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学术前沿

盾构机PLC控制系统的改进探讨

发布日期:2012-12-01 22:42

盾构机PLC控制系统的改进探讨
 
      城市地铁高速发展,地铁隧道施工普遍采用盾构机。盾构机是机械、电气、液压系统紧密结合的大型施工设备,PLC控制系统是盾构机的核心,负责状态检测、控制逻辑运算、控制指令发送,以及控制网络运行。在盾构施工过程中,PLC控制系统承担着施工质量与安全、设备状态检测与报警的重任,其核心PLC程序必须与施工工况紧密而完整结合。
 
1 盾构机PLC控制系统简介
      各厂家的PLC控制系统设计大同小异,一般采用主从站分布式设计。例如,NFM大直径泥水盾构机主站采用Modicon Premium系列T PCX 57CPU,分布式从站采用Momentum系统。海瑞克盾构机采用西门子Step7 300或400作为主站,ET200M作为从站,Profi Bus上连接了编码器、行程传感器、数显表等智能设备。
      PLC控制系统一般采用语句表、梯形图和功能块语言进行编程,将盾构机的各系统功能编写成相对独立的功能块。各厂家的PLC控制系统功能比较完善,但也有不足,主要是各系统间的联锁保护、各输出动作间的联锁和故障报警,需要结合施工现场工况进行逐步改进。结合工程应用,探讨对盾构机PLC控制系统的改进。
 
2 NFM大直径泥水盾构机气垫仓安全门电气系统和程序设计改进
      NFM大直径泥水盾构机的气垫仓安全门电气系统和程序设计存在安全问题,安全门开关电气路见图1。
 
      图1中110S1是安全门的单触点旋钮开关,接入PLC控制系统的%I06.0输入点,开关转向动作为开时,触点闭合,PLC控制系统输入点%I6.0得电,在其他联锁条件满足时,电磁阀EV_4602得电,安全门执行开动作。开关转向动作为关时,触点断开,PLC控制系统输入点%I6.0失电,在其他联锁条件满足时,电磁阀EV_4603得电,安全门执行关动作。
      图2是安全门开关PLC程序。图2中COMPARE是比较指令,从程序中可以看出安全门油缸行程(%MW375)大于5 mm时,表示安全门开启未到位,允许执行开启动作;安全门油缸行程小于995 mm时(安全门油缸总行程为1 000 mm),表示安全门关闭未到位,允许执行关闭动作;当安全门油缸行程(%MW375)位于5~955 mm(经常有碎石卡住安全门,导致安全门不能完全打开或关闭)时,如果液压泵启动,碎石机处于未工作状态,安全门没有相关错误报警。由于开、关信号使用同一触点%I6.0,安全门始终执行打开或关闭动作,存在设备和人员安全隐患。
      图3是安全门液压图。从图3中可以看到安全门(Bubble Gate)与碎石机(Rock Crusher)共用液压泵,当碎石机开始工作前,启动液压泵,安全门有可能先行动作。针对上述情况,对安全门控制系统进行改进,将单触点开关改为有两个独立常开触点、三个档位开关,并具有自动回至零位功能。改进后的安全门开关电气路见图4,PLC控制程序的%I6.0为开、%I6.1为关。通常安全门旋钮开关处于零位,当安全门需要动作时,转动开关,动作完成后开关自动回到零位,安全门不再执行任何动作。
 
 
3 海瑞克盾构机盾构刀盘液压驱动系统改进
      海瑞克盾构机盾构停机时,在上位机控制程序PDV故障报警界面上显示“Feed pressure too low”报警信息。海瑞克盾构机盾构刀盘采用液压驱动,刀盘液压系统使用三台液压泵并联驱动。因采用闭式回路系统,需要补一台油泵协同工作,补油压力设定2 800 kPa,在PLC控制程序中设置了相应的上下限值,超出限值即报警。图5是补油压力异常置位程序。程序中的刀盘补油压力值(DB40.DBD32)设定在20~3 500 kPa。补油泵启动后,补油压力上升至设定值,M40.0置M40.1表示补油压力正常。当补油压力不在设定值内时,T61延时5 s对M40.0置M40.0,表示补油压力异常,此时刀盘驱动泵停止工作。图6是补油压力异常报警程序。程序中的M40.0为M40.0时,DB50.DBX6.7置M40.1,在上位机显示“Feedpressure too low”报警信息。施工要求在补油泵启动后,补油压力超出设定值时,显示相应的报警信息。现有程序设计在补油泵正常或非正常停机时,都会出现报警,对设备故障排除没有直接指导意义。补油泵刚停止工作,管路压力还未释放,补油压力高于2 000 kPa时,M40.0为M40.1,曾发生过误操作,刀盘驱动泵启动(程序中未将补油泵启动作为刀盘驱动泵启动的前提条件)。由于补油泵未开,管路压力瞬间降低,刀盘驱动泵立刻停止,没有造成设备损害。

      将补油压力异常置位程序改为刀盘补油压力异常置位程序(见图7),添加I103.1(补油泵启动完成指示)作为补油压力的正常条件,补油泵启动且补油压力正常,M40.0才会置M40.1,这样不会发生误操作。
      在刀盘补油压力异常置位程序后加入补油压力故障置复位程序(见图8),在I103.1为I103.1(补油泵已启动)与M40.0为M40.0(补油压力异常)时,通过SR置复位触发器对M240.1置位;在M40.0为M40.1时,通过故障复位按钮(I0.1)对M240.1复位。
 
      图9是修改后的补油压力异常报警程序,对补油压力异常报警程序进行了更改。当M240.1为M240.1时,在上位机显示报警信息,避免了正常停机时出现报警信息,且补油压力报警信息不会自动消除,需要通过复位按钮复位消除,确保设备维护人员准确掌握设备状况。
 
4 结束语
      通过工程实际应用可以看出,盾构机PLC控制系统存有一些不足,需要盾构机操作和维护人员进行改进。PLC控制系统的改进对工程施工安全、质量和进度起到有效促进,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。