盾构机电气控制系统

2007`年度优秀施工论文（技术总结）【盾构机电气控制系统】第1页共6页盾构机电气控制系统【内容提要】介绍了海瑞克盾构机开发工作中电气部分、供配电系统、可编程控制系统和计算机控制及数据采集分析系统三个部分的设计。【关键词】电气控制系统1概述盾构机是集掘进,出渣,衬砌（管片安装）于一体的大型现代化隧道施工机械,它将传统的隧道和地下工程施工变成工厂化作业。随着我国经济的快速发展,对盾构机的需求越来越大。我集团为了开拓成都地铁市场，从德国海瑞克采购了两台土压平衡盾构机，现已在成都地铁项目部投入使用，本文就其中的电气系统部分的设计做一简要概述。2盾构机电气系统设计盾构机电气系统主要分为三部分:供配电系统、可编程控制系统、计算机控制及数据采集分析系统。2.1供配电系统主要包括10kV高压电缆、高压电缆卷筒、高压开关柜、变压器、低压开关柜、低压断路器、软启动器、变频器等。供配电系统的主要功能是为盾构机提供动力和电气保护,控制电机运转。2.1.1供配电系统设计2.1.1.1负荷统计(表1)2.1.1.2负荷计算一般地,电力负荷的计算可以采用三种方法:a.需要系数法;b.二项式法;c.利用系数法。其中利用系数法的计算结果比较接近实际负荷。利用系数法的计算公式是:Pj=kmax∑Pp（1）Qj=kmax∑Qp（2）（3）2007`年度优秀施工论文（技术总结）【盾构机电气控制系统】第2页共6页表1盾构掘进机用电负荷统计表1盾构掘进机用电负荷统计序号系统设备名称电机名称电机功率（KW）备注1刀盘驱动系统主驱动泵电机3152刀盘驱动系统主驱动泵电机3153刀盘驱动系统主驱动泵电机3154刀盘驱动系统先导泵电机5.55刀盘驱动系统补油泵电机556推进系统主油泵电机757辅助泵站辅助泵站电机228螺旋输送机主驱动泵电机3159管片拼装机主油泵电机4510主驱动系统油箱过滤冷却电机1111冷却水回路冷却水回路电机1512皮带输送机皮带输送机电机3013同步注浆系统主油泵电机3014同步注浆系统搅拌电机7.515同步注浆系统输送泵电机1116泡沫注入系统水泵输送电机7.517泡沫注入系统泡沫输送电机0.3718澎润土注入系统澎润输送电机18.519压缩空气系统空压机电机5520压缩空气系统空压机电机55备用21齿轮油润滑系统齿轮油泵电机422脂润滑系统脂分配泵电机0.3723通风系统通风电机1524螺2排污泵螺2排污泵电机3025污水泵污水泵电机45261号齿轮油泵1号齿轮油泵电机7.5272号齿轮油泵2号齿轮油泵电机7.528吊机管片吊机7.529吊机管片吊机7.530排污水管卷筒排污水管卷筒电机2.231循环水管卷筒循环水管卷筒电机2.232人舱433照明234动力535控制2合计1845.14其中,Kmax为最大系数,是指最大负荷班内的半小时最大平均有效功率（Pj）与总平均负荷（∑Pp）之比,可以根据有效台数和平均利用率查表求得;Pp=kL·Pe,Qp=Pp·tgφ,kL为在最大负荷班内2007`年度优秀施工论文（技术总结）【盾构机电气控制系统】第3页共6页的利用系数,Pe为设备组容量之和。在设计计算时,考虑到盾构机工作的一些特点,对上述计算方法进行简化。盾构机工作时有以下特点:a.连续工作时间长,经常连续工作数小时乃至昼夜;b.主要用电设备（如液压站马达）基本上同时在运转;c.日光灯等设备容量大于额定功率（1.2倍）的设备容量;d.系统中采用了功率因数自动补偿设备,可使功率因数保持较高水平（0.9）。根据以上特点对负荷计算可作以下简化:a.设备容量等于设备铭牌功率b.利用系数kL=1c.Qp=Pp·tgφ=0.484·Pp,其中φ=arcos0.9=25经上述简化后,变压器低压侧计算负荷为各设备铭牌功率之和:Pj1=1845.14kWQj1=893.05kVarSj1=2049.89kVA2.1.1.3变压器选择根据隧道工作环境选择下式变压器,具有可靠性高、散热好、维护方便等优点。变压器容量确定:根据计算,变压器低压侧计算负荷为:Pj1=1845.14kWQj1=893.05kVarSj1=2049.89kVA变压器高压侧计算负荷:Pj2=Pj1+△PBQj2=Qj1+△QB根据经验,ΔPB=2%Pj,ΔQB=10%Qj,那么:Pj2=Pj1+△PB=1845.14+36.90=1882.04kWQj2=Qj1+△QB=893.05+89.305=982.355kVarSj2=2123kVA所以,变压器容量可选为:Sj=2000kVA2.1.1.4高压电缆选择根据工作需要高压电缆应选择具有一定抗拉强度、可缠绕、耐磨损、绝缘性能好的柔性电缆。2007`年度优秀施工论文（技术总结）【盾构机电气控制系统】第4页共6页电缆截面确定:a.按载流量选择电缆截面:查表,可选择70mm2的电缆按电压损失校验电缆截面:b.用电流矩校验:u％＝∑(ua%pl)＝0.006×115.5×4.0=2.77（电缆长度按4km考虑,功率因数0.9）经校验电压损失小于5％,选择70mm2的电缆可以满足要求。根据以上要求,故选择10kV橡套软电缆,规格型号为:UGP-3×70+1×25＋1×2.5。2.2可编程控制器(PLC)系统设计盾构机电气控制系统采用PLC控制,PLC对主机需要监测的各种开关量信号和模拟量信号进行实时扫描检测,在PLC接受到控制信号时,经过一定的逻辑连锁检查和时序控制后,按程序设置对一些控制对象做些处理,PLC向开关量输出口发出高/低电平信号,经中间继电器控制接触器来启/停电机,或开启/关闭电磁阀,或输出模拟量信号控制比例放大器连续调节比例电磁阀等等,在盾构机内所有控制信号全部通过PLC进行处理。盾构机电气控制系统采用主从方式,上下位机结构。上位机由PC机（洞外办公室）和墙面式工控机（主控室）组成的基于TCP/IP协议的计算机局域网,下位机是以西门子S7-400为主站的,ET200M为从站的基于Profibus-DP协议的现场总线的可编程控制器系统。其系统组成如图1所示。图1控制系统结构示意图2007`年度优秀施工论文（技术总结）【盾构机电气控制系统】第5页共6页可编程控制器（PLC）采用现场总线技术,在主控制室设置PLC主站,再根据设备的分布情况,在电气设备相对集中的盾体和低压配电柜处设置PLC分站,按照就近接线的原则,将分站附近的设备就近接入分站,这第1期唐健盾构机电气控制系统设计概要35样就可以减少大量接线,节约大量电缆,主站与分站之间通过ET200M组成Profibus-DP网。PLC主站CPU模块采用西门子S7-412,分站采用ET200M分布式I/O,采用这种方案可以STEP7编程语言直接对主从站各点控制编程。分布式I/O是可编程控制器的一项新技术,它特别适合像盾构机这样控制点多且分散,沿线状分布的场合。采用现场总线方案的最大优点是:检修维护方便,扩充灵活,降低造价。这也是本设计对德国海瑞克盾构机电气方面最大的改进。（德国海瑞克盾构机PLC控制采用的是常规的集中控制方式,PLC集中安装在主控制室,所有的控制线和信号线都经过控制室,电缆多,走线困难,使故障查找和维护检修都不方便）。2.3计算机控制及数据采集分析系统计算机控制系统主要用于参数设置和数据采集分析。它由盾构机控制室的墙面式工控机和洞外办公室的PC机组成,采用主从工作方式,通过TCP/IP协议联网。墙面式工控机为西门子PC670人机界面,采用彩色液晶触摸屏,安装在盾构控制室的控制面板上,由现场操作人员使用,用于人机对话、显示数据、设置和修改系统控制参数等。上位机控制软件采用WINCC组态软件,设置9个组态界面,分别通过功能键切换。F1-----------泡沫系统监视、掘进参数设置界面;F2-----------推进油缸、铰接油缸、注浆监视界面;F3-----------基本设备、切削轮、掘进、螺旋输送机、泡沫系统启动条件;F4-----------温度，螺旋输送机，土仓压力显示界面；F5-----------盾尾密封控制参数设置界面;F6-----------故障、报警监视界面;洞外的PC机根据需要可安装在机电室和经理室,这些计算机均安装有WINCC（WindowsNT）软件,用于对隧道内的盾构机运行情况进行远程监视,故障诊断,数据采集及分析,打印报表和其他管理工作。3结束语目前，海瑞克盾构机的电气控制系统日趋完善，性能更加可靠，可操作性强，能够更好的实现人机对话。【参考文献】2007`年度优秀施工论文（技术总结）【盾构机电气控制系统】第6页共6页1.电气工程师手册《电气工程师手册》第二版编辑委员会编机械工业出版社第二版2.新电工手册主编李正吾副主编赵文瑜安徽科学技术出版社第一版3.西门子产品样本