用S120實現盾構機刀盤主從控制的自動切換

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（1.北方重工集團有限公司，遼寧 沈陽 110141；2.全斷面掘進機國家重點實驗室，遼寧 沈陽 110141）

1 引言

隨著我國城市地下交通設施建設進程的加快，用盾構機進行施工已經達成共識。早期的盾構機刀盤驅動系統多數是液壓驅動的，隨著電力電子技術、微電子技術和現代控制理論在交流調速系統中的應用，交流變頻調速技術成為現代電力傳動技術的重要發展方向。目前，盾構機刀盤的變頻驅動應用越來越廣泛，并逐漸成為市場的主流控制方式，這也是盾構機電氣控制的發展趨勢。盾構機的驅動系統是盾構機控制的核心系統，刀盤的電氣控制更是決定設備性能的重要因素，對整個工程的進度和質量影響巨大。在盾構施工中，盾構機掘進始發后，掘進中途的停機時間越長對工程質量的影響越大、施工成本就越高。為了減少設備的故障停機時間，我們在3m盾構機上對前期的主從控制方案進行了改進，設置了兩套主從控制分組，并將從驅動器的轉矩控制，改為速度矢量控制，相應地又增加了兩套控制分組的切換功能，通過優化設備工藝配置，將兩套控制分組一用一備，不僅很好地實現了多臺電機負荷的平衡分配，也提高了設備的生產效率。

2 控制系統的構成

2.1 設備的工藝性能

盾構機刀盤主驅動部分的圓周分布著多臺刀盤驅動電機，電機的具體數量與盾構機的開挖直徑、地質構造以及盾構機的類型有關。這些刀盤電機通過減速機以及安裝在軸上的小齒輪與回轉大齒輪嚙合，剛性的連接成一個整體，驅動方式為多電機共同驅動同一個負載。設備的工藝性能，要求多臺刀盤驅動電機同步運行，需要多臺刀盤驅動電機的負荷平衡分配，這就對控制系統的構成和性能提出較高的控制要求。

2.2 控制系統的構成

Profibus是一個功能強大、開放、實時的現場總線系統，它可以確保自動化系統解決方案中各組件之間的強大、無縫的通訊。西門子公司的驅動控制器S120，是集V／f控制、矢量控制為一體的驅動系統，具有高度的靈活性和可組性。通過Profibus總線實現以S7－300為控制器，以S120為執行器的盾構機刀盤的控制系統。3m盾構機S120各主要單元的選用清單如下。

進線電抗器：6SL3000－0EE36－2AA0；電源模塊：6SL3330－6TE35－5AA0；電機模塊：6SL3120－1TE31－3AA3；控制單元：6SL3040－0MA00－0AA0；6SL3040－1MA00－0AA0；CF卡：6SL3054－0CG01－1BA0；6SL3054－0ED01－1BA0（帶擴展性能）；操作面板：6SL3055－0AA00－4CA3；6SL3055－0AA00－4BA0；DRIVE－CLiQ 電纜：6FX2002－1DC00－1AC0；總線電纜接頭：6ES7972－0BB60－0XA0。

3m盾構機的刀盤由4臺電機驅動，由于S120帶擴展性能卡的CU320－2DP，最多可以帶6個矢量軸，所以4個驅動單元共同由1個CU320－2DP來控制，控制系統的組成及連接見圖1。

圖1 系統架構Fig.1 System architecture

工控機用來對驅動裝置進行給定值的設定、以及狀態參數值的顯示。

3 盾構機驅動系統的設計應用

3.1 常規的主從控制方案

常規的主從控制方案是：主驅動器以速度控制方式運行，速度環的輸出信號，作為轉矩環的給定信號，其余的驅動器作為從驅動器，運行在轉矩控制方式，轉矩的給定信號來自主驅動器速度環的輸出信號，因此各電機的負荷平衡得以實現。這種控制方案的缺點是一旦作為主機的主驅動器出現故障，將帶來整個驅動系統的停機，嚴重地影響了生產效率和施工進程。

3.2 驅動裝置的主從控制分組

為解決上述問題，在3m盾構機刀盤的4臺驅動器中，我們設計了兩組控制數據。1組：Drive1做為主驅動器，其余為從驅動器。2組：Drive2做為主驅動器，其余為從驅動器。通過程序控制，可以實現兩組驅動數據的自動切換，即完成盾構機刀盤主從控制的自動切換。

實際上每個驅動裝置都可以既做主驅動器又做從驅動器，主從控制分組并不只局限為兩組，S120的CDS允許最多4組數據，為不使系統太復雜，而2個分組已能滿足要求，故本項目不進行過多分組。

3.3 S120的驅動組態

首先，在S7和STARTER軟件里建立項目并做好硬件組態，通過DP通訊與S120的各個驅動裝置建立在線連接，在調試軟件STARTER里自動讀取驅動裝置，并對所有驅動全部選用“Vector”方式，驅動裝置的電機數據被自動讀取，S120的基本組態完畢后，接下來可以進行參數設置。

在Profibus報文配置頁面為每個驅動設置通訊報文，在此選擇通過BICO自由互聯報文：Free telegram configuration with BICO，通訊字的數量及各字的含義可自由設定。在輸入／輸出區設定輸入字長為2，輸出字長為4，輸入字為各驅動裝置的STW1即啟動／停止等命令，且第10位必須為1，STW2為速度給定值；輸出字為各驅動裝置的4個狀態字ZSW1、ZSW2、ZSW3和ZSW4，用來發送給PLC，進行程序控制和狀態顯示。通過Set up addresses確認，使S120的配置和S7的硬件組態保持一致，報文的選擇也可以通過P0922進行設置和修改。設置的報文見表1。

表1 Profibus報文Tab.1 Profibus message frame

S7－300PLC通過Profibus周期性的發送和接收過程數據PZD，發送和接收參數時需要調用S7的系統功能塊SFC14和SFC15。

3.4 驅動方式及控制框圖

驅動方式可以選擇無速度傳感器的矢量控制（SLVC），或帶速度傳感器的矢量控制（VC）。采用SLVC控制方式時，在低轉速0～5Hz范圍，不能實現恒轉矩特性，其后完全滿足電機的機械特性控制要求；采用VC控制方式時，在轉速1Hz以上即可完全滿足電機的機械特性控制要求，即額定轉速以下恒轉矩調節；額定轉速以上恒功率調節。

由于盾構機刀盤的減速比很大，基本上不需要驅動裝置在較低速段運行，而且各驅動裝置又是通過大小齒圈剛性地耦合在一起，各驅動裝置的實際轉速幾乎是相同的。在盾構機狹小的地下作業空間里和惡劣的施工環境下，速度傳感器（編碼器）也非常容易損壞，無疑又給盾構機增加了一個故障點，所以在一般情況下，驅動裝置不帶編碼器，可以選擇無速度傳感器的矢量控制方式，驅動控制系統框圖見圖2。

圖2 控制系統框圖Fig.2 Control systems block diagram

工控機的速度給定值，通過Profibus－dp發送到CU320－DP，然后經DRIVE－CLI Q同時傳送到4個驅動器，驅動器的給定是同步的。如果采用VC控制方式，只需在項目組態時，把編碼器的數據添加到相應的驅動硬件組態和報文中即可。

3.5 驅動的主要參數設置

S120的每一個DO都有自己的參數表，如CU，Infeed，Vector axis，999報文靈活開放的結構為參數的設置分配提供了便利條件，3m盾構機S120多電機驅動的主要參數設置如下。

驅動對象類型設置（在矢量軸的CU參數表）：P107［0］＝SINAMICS S；P107［1］＝vector；P107［2］＝vector；P107［3］＝vector；P107［4］＝vector。

電機參數設置（在4個矢量軸參數表）：P205＝0；P304＝380；P305＝56；P307＝30；P308＝0.9；P310＝50；P311＝1 480；P500＝0；P604＝130；P605＝145；P640＝84。

CDS數據組切換（在矢量軸Drive2參數表）：P810＝CU＿S＿003：r722.0，r722.0為 CU320－2DP上的開關量輸入端子DI0，用來選擇CDS數據組。

控制命令設置（在4個矢量軸參數表）：P840＝r2 090.0；P844＝r2 090.1；P848＝r2 090.2；P852＝r2 090.3；P854＝r2 090.10。

總線地址設置（在矢量軸的CU參數表）：P918＝3。

設定值通道（在4個矢量軸參數表）：P1035＝r2 090.13；P1036＝r2 090.14；P1037＝1 500；P1038＝－1 500；P1070＝r2 050［1］（主設定值的信號源），r2 050［1］為來自于工控機的速度給定值，即控制字STW2；P1082＝1 500；P1113＝r2 090.11；P1135＝3；P1140＝r2 090.4；P1141＝r2 090.5；P1142＝r2 090.6；P1300＝ ［20］speed control（encoderless）。

作為從驅動器的附加扭矩設置：P1513［0］＝VECTOR＿01：r1482，Drive1為主驅動器，參數在Drive2、Drive3、Drive4參數表設置。

P1513［1］＝VECTOR＿02：r1 482，Drive2為主驅動器，參數在Drive3、Drive4參數表設置。r1482為速度調節器的積分轉矩輸出。

轉矩限幅（在4個矢量軸參數表）：P1520＝296；P1521＝－296。

發送狀態字（在4個矢量軸參數表）：P2051［0］＝r2089［0］；P2051［1］＝r63［0］；P2051［2］＝r080；P2051［3］＝r030。

故障應答（在4個矢量軸參數表）。P2103＝r2 090.7。

由于Infeed單元采用的是PROFIdrive的標準報文SIEMENS telegram 370，故不再贅述。

3.6 主從控制自動切換功能的實現

為完成切換功能，將兩組控制數據實行一用一備，主從控制切換框圖見圖3。

圖3 主從控制切換框圖Fig.3 Master－slave control commutation block diagram

由于所有驅動控制器的速度給定都是來自于工控機的同一個值，各驅動裝置速度控制器前的控制完全一致。第1組數據的工作情況如圖3a所示，Drive1的速度調節器積分轉矩輸出I（參數r1 482）連接到各從驅動器的轉矩給定端，作為各從驅動器的附加轉矩給定。當Drive1出現問題時，通過程序控制和參數設置，使Drive1停機，并且斷開其積分輸出I到各從驅動器的連接，此時切換成第2組數據工作，工作情況如圖3b所示，此時Drive2被切換為主驅動器，Drive2的速度調節器積分轉矩輸出I（參數r1 482）連接到其余從驅動器的附加轉矩給定端，從而完成主從控制的自動切換。

4 結論

采用速度矢量控制方式的主從控制，當速度發生變化時，各驅動器的速度環起主要的調節作用；當速度沒有變化時，主驅動器的轉矩積分量起主要的調節作用，起到和轉矩控制一樣的作用。采用速度矢量控制方式的主從控制，較常規的主從控制的突出優點是：當負載轉矩發生異常突變時，還有速度環起調節作用，不會產生所謂的“飛車”危險。

在兩組控制數據切換時，由于加到各驅動器的速度給定是同一個值，所有的驅動電機轉速都是相同的；又因為各驅動器的轉矩也是相同的，當兩組控制數據進行切換時，只是控制源發生了變化，切換時的控制數據并沒有發生變化。所以，上述主從控制的自動切換幾乎是無擾動的切換。

我們開發設計的盾構機刀盤控制系統的主要特點是：所有的刀盤電機由SINAMICS驅動，通過Profibus總線和PLC聯成一個現場網絡，極大地提高了機器現場的靈活性，可以很方便地進行刀盤電機的切換和控制。采用速度矢量控制方式的主從控制，實現了所有驅動電機負荷的均衡匹配，保證了機械受力的均勻性和一致性。本系統投入運行后，實現了盾構機刀盤主從控制的自動切換，通過實際的參數測量和對驅動器的過程數據觀察，控制效果良好，證明上述方法能很好地滿足盾構機應用的要求。

［1］陳伯時.電力拖動自動控制系統－運動控制系統［M］.第3版.北京：機械工業出版社，2003.

［2］西門子有限公司.SINAMICS S120參數手冊［Z］.2007.

［3］西門子有限公司.SINAMICS S120調試手冊［Z］.2010.