土壓平衡盾構機電氣系統(tǒng)概述及電氣故障處理方法與心得[權威資料]

土壓平衡盾構機電氣系統(tǒng)概述及電氣故障處理方法與心得 本文檔格式為 WORD,感謝你的閱讀。 摘要 :近年來，隧道及地下空間的大發(fā)展，促進了盾構施工技術的飛速進步，作為盾構法施工的主角，現代盾構機集機、電、液、氣、傳感、信息技術于一體，是一種綜合技術很強的隧道開挖施工機器。盾構施工過程包括土體挖掘、渣土改良、渣土傳送、同步注漿、管片拼裝以及測量系統(tǒng)等，這些過程都通過盾構機的 PLC 控制、觸摸屏、變頻器、氣動、液壓等來實現盾構掘進中各個環(huán)節(jié)的自動化。高自動化 控制是現代盾構機的主要特點。但它也為盾構機的安裝、調試、運行、維修以及改進帶來了很大的困難。因此解決盾構機故障也是盾構施工中一個比較棘手和重要的問題。如何快速、準確地檢查并解決盾構機的故障是我們一直探索和研究的問題。本文結合日本 JTSC(原 IHI)土壓平衡盾構機特點和北京地鐵十號線二期第十標段以及南水北調東干渠工程第七標段盾構掘進過程中的盾構維修經驗，重點介紹JTSC(原 IHI)盾構機的電氣系統(tǒng)組成和電氣故障處理方法、心得體會。 關鍵詞： 盾構機電氣系統(tǒng)故障排除 F407 A Abstract : In recent years , large tunnels and underground space development , and promote the rapid progress of shield construction technology , as the protagonist of shield construction , modern shield machine mechanical, electrical , hydraulic, pneumatic , sensing, information technology in one is a highly integrated technology tunnel excavation machines. Shield construction process , including soil excavation, muck improvement, sediment transfer , synchronous grouting, tube sheet assembly and measurement systems , these processes through the shield machine PLC control, touch screen, inverter , pneumatic , hydraulic etc. shield tunneling achieve all aspects of automation . High automation and control are the main features of modern shield machine . But it also shield machine installation , commissioning, operation , maintenance and improvements brought great difficulties. So to solve the TBM shield construction faults is also one of the more difficult and important problem. How to quickly and accurately check and troubleshooting shield machine is what we have to explore and study. In this paper, Japanese JTSC ( original IHI) EPB shield machine characteristics and Beijing Subway Line two tenth tenders and diversion canal project East Seventh tenders during tunneling shield repair experience , focusing on JTSC electrical Systems (formerly IHI) shield machine composition and electrical troubleshooting methods , and experience. Keywords : shield machine electrical system troubleshooting U226.8+1 A 一、電氣系統(tǒng)組成 盾構機的電氣系統(tǒng)主要分為供配電系統(tǒng)、電機控制系統(tǒng)、 PLC 自動控制系統(tǒng)、計算機控制及數據采集系統(tǒng)等。 1、供配電系統(tǒng) 盾構施工是參考工廠式的流程化作業(yè)施工，盾構機的供配電系統(tǒng)設計原則也是參照工廠供配電原理設計的。供配電系統(tǒng)分為高壓系統(tǒng)和低壓系統(tǒng)，其用電設備列表 1如下： （ 1）高壓系統(tǒng) 由上述電力負荷計算可知，盾構機用電量大，且供電距離較長， JTSC(原 IHI)盾構機采用 10KV 盾構專用電纜從地面高壓配電柜直接接入盾構機后配套臺車的 ZBW-1400KVA10/0.4kV 箱式高壓變電柜內，再向盾構機上各設備以及洞內其他用電設備供電。這種方式不僅供電可靠性高，而且盾構機出現故障時不影響施工現場附近的城市用電。 （ 2）低壓系統(tǒng) JTSC(原 IHI)盾構機的低壓配電電壓為380/220/100V，采用三相四線制的保護接零方式，在變壓器的低壓側，共用地線和中性線，把盾構機各個用電設備的外露不導電部分和臺車與地線直接相連，這種 N 線與 PE 線合一的變壓器中性點接地系統(tǒng)叫 TN-C 系統(tǒng)。同時盾構機的各個用電設備采用放射性供電方式，任意一回 路出現故障都不會影響其他回路的工作。 盾構施工環(huán)境潮濕且較狹窄，容易發(fā)生漏電危險，盾構機采用的是各個設備的外露不導電部分都與地線相連的配電保護形式，當設備絕緣損壞外殼時，就通過地線形成回路產生短路電路，從而使保護裝置迅速動作，切斷漏電設備的電源，以保障人身安全。 1.2、電機控制系統(tǒng) 盾構機中電動機的數量多，容量大小不一。故其控制應根據容量及負載的不同而異。盾構機中電動機的控制主要有啟動控制和調速控制。 （ 1）啟動控制 盾構機中的傳動電動機基本為交流電動機 由于交流電動機對電源電壓的波動較敏感，故應減小電動機啟動時電源的波動。盾構機中電動機的啟動方式主要有變頻啟動、星 -三角啟動和直接啟動。由于刀盤電機（ 10 個電機，每個電機55KW）、注漿系統(tǒng)電機和土體改良系統(tǒng)電機，用電量較大，如采用直接啟動，會產生極大的沖擊電流，為了避免啟動電流對電網的沖擊，采用軟啟動模式啟動（變頻器啟動），且能隨時改變電機的轉速。對于盾構啟動柜內的中型功率的各油泵電機采用星 -三角啟動，啟動電機時，控制接觸器用星型連接，此時工作電流只有正常運行時的 1/3，啟動一分鐘左右（由時間繼電器控制）， 控制接觸器轉換成三角形連接方式運行。以上兩種控制方式經濟、簡便并且能到達減小啟動電流的目的。同時還有一些小功率電機一般都采用直接啟動模式啟動，如清洗水泵電機和管片吊裝電機等。 （ 2）調速控制 盾構機中大量的電動機在工作時需要進行調速，如盾構機刀盤驅動電機、注漿系統(tǒng)電機和土體改良系統(tǒng)電機等，它們采用變頻調速。變頻調速廣泛應用于盾構機的電動機控制系統(tǒng)，它通過改變頻率進行調速。根據需要調節(jié)的指標來改變頻率。由于采用變頻調速的大容量電動機能夠產生較大的啟動轉矩變頻調速還解決了電動機的啟動問 題。 1.3、 PLC 自動控制系統(tǒng) 盾構機是一個機、電、液、氣一體化的隧道開挖施工機械，是大型化、自動化、流程化的大型連動機械。由于其控制環(huán)節(jié)多，工序復雜，并且相互關聯(lián)，相互影響，任何一個環(huán)節(jié)出現故障都將影響正常掘進甚至停機修理，為了保障盾構機工作的高度可靠性、安全性和易維護性，其控制系統(tǒng)采用了 PLC 可偏程控制系統(tǒng)。 PLC 可偏程控制系統(tǒng)具有系統(tǒng)功能強、可靠性高、抗震性能好、編程容易、修改方便、擴充維修容易等一系列優(yōu)點。 2 采用 PLC 可編控制系統(tǒng)的特點是盾構機上所有 傳感器和控制信號等都輸入到 PLC 輸入模塊，所有輸出信號都由 PLC輸出模塊發(fā)出的。方便建立各種連鎖關系。因此 PLC 可編控制器是盾構機的控制中樞，亦是盾構機的大腦和心臟。 JTSC(原 IHI)盾構機的 PLC 自動控制系統(tǒng)主要由地面監(jiān)控室的監(jiān)控電腦、盾構機上的電腦以及各種傳感器、三菱 PLC系統(tǒng)和演算工房測量系統(tǒng)組成（如圖 1-1）。 圖 1-1 盾構機自動控制系統(tǒng) （ 1） PLC 系統(tǒng)組成 PLC 系統(tǒng)主要由 CPU 模塊、通信模塊、信號模塊、智能I/O 模塊、功能模塊和電源模塊組成。 PLC 控制系統(tǒng)在盾構機上的應用如圖 1-2 所示： 圖 1-2 PLC 系統(tǒng)圖 （ 2） PLC 的工作方式 PLC 是采用順序掃描、不斷循環(huán)的方式進行工作的。PLC 的掃描工作過程可分為輸入采樣、程序執(zhí)行和輸出刷新 3個階段，并進行周期性循環(huán)。具體如圖 1-3 所示。 CPU 從第一條指令開始執(zhí)行直到結束符號返回第一條指令，如此循環(huán)。即在系統(tǒng)軟件控制下，順序掃描各輸入點狀態(tài)，按用戶程序進行運算處理，然后順序向輸出點發(fā)出相應控制信號。 圖 1-3 PLC 的工作方式 1.4、計算機控制及數據采集 系統(tǒng) 計算機控制及數據采集分析系統(tǒng)主要用于參數設置和數據采集分析，數據采集分析就是采集、處理、存儲、顯示和評估與盾構機聯(lián)網所獲得的數據。所需硬件系統(tǒng)主要包括計算機、調制解調器、轉換器及數據傳輸電纜等。 二、盾構機電氣故障處理方法與心得 盾構機掘進系統(tǒng)的控制，多數是采用智能控制方法，所以盾構機上面的傳感器、電磁閥等電子元件較多，線路連接復雜，電氣設備繁多，所以出現問題時要整體去把握研究問題的起因和處理方法。 2.1、解決問題的原則 先簡后繁、由外到內，先檢查電 源，隨后再檢查外部線路。一般情況下 PLC 程序出問題比較少，對于電氣故障要先從簡單的地方查起，當外部可能出現的故障點都排除后，才去考慮 PLC 可能出現的問題。 3 2.2、常見故障的種類及排除方法 在日常掘進的維保過程中 電氣方面的問題主要有以下幾種。 （ 1） 電氣元器件損壞 電氣元器件比如傳感器、接觸器和電磁閥等會出現故障如損壞或者燒掉導致不能正常工作。 案例（ 1） 2011 年 10 月 18 日，故障狀態(tài)：因故盾構停機半天，當重新啟動盾構機準備掘進時，發(fā)現所有準備工 作做完后，點擊推進的啟動按鈕，盾構機上所有油泵電機和刀盤電機全部停止。報警界面顯示控制 ELB 跳閘，即操作電路漏電自動斷路器跳閘。 我們的第一反應就是去 MP 柜合閘，合閘后重啟盾構機，還是出現上述問題，于是我們開始檢查其線路，發(fā)現相關電纜沒有破損和斷裂的地方，接頭亦沒有松動，這時候我們想到控制推進油缸的電磁閥是不是出現故障，因為 16 個推進油缸被分成上下左右 4 個區(qū)，每個區(qū)由一個電磁閥塊控制，電磁閥塊上的每個電磁閥都是單獨控制一個推進油缸。我們從上到下，從左到右的順序開始檢查每一個電磁閥，當檢查到下面一組 電磁閥時，發(fā)現這組電磁閥位于盾構機下面，被水浸泡了。找到原因后，我們立即組織人員先將水抽干凈，再將這組電磁閥一個個拔出來用電吹風吹干重新裝上，重新啟動盾構，恢復正常。 （ 2）連接線路出現問題 電氣元件跟模塊之間連接，或者通訊網絡之間連接出現故障如接觸不良或者短路會導致數據傳輸不順暢無法把信號傳到 PLC 的數據處理模塊中。 案例（ 2） 2013 年 9 月 3 日，故障狀態(tài)：推進過程中，盾構機突然停止，報警界面顯示省配線裝置異常，即通訊模塊連接異常。 操作說明書上提示省配線有關的單元 錯誤或電纜斷裂。我們打開有關省配線的調試界面，發(fā)現位于 MP 柜和第二節(jié)臺車上的 JBK 電器柜內的 PLC 模塊顯示為紅色。我們先對線路進行檢查，采用萬用表進行排查，包括接頭處，發(fā)現沒有問題，再對各個模塊進行更換檢查，也沒有查出問題所在。通過咨詢廠家技術人員，他們建議我們更換通信電纜，換線后，恢復正常。他們給我們的解釋：有可能通信電纜內部分受損，特別是電纜屏蔽層受損，與強電電纜布置在一起，信號受到電磁干擾。 （ 3） PLC 程序部分出錯或丟失 程序出錯會使得當正常操作時，命令已通過 PLC 的輸入模塊輸入 到處理器，但是不按正常的程序運行，導致程序之間矛盾或者輸出不正確，不能正常工作，程序丟失則會讓某個 PLC 接口模塊連接不上數據，或者全部 PLC 模塊連接不上，導致顯示屏上面顯示都是問號 4。 案例（ 3） 2013 年 12 月 5 日，故障狀態(tài)：盾構掘進過程中，操作觸摸屏左側一個突然黑屏，但電源指示燈有顯示，關掉觸摸屏電源重啟，發(fā)現該觸摸屏能顯示但不能操作，且一點擊某個按鈕，再次黑屏。無故障信息。 由于左右兩個觸摸屏顯示與操作功能一樣，出現這種故障，我們第一個想到的是將兩者的數據線對調，但情況一樣，故 障沒有解除，然后以為觸摸屏硬件出現問題，我們立刻聯(lián)系 proface 觸摸屏廠家技術人員，要求他們提供技術支持，當他們得知觸摸屏有電源指示以后，他們立刻否定了硬件故障，而是觸摸屏物理地址出錯，然后在他們的幫助下我們進入了觸摸屏的調試界面，果然如他們所說，物理地址由原來的 0015H 變成了 0115H。改過來之后，重啟觸摸屏，恢復正常。由于之前從沒有出現過此類問題，施工現場也沒有幾個人會進入這個調試界面，我們推測應該是觸摸屏內部程序出現錯誤。 2.3、心得體會 通過上面的案例可知：（ 1）我們對于盾 構機的維修和日常維護，首先要熟悉它的工作原理和電氣、液壓、機械之間的關聯(lián)情況，以及設備各系統(tǒng)中每個零部件所起的作用，只有這樣才能快速準確地解決問題。（ 2）維修設備應遵循先“ 看 ” 后 “ 想 ” 再 “ 動手 ” 的原則，機器出現故障時首先要看清楚是什么故障，是否是因為機械、液壓或其他部分原因造成的，不要盲目動手，以免影響維修速度甚至將問題擴大化，找到問題根源后再動手。這樣往往可以達到是事半功倍的效果。（ 3）維修設備時應先外后內，首先檢查電線是否破皮、斷裂、脫落、水泡等明顯問題，往往簡單明顯的問題最容易被忽視。（ 4）另外設備的 日常維護、保養(yǎng)也相當重要，正確到位的保養(yǎng)可以降低設備的故障率、提高設備使用壽命進而增產增效。同時由于盾構施工環(huán)境盾構施工環(huán)境狹窄、潮濕，對電氣設備和電氣柜還應做好防水防潮工作。當然對于現場操作人員進行有效的培訓工作，往往許多電氣故障是由于不當操作引起的。（ 5）設備故障解決后最好做個詳細記錄，什么問題；維修過程及結果。以后再遇到類似問題看一看記錄，這樣可以節(jié)約時間，提高效率。也可以使其他維修技術人員單獨排除故障時有據可依，少走彎路。 盾構施工工期緊，施工環(huán)境惡劣，盾構機出現故障必不可免，一旦發(fā)生故障 勢必影響盾構施工進度與工程效益。盾構機上面的電氣連接和控制系統(tǒng)相當于盾構機的神經網絡，作為盾構機使用單位電氣技術人員，通過對盾構機電氣系統(tǒng)組成和核心的控制部分進行不斷的學習和實踐，掌握盾構機電氣原理和 PLC 控制技術，在熟練掌握電氣圖紙和 PLC程序的基礎上，利