PLC在南京長江隧道盾構(gòu)機(jī)上的應(yīng)用

1、plc在南京長江隧道盾構(gòu)機(jī)上的應(yīng)用中鐵十四局隧道公司南京長江隧道第一項目部 劉中華摘要：現(xiàn)代隧道工程中已逐漸廣泛應(yīng)用盾構(gòu)機(jī)施工，而盾構(gòu)機(jī)的自動控制系統(tǒng)多采用可編程序控制器（plc）實現(xiàn)，文中介紹了德國西門子plc在南京長江隧道海瑞克大直徑泥水盾構(gòu)機(jī)上的硬件組態(tài)及軟件組成，運行過程。結(jié)合實例分析plc的應(yīng)用及故障的處理。關(guān)鍵詞：可編程序控制器；盾構(gòu)機(jī)；應(yīng)用the application of plc in nanjing yangtze tbmliu zhonghua 14th engineer bureau group co.,ltd,crccabstract: the tun buildin

2、g machine (tbm) is applied in the modern tunnel projects widely,and the automatic control system of the tbm is realized by the programmable logic controller (plc),it introduce the hardware configuration and software components of the siemens plc,which is manufactured in germany, it also introduce th

3、e process of the system in the nanjing yangtze tbm.analysis with practical examples of the application of plc and malfunction handling.key words: plc;tbm; application1 工程概況南京過江通道是南京城市總體規(guī)劃確定的一條重要的城市過江快速通道，連接南京河西新城區(qū)-江心洲-浦口區(qū)。整個工程通道總長5853m，雙洞雙線六車道設(shè)計，采用“左汊盾構(gòu)隧道+右汊橋梁”方案，其中左汊盾構(gòu)隧道（分為左、右線兩條隧道）江北起點里程為k3+600，江南

4、梅子洲到達(dá)里程為k6+532.756，盾構(gòu)區(qū)間長度為2932.756m，左、右線兩條隧道分別采用德國海瑞克公司生產(chǎn)的兩臺（s349、s350）14.93m泥水加壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工。左、右線隧道分別于2009年5月20日和8月22日貫通，現(xiàn)正在對盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行保養(yǎng)工作。2 盾構(gòu)機(jī)及對控制系統(tǒng)的要求每臺盾構(gòu)機(jī)全長約134米，主體部分約8米，主體部分主要有刀盤、管片拼裝機(jī)、碎石機(jī)；后配套有3臺臺車組成，分別裝有管片運輸?shù)鯔C(jī)、喂片機(jī)、液壓泵站、變壓器、配電柜、泥水罐、儲氣罐、空壓機(jī)；以上各部分組成了由西門子plc控制的液壓推進(jìn)系統(tǒng)、刀盤驅(qū)動系統(tǒng)（電機(jī)變頻調(diào)速）、膨潤土泥水系統(tǒng)、拼裝系統(tǒng)、盾尾油脂加注系統(tǒng)、同

5、步注漿系統(tǒng)、刀盤主軸承自動潤滑及密封系統(tǒng)、工業(yè)水系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng) 和vmt激光導(dǎo)向控制系統(tǒng)，是當(dāng)今隧道掘進(jìn)設(shè)備中自動化集成程度很高的機(jī)械。盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中需要大量的檢測變量和執(zhí)行元件，其中包含了大量的位移傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器液位傳感器和二十多臺變頻器、電動機(jī)以及大量的比例調(diào)節(jié)閥，所以該系統(tǒng)需要很多的輸入輸出點，大量的模擬量信號如1-10vdc、4-20ma、熱電阻等，必須選用功能強大的plc產(chǎn)品作為控制系統(tǒng)且具有快速性、穩(wěn)定性；無風(fēng)扇運行與集中/分布式信號模塊的熱插拔性；高效的組態(tài)與本產(chǎn)品和圖形工程工具的高級語言相兼容；所有數(shù)據(jù)、程序原代碼和用戶專用數(shù)據(jù)存儲在cpu中；滿

6、足施工過程中的供電中斷和故障保護(hù)等特殊要求。3 盾構(gòu)機(jī)控制系統(tǒng)組成該盾構(gòu)機(jī)的plc控制系統(tǒng)分為兩大部分。一部分是由simatic s7-300組成的三個吊機(jī)（中箱涵吊機(jī)、管片運輸?shù)鯔C(jī)、管片轉(zhuǎn)運吊機(jī)）的控制系統(tǒng)，其硬件及控制程序都是單獨的，其硬件就是由s7-300系列中cpu315-2dp組成的控制系統(tǒng)，管片轉(zhuǎn)運吊機(jī)plc硬件組態(tài)見圖1；另一部分就是由cpu 414-2dp為主站組成的simatic s7-400盾構(gòu)機(jī)plc控制系統(tǒng)。后一部分是盾構(gòu)機(jī)plc的核心部分。圖1管片運輸?shù)鯔C(jī)plc硬件組態(tài)圖simatic s7-400 plc控制系統(tǒng)上位機(jī)（隧道內(nèi)中央控制室監(jiān)控操作系統(tǒng)）采用工業(yè)用計算機(jī)

7、，配置為p1100、512m內(nèi)存、40g硬盤、兩個21顯示器，運行英文windows xp操作系統(tǒng)，組態(tài)軟件為graphpic7.1英文版，通過西門子的profibusdp與下位機(jī)通訊；下位機(jī)采用s7-400系列中的cpu414-2dp。由于整個處理工藝的面積比較大，控制回路多，為了避免鋪設(shè)大量的控制線路，所以采用西門子的從站模塊將一部分i/o放置在距離中心控制室較遠(yuǎn)而控制點又比較集中的地方（如采用et200將在地面膨潤土泥水場，距隧道內(nèi)盾構(gòu)機(jī)最遠(yuǎn)有3000米的p1.1a、p1.1b泥水泵實現(xiàn)電機(jī)變頻調(diào)速及信息反饋；采用西門子的 et300模塊將離盾構(gòu)機(jī)較遠(yuǎn)的p2.3、p2.2泥水泵實現(xiàn)電機(jī)變

8、頻調(diào)速及信息反饋等），該盾構(gòu)機(jī)與以前盾構(gòu)機(jī)的通訊不通所有通訊都利用西門子的profibusdp通訊協(xié)議形成遠(yuǎn)程i/o。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示：et200(p1.1a泥漿泵)et200(p1.1b泥漿泵)et300(p2.1泥漿泵)et300(p2.3泥漿泵)et300(p2.2泥漿泵)拼裝機(jī)旋轉(zhuǎn)角度傳感器拼裝機(jī)旋轉(zhuǎn)角度傳感器et200（mdb1配電柜）地面監(jiān)視計算機(jī)上位機(jī)下位機(jī)plc （cpu414-2dp）vmt導(dǎo)向系統(tǒng)圖2控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)示意圖profibus-dp網(wǎng)絡(luò)處理來自dp網(wǎng)絡(luò)中的傳感器或與從站中的模塊信息共享的功能，實現(xiàn)自動化中現(xiàn)場執(zhí)行元件間的通訊任務(wù)；對于系統(tǒng)中拼裝機(jī)和刀盤的旋轉(zhuǎn)角

9、度需要隨時檢測，并與系統(tǒng)中設(shè)定的限制值進(jìn)行比較，保證在失電又恢復(fù)供電后能記憶當(dāng)前讀數(shù)，利用profibus-dp接口的現(xiàn)場總線輸出，受外界干擾小，傳感器的精度主要取決于編碼器的分辨率，它采用二進(jìn)制編碼，可滿足施工工藝的要求。地面監(jiān)視系統(tǒng)是通過地面監(jiān)視計算機(jī)與隧道內(nèi)工業(yè)用計算機(jī)連接起來，可以通過windows xp系統(tǒng)自帶的遠(yuǎn)程登錄功能，以實現(xiàn)在地面上就可以對隧道內(nèi)盾構(gòu)機(jī)運行狀態(tài)的監(jiān)視。vmt導(dǎo)向系統(tǒng)能按照隧道工程設(shè)計的軸線，將施工工藝過程以形象生動的動態(tài)顯示坐標(biāo)展現(xiàn)給盾構(gòu)司機(jī)，并能將從plc獲得的相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行運算處理得出施工所需要的數(shù)據(jù)（如盾尾間隙、管片選型、拼裝點數(shù)等）。本系統(tǒng)中采用plc的

10、dp接口與裝有cp5611通訊卡的vmt電腦進(jìn)行通訊，實現(xiàn)實時的從plc中獲取相關(guān)施工數(shù)據(jù)，以便于施工。4 simatic s7-400 plc控制系統(tǒng)硬件組態(tài)simatic s7-400 plc控制系統(tǒng)主體放在中心控制室的電柜中。 如圖3所示，該系統(tǒng)硬件由一個18槽的主機(jī)架ur1 和四個18槽的擴(kuò)展機(jī)架er1及下掛一個p1.1a泥水泵（et200）、一個p1.1b泥水泵（et200）、一個p2.1泥水泵（et300）、一個p2.2泥水泵（et300）、一個p2.3泥水泵（et300）、mdb1電柜的兩個et200、一個拼裝機(jī)旋轉(zhuǎn)角度檢測傳感器編碼器和一個刀盤旋轉(zhuǎn)角度檢測傳感器編碼器及各中繼器

11、。各機(jī)架之間通過5個接口模塊im460-3連接起來。根據(jù)隧道工程施工要求，plc主機(jī)電源選用冗余電源；現(xiàn)場操作控制與管理控制級形成網(wǎng)絡(luò)；plc站能夠接收監(jiān)控計算機(jī)的時鐘同步信號來記錄和報送動作順序及故障信息；數(shù)字量和模擬量的輸入輸出點數(shù)滿足控制工藝要求，保留不少于20%的備用點；并且要能接受拼裝機(jī)和刀盤的旋轉(zhuǎn)角度檢測傳感器的絕對式編碼器；為滿足以上要求系統(tǒng)采用帶mpi和dp接口的cpu414-2dp和一塊cp443-1通訊模塊。圖3 simatic s7-400 plc 硬件組態(tài)5 結(jié)合實際故障分析simatic s7-400 plc控制系統(tǒng)程序盾構(gòu)機(jī)plc的軟件是simatic manage

12、r軟件，在組裝盾構(gòu)機(jī)時海瑞克公司電氣工程師，用裝有simatic程序的專門隨盾構(gòu)機(jī)配備的pg將硬件組態(tài)好且將程序下載到下位機(jī)中。在施工過程中， plc程序不停的循環(huán)運行，檢測到某個傳感器故障或超出設(shè)定限制值時，都會在上位機(jī)上出現(xiàn)報警提示或報警急停。首先解釋一下實際的plc上標(biāo)記，如圖4和圖5分別是控制室配電柜內(nèi)plc的輸入點與輸出點，也就是所謂的硬件組態(tài)的輸入i與輸出q，但在實際作標(biāo)記時用的是德語eingeben的首字母e和ausgeben的首字母a，模擬量輸入標(biāo)記為pew，也就是程序中的piw，而且在程序中有很多標(biāo)注都用到了德語，對我們沒有學(xué)過德語的人可以用靈格斯翻譯軟件對其翻譯。圖4 pl

13、c輸入點標(biāo)記 圖5 plc輸出點標(biāo)記5.1上位機(jī)出現(xiàn)“.11/27.2 partial flow filter tank1”報警這樣的報警對有經(jīng)驗的工程師來說，一看可能就知道是哪的故障，但對于不熟悉或從未出現(xiàn)過的故障我們可以按照以下方法解決。從提示上可以看出，這是有輸入點提示的，我們可以直接按“.11/27.2”找到電氣圖紙的第11部分的27頁的第2列。如下圖圖6電氣圖紙所示，可以看到“.11/27.2”是液壓油箱tank1的旁通冷卻濾芯傳感器。我們首先想到的是濾芯臟了。如果更換內(nèi)濾芯后還是報警，通過圖6找到對應(yīng)的plc輸入點“=9-9d4”的“e13.7”即程序中的“i13.7”，用隨機(jī)配備

14、的pg連接到plc。圖6 “.11/27.2”電氣圖紙如下圖圖7所示，從程序中可以看出在正常掘進(jìn)情況下plc的輸入點“=9-9d4”的“e13.7”是亮的，也就是圖6中傳感器-27b2是得電的、閉合的，我們可以檢查傳感器或線路進(jìn)行排除。圖7 “i13.7”程序圖5.2上位機(jī)出現(xiàn)“db50.dbx34.0”報警對于這樣沒有輸入點提示的報警，可以通過simatic s7程序，如圖8可以查到“db50.dbx34.0”在程序fb50的network21中。圖8 “db50.dbx34.0”在程序中的位置如圖9所示，程序fb50找到“db50.dbx34.0”，從程序注釋中可以看出是連續(xù)復(fù)位導(dǎo)致報警提

15、示。圖9 fb50中“db50.dbx34.0”程序圖5.3 simatic s7軟件在線監(jiān)視功能假如我們不確定某個傳感器是好還是壞，或者是不方便找到傳感器時，可以通過simatic的在線監(jiān)視功能。如圖10中pg和plc連接好后，點擊黑色圈中小眼鏡就可在線監(jiān)視運行情況，也就可知道i0.3的狀態(tài)，從而判斷輪對位置傳感器的好壞。圖10 右前方輪對限位中斷掘進(jìn)程序段6 小結(jié)目前兩條隧道都已順利貫通，通過實際應(yīng)用可以證明該控制系統(tǒng)中的硬件和軟件配置先進(jìn)，如西門子simatic s7-400plc等。該系統(tǒng)是目前國內(nèi)較大的應(yīng)用西門子產(chǎn)品的隧道施工生產(chǎn)系統(tǒng)，自投產(chǎn)以來運行可靠，工程質(zhì)量好。在施工生產(chǎn)中通過自己的摸索學(xué)習(xí)、進(jìn)一步的體會，漸漸對本系統(tǒng)有了較深的了解，希望對以后使用或研究該系統(tǒng)的同行有所幫助，但