionces)：1廖常初.S7-300/400PLC应用技术.北京：机械工业出版社，20052高鸿斌,孔美静,赫孟合.西门子PLC与工业控制网络应用，北京：电子工业出版社，20063STEP7V5.4编程手册4廖常初.大中型PLC应用教程.北京：机械工业出版社，20055西门子SIMATICS7SystemService&Programming培训教程