盾構機刀盤測速裝置的改進

郝春寶 張 旭

（濟南中鐵重工軌道裝備有限公司，濟南 250000）

盾構機是集機械、電氣、液壓、測量和控制等多種學科技術于一體，專門用于地下隧道工程開挖的技術密集型重大工程裝備[1]。刀盤是盾構機的關鍵部件之一，安裝在刀盤上的刀具在盾體推進油缸的作用下緊壓在巖面上，隨著刀盤的旋轉，對地層進行開挖。因此，刀盤的轉速是操作盾構機的重要參數。

1 刀盤測速的現狀

刀盤由主驅動帶動旋轉，刀盤的轉速檢測是通過安裝在主驅動箱上的感應式接近開關感應主驅動箱內的齒輪產生脈沖信號，由PLC采集后再經過計算把脈沖頻率轉換成轉速數據，然后傳給控制室里的上位機進行顯示。

接近開關選用圖爾克Bi5-M18-AP6X型感應式接近開關，常開觸點，NPN輸出，三線，電壓10～30VDC，最大感應距離是5mm，如圖1所示，該型接近開關的外形是圓柱形，外表面是M18×1.0的螺紋。

圖1 感應式接近開關

接近開關通過螺紋固定到主驅動箱的螺紋孔里，使感應頭與主驅動箱內齒輪的垂直距離在5mm之內。當接近開關的感應頭感應到齒輪時，接近開關內的常開觸點導通，輸出直流電壓；當感應頭感應不到齒輪時，接近開關內的常開觸點斷開，無輸出直流電壓。因此，每感應到主驅動箱內齒輪的一個齒便產生一個脈沖信號。PLC采集到脈沖信號后，可以根據式（1）計算出刀盤的轉速。

式中，t為采集周期，s；N為采集周期內采集到的脈沖數；P為刀盤每旋轉一周的脈沖數；N為刀盤轉速，r/min。

PLC以西門子6ES7 321-1BL00-0AA0型32點24VDC數字量輸入模塊為例，數字量輸入通道的最短響應時間是1.2ms，即最高響應頻率是833Hz[2]。

刀盤的轉速越高，接近開關產生的脈沖頻率就會越高，如果接近開關產生的脈沖頻率大于833Hz，就會超出PLC數字量輸入的最高響應頻率，從而使超過PLC響應頻率的脈沖丟失，導致計算出來的刀盤轉速低于實際轉速。

2 刀盤測速的改進措施

選用圖爾克IM21-14-CDTRi型轉速監控器，把采集到的脈沖頻率轉換為刀盤的實際轉速進行顯示，同時把轉速數據轉換為4～20mA的模擬量信號傳送給PLC的模擬量輸入模塊，由PLC把4～20mA的模擬量信號再轉換為轉速數據。

圖爾克IM21-14-CDTRi型轉速監控器能夠監控旋轉電機、齒輪的脈沖頻率，具有超速、欠速報警功能，有兩路繼電器輸出和一路晶體管輸出、一路電流輸出，最高響應頻率是10kHz，通過面板上的顯示屏顯示實時轉速[3]。如圖2所示，Pwr指示燈：電源/故障指示燈；1號指示燈：繼電器1的開關狀態指示燈；2號指示燈：繼電器2的開關狀態指示燈；3號指示燈：晶體管的開關狀態指示燈。

圖2 IM21-14-CDTRi型轉速監控器

如圖3所示，端子19、20接工作電源。端子3、4、5接三線制的接近開關，其中端子3、5為接近開關提供12VDC的電源，端子4接接近開關的脈沖輸出端。端子11、16是模擬量電流信號輸出端。

圖3 IM21-14-CDTRi型轉速監控器接線圖

通過參數設定鍵設定參數如下：進入“DIn”主菜單，進入“輸入信號類型”菜單，選擇“3-wire sensor”（三線制傳感器），進入“Tb”菜單，更改時間基數為“60，10E0”，即60x10E0，表示數據單位為r/min，接著進入“NoTar”菜單，設定刀盤每旋轉一周產生的脈沖數。然后返回到主界面，進入“AOut”主菜單，進入“F-IL”菜單，設定模擬量輸出最小值對應的轉速，設為0；再進入“F-IH”菜單，設定模擬量輸出最大值對應的轉速；再進入“0/4mA”菜單，設置輸出電流范圍為“4”，即4～20mA。值得注意的是，對PLC編程時，刀盤的最低轉速值、最高轉速值必須與轉速監控器里的“F-IL”“F-IH”菜單里的數值一致，否則經PLC換算的刀盤轉速不準確。

3 結語

通過采用圖爾克IM21-14-CDTRi型轉速監控器，人們實現了對刀盤轉速脈沖的完全采集，并且把脈沖頻率轉換為轉速數據，然后經過4～20mA電流信號傳給PLC。目前，PLC直接采集刀盤轉速脈沖信號時，數字量輸入通道的響應頻率過低，刀盤高速旋轉時的脈沖信號不能完全被PLC采集，導致計算出來的刀盤轉速過低，而該方案有效地解決了上述問題。實踐證明，采用該方案檢測的刀盤轉速準確，而且便于觀察，在轉速監控器的顯示屏上就可以直接讀取刀盤的轉速。