探讨PLC在地铁盾构掘进机中的应用

摘要：本文主要介绍可编程序控制也就是通常人们简称的PLC，它在地铁盾构施工中盾构机上的硬件及软件组成。并结合两个实例对PLC在盾构机中的应用进行简要分析。

关键词：PLC；盾构；自动化；应用

中图分类号：U231+.2 文献标识码：A 文章编号：

盾构技术是目前世界上用于隧道施工的最先进的技术之一，它主要适用于环境复杂的城市地铁施工。了解PLC能帮助盾构机使用维修人员快速排除故障。因此有必要进一步了解盾构机中的PLC控制系统。本文以德国海瑞克盾构机为例，叙述其核心自动化控制系统的综合应用。

一、实例一

广州市盾建地下工程有限公司使用2台德国海瑞克公司的土压平衡式盾构机，分别担负广州地铁三号线市- 番区间左右隧道的掘进任务。它配备了机电一体化液压系统、同步注浆系统、泡沫发生系统、膨润土加注系统、密封主轴承自动系统和 SLS-T 隧道激光自动控制系统，是当今隧道掘进设备中自动化程度较高的机械，由 PLC 进行控制。

1、PLC系统的组成

在PLC 系统中它的组成主要包括以下几个部分，工控机、调制解调器、PLC运行及储存器、传感器等输入部分及各类电继电器等输出部分，见图 1。SIMATIC Man-ager 是S7-PLC 自动控制程序的管理程序，安装在地面监控室的工控机（上位机）内，通过一台在监控室的调制解调器和一台安装在盾构机调制解调器相互译制，与盾构机的 PLC 串口相连，从而监控和控制 P L C 运行，同时上位机也起着掘进参数数据保存作用，方便操作人员使用和维护。

图1控制系统组成图

PLC 系统的软件主要有地面监控室电脑上的操作系统，SIMATIC Manager 程序，Netpro程序及监控程序PDV，以及安装在盾构机PLC 上的控制程序。

2、PLC系统运行

在可编程序控制运行时，要想使其进一步工作，就要按照设定的程序进行，这些设定程序一定要满足一些要求，不然程序就不能往下运行，设备停止运行，同时会将错误信息显示在操作室的电脑上。我们按照显示的错误信息及代码去查找故障原因，即 P L C 是否正常输入、PLC 是否正常输出、前后输入/ 输出设备是否正常、连接线路是否良好。这样分段分析、仔细排查，故障会很容易得到解决。

在盾构机中，以中心回转体 EP2 脂加注系统为例，说明S7-PLC 自动控制程序在盾构机故障排除中的应用。在盾构机中，EP2 加注系统属于较复杂且很重要的部分，包含螺旋机密封、球轴承密封、中心回转体密封等部位的自动密封。本系统的正常运行与否不仅关系到盾构机能否顺利运行，同时对延长设备使用寿命起着很重要的作用。EP2 加注系统是压缩空气通过由 PLC 控制的电磁阀为气动泵提供动能来源，输入气压和输出油脂压力的比值是1∶50，即1bar 的气压能产生50bar的油脂压力。通常将压缩空气的压力调节为1.5～2.0bar，即油脂压力为75～100bar，足以克服油脂在管内的损耗，保证输送到盾构机上的多个油脂分配阀时有足够的压力，再由油脂分配阀非均匀的将油脂输送到需要被的部位，达到自动效果，如图2。油脂分配阀在系统中起着重要作用，它的结构组成如图3 所示。其工作过程：当设备启动时，PLC 发出指令为二位二通电磁阀通电，如图 4 ，具有压力的油脂进入油脂分配阀，开始进行油脂分配；在此种情况下，分配阀所分配的油脂量可以通过控制阀芯的冲程数进行计算，阀芯的冲程数通过脉冲传感器输入到P L C ，如图 5 ；当累积到一定量的冲程数时，PLC 发出指令，停止向电磁阀通电，油脂分配阀的进口关闭，油脂分配结束。当下个指令发出时，照此重复进行。

图2EP2系统原理图图3油脂分配阀组成

1- 脉冲传感器；2- 注入回转体1- 阀板；2- 电磁阀；3- 阀芯；4- 脉冲传感器

油管；3- 油脂分配阀及阀板； 5-阀块(定量块)

4- 电磁阀；5- 压力表；6- 压力

油脂管；7- 气动压力注油泵；

8-压缩空气管路

图4PLC控制电磁阀电路图

图5脉冲信号传回PLC图

3、故障排除实例

在盾构机操作室的电脑上，显示中心回转体油脂系统故障，通过利用PLC 程序和显示的错误信息，查得是油脂分配阀的输出无信号。将冲程传感器拆除，将一直径与传感器内径相差不多的金属棒体插入其中，作活塞式往复运动，可以从PLC 输入指示灯看出，传感器能正常工作，随后将其中的一条输出油脂管拆除，手动进行注脂，油脂还是不能注出；后将分配阀整体拆下，在机修房拆开检查、清洁，最后在清理阀板时，从阀板孔中取出一颗细小砂子（直径约1mm），再次安装到盾构机上，试机正常，原来是机修工在更换油脂桶时，操作不慎，有杂物掉入油脂桶，导致了此故障的发生。

二、实例二

在盾构施工中，盾构掘进控制层配备核心部分PLC采用的是西门子公司的高性能模块化$7-400系列PLC，原始数据在此进行采集，各种控制调节命令最后都在此发出，因此PLC可称为整个监控系统中重要的、对可靠性要求很高的“一线”控制设备。

1、S7—400PLC与特点

①强劲的CPU处理功能。②适合于中大型应用。③丰富的扩展模块。④诊断功能。CPU的智能化诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件(例如：超时，模块更换等等)。⑤ 支持可选的存储卡。⑥ 集成多点接口(MPI o MPI用于同时连接编程器、PC机、人机界面系统及其他，SIMATICS 7 7等自动化控制系统。本系统中采用的CUP模块CPU414支持32个MPI连接，数据传输速度187．5kbps，最大12Mbps。⑦ 扩展CP443—1以太网功能接口模块(PROFINET oPROFINET使用10—100M 以太网和TCP协议的编程设备／PG／VMT联系。

2、S7—400PLC与监控系统的通讯方式

盾构机综合自动化系统的网络结构是一个基于以太网联接和调制解调器的实时通讯网。在盾构掘进控制层，也可称为操作手工作站。操作手通过控制面版，对PLC发出指令，PLC通过100M快速以太网进行连接，采用标准TCPAP通信协议，将采集的数据传输给PG60工控机的GraphPic参数置系统及VMT测量系统，两系统进行标度变换、越限报警、数据打包等处理后，显示在电脑屏幕上，供操作手参考。同时，地面监控层的PDV系统通过l9．2K调制解调器远程采集PLC数据，并处理、存储，供值班经理和机电人员参考，以便提高现场施工进度，减少维修时间，并为日后掘进提供数据分析。

3、S7—400PLC编程实例

打开$244盾构机的项目库，它由组织块(OB)，功能(FC)，功能块(FB)三种逻辑块和数据块(DB)构成。OB1为CPU循环扫描时间内唯一扫描的主程序，FC或FB被CPU执行的条件是必须是在组织块(OB)中被调用，同时FB和FC也能实现子程序的嵌套。FB与FC的区别在与它们的变量声明表中能够定义的参数类型不同。当FC的程序执行完成后，FC的参数不能被保存；当FB的程序执行完成后，FB的参数能被保存。在OB1中调用FC时，只需直接调用，如：CALL FC1；而调用FB时，必须为其分配一个背景数据块，用来保存FB的参数，如：CALL FB1，DB7。背景数据块的数据格式与相应FB的变量声明表的数据格式相同，不允许用户进行修改。图形在SEFI7使用标准梯形逻辑(LAD)编程方式生成的S7程序，其中“一I I一”表示常开接点，“一II一”表示常闭接点，“一( )”表示输出线圈，“一( )”表示输出线圈。

结语

通信网络设计主要解决高电磁干扰条件下的通信可靠性，通信网络传输媒介的可维修性，盾构掘进机变换工作场所的适用性，PLC自动控制系统的扩展性。方便盾构掘进机使用维修人员快速排除故障的自诊断程序，改善程序可视性(适用性)的智能化功能模块设定程序。

参考文献：

[1]廖常初．s7—3001400 PLC应用技术．机械工业出版社．

[2]紫瑞娟等．西门子PLC高级培训教程．人民邮电出版社．

『3]PLC在半连续液压铸造机中的应用．电气时代，2006，(4)．