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石油 天然气学报 江汉石油学院学报2 0 1 3 年 5 月 第 3 5 卷 第 5 期 J o u r n a l o f O i l a n d G a s T e c h n o l o g y J ． J P I Ma y 2 0 1 3 V o 1 ． 3 5 N o 5 P L C在 AV N2 4 4 0 D S泥水 平衡式盾构机 中的应用 宽 ，刘井铎 中国石油天然气管道局第四 工程分公司， 河北廊坊0 6 5 0 0 0 史洋 ， 宣春静 中国石油天然气管道局第四 工程分公司’ E 廊坊 [ 摘 要]盾构机是集 电气系统 、机械 系统、液压 系统为一体的现代 综合大 型设 备，在 当今 隧道掘进设备 中 自动化程度较 高。控 制 系统 能 否 正常 工 作 对 盾构 机 的 掘进 起 着 至 关 重 要 的作 用 ，而可 编 程序 控 制 器 P L C 作为控制 系统 的 大脑对 整 台盾构 机 来说 更是 尤为 重 要。介 绍 了德 国西 门子 S 7 3 0 0系列 P L C在 AVN2 4 4 0 DS泥水平衡 式盾构机 中的应用 ，以 以往 工程为例 ，分析控 制原理 ，通 过故 障实例 对 P L C控制 系统在 AV N2 4 4 0 D S盾构 中的功能进行简要 的分析 。 [ 关键词] 可编程序 控制器 P L C ；盾构机 ；故 障分析 [ 中图分类号]T E 9 7 3 ． 4 [ 文献标志码]A [ 文章编号]1 0 0 09 7 5 2 2 0 1 3 0 5 0 3 1 3 0 5 AVN2 4 4 0 D S泥水 加 压 平 衡 式 盾 构 机 是 从 德 国海 瑞 克 公 司 引 进 的 。盾 构 机 外 径 3 1 6 0 mm， 内径 2 4 4 0 mm，主机加拖车全长 7 0 ． 9 9 6 m。主要 由机械系统、液压 系统、电气系统组成 。其 中电气 系统 由西 门子 S 7 3 0 0系列可编程序控制器 P L C 作为控制 中心。P L C在整套设备 中处于核心的地位 ，对各系 统执行元件的运作 、各传感器的数据监控起控制及保护作用，保障整台盾构机的正常工作。该盾构机已 经顺利打通了 5条隧道 ① 忠武宜 昌长江盾构工程 隧道全长 1 4 0 0 m 。②仪长黄石长江盾构工程 隧 道 全 长 1 3 6 6 m 。③川 气东 送黄 石长 江盾 构 工程 隧道 全长 1 4 0 7 m 。④ 长长 吉松 花江 盾构工 程 隧道全 长 8 8 6 m 。⑤西 气东 输 二线 工程 东段 抚河 盾构 工程 隧道全 长 1 0 6 9 m 。 1 A V N 2 4 4 0 D S 泥水平衡式盾构机中 P L C系统的组成 1 ． 1 P LC简介 P L C p r o g r a mma b l e l o g i c c o n t r o l l e r可编程逻辑控制器 ，它是一种专门为在工业环境下应用而设 计 的数 字运 算操 作 的电子 装置 ，采 用可 以编制程 序 的存储 器 ，用 于在 其 内部 存储 操作 指令 ，并 能通 过数 字式或者模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或者生产过程[ 】 。在 AVN2 4 4 0 D S盾构机 中使用的 是德国西门子公司生产的 S 7 3 0 0型 P L C，这种 P L C性价 比比较高 ，安装、扩展 比较方便。 1 ． 2 P L C硬件 的 组成 P L C的硬件主要 由中央处理器 C P U 、输入单元 、输 出单元 、通讯接 口、扩展接 口、电源等部分 组 成 。其 中 C P U 是 P L C的核 心 ，输入 单元 与输 出单 元是 连接 现场 输入 ／ 输 出设备 与 C P U 之 间的接 口电 路 ，通讯接 口用于与编程器 、计算机等连接。 1 ． 2 ． 1 c P u 系统 介绍 C P U 模块 是 P L C的核 心 ，起神 经 中枢 的 作 用 ，它 按 P L C的 系 统程 序 赋 予 的 功 能接 收 和 存储 用 户 程序和数据，采集 由现场输入装置送来的状态或数据 ，并存入规定的寄存器 中，程序运行时，C P U从 用户程序存储器中逐条读取指令 ，经分析后再按指令规定的任务产生相应 的控制信号，去指挥有关 的控 制 电路Ⅲ。本台盾构机使用的 P L C是德国西门子公 司的 S 7 3 0 0系列 ，C P U 型号为 3 1 5 2 DP 。 1 ． 2 ． 2通讯 系统 介绍 C P 3 4 3 1 L e a n通 讯 模 块 是 用 来 将 西 门 子 S 7 3 0 0 P L C 连 接 到 电 脑 相 应 端 口 的 通 讯 模 块 。 [ 收稿 日期]2 0 1 3 0 40 4 [ 作者 简介]赵 灵宽 1 9 8 5 一 ，男 ，2 0 0 8年北华航天工业 学院毕业 ，现从 事盾构 电气技术工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 油气管 道工程 2 0 1 3 年 5 月 C P 3 4 3 1 L e a n 有 自己的微 处理 器 ，分担 C P U 的通讯 负载并 且允 许附加 的连 接 。C P 3 4 3 1 L e a n使得S 7 3 0 0 能够 与编程设 备 、电脑 和人 机接 口设备 、其他 S I MA TI C S 7系统等设 备通 讯 。 1 ． 2 ． 3 输 入输 出 系统 输 入输 出 系统 分为 数字量 和模 拟量 两种 ，数字 量输入 模块 S M3 2 1 功 能是各 种开关 量输入 ，如行 程开关 、接近开关 、按钮等。数字量输出模块 S M3 2 2 的功能是连接电磁阀、接触器、指示灯等。模 拟量输入模块 S M3 3 1 用来连接电压、电流传感器 、热电阻等 。模拟量输出模块 S M3 3 2 用于将数 字 量转 换成模 拟量 。 1 控制 总站 上的输 入输 出模块 与 C P U 模 块 、通 讯 模块 组 成 主 控制 站 的 输入 输 出模块 ，其 主 要 功 能是处理和传输操作面板的操作信号和与操作有关联的输入和输出信号。 2 西 门子 E T2 0 0 M 分站 的输入输 出模 块 ，本 台盾 构机 分站上 的输入 输 出模 块都 采用 西 门子公 司的 E T2 0 0 M I M1 5 3 1 模块作为与 S 7 3 0 0 P L C模块之间的通讯 ，也就是将 P L C作了远程扩展。各个从站 采 样模 块组 E T2 0 0 M 所 采集 的信号 经过 R S 4 8 5 通 讯 电缆接 到 中心 站 的 P I C S 7 3 0 0的 中央处 理单 元 ，再 通 过 S 7 3 0 0的 中央 处 理 单 元 C P U 进 行 数 据 交 换 处 理 ，这 种 配 置 既 节 省 了投 资 又 使 系 统 简 化 可 靠 。 AVN2 4 4 0 D S盾构 机 中 ，HV 配 电柜 ，UVl 、UV2配 电柜 ，接 管 器控 制 柜 ，供 浆 泵 ，中继 泵 ，排 浆 泵 中都使 用 了 E T 2 O 0 M 分 站 。 1 ． 3控 制站 点及功 能简 介 1 ． 3 ． 1 主站 主站设在 3号主机操作盘内，主要功能是通过通讯模块与人机设备和各从站进行通讯 ，对盾构机 内 传感器、变频器、电磁阀、状态量开关等信号进行处理，实现对盾构机的控制 。 1 ． 3 ． 2 UV1分站 UV1 E T 2 0 0 M 分 站设在 2号 主 机 内 ，主要 功 能 是对 泥 水 循 环 系统 电磁 阀 的开 关 、刀头 电机 系 统 、 导 向油缸 系统 、拼装 电机 进行 控制及 信号进 行检 测保 护 。 1 ． 3 ． 3 UV2分站 UV2 E T 2 0 0 M 分 站设在 3号 主机 内 ，主要 功 能是 对 拼装 系统 、推进 系 统 、盾尾 密 封油 脂 系统 电磁 阀的开关控制及信号进行检测保护。 1 ． 3 ． 4大 HV分 站 大 HV E T2 0 0 M 分站设 在 4号拖 车 内 ，主 要功 能 是对 变 压器 、主供 电系 统 、插 座 照 明系统 及 控 制 电系统进 检测保 护 。 1 ． 3 ． 5泥水 分站 供排浆泵 P 1 ． 1 、P 2 ． 1 、P 2 ． 2 、P 2 ． 3 HV E T 2 0 0 M 分站 ，主要功能是对变频器及各供排浆泵的参数 进行 控制 和检 测 。 2 A V N 2 4 4 0 D S 泥水平衡式盾构机中 P L C系统的应用范围 2 ． 1在 控制 系统 中的应 用 2 ． 1 ． 1 电机启 动 中的应 用 AVN2 4 4 0 DS盾构机中所有的电机都是 由 P I c控制启动和停止 ，现在以刀盘 电机的启动为例 ，简 要分 析 P L C程 序对 电机 的控制 过程 。 如图 1 ，当 P L C 2 4 V供电正常，按下控制面板的 1 3 7 S 2 启动／ 停止按钮 ，P L C 9 - 2 6 D 2 数字 量输 入模 块的 E 3 6 ． 3收到启 动指 令 ，配 电柜 UV1里 P L C 9 5 D2 数 字 量输 出模块 的 A0 ． 3向继 电器 1 3 - 3 K2供电 P L C程序中包含了起动 电机所需满足的一些条件 ，只有当这些条件全部满足时 A0 ． 3才 会有输出。其中只要有一个条件不满足 ，则 A0 ． 3就没有输 出，使电机无法启动 ，1 3 - 3 K2动合触头动 作，电机进入 Y一 △降压启 动。1 3 7 S 2指示灯 闪烁，表示 电机正在启 动，当主交流接 触器 吸合完 毕 P L C 9 - 4 D 2 数字量输入模块的 E 0 ． 6收到主交流接触器动合触头动作指令 ，从而操作 台P L C 9 - 2 8 D2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 5卷第 5期 赵 灵宽 等 P L C在 AVN 2 4 4 0 DS 泥 水平衡式盾构机中的应用 数 字量 输 出模块 的 A3 6 ． 2给 1 3 7 S 2指示 灯 供 电 ，指 示 灯 常亮 ，2 5 0 k W 电 机 启 动 完 毕 。 同 时 电 流 互 感 器 1 3 - 2 T3 向 P L C 9 - 8 D 2 模 拟 量 输 入 模 块 的 C H5 提供电机工作电流并通过 P L C程序在计 算 机显 示 出来数 值 。 2 ． 1 ． 2 电磁 阀 中的应 用 盾 构 机 掘 进 时 ，刀 盘 系 统 、推 进 系 统 、拼装 系 统 、盾 尾 密 封 系 统 中都 有 大 量 的 电磁 阀 ，电 磁 阀是 连 接 电 气 部 分 与 l 鱼r _ P L C 9 - 4 D 2 数字量输入 2 4 V P L C 启动／ 停P L C 9 - 2 6 D 2 供电 止按钮 数字量输入 _ 厂 i _ 1 呈 P L C 9 4 D 2 数字量输出 _ 1 r _ P L c 9 - 5 I 2 数字量输 出 电流P L C 9 - 8 D 2 互感器模拟量输入 图 1 PL C刀 盘 启 动 示 意 图 1 3 - 7 8 2 指示灯 【 3 -3 K 2 启动 继电器 液 压机 械部 分 的重 要元 件 ，而 P L C则 是 控制 电磁 阀通 断 电的 驱 动元 件 。现 以拼装 模 式 下 的 1号 油 缸 的 伸 缩 为 例 如 图 2 ，按 下 拼 装 控 制 盒 的 1 5 1 9 S 1启 动 按 钮 ， 向 P I C 9 1 5 D 2 E 1 6 ． 1发 出 启 动 指 令 。 P I C9 1 6 D 2 A1 6 ． 5 向启 动按 钮指示 灯 1 5 1 9 S 1供 电 ，1 号 油 缸伸 指 示 灯 常亮 。同 时 9 1 6 D2 A1 8 ． 2向继 电 器 1 5 - 2 8 K2供 电使 1 5 2 8 K2常开 触点 吸合 为 电磁 阀 1 5 2 8 Y3通 电 ，使 一号 推进 油缸 向前伸 进 。 2 ． 1 ． 3模 式 转换 中的 应用 以推进 模 式和 拼装 模式 转换 为例 进行 分析 如 图 3 ，当按 下 1 5 9 S 2 推进 模式按 钮 时 ，产生 一个 数字信号通过 9 2 6 D2数字信号输入模块 的 E 3 7 ． 2端 口中，根据 C P U 内部程序 ，产生一个数 字信号 ， 并 由 9 2 8 D2的 A3 6 ． 7端 口输出。推进指示灯常亮 。拼装模式转换方式相同 ，不再讲述 。 l 5 - 9 s2 E3 7 ． 2 9 ． 2 6 D2 P L C 程序 A3 6 ． 7 9 ． 2 8 D2 图 2 拼装模 式下 1号油缸伸示意图 图 3推 进拼 装模 拟转换示意图 2 ． 1 ． 4速度 、转 速 中的应 用 在盾构机运行时 ，推进 的压力 、速度 ，拼装机的旋转 ，刀盘旋转速度等都需要 P L C控制模拟量来 调节 ，在相应 的控制面板上有调速电位器，通过旋钮 电位器向相应的比例放大器输送信号实现对该模拟 量 的无 级 调速 。下 面 以推进 速度 调 节为例 如 图 4 ，当 P L C进 入 预定 推 进 模式 ，推 进 系统 正 常启 动后 ， 顺 时 针 拧 动 旋 钮 1 5 - 1 1 R2 ，零 位 开 关 向 P L C 9 - 3 0 D 2 输 入 0 ～ 1 0 V 可 调 直 流 电 压 信 号 ，并 通 过 P I C 9 - 1 6 D 2 A1 6 ． 0 向继 电器 1 5 - 1 3 K6供 电，同时 1 5 1 3 K6的常开触头控制信号放大器 1 5 1 3 N4工 作 。然后通过 P L C 9 2 1 D 2输出电流信号 ，进入 1 5 1 3 N4信号放大，控制 1 5 1 3 Y5可调节 电磁节流阀， 控 制 向 推进 油缸 注入 的油量快 慢 ，以此 达 到控 制推 进油 缸速 度 的 目的 ，其 节 流 口的开度 与输 入 的电流 大小成 正 比例 关 系 。 2 ． 2在 保护 系统 中的应 用 在盾构机 的运行过程中有大量数据需要实时监控 ，这些也都是靠 P L C来实现的。下面以油箱液位 和刀头马达油温的检测保护为例分析 P L C在盾构机保护系统 中的应用。 2 ． 2 ． 1油箱 液 位保 护 如图 5 ，液位传感器 1 1 - 1 B 2 将测得的液位信号 4 ～2 0 mA通过 1 1 - 1 F 2保险丝 防止过大 的电流 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 油 气管道 工程 2 O 1 3年 5月 图 4推进模式调速电气图 进入 P L C，对 P L C造成 损坏 输 入到 P L C 9 8 D 2 CH3 。液位 与 电流 的对应关 系为 液位 下 限值对 应 最 小电流 即 4 mA ，上限值对应最大电流 即 2 0 mA 。当测得液位低于设置最低液位报警值时，操作 电脑则会出现 “ 油箱液位报警”报警信息 ，对应的液压系统则无法启动工作。 2 ． 2 ． 2 刀盘 马达油 温保 护 如图 6 ，温度传感器 l 3 1 5 B 5将测得的温度信号 4 2 0 mA通过 1 3 1 5 F 5 保险丝 防止过大的电 流进入 P L C，对 P L C造成伤害输入到 P L C 9 8 D2 C H5 。温度与电流的对应关 系为温度下限值对应 最 小 电流 即 4 mA ，上 限值 对应 最 大 电流 即 2 0 mA 。其 功 能 是 为 了防 止 高温 损 坏 刀盘 马 达 ，当 测 得 温度 超过设 置保 护温度 时 ，刀盘则 无法 转动 。 图 5油箱液位测量电气图 3 故障案例分析及处理方法 图 6油温 测量 电气 图 因为盾构机系统复杂 ，并受作业环境高温、潮湿等因素影响难免在掘进过程中会出现故障 ，有些故 障 出现 时会 在操 控 电脑 上显 示错 误信息 及代码 ，便 于查 找故 障原 因 ；但有 些故 障则不 会显示 出来 ，这 就 要求维修人员熟悉盾构机的工作原理和电气 、液压 、机械之间的关联情况 ，以及设备系统中各个零部件 所起 的作 用 ，只有这样 才 能快速 准确地 解决 问题 。下 面就简 述几个 遇见 的故 障案例 。 3 ． 1 P L C连接 异 常 P I C出现连接 异 常 。首 先检查 了操 作 面板 内 P L C通讯 电缆 连 接 没有 问题 ，继续 检 查 R S 一 4 8 5通讯 电缆未有破损 ，C P 3 4 3 一 I I e a n通讯模块完好 ，更换新通讯模块并把通讯地址设置好 ，问题依然存在。查 看接 地线 完好 ，继续 查找 ，在 2号主机 UV1 配 电柜发 现 E T2 0 0模块 松动 ，紧 固好后 重新启 动 P L C，一 切正常。分析原 因是 ，由于当时在硬岩地层掘进 ，盾构机抖动比较严重 ，因此造成模块松动。 3 ． 2刀 盘不 能转动 进仓换 刀作 业后 ，刀 盘 电机 和 液压 泵 正 常 起 动后 ，按 下 操 作 面板 上 刀 盘左 右 旋 转按 钮 ，刀盘 不 转 动 ，指示灯 不亮 。说 明刀盘 旋 转 的 条件 没 有 全部 满 足 ，查 找 图纸 首 先 检查 1 3 8 S 2控 制 按 钮 是 否损 坏 ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 5卷第 5期 赵灵宽 等 P L C在 A VN2 4 4 0 D S泥水平衡式盾构机中 的应 用 经检 查按 钮 动作完 好 ，当按 下 按钮 P L C 9 - 2 6 D 2 E3 6 ． 4 有输 入 。进一 步查 找启 动 条件 ，首 先 检查 1 号 油箱 液位 保 护系 统 ，用万 用表 测量 X D2接线 盒 内 4号 线 有 1 6 mA 电流 ，说 明液位 传 感 器工 作 正 常 ，检 查 1 3 1 F 2 ，3 2 mA保险正常 ，说明 1号油箱液位监测保护系统工作正常 。接下来查找油箱温度保护系 统 ，用 万用 表测 量 X D 2接 线 盒 内 5号 线 发 现 电 流不 稳 ，超 过 2 0 mA，检 查 温 度 传感 器 发 现 由于 进仓 换刀作业时没有注意 ，将温度传感器掉人 2号主机内，由于主机底部有残留水导致传感器进水损坏，重 新 更换 新 的温度 传感 器 ，一切 正 常 ，刀 盘正 常转 动 。 3 ． 3主开 关跳 闸合 不上 掘 进过 程 中主 回路 电源开 关 突然跳 闸 ，盾构 机 主 回路 断 电 ，并 且无 法重 新合 上 。查看 图纸发 现 自 8 0 0 k VA主变压器出来的线路分为 2路 ，第 1路是 由主开关 1 1 Q2控制的主回路控制电流 ，第 2是 由 1 2 Q2控 制 的控 制 回路 电 流 。分 析 主 开 关 合 不 上 的原 因 主 要 是 保 护 回路 出现 了故 障 ，用 万 用 表 测 量 2 2 1 K2 1 4号端子端有 2 2 0 V 电压 ，说 明急停系统没有问题 ；接着查找 1 1 O Q2 1 ． 1 3 端子端依然有 电，说 明变压器冷却泵系统也没有问题 。接着再测量 1 4 K2相序保护继 电器 2 4端子 口没有 2 2 0 V输出，2 1端 子 有 2 2 0 V输 入 ，说 明相 序保 护 继 电器存 在 问题 ，因 为是 在 掘 进 中 突然 跳 闸 ，所 以排 除相 序 接 错 的 可 能 ，直接换 上新 的相 序保 护继 电器 ，合 闸正常 ，故 障排 除l_ 3 J 。 3 ． 4环片 吊车无 法开启 环 片小 车 运输 环片 到位后 ，环片 吊装 平 台无 法 开启 ，检 查 1号拖 车上 的控 制按钮 发现 未损 坏 ，检 查 相应的 P L C输入输 出点 ，发现都有信号 ，这就说明环片 吊车开启条件 已全 部满足，问题应该是 出在 P L C输 出信 号之 后 的继 电器上 。用 万用 表检 查后 发现 1 9 - 6 K7中 间继 电器 损坏 ，更 换 继 电器后 ，环 片 吊 车工作 正 常 。 3 ． 5阀门不 动作 循 环 开启 后准备 切 换掘进 时 ，发 现抽 吸 阀 1 、抽 吸 阀 2都无 法 开启 。检查 泵及 供 油 油压 正 常 。按 下 阀门开启按钮后 ，操作面板 内 P L C输入端有输入信号 ，但是 1号主机 UV1配电柜 中 P L C输 出端没有 信号输出。操作面板的电脑上也没有显示 出相关的故障信息 。由于液压系统正常，并且通过强制吸合接 触 器 可 以动作 阀 ，因此 推测 可能 是 P I C系统 出现 问题 。进 一 步检 查 发 现推 进 电机 和拼 装 电机 的电 流也 未检 测 到 ，而 这 些 控 制 都 是 由 P L C 数 字 量 输 出 模 块 S M3 2 2 控 制 的 ，故 判 断 数 字 量 输 出模 块 S M3 2 2 损坏 ，将 其更 换后 系统 正 常工作 。 4 结语 P L C的功 能 和优势 在 AVN2 4 4 0 D S盾构 机 中得 到 了充 分 的应 用 ，作 为 盾 构 机 的控 制 中 心 ，P L C的 控制 和 异常保 护 系统 确保 了盾 构机 的高 效运 转 ，在过 去 的 5个 工程 中运 行可靠 。 [ 参考 文献 ] [ 1 ]刘光起 ． P L C技术及应用 [ M]．北京 ．化学工业 出版社 ，2 0 0 8 ． 9 ～1 2 ． [ 2 ]朱文杰 ． s 7 3 0 0 ／ 4 0 0 P L C编程设计 与案例分析[ M]．北京 ．机械工业出版社 ，2 0 1 0 ． 3 6 3 7 ． [ 3 ]康峰 ，刘建 ．AVN2 4 4 0 D S泥水平衡盾构机的常见故障处理 [ J ]．隧道建设 ，2 0 0 6 ， 增刊 1 4 7 ～5 1 [ 编辑] 萧雨 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m
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