分析PLC系统在盾构机中的技术应用

摘要：本文结合实际案例具体分析PLC在盾构机中的应用，能更好地在恶劣环境下可靠工作，能帮助盾构机使用维修人员快速排除故障。

关键词：盾构机;PLC系统设计;应用

Abstract: According to practical application in the specific case analysis in PLC of shield machine, better able to work reliably in harsh environment, can help shield machine repair personnel rapid troubleshooting.

Key words: PLC system of shield machine; design; application

中图分类号：C35文献标识码：A 文章编号：

1、前言

随着城市地铁建设的不断加块，盾构法施工以其优质、高速，安全的优势被广泛应用。盾构机是一种集机械、液压、电气和自动化控制于一体、专用于地下隧道工程开挖的技术密集型重大工程装备。它具有开挖速度快、质量高、人员劳动强度小、安全性高、对地表沉降和环境影响小等优点。但是其体积庞大、系统复杂，内部管路和线路纵横交错，自动化控制系统先进强大。因此，解决盾构机故障是盾构施工中一个比较棘手的问题。如何快速、准确地找到并解决盾构机的故障是我们一直探索和研究的问题。

2、PLC自动控制系统的硬件设计

下面以国家“8 6 3 ”项目――C 型地铁盾构掘进机批量制造为例，设计制造的C 型地铁盾构掘进机P L C 自动控制系统由三菱电机Q 系列P L C 和元件( 如指令元件、执行元件、检测元件及人机界面等) 组成，分为1 个主站、3 个从站，构成一个分区域集散控制系统，P L C 各站的功能如下所述( 参见图1)。

主站设在控制台，接受来自人机界面和指令元件的操作指令，直接控制盾构掘进机1 ＃台车的设备，接受1 ＃站、2 ＃站、3 ＃站送到C C －L i n k 现场总线上的开关量信号和模拟量信号，向C C －L i n k 现场总线下传1 ＃台车的开关量信号和模拟量信号，向1 ＃站、2 ＃站、3 ＃站发出操作指令，与上位计算机进行通信。共有开关量输入1 2 8 点，开关量输出3 2 点，模拟量输入8 点，模拟量输出8 点。

1 ＃站设在1 ＃低压配电柜内，接受主站的操作指令，接受主站、2 ＃站、3 ＃站送到C C －L i n k现场总线上的开关量信号和模拟量信号，控制盾构2 ＃台车与3 ＃台车的设备，向C C －L i n k 现场总线上传2 ＃台车与3 ＃台车的开关量信号和模拟量信号。共有开关量输入1 2 8 点，开关量输出6 4 点，模拟量输入16点，模拟量输出8点。

2 ＃站设在位于2 ＃低压配电柜内，接受主站的操作指令，接受主站、1 ＃站、3 ＃站送到C C －L i n k 现场总线上的开关量信号和模拟量信号，控制盾构4 ＃台车与5 ＃台车的设备，向C C －L i n k 现场总线上传4 ＃台车与5 ＃台车的开关量信号和模拟量信号。共有开关量输入6 4 点、开关量输出3 2点、模拟量输入8点。

3 ＃站设在拼装控制箱内，接受主站的操作指令，接受主站、1 ＃站、2 ＃站送到C C －L i n k 现场总线上的开关量信号和模拟量信号，控制盾构本体和拼装区域的设备，向C C －L i n k 现场总线上传盾构本体和拼装区域的开关量信号和模拟量信号。共有开关量输入1 6 0 点、开关量输出1 2 8 点、模拟量输入24点、模拟量输出8点。

为了提高P L C 自动控制系统硬件的可维修性，各站统一选用3 2 点的Q X 4 1 开关量输入模块，统一选用3 2 点的Q Y 4 1 P 开关量输出模块，选用8 路输入的Q 6 8 A D I 和Q 6 8 A D V 模拟量输入模块，统一选用8 路输出的Q 6 8 D A I 模拟量输出模块，统一选用2 2 0 V 供电的Q 6 1 P －A 2 电源模块，主站和3 ＃站选用Q 0 2 H C P U 模块，1 ＃站和2 ＃站选用Q 0 1 C P U模块。另外选用1 2 i n 的A 9 8 5 G O T －T B A 人机界面，选用工业级的监视计算机。这样配置系统的优点是可以最大限度地减少P L C 备件种类和数量，简化了P L C 自动控制系统，在提高P L C 自动控制系统可维修性的同时降低了造价。

3、PLC自动控制系统的通信网络设计

3.1. PLC站间通信网络选型

P L C 站间通信网络的类型关系到P L C 自动控制系统在恶劣环境下的工作能力。我们曾经使用过75 Ω同轴电缆站间通信网络，在盾构掘进机的高电磁干扰环境下通信频繁误码，P L C 自动控制系统通信可靠性下降。误码严重时，P L C 自动控。作为在工厂P L C 自动控制系统和楼宇P L C 自动控制系统中常用的控制层M E L S E C N E T / H 网络，在盾构掘进机恶劣环境下不再适用。而作为下级的设备层C C －L i n k 网络，在盾构掘进机恶劣环境下的工作能力达到设计要求，可靠性、适用性、可维修性均符合使用要求，优势明显，为盾构掘进机P L C 自动控制系统首选的站间通信网络。

3.2. 网络结构

通信网络底层采用抗电磁干扰能力强、制作维护方便的C C －L i n k 网络，用于P L C 站间通信( 参见图1 ) ，网络接入模块为Q J 6 1 B T 11 ，传输媒介是双绞电缆，传输速率156Kbit/s～10 Mbit/s，156 KB传输速率时最大传输距离为1 200 m，10 Mbit/s传输

速率时最大传输距离为100 m，连接从站数最多可扩展到64个，通信网络可靠性高，适用性强，可维修性好。

通信网络上层选用互通互连性能好的以太网络，用于P L C 与上位监视计算机间的通信，网络接入模块为QJ71E71，支持TCP/IP和UDP/IP通信协议，传输媒介是5 类通信线，传输速率1 0 M b i t / s ，传输距离为100 m，通过Modem转换电平后传输距离目前已经达到1 500 m，适用性好。

值得指出的是任意一地的远程计算机可用拨号方式与网络内的任意一个P L C 站进行无缝通信，接入设置为普通的M o d e m ，传输媒介是公共电话线，传输速率5 6 K b i t / s ，传输地点和传输距离没有限制。由于采用M o d e m 点到点通信，与公网物理隔离，安全性好，采用公共电话线，网络变化不受限制。

4、PLC自动控制系统的软件编制技巧

4.1. 提高恶劣环境下的可靠工作能力

提高P L C 自动控制系统在恶劣环境下可靠工作能力的软件编制技巧涉及两方面：一是将主要自锁和互锁等联锁在主站和3 个从站重复编程，在此不展开讨论。二是编制一套自动纠错程序，将P L C 通信误码和盾构掘进机系统故障、使用人员的错误操作等非正常停机动作自动纠正为正常动作。

以刀盘电动机非正常停止为例( 参见图2 ) ，当P L C 通信误码和盾构掘进机系统故障、使用人员的错误操作等非正常停机动作发出刀盘电动机非正常停止指令时，自动纠错程序能够将非正常停止指令纠正为先卸载然后刀盘电动机停止最后刀盘辅助电动机停止。这样就提高了P L C 自动控制系统可靠性。

4.2. 帮助使用维修人员快速排除故障

引起盾构掘进机故障的原因可能是电气类故障，也可能是液压类故障。为了帮助盾构掘进机使用维修人员快速排除故障，编制了故障声音报警程序，利用蜂鸣器不同的报警声快速确定故障类型。对于诸如断路器跳闸、热继电器动作等电气类故障，编制相应的自诊断程序在人机界面画面上进行实时显示，用闪烁的方框表示断路器跳闸，用闪烁的圆框和方框表示热继电器动作。对于诸如液压滤油器堵塞、液压油位低等液压类故障，同样编制相应的自诊断程序在监视计算机实时信息画面显示，用红色的方框表示故障。

借助于故障自诊断程序和声光报警信号，盾构掘进机使用维修人员可以方便地确定故障类型和故障点，提高了构掘进机的可维修性。

5、结语

总而言之，PLC控制系统的促进对工程施工安全、质量和进度起到有效促进，能更好地在恶劣环境下可靠工作，能帮助盾构机使用维修人员快速排除故障。可进一步提高设备利用率和降低设备使用成本，为企业取得更多的社会和经济效益。

参考文献：

相关文章

1.CC－Link在隧道掘进机上的应用――《电气时代》2006年第2期

2.PLC在半连续液压铸造机中的应用――《电气时代》2006年第4期