海瑞克盾構機電氣控制系統概述
李劍祥（中鐵六局集團****深圳地鐵2號線專案部廣東深圳 518056）
摘要：對海瑞剋土壓平衡盾構機電氣控制系統進行概述，並分別對其配電系統、可程式設計控制系統和計算機控制及資料採集分析系統三個部分的設計進行總結，以加深對其整個電氣控制系統原理的理解。
關鍵詞：電氣系統配電系統可程式設計控制系統計算機控制及資料採集分析系統
0 海瑞克盾構機電氣系統簡介
盾構機是一種集機械、液壓、電氣和自動化控制於一體、專用於地下隧道工程開挖的技術密集型重大工程裝備，其技術先進、結構龐大。如果把機械部分比喻**的四肢，那麼液壓系統比喻**的血液系統，則電氣控制系統就是人的神經系統。當前盾構機電氣控制系統均採用世界上最先進、可靠的技術以保證系統穩定可靠地執行。
海瑞克盾構機電氣控制系統分為配電系統、可程式設計控制系統和計算機控制及資料採集分析系統三個部分。下面對該三個部分進行介紹。
1 配電系統
盾構施工是參考工廠式的流程化作業施工，盾構機的配電系統設計原則也是參照工廠供配電原理設計的。配電系統分為高壓系統和低壓系統，其用電裝置列表如下：
1.1高壓系統
經過負荷計算，sj1≈2000kva，則選擇的電壓器容量為2000kva，選擇的高壓電纜進線為ugp-3×50+1×25，選用的高壓環網櫃電壓等級為12kv，容量為200a，變壓器帶溫度和密封性故障報警。高壓系統原理圖如下：
1.2 低壓系統
變壓器將10kv的市電轉變成400v的低壓電，之後分成兩路，分別經過斷路器1-3q2（俗稱主開關）和斷路器1-4q2（副開關），其中主開關具有相序保護。主開關控制盾構機主要用電裝置，比如各個電機。因各個電機為三相用電裝置，在啟動和執行時需消耗無功功率，所以海瑞克盾構機電氣系統投入了功率補償裝置，以保障裝置執行時，功率因數大於0.
9。副開關控制台車部位和盾體部位的照明系統和備用插座系統。由此可見，三相用電裝置系統與照明系統實行分線布置，提高了兩者的供電質量。
因盾構施工也屬於臨時施工，需要布置臨時用電系統，備用插座系統就是與臨時用電系統的介面，滿足現場施工需求。
弱點系統也是低壓系統的組成部分。弱點系統主要是給各個繼電器和感測器以及電磁閥提供電源，電壓輸入整定值為24v。
2 可程式設計控制系統
海瑞克盾構機的可程式設計控制系統是由西門子s7-400採用主從分布式結構組成的，
圖一：硬體組態
其硬體組態如上圖：
如圖所示，可程式設計控制系統採用profibus-dp 協議的現場匯流排控制技術，在司機室設定了s7-400 主站和工控機,在低壓配電櫃設定了im153從站，並將裝置安裝的電氣元件通過dp電纜連線至主站。在用電裝置相對集中的低壓配電櫃設定智慧型遠端i/o模組，這樣就可以按照就近原則，將附近的電氣裝置接入分站，相比接入司機室s7-400 主站節省大量電纜。同時工控機可以通過工業乙太網的tcp/ip 協議，與地面電腦組成區域網，使地面的電腦連線與控制工控機，以掌握盾構掘進狀況。
plc程式包含原始檔和塊檔案。塊檔案又包含組織塊、功能塊、功能和資料塊等。其中組織塊一呼叫各個功能塊執行盾構機的執行和動作，還設定了三個中斷組織塊，乙個為電源故障中斷組織塊，乙個為拼裝機角度編碼器檢測迴圈中斷組織塊，乙個為每組推進速度檢測計算迴圈中斷組織塊。
功能塊與電氣圖紙組別一一對應，相應地與盾構機各個系統相對應，使技術人員方便找到程式與圖紙的對應關係。
3 計算機控制及資料採集分析系統
計算機控制系統主要用於引數設定和資料採集分析。西門子工控機安裝在盾構司機室, 由現場操作人員使用, 用於人機對話、顯示資料、設定和修改系統控制引數等。工控機與plc通訊示意圖如下：
資料採集分析系統就是採集、處理、儲存、顯示和評估與掘進機聯網所獲得的資料。通過調整過的時鐘脈衝，所有測量資料都將從工控機連續不斷的得到。但是，只在特定的時間才進行資料的記錄。
資料採集系統連續不斷對盾構機的資料進行採集、顯示和儲存。每一推進時刻的資料均被儲存在不同的文件中，這些文件連續的自動編上不同環號。通過這些推進時刻的文件，就可以獲得相關掘進區間每一期、每一刻的文件。
測量的資料將以圖形方式顯示在工控機上，通過功能鍵 到、簡單的選單、滑鼠和鍵盤，可以選擇單個的顯示區域。如下圖為f1介面，其中的引數介面可以進行引數設定。
f1介面
每環結束後，掘進報告會自動生成。海瑞克公司還提供了乙個額外資料評估程式，可以用來分析多環的各個引數變化情況並形成每環掘進報告。
sls-t 隧道導向系統為測量專用系統，在此不討論。
4 盾構機電氣系統的應用
4．1配電系統的應用
海瑞克盾構機的配電系統裝配的電器開關都是梅蘭日蘭生產的，該品牌為全球電器開關第一品牌。每個電機上端都安裝了乙個斷路器，具有過載短路漏電保護，而且其負荷電流，漏電電流和動作時間都可以在一定範圍內設定，這一點與國產件不同。比如推進幫浦電機上端斷路器15-1q1，出廠時負荷電流調節為120a，但是該開關可以從90a-150a範圍內隨意調節，這樣極大的方便了使用者對用電容量的設定。
當需要改變負荷電流值時，無須更換開關。弱電系統的輸出電壓在出廠時，一般設定為27v，到負載端一般為24v，但是工地現場實際，因為市電的電壓，還有弱電負載的變化，都將導致負載端電壓值不等於24v。根據工程經驗，弱電用電裝置輸入電壓超過本身的10%，將容易損壞。
所以每次盾構機始發除錯時都必須根據弱電負載的電壓值重新整定弱電系統的輸出值，而且在裝置使用過程中，因感測器的損壞或者其他原因導致負載容量變化時引起的電壓變化也需要監控，實時調節。只有這樣才能保護好了盾構機的弱電系統。
4．2可程式設計控制系統的應用
可程式設計控制系統是盾構機電氣控制系統的最關鍵的部位。如果說電氣控制系統是盾構機的神經系統，那麼可程式設計控制系統就是盾構機的大腦。那麼「大腦」是怎樣指揮「神經系統」的呢？
我們以推進系統1號油缸伸出為例說明可程式設計控制系統程式是如何控制1號油缸伸出的。如下圖所示：
m58.4為推進模式下1號油缸伸出訊號，m88.0為拼裝模式下油缸伸出訊號。
當m58.4或者m88.0為1時，則q9.
7也為1。q9.7對應電氣圖紙的「.
15/23.3」為控制1號油缸伸縮換向閥的伸出電磁線圈，該線圈得電，1號油缸伸出。
通過工控機可以連線plc進行程式監控，通過該方法可以判斷盾構機因條件不滿足使動作無執行這類的故障。
4．3計算機控制及資料採集分析系統的應用
計算機控制及資料採集分析系統應用主要體現在管理級。現舉例說明如何通過地面監控電腦對盾構機掘進過程的各組推進壓力資料進行分析。在地面監控電腦與盾構機工控機之間占用一路**線，都使用串列埠com數據機與電腦連線，即建立了工業乙太網。
在兩部電腦上都安裝pcanywhere軟體，經過設定後撥號會自動應答，既地面監控電腦通過軟體檢視和控制盾構機的工控機。在控制工控機後，開啟pdv監視介面，進入f7的date evaluation，點選選項，得到如下圖表：
如圖所示，在地面監控電腦看到第225環三組推進壓力的瞬時值。
5 盾構機電氣系統的總結
綜上所述，海瑞克盾構機的電氣控制系統是乙個龐大複雜但先進又不失人性化的系統。配電系統從高壓到低壓，從強電到弱電，電氣元件大多為梅蘭日蘭的產品，有質量保證，不但設定值精度高而且壽命長，減少了維護的工作量。可程式設計控制系統為西門子s7-400為主站，採用主從分布式結構組成的。
系統穩定，功能強大。在工控機上可以監控程式的執行，還可以進行硬體診斷，可以判斷盾構機電氣方面的大多數故障。計算機控制及資料採集分析系統可以與plc進行通訊，採集、處理、儲存、顯示和評估與掘進機聯網所獲得的資料。
此時，盾構機電氣控制系統的自動化級別為現場級，採用profibus-dp 協議的現場匯流排控制技術。如果在地面設定監控電腦，並通過工業乙太網協議進行通訊，那麼其自動化級別可上公升至監控級和管理級，實現盾構機的遠端監控，掌握盾構機掘進狀況。
參考文獻
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[2]江文，許慧中主編.《供配電技術》.北京：機械工業出版社，2005.1
[3]張運剛，宋小春，郭武強編著.《從入門到精通.西門子s7-300/400plc技術與應用》.北京：人民郵電出版社，2007.8
作者簡介
李劍祥（1984-）136********，男，江西省南昌市人，2023年畢業於華東交通大學，助理工程師，現任深圳地鐵二號線2227標專案部機電物資部部長。
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