基于PLC系統的盾構機電氣調試技術

揭麗霞

（中鐵十六局集團有限公司，北京 100018）

0 引言

盾構機是一種大型隧道專用施工設[1]。集機械、液壓、電氣、PLC 控制等多學科技術為一體，具有其隧道開挖速度快、安全、地面沉降控制好等優點，但由于其自身設備龐大，機械液壓電氣系統組成復雜的特點，這對設備的調試與日常的運行維護提出了更高的要求。

1 鐵建重工盾構機簡介

本文介紹的鐵建重工液壓驅動土壓平衡式盾構機，開挖直徑為6280mm，主機長度為12.5 米包含前盾（切口環）、中盾（支承環）、盾尾及螺旋機幾大部分，整機長度約為80 米。裝機功率約為1700KW,其中主驅動功率為945kW，額定扭矩5000kNm,脫困扭矩6000kNm。推進油缸數量32 根，油缸行程2100mm,額定推力36493kN@300bar，最大總推力42575kN@350bar。鉸接采用被動鉸接形式，鉸接油缸數量為14 根，油缸行程150mm,最大收縮力為10000kN@350bar。盾構機整機控制系統采用德國西門子S7-400PLC 主機對各系統功能進行集中處理控制[2]。

2 調試前準備工作

在調試前分別對水、電、液、氣各系統連接對照圖紙逐一核實，特別是各液壓管路應保證鐵牌一一對應，確保管路連接的正確性。高壓電纜應在清潔干燥的環境由高壓電工按相序進行連接，低壓電纜要求放線規整線號對應，發現線路破損要采取更換或者做相應絕緣處理。

3 調試步驟

調試時按照各系統的相互關系來綜合決定先調試哪一部分，本次調試的順序為，高壓送電、低壓送電、報警信息消除、管片吊機調試、通外循環水源、空壓機系統、油脂系統、各電機的旋轉方向檢查、拼裝機系統、推進系統、螺旋機系統、皮帶機系統、注漿系統、泡沫膨潤土系統、刀盤系統，按此步序對各分部進行調試。

3.1 高壓電源送電操作

盾構機的動力電源由地面10KV 高壓電纜接至盾構機的后部臺車上，送高壓電之前應保證盾構機上所有用電設備閘處于斷開狀態，在專業電氣工程師檢查確認后由地面高壓電工進行高壓送電操作，高壓送電完成后應檢查設備是否有相序檢測報警。如有相序檢測報警需要進行倒相操作，地面高壓電工應斷開高壓電源，把此路高壓的手車搖出并合上地刀。然后進行線序倒換作業，倒換其中任意兩條線的順序即可改變相序的狀態。倒換線序完成后即可按送電步驟操作重新進行高壓送電。

3.2 低壓送電及電機旋轉方向檢查

低壓主電源送電前檢查急停按鈕是否按下，確認主電源后端的所有負載斷開后方可進行合閘操作。

當所有電機相間電阻平衡測試及對地絕緣測試通過后即可對其負載送電，避免調試時啟動電機出現危險。送電后點動啟動電機觀察電機的旋轉方向是否正確，正確狀態為面向風扇觀察順時針旋轉，反之應調換線序使電機旋轉方向正確。

3.3 急停故障消除

3.3.1 急停控制原理

鐵建重工盾構機急停保護采用了AB 品牌MSR127 型安全繼電器作為保護控制器件，安全繼電器原理圖如下

圖4-1

其中 S52&S12 ，S21&S22 ，S11&S52 三路均為安全輸入回路。13&14,23&24,33&34,41&42 均為安全繼電器的輸出回路，其中13&14,23&24,33&34三組為常開觸點，41&42 為常閉觸點。S12&S34 為手動復位回路輸入信號。

3.3.2 控制回路分析

以盾構機刀盤急停回路分析為例對刀盤急停回路控制原理進行分析。

圖4-2

盾構機使用了安全繼電器的一組輸入S11&S52,另兩路輸入信號直接用導線短接，13&14,23&24 兩副輸出常開觸點作為兩個輔助繼電器2K6，2K7 線圈的接通條件，2K6，2K7 繼電器的常開觸點均串接在安全繼電器的復位回路中作為復位回路的一部分。輸出33&34 未使用，輸出信號41&42 常閉觸點串接于繼電器2K5 的接通回路。

安全繼電器的輸入信號正常時，安全繼電器正常動作41&42 常閉輸出觸點會斷開，繼電器2K5 不得電，繼電器2K5 常開觸點不動作，刀盤緊急停止輸入信號不會被觸發。

當急停按鈕有動作或急停輸入回路斷開時，安全繼電器在復位之前將切斷輸出信號，即13&14,23&24,33&34 三組為常開觸點保持打開，41&42 為常閉觸點保持閉合，其中41&42 觸點串接于繼電器2K5 線圈的回路，這時候繼電器2K5 將得電，2K5 常開觸點11&14 動作接通，此時刀盤緊急停止信號觸發，主控室人機界面報刀盤緊急停止故障信息。

3.3.2 刀盤調試方法

刀盤驅動系統采用的是三臺閉式變量柱塞泵，必須保證AB 管路成并聯對應關系，電磁閥插頭要求一一對應不能接反，為了防止管路接錯，調試時采取一臺一臺泵啟動后旋轉刀盤的方法調試，最終看三次旋轉的方向是否一致，如不一致則有可能是AB 管路接錯或者電磁閥插頭接反[3]。具體方法如下

打開刀盤控制程序功能塊FB13，其中網絡19、20、21 的中間變量#STAT21、#STAT22、#STAT23 為123 號刀盤的運行狀態，網絡30 的M401.0、M401.4、M403.0為123 刀盤的就緒狀態。調試時保證中間變量#STAT21、#STAT22、#STAT23 都處于接通狀態，在網絡19、20、21 程序中分別加入ON M1000.1 使其中間變量輸出為1，如圖4-3，

圖4-3

當只啟動1#刀盤泵轉刀盤時更改網絡30 的程序，在控制程序第七行插入ON M100.2 即可保證不啟動2、3 號刀盤泵的情況下刀盤能正常轉動。如圖4-4

圖4-4

當只啟動2#刀盤泵轉刀盤時更改網絡30 的程序，在控制程序第四行第七行分別插入ON M100.2 即可保證不啟動1、3 號刀盤泵的情況下刀盤能正常轉動。如圖4-5

圖4-5

當只啟動3#刀盤泵轉刀盤時更改網絡30 的程序，在控制程序第五行插入ON M100.2 即可保證不啟動1、3 號刀盤泵的情況下刀盤能正常轉動。如圖4-6

圖4-6

通過三次單泵分別轉動刀盤，如果刀盤旋轉方向都一致證明液壓管路和電磁閥插頭均連接正確。如果啟動某一個泵運行刀盤，旋轉方向不一致則應該首先對比刀盤泵斜盤的偏轉方向，如果刀盤泵斜盤偏轉方向都一致證明電磁閥插頭未接錯，就可以判斷出旋轉方向不一致的那臺泵AB 管路接反，應調整AB 口管路位置。

4 故障分析處理

在調試過程中經常發現因為條件不滿足，但又缺少報警信息的情況，此時的維修人員會憑借自己日常積累的工作經驗來判斷故障的部位，或者排除法，或者用元器件替換法，但這些方法排除故障效率不高且容易引發新的故障，為此如果借助PLC 控制程序監控來排除故障將大大提高盾構機的調試維修速度，且能直接命中定位故障點，處理一些疑難問題。

4.1 泡沫系統故障排除

比如啟動半自動打泡沫時無反應，但能手動模式打，根據經驗我們會判斷執行器件及線路均正常，否則手動模式不會正常工作。常規判斷會誤認為半自動啟動按鈕有問題或者半自動啟動的PLC 點位有故障，會把問題定位到啟動輸入信號上去排查。根據PLC 在線程序監控發現DB2.DBX 3.0 狀態為0，其中DB2.DBX3.0為3#土壓傳感器的工作狀態。0 為傳感器斷線或者故障，1 為正常工作的狀態。在線監控程序如下

圖5-1

DB2.DBX 3.0 為3 號土倉壓力傳感器的故障檢測，當3#土倉壓力傳感器故障時DB2.DBX 3.0 為0，此時會聯鎖泡沫的半自動運行功能，使泡沫半自動運行條件不滿足。通過程序定位故障點更換3#土壓傳感器后故障排除。

4.2 刀盤補油故障分析

在始發空載運轉調試時刀盤補油壓力一直在20bar 左右，導致補油壓力異常，刀盤時常因補油壓力低限觸發而停機，通過和液壓工程師溝通決定暫時把補油壓力設定為18-35bar 運行，如果補油還是不正常再調整補油泵的溢流閥。更改后的運行程序如下

圖5-2

通過空載一段時間的運行補油壓力恢復正常，最后得出的結論可能因為補油泵長期停機沒運行導致補油壓力調整溢流閥芯出現卡滯造成的補油壓力不正常，當補油壓力經過多次起泵正常后把程序更改為出廠狀態20-35bar 范圍[4]，如下圖

圖5-3

5 結語

通過本次調試，尤其刀盤的三臺驅動泵采用單泵逐臺試轉，然后對比三次轉動的情況來判斷液壓與電氣管路線路連接的正確性，調試效果好，節省了大量的人工成本，同時也避免了因人為接錯管路線路造成對設備的損壞，把潛在的設備損壞風險通過巧妙的調試方法進行化解，這也為以后的刀盤調試方法提供了參考。