1、盾构电气控制系统盾构电气控制系统盾构电气控制系统 讲课内容 1、盾构电气控制系统的组成 2、PLC控制系统在盾构机上的应用 3、常用安全保护电路在盾构机上的应用 4、常用传感器在盾构机上的应用 5、盾构机电气系统维修保养 6、盾构机常见电气故障的处理盾构电气系统构成高压供电低压配电盾构PLC自动控制系统计算机数据采集系统机械、液压和辅助系统控制盾构机供配电系统组成盾构机供配电系统组成高压供配电：高压供配电：由于盾构机整机负荷较大，因此盾构机采用高压10KV供电。变压器：变压器：盾构机常用的变压器有波纹密封油浸式和干式变压器两种。油浸式变压器具有体积小、价格低等优点，但其维护不便；而干式变压器维
2、护方便，过载能力强，但体积大、价格贵。因此目前一般常见的是盾构机采用的是全密封油浸式变压器，它使变压器内部与大气隔离，防止油的劣化和绝缘受潮，增强了运行的可靠性。但是本盾构采用的是干式变压器。软启动器：软启动器：功率较大的电动机直接启动时有较大的冲击电流，为了避免启动电流对电网的冲击，对大功率的电动机盾构机供配电系统组成盾构机供配电系统组成 采用软启动器启动，中小功率的电机采用星三角启动或直接采用启动方式。变频器：变频器：变频器用于需要调速的地方其输出不但改变电压同时改变频率，变频器具备所有软启动器的功能。无功功率补偿：无功功率补偿：采用补偿电容器在低压端集中补偿的方法，利用无功功率自动补偿控
3、制器对无功功率进行自动补偿，它实时监测系统的功率因数，通过控制接触器切换电容组达到动态补偿功率因数的目的。补偿后的功率因数不低于0.9。盾构机供配电系统组成盾构机供配电系统组成3*70mm2TJB快速接头3*70+3*35/3 6/10KV 250M高压电缆卷筒高压开关200A变压器10kv/400v1600KVA10KV250I/2500A400VAC 50HZ400VAC 50HZ3相母线65kvar*10cos=0.95PD1PD2I 800A软启刀盘驱动315kw软启I 刀盘驱动315kwPD3PD4软启320AI 螺旋输送机160kwPD5I 80AY-软启I 250A皮带机30kw
4、推进泵站110kwI 100AI 80A补油泵37kw管片安装机45kwI 80A膨润土泵30kwY-Y-Y-PD610AI 18AI 14AI 14AI 25AI 齿轮油泵4kw冷却水泵5.5kw工业水泵7.5kw推进控制泵5.5kw水过滤循环泵11kwI 1.6A油脂泵0.18kwPD71.6AI I 40AI 18AI 18AI 泡沫泵0.37kw二次通风15kw混凝土搅拌机7.5kw泡沫水泵7.5kw管片吊机PD813AI 13AI 13AI I I 13A13A1号拖车照明设备桥照明2号拖车照明3号拖车照明4号拖车照明PD9+MDB柜250I I 250250I 250I I 250
5、主控室以后的220v电源补偿器220v电源PLC控制面板24v电源其他配电柜面板I 250主控室220v电源+DB柜PD1PD2250I 250I 250I I 250DB柜体照明人仓照明盾体照明250I 人仓插座I 250人仓加热PD324VDC220VACPLC盾构机控制系统控制面板PC控制系统主控制室400v/220v6.6KVA1.44KVA400V/24VDC400V/24VDC1.44KVA24VDC220VAC400V/24VAC1.44KVA800A160A160A160A160A160A160A主机控制系统的组成：主机控制系统的组成：主机控制系统主机控制系统盾构机主机控制系统
6、采用主从、上下位机和分布式I/O结构。上位机为PC（个人计算机）和墙面式工控机组成的基于Profibus-Dp协议的现场总线的计算机局域网络，下位机是以Siemens S7-400为主站的可编程控制器系统。工控机和数据采集系统工控机和数据采集系统墙面式工控机为Siemens PC670人机界面，采用彩色液晶触摸屏，安置在盾构机操纵室内控制面板上。用于设置控制系统参数和显示数据，由现场操作人员使用。其余PC根据需要可以放置在机电工程师室和经理室。这些计算机上均安装WINCC（WINDOWS NT版）软件，用于对隧道内的施工情况进行实时监控，打印报表和其他管理工作。盾构机控制系统示意图远程计算机工
7、业计算机PLCDIAIDOAO触摸屏显示器 现场操作板接口遥控操纵板位置开关传感器等中间继电器驱动放大板开关阀、信号灯等比例阀、变频器、表头模拟传感器脉冲传感器接触器、电机等打印机激光导向系统主机控制系统的组成：主机控制系统的组成：n主机控制系统采用PLC可偏程控系统n盾构机是一个机、电、液一体化的工厂化隧道开挖施工机械，是大型化、自动化、流程化的大型连动机。由于其控制环节多，工序复杂，并且相互关联，相互影响，任何一个环节出现故障都将影响正常掘进甚至停机修理，因为了保障盾构机工作的高度可靠性安全性和易维护性，其控制系统采用了PLC可偏程控制系统。nPLC可偏程控制系统具有系统功能强、可靠性高、
8、抗震性能好、编程容易、修改方便、扩充维修容易等一系列优点。n采用PLC可编控制系统的特点是盾构机上所有传感器和控制信号都输入到PLC，所有输出信号都由PLC发出的。方便建立各种连锁关系。因此PLC可编控制器是掘进机的控制中枢。外部设备接口存储器系统程序用户程序数据输入模块I/O扩展接口输出模块CPU电源编程器打印机计算机盒式磁带机条码扫描仪I/O扩展单元按钮触点行程开关输入设备输出设备指示灯电磁线圈电磁阀2022-11-8X400SB1COM输入部分X401X400X401Y430Y430Y430电源KM输入继电器内部触点输出继电器输出端输入端输出部分内部控制电路SB2X402外部触点直接起动
9、控制电路采用直接起动控制电路采用PLC控制，其外部接线及内部等效电控制，其外部接线及内部等效电路如图所示。可将路如图所示。可将PLC分成分成3部分：输入部分、内部控制电路部分：输入部分、内部控制电路和输出部分。和输出部分。2022-11-8输入端子输入锁存器输入状态寄存器程序执行输出状态寄存器输出锁存器输出端子读读写输入采样程序执行输出刷新一个扫描周期PLC是采用是采用的方式进行工作的。的方式进行工作的。PLC的的扫描工作过程可分为输入采样、程序执行和输出刷新扫描工作过程可分为输入采样、程序执行和输出刷新3个阶段个阶段，并进行周期性循环。，并进行周期性循环。常用PLC型号目前常用的PLC有西门
10、子和施耐德。西门子PLC系列有S7-200S7-300S7-400三个系列，盾构机常用的是高档S7-400系列，施耐德PLC有MODICOMPREMIUMMUMENTUM系列。海瑞克盾构全部用的是西门子，维尔特用的全是施耐德。这有一个习惯问题。西门子常用的PLC编程软件是STEP7西门子常用的组态软件是WINCC施耐德常用的PLC编程软件是PL7和UNITY西门子S7-300系列PLC主操作室（主站）盾体（分站）配电柜（分站）SPS 例如例如SIMATIC S7数据收集和处理PC 带有带有Switch ES Power用于通过PROFIBUS DP对 SENTRON断路器进行参数化、操作和监视
11、的软件显示单元显示单元 例如带浏览器的笔记本以太网/内联网/因特网BDA/BDA PlusCOM15BSSETU测量ZSI模块数字输出模块继电器数字输出模块光耦合器数字输出模块继电器,可配置模拟输出模块数字输入模块数字输出模块光耦合器,可配置SENTRON WL西门子S7-400系列PLC PROFIBUS-DPAS-IAS-IET200 U断路器AS-IDP/AS-I-LinkTELEPERM M,SIMATIC S5,SIMATIC S7Master DriveM3M3Micro MasterSIMOCODE-DPCOROSSICAM LCCM3ET200 L中压断路器3AHTCP开放:基
12、于 TCP/IP的自由协议-基于Ethernet TCP/IP 的Modbus 协议Ethernet 伙伴Fipio 伙伴Modbus 伙伴 OPC 兼容Java Applets 库函数SCP开放:第三厂家的串行协议ProfibusDeviceNet/ControlNetInterbus第三厂家的总线型 I/O施耐德Premium 系列 PLC电话线-ModemHTMLWeb serverAS-i总线第三厂家总线-Interbus-S-Profibus-DP-CANopen 施耐德施耐德Momentum系列分布式系列分布式PLC n 带分布式 I/O的控制器 I/O 总线(Interbus)-
13、最多 128 I/O 模块，距离 42,000 英尺.Modbus Plus 方式-最多 64 I/O模块，距离 6000 英尺 以太网-最多 64 I/O模块，距离与介质有关.RS-232 Port-Modbus I/O Bus(Interbus)Communication to Distributed I/O ModulesMomentum I/O Modules located near field devicesMomentum Processormounted on I/O ModuleComputerOperator Station施耐德施耐德PLC通讯总线通讯总线MODBUS P
14、LUS 和和FIPIO盾构PLC控制系统组成（西门子）主操作室（主站）盾构机PLC控制系统组成（续）盾构机PLC控制系统配置PROFIBUS-DPVMTPC670光/电电/光PCMPIDP控制系统配置示意图PCPCTCP/IPTBM-PLC控制系统配置图控制系统配置图PCPCPLC系统配置示意图Magelis盾构PLC控制流程图计算机控制及数据采集系统o主要完成参数设定、监控、管理功能n采用组态软件，西门子WinCC，施耐德的Factrylinkn现场工控机与办公室的管理计算机组成局域网，将洞内盾构机的信息传输到地面办公室，并储存起来。o操作画面n设定界面：设定盾构对象和控制参数n测量界面：显
15、示盾构中各类检测仪器的测量值n掘进界面：施工时主画面，掘进参数、设备状态n历史曲线画面：以曲线形式显示历史施工数据，可按环号查询 n报警画面：及时显示盾构设备运转情况和故障报警n报表n动态曲线n铰接画面：用于铰接操作和控制，并显示盾构姿态在线状态监视显示屏在线状态监视显示屏-WDAS（数据采集系统）（数据采集系统）oWDAS系统主要用于TBM主机工作状态监视、掘进参数统计分析、历史数据查询和故障统计，打印输出掘进报告和有关报表。WDAS具有人机界面友好。显示信息丰富，历史数据贮量大，故障信息和运行状态数据保存完整特点。特别是它保存完整的故障信息和运行状态数据对诊断某些疑难故障非常有用，因此WD
16、AS系统是对MAGELS故障诊断的一种补充。oWDAS共有12个显示界面。F1启动屏，F2TBM参数屏，F3全视屏，F4液压系统屏，F5趋势图显示屏1，F6趋势图显示屏2，F7换班信息屏，F8输入参数屏，F9选择屏，F10报警/信息屏，F11打印屏，F12系统屏。o其中F2参数屏，F3全视屏，F4液压系统屏，oF10报警/信息屏，对故障诊断非常有帮助。o参数屏：显示TBM当前主机的各种运行参数o全视屏：显示TBM主机各系统的当前的运行状态o液压系统屏：显示TBM液压系统当前的运行状态及压力温度、液位等参数。o报警和信息屏：显示TBM主机的各种故障报警信息和工作状态信息，并可通过打印报警报告信息
17、报导查询TBM以前任何时候的报警信息和工作状态信息，各种报警信息和工作状态信息都有起止时间，这对诊断故障十分有用。在线状态监视显示屏在线状态监视显示屏-WDAS（数据采集系统）（数据采集系统）PLC专用笔记本编程器在线实时查询和故障诊断专用笔记本编程器在线实时查询和故障诊断PLC专用笔记本编程器在线实时查询和故障诊断专用笔记本编程器在线实时查询和故障诊断 o正常情况下，PLC控制系统的故障诊断Magelis就能解决绝大部分电气、液压故障，但遇到联锁关系复杂Magelis不能直接反映其故障的情况，就需要借助于专用笔记本编程器FTX417-20才能快速查找和确定故障。使用FTX417-20笔记本编
18、程器可以快速查询故障信息的部位和相关信息状态，分析内部联锁关系，修改和优化程序。o使用FTX417-20又可以对PLC程序进行在线监控。连接FTX417-20到PLC上，进入online（在线状态）时PLC程序的所有状态都将实时反映在编程器上，将Magelis提供的故障地址输入到编程器，利用编程器的搜索功能将很快找出故障信息所在子程序和相关信息并显示在屏幕上，造成故障的条件信息，将以不同的颜色显示在屏幕上。这样就可以非常直观、快速地查找到故障，并分析可能的故障原因，最终排除故障。o使用编程器还可以修改和优化PLC程序，当发现程序有问题，需要修改程序，或在查找故障时，需要临时做一些上处理，（如临
19、时短接某个条件，强制置位）等，利用编程器可以实现在线修改。编程器对于PLC故障诊断。特别是对于那些Magelis上无故障显示，而机器又确实发生故障的情况，用编程器来诊断非常准确有效。o因此，Magelis和专用笔记本编程器是TBM在线故障诊断的两个最重要的必不可少的工具。o故障在线实时显示屏故障在线实时显示屏-Magelis oPLC的编程控制系统带有一个故障在线实时显示屏（Magelis），它可以将TBM各种电气液压发生的故障及时地显示和记录下来。供故障诊断分析使用，并提供发生故障部位的信息或可能发生故障部位的相关信息，便于缩小故障找询范围，快速诊断故障。oMagelis的主要功能为：o立即
20、显示并记录当前刚发生的故障信息，并有音响提示o可循环显示512个故障的历史记录，通过翻页形式来查询。o可循环显示当前尚未消除的故障信息o监视所有通道的实际显示值o可查询的故障信息内容有：o故障的内容，即何种故障o故障发生的时间和消除恢复的时间o故障的子程序和行号o故障的PLC输入端口地址，和相应元件的电气编号o模拟量输入信号的故障通道号等。oMagilis是TBM最重要最实用的在线诊断工具，TBM主要电气、液压故障都将首先在Magelis中显示，同样，当发生任何电气、液压故障时，操作人员首先要查看Magelis记录。安全保护电路在安全保护电路在TBM盾构的应用盾构的应用o安全继电器保护回路，采
21、用紧急按钮、紧急继电器双接点保护o安全保护设计：接近保护开关常闭回路设计。断线监视功能。o绝缘检测o高压保护，短路、速断，单相接地o接地连续性监测保护，高压快速插头TJB高压快速插头高压快速插头TJB高压快速插头高压快速插头TJB高压快速插头高压快速插头绝缘监视和相位保护绝缘监视和相位保护TBM盾构机常用传感器盾构机常用传感器o电感感应式接近开关。o压力传感器、压力开关。o电容式流量传感器、流量开关。o温度传感器、温度开关。o位移传感器o倾角传感器o编码器TBM盾构机电气系统维护保养盾构机电气系统维护保养o由于振动较大，特别是TBM，要定期紧固接线端子。特别是电机接线端子。o防水、防潮，绝缘检
22、查。o除尘，降温o传感器加防护TBM盾构机常见电气故障判断和处理盾构机常见电气故障判断和处理o处理故障的原则：o先简后繁，由外而内。o先检查电源，在检查外部线路。o绝大多数故障是线路故障，断线、短路、接地和接触不良等。oPLC程序一般不会出问题。o对于电气故障要先从简单的地方查起，开始不要考虑的太复杂。TBM盾构机常见电气故障判断和处理盾构机常见电气故障判断和处理o典型故障处理：o1。秦岭TBM接地故障。o2。磨沟岭 TBM串电故障。o3。广州S180盾构PLC复位输入板故障。o4。大伙房PLC通讯故障。对于有通讯的PLC,要重视终端电阻的作用.秦岭TBM接地故障o三月五日上午，在正常掘进中突
23、然出现奇特故障，现象如下：按正常步骤启动1#9#液压泵，启动皮带机，顺次启动1#8#刀盘驱动主电机，再启动刀盘旋转，然后向前推进，至此一切正常，但在刀盘接触掌子面23分钟后，两个主变压器上的E04主开关跳闸，+E04配电柜断电，1#2#6#9#泵关闭，E01、+E02配电柜正常，18#主电机正常运转，但皮带机停转，刀盘推进停止，主控室中与PLC控制系统相联的故障诊断系统显示器上显示如下故障：o T01 Main Switch+E04 400v Fault；中断路器Q3M）oT02 Main Switch+E04 400v Fault；中断路器Q6M）Powerpack 1 I-Test Fau
24、lt；Powerpack 2 I-Test Fault；o但随即按下操作台上的故障确认按钮（Acknowledge），即可消除全部故障，重新合上E04主开关，并重复以上正常操作，在接触岩面23分钟后重复以上现象。此后三天内，此故障持续发生，导致无法掘进。o至此，终于确定问题在230v控制电的瞬间失电上，我们认为大致有三种情况：其一电源不稳，其二接触不良，其三瞬间接地。第一步，更换T04并使其改由应急发电机供电，故障依旧，证明非电源问题；第二步，检查230v控制变压器出线电缆及相关线路，未发现异常；最后联想到故障的一个偶然现象，即有时在顺次启动至6#主电机时故障会出现，由于主电机加热器也由230
25、v控制电供电，猜测是主电机的加热器回路出现故障，故将此回路取消进行试掘进，结果故障消除，进一步实验证明，是6#主电机的加热器回路出现了故障，由于主电机的加热器位于电机内部，不易拆出检查，故现场采取将6#主电机加热器回路暂时断开的措施，终于在三月七日下午六时恢复掘进，故障解决历时将近三天。o主电机的加热器回路是如何引发这个故障的呢？分析认为，在启动至6#主电机或刀盘接触到岩面时，电机振动加剧，使出现故障的6#主电机加热器回路出现瞬间接地，从而230v控制电瞬时失压，由于主变压器断路器的欠压脱扣线圈及各回路接触器均由230v控制电供电，结果造成断路器欠压脱扣及接触器失压动作。但在此有两个疑问：其一
26、，为何其他泵不停泵？由于P1、P2、P6、P9的一次回路有电流检测，并由PLC系统控制故障置位，不按下“故障确认”按钮就不能复位故障，而其它泵则不进行电流检测，在230v控制电恢复正常后又重启，从而在故障显示器上不显示其他泵的停止又重启过程；其二，同样由230v控制的8个主电机回路，同样有电流检测，为何不出现电流检测故障而停机呢？我们已知，P1、P2、P6、P9控制回路的接触器型号为LC1-F185M5，而主电机的接触器型号为LC1-F630M7与LC1-F400M7（刀盘转速为5.4 rpm时）及LC1-F500M7（2.7 rpm时），通过查阅Schneider产品技术资料得知，LC1-F
27、185的打开动作时间为715 ms，LC1-F400与LC1-F500为100170ms，LC1-F630为100200ms，这样如果控制电压的失压时间在15100ms之间，就只会令LC1-F185型接触器打开，而对于LC1-F400和LC1-F630其打开动作尚未开始230v控制电又立即恢复而依然保持闭合，一次回路中依然保持工作电流，这就是8个主电机不停机的原因，同样也可解释为何主变压器上Q1M、Q2M和Q4M、Q5M不跳闸的原因，事后我们利用示波器对230v控制电压进行监测，在重现故障时得到了验证。o结束语：在这次故障的排查过程中花去近三天时间，除由于我们经验不足及现场条件不完善（当时无示
28、波器）外，还给我们一个重要启示，即现场排障时，不但要定性地分析，还必须有定量的分析，否则一些故障可能就无法找到原因并排除。秦岭TBM接地故障IW2,3W309OPERATECOMPAREW309=5O71,0AcknowledgeSTOPSTARTO71,0B271B201O71,0B201B271B271B260SEDCRRT41T41_TB:100msT,P:30MDDIF:Y图（4）TBM电气系统一次奇特故障的解决及试析附图（三）IW2,3:P1泵一次回路电流 模拟量输入O71,0：P1泵接触器闭合磨沟岭 TBM串电故障。o十月十二日，TBM出现电气故障，无法掘进。现场技术人员努力仔细查
29、找，经过两个保养班、两个掘进班排除了故障，恢复了正常掘进。故障发生现象及处理分析过程如下：o 十月十二日晚23：40分左右，掘进班喷完浆后，启动电机掘进了34cm 突然紧急停机。1#、2#、6#、9#泵电流测试故障停止，主电机未停，在停电机后拉掉4#电机的刀熔开关（因4#离合器冒烟），确认故障后再启动各泵站，9#泵站电流测试停泵，在确认故障后再启动9#泵，并转动刀盘清碴。由于已到交班时间，故停止掘进。保养班接班后，在只启动各泵站的情况下未发生异常，而在准备掘进时发现在启动泵站和主电机后数分钟内，就会由于电流测试故障而停1#、2#、6#、9#泵，导致无法掘进，而且在停止电机后，启动电机指示灯闪烁
30、。o 在分析解决故障时，由启动电机指示灯闪烁入手，由于正常情况下，停止电机后是不会闪烁的。通过手提电脑联机发现，八个主电机在停止电机后，由PLC模拟量输入板得到的各电机电流值不回零，并在016A间跳动，由于程序设定电机电流大于5A，即认为此电机已启动，故导致启动电机指示灯闪烁。在更换新的电流变送器后，排除了电流变送器发生故障的可能性，疑点集中在测量回路中窜入感应或其它电流上。但在串联电流表测试中均未发现异常。后又更换模拟量输入板，并断电重启动，均未解决问题。后来偶然发现1#拖车上照明配电箱L103跳闸，而一合闸就会引起故障。虽然暂时排除了故障，但原因及结果的无关性却引起了更大的疑问。o在进一步
31、的分析中发现，这其中有值班巡检不力，也有外方人员在组装时疏忽的原因。在十月十二日下午16：00左右，洞外TBM高压专柜跳闸，当时值班人员没有找到原因，重合闸继续掘进，后发现在E03电容补偿柜中，有一组电容的熔断器爆裂，并导致刀熔开关塑壳熔化下滴在线槽中，将其中数根控制线熔化并烧结在一起，而其中就有补偿电容的接触器工作电源线和到PLC的主泵站电机电流模拟量输入控制线。由于外方人员将图纸上本应该接在控制电230V上的电容接触器电源接至E01柜内照明线上，而柜内照明又由L103引出，故导致L103照明配电柜跳闸与PLC模拟量输入发生联系的奇怪现象。因此，在启动泵站和电机后由于功率因数降低，电容补偿系
32、统自动启动并陆续投入工作。在投入到有烧结现象的那路电容时，模拟量输入控制线受到干扰，PLC受错误信息误导而自动关闭泵站。o在分析到故障原因，并与故障现象对应相吻合后，我们断定故障原因就在这儿，经清理并处理导线及导线槽后，故障彻底清除，至此TBM恢复正常掘进。o结束语：在以上故障解决过程中，我们可以得到三个经验教训：o线路的连接应严格按图进行，以利于故障排查。（如果线路连接正确，故障现象与原因的联系不会如此奇怪。）o发生异常现象时，应加强巡视工作，及时发现问题。（如果在高压跳闸时及时发现刀熔开头损坏并及时处理，不会影响到掘进。）o发生故障时，应尽可能多想多查找，对任何细节不应轻易放过。（如果不是发现照明配电柜跳闸，故障的解决还得推迟。）TBM盾构机常见电气故障判断和处理盾构机常见电气故障判断和处理oS180盾构PLC复位输入板非完全损坏故障TBM盾构机常见电气故障判断和处理盾构机常见电气故障判断和处理o大伙房PLC通讯故障。o对于有通讯的PLC,要重视终端电阻的作用.谢谢大家谢谢大家
