盾构施工技术培训课件6503

TBM盾构电气控制系统TBM盾构电气控制系统讲课内容1。TBM盾构电气控制系统的组成2。PLC控制系统在TBM盾构机上的应用3。常用安全保护电路在TBM盾构机上的应用4。常用传感器在TBM盾构机上的应用5。TBM盾构机电气系统维修保养6。TBM盾构机常见电气故障的处理电气系统构成高压供电低压配电盾构PLC自动控制系统计算机数据采集系统机械液压系统控制，包括：刀盘驱动系统推进系统管片拼装机和管片输送系统铰接缸系统螺旋输送机、皮带输送机系统泡沫和膨润土系统盾尾密封系统同步注浆系统集中自动润滑系统冷却系统仿形刀系统盾构机供配电系统组成高压供配电：由于盾构机整机负荷较大，因此盾构机采用高压10KV供电。为保证盾构机连续掘进，采用100m高压软电缆和高压电缆卷筒实现连续不间断供电。变压器：TBM及盾构机常用的变压器有波纹密封油浸式和干式变压器两种。油浸式变压器具有体积小、价格低等优点，但其维护不便；而干式变压器维护方便，过载能力强，但体积大、价格贵。因此目前一般常见的是盾构机采用的是全密封油浸式变压器，它使变压器内部与大气隔离，防止油的劣化和绝缘受潮，增强了运行的可靠性。TBM采用的是干式变压器。软启动器：功率较大的电动机直接启动时有较大的冲击电流，为了避免启动电流对电网的冲击，对大功率的电动机采用软启动器启动，中小功率的电机采用星三角启动或直接采用启动方式。无功功率补偿：采用补偿电容器在低压端集中补偿的方法，利用无功功率自动补偿控制器对无功功率进行自动补偿，它实时监测系统的功率因数，通过控制接触器切换电容组达到动态补偿功率因数的目的。补偿后的功率因数不低于0.9。盾构机供配电系统组成主机控制系统的组成：主机控制系统盾构机主机控制系统采用主从、上下位机和分布式I/O结构。上位机为PC（个人计算机）和墙面式工控机组成的基于Profibus-Dp协议的现场总线的计算机局域网络，下位机是以SiemensS7-400为主站的可编程控制器系统。工控机和数据采集系统墙面式工控机为SiemensPC670人机界面，采用彩色液晶触摸屏，安置在盾构机操纵室内控制面板上。用于设置控制系统参数和显示数据，由现场操作人员使用。其余PC根据需要可以放置在机电工程师室和经理室。这些计算机上均安装WINCC（WINDOWSNT版）软件，用于对隧道内的施工情况进行实时监控，打印报表和其他管理工作。

盾构机控制系统示意图远程计算机工业计算机PLCDIAIDOAO触摸屏显示器

现场操作板接口遥控操纵板位置开关传感器等中间继电器驱动放大板开关阀、信号灯等比例阀、变频器、表头模拟传感器脉冲传感器接触器、电机等打印机激光导向系统主机控制系统的组成：主机控制系统采用PLC可偏程控系统的意义TBM盾构机是一个机、电、液一体化的工厂化隧道开挖施工机械，是大型化、自动化、流程化的大型连动机。由于其控制环节多，工序复杂，并且相互关联，相互影响，任何一个环节出现故障都将影响正常掘进甚至停机修理，因为了保障TBM盾构机工作的高度可靠性安全性和易维护性，其控制系统采用了PLC可偏程控制系统。PLC可偏程控制系统具有系统功能强、可靠性高、抗震性能好、编程容易、修改方便、扩充维修容易等一系列优点。采用PLC可编控制系统的特点是TBM盾构机上所有传感器和控制信号都输入到PLC，所有输出信号都由PLC发出的。方便建立各种连锁关系。因此PLC可编控制器是掘进机的控制中枢。是掘进机的大脑和心脏。

PLC的结构2022/11/212、PLC的工作原理直接起动控制电路采用PLC控制，其外部接线及内部等效电路如图所示。可将PLC分成3部分：输入部分、内部控制电路和输出部分。2022/11/21PLC是采采用用顺序序扫扫描描、、不不断断循循环环的方方式式进进行行工工作作的的。。PLC的扫扫描描工工作作过过程程可可分分为为输输入入采采样样、、程程序序执执行行和和输输出出刷刷新新3个个阶阶段段，，并并进进行行周周期期性性循循环环。。PLC的工工作作方方式式常用用PLC型号号目前前常常用用的的PLC有西西门门子子和和施施耐耐德德。。西门门子子PLC系列列有有S7-200\S7-300\S7-400三个个系系列列，，盾盾构构机机常常用用的的是是高高档档S7-400系列列，，施耐耐德德PLC有MODICOM\PREMIUM\MUMENTUM系列列。。海瑞瑞克克盾盾构构全全部部用用的的是是西西门门子子，，维维尔尔特特用用的的全全是是施施耐耐德德。。这这有有一一个个习习惯惯问问题题。。西门子常常用的PLC编程软件件是STEP7西门子常常用的组组态软件件是WINCC施耐德常常用的PLC编程软件件是PL7和UNITY西门子S7-300系列PLC主操作室室（主站站）盾体（分分站）配电柜（（分站））SPS例如SIMATICS7

数据收集和处理PC带有SwitchESPower

用于通过PROFIBUSDP对SENTRON断路器进行参数化、操作和监视的软件显示单元

例如带浏览器的笔记本以太网/

内联网/

因特网BDA/

BDAPlusCOM15BSSETU测量ZSI模块数字输出模块

继电器数字输出模块

光耦合器数字输出模块

继电器,可配置模拟输出模块数字输入模块数字输出模块

光耦合器,可配置SENTRONWL西门子S7-400系列PLC西门子标标准通讯讯总线PROFIBUS-DPAS-IAS-IET200U断路器AS-IDP/AS-I-LinkTELEPERMM,SIMATICS5,SIMATICS7MasterDriveM3~M3~MicroMasterSIMOCODE-DPCOROS

SICAMLCCM3~ET200L中压断路器3AHTCP开放:基于TCP/IP的自由协议-基于EthernetTCP/IP的Modbus协议Ethernet伙伴Fipio伙伴Modbus伙伴OPC兼容JavaApplets库函数SCP开放:第三厂家家的串行行协议ProfibusDeviceNet/ControlNetInterbus第三厂家的总线型I/O施耐德Premium系列PLC电话线-ModemHTMLWebserverAS-i总线第三厂家总线-Interbus-S-Profibus-DP-CANopen

施耐德Momentum系列分布布式PLC带分布式式I/O的控制器器I/O总线(Interbus)-最多128I/O模块，距距离42,000英尺.ModbusPlus方式-最多64I/O模块，距距离6000英尺以太网-最多64I/O模块，距距离与介介质有关关.RS-232Port-ModbusI/OBus(Interbus)CommunicationtoDistributedI/OModulesMomentumI/OModuleslocatednearfielddevicesMomentumProcessormountedonI/OModuleComputerOperatorStation施耐德PLC通讯总线线MODBUSPLUS和FIPIO盾构PLC控制系统统组成（（西门子子）主操作室室（主站站）盾构机PLC控制系统统组成（（续）盾构机PLC控制系统统配置TBM-PLC控制系统统配置图图盾构PLC控制流程程图计算机控控制及数数据采集集系统主要完成成参数设设定、监监控、管管理功能能采用组态态软件，，西门子子WinCC，施耐德德的Factrylink现场工控控机与办办公室的的管理计计算机组组成局域域网，将将洞内盾盾构机的的信息传传输到地地面办公公室，并并储存起起来。操作画面面设定界面面：设定定盾构对对象和控控制参数数测量界面面：显示示盾构中中各类检检测仪器器的测量量值掘进界面面：施工工时主画画面，掘掘进参数数、设备备状态历史曲线线画面：：以曲线线形式显显示历史史施工数数据，可可按环号号查询报警画面面：及时时显示盾盾构设备备运转情情况和故故障报警警报表动态曲线线铰接画面面：用于于铰接操操作和控控制，并并显示盾盾构姿态态在线状态态监视显显示屏---WDAS（数据采采集系统统）WDAS系统主要要用于TBM主机工作作状态监监视、掘掘进参数数统计分分析、历历史数据据查询和和故障统统计，打打印输出出掘进报报告和有有关报表表。WDAS具有人机机界面友友好。显显示信息息丰富，，历史数数据贮量量大，故故障信息息和运行行状态数数据保存存完整特特点。特特别是它它保存完完整的故故障信息息和运行行状态数数据对诊诊断某些些疑难故故障非常常有用，，因此WDAS系统是对对MAGELS故障诊断断的一种种补充。。WDAS共有12个显示界界面。F1—启动屏，，F2—TBM参数屏，，F3—全视屏，，F4—液压系统统屏，F5—趋势图显显示屏1，F6—趋势图显显示屏2，F7—换班信息息屏，F8—输入参数数屏，F9—选择屏，，F10——报警/信息屏，，F11——打印屏，，F12——系统屏。。其中F2—参数屏，，F3—全视屏，，F4—液压系统统屏，F10——报警/信息屏，，对故障障诊断非非常有帮帮助。参数屏：：显示TBM当前主机机的各种种运行参参数全视屏：：显示TBM主机各系系统的当当前的运运行状态态液压系统统屏：显显示TBM液压系统统当前的的运行状状态及压压力温度度、液位位等参数数。报警和信信息屏：：显示TBM主机的各各种故障障报警信信息和工工作状态态信息，，并可通通过打印印报警报报告信息息报导查查询TBM以前任何何时候的的报警信信息和工工作状态态信息，，各种报报警信息息和工作作状态信信息都有有起止时时间，这这对诊断断故障十十分有用用。在线状态态监视显显示屏---WDAS（数据采采集系统统）PLC专用笔记记本编程程器在线线实时查查询和故故障诊断断PLC专用笔记记本编程程器在线线实时查查询和故故障诊断断正常情况况下，PLC控制系统统的故障障诊断Magelis就能解决决绝大部部分电气气、液压压故障，，但遇到到联锁关关系复杂杂Magelis不能直接接反映其其故障的的情况，，就需要要借助于于专用笔笔记本编编程器FTX417-20才能快速查找找和确定故障障。使用FTX417-20笔记本编程器器可以快速查查询故障信息息的部位和相相关信息状态态，分析内部部联锁关系，，修改和优化化程序。使用FTX417-20又可以对PLC程序进行在线线监控。连接接FTX417-20到PLC上，进入online（在线状态））时PLC程序的所有状状态都将实时时反映在编程程器上，将Magelis提供的故障地地址输入到编编程器，利用用编程器的搜搜索功能将很很快找出故障障信息所在子子程序和相关关信息并显示示在屏幕上，，造成故障的的条件信息，，将以不同的的颜色显示在在屏幕上。这这样就可以非非常直观、快快速地查找到到故障，并分分析可能的故故障原因，最最终排除故障障。使用编程器还还可以修改和和优化PLC程序，当发现现程序有问题题，需要修改改程序，或在在查找故障时时，需要临时时做一些上处处理，（如临临时短接某个个条件，强制制置位）等，，利用编程器器可以实现在在线修改。编编程器对于PLC故障诊断。特特别是对于那那些Magelis上无故障显示示，而机器又又确实发生故故障的情况，，用编程器来来诊断非常准准确有效。因此，Magelis和专用笔记本本编程器是TBM在线故障诊断断的两个最重重要的必不可可少的工具。。故障在线实时时显示屏----MagelisPLC的编程控制系系统带有一个个故障在线实实时显示屏（（Magelis），它可以将将TBM各种电气液压压发生的故障障及时地显示示和记录下来来。供故障诊诊断分析使用用，并提供发发生故障部位位的信息或可可能发生故障障部位的相关关信息，便于于缩小故障找找询范围，快快速诊断故障障。Magelis的主要功能为为：立即显示并记记录当前刚发发生的故障信信息，并有音音响提示可循环显示512个故障的历史史记录，通过过翻页形式来来查询。可循环显示当当前尚未消除除的故障信息息监视所有通道道的实际显示示值可查询的故障障信息内容有有：故障的内容，，即何种故障障故障发生的时时间和消除恢恢复的时间故障的子程序序和行号故障的PLC输入端口地址址，和相应元元件的电气编编号模拟量输入信信号的故障通通道号等。Magilis是TBM最重要最实用用的在线诊断断工具，TBM主要电气、液液压故障都将将首先在Magelis中显示，同样样，当发生任任何电气、液液压故障时，，操作人员首首先要查看Magelis记录。安全保护电路路在TBM盾构的应用安全继电器保保护回路，采采用紧急按钮钮、紧急继电电器双接点保保护安全保护设计计：接近保护护开关常闭回回路设计。断断线监视功能能。绝缘检测高压保护，短短路、速断，，单相接地接地连续性监监测保护，高高压快速插头头TJB高压快速插头头TJB高压快速插头头TJB高压快速插头头绝缘监视和相相位保护TBM盾构机常用传传感器电感感应式接接近开关。压力传感器、、压力开关。。电容式流量传传感器、流量量开关。温度传感器、、温度开关。。位移传感器倾角传感器编码器TBM盾构机电气系系统维护保养养由于振动较大大，特别是TBM，要定期紧固固接线端子。。特别是电机机接线端子。。防水、防潮，，绝缘检查。。除尘，降温传感器加防护护TBM盾构机常见电电气故障判断断和处理处理故障的原原则：先简后繁，由由外而内。先检查电源，，在检查外部部线路。绝大多数故障障是线路故障障，断线、短短路、接地和和接触不良等等。PLC程序一般不会会出问题。对于电气故障障要先从简单单的地方查起起，开始不要要考虑的太复复杂。TBM盾构机常见电电气故障判断断和处理典型故障处处理：1。秦岭TBM接地故障。。2。磨沟岭TBM串电故障。。3。广州S180盾构PLC复位输入板板故障。4。大伙房PLC通讯故障。。对于有通通讯的PLC,要重视终端端电阻的作作用.秦岭TBM接地故障三月五日上上午，在正正常掘进中中突然出现现奇特故障障，现象如如下：按正正常步骤启启动1#~9#液压泵，启启动皮带机机，顺次启启动1#~8#刀盘驱动主主电机，再再启动刀盘盘旋转，然然后向前推推进，至此此一切正常常，但在刀刀盘接触掌掌子面2~3分钟后，两两个主变压压器上的E04主开关跳闸闸，+E04配电柜断电电，1#2#6#9#泵关闭，E01、+E02配电柜正常常，1~8#主电机正常常运转，但但皮带机停停转，刀盘盘推进停止止，主控室室中与PLC控制系统相相联的故障障诊断系统统显示器上上显示如下下故障：T01MainSwitch+E04400vFault；中断路器器Q3M）T02MainSwitch+E04400vFault；中断路器器Q6M）Powerpack1I-TestFault；Powerpack2I-TestFault；；但随即按下下操作台上上的故障确确认按钮（（Acknowledge），即可消消除全部故故障，重新新合上E04主开关，并并重复以上上正常操作作，在接触触岩面2~3分钟后重复复以上现象象。此后三三天内，此此故障持续续发生，导导致无法掘掘进。至此，终于于确定问题题在230v控制电的瞬瞬间失电上上，我们认认为大致有有三种情况况：其一电电源不稳，，其二接触触不良，其其三瞬间接接地。第一一步，更换换T04并使其改由由应急发电电机供电，，故障依旧旧，证明非非电源问题题；第二步步，检查230v控制变压器器出线电缆缆及相关线线路，未发发现异常；；最后联想想到故障的的一个偶然然现象，即即有时在顺顺次启动至至6#主电机时故故障会出现现，由于主主电机加热热器也由230v控制电供电电，猜测是是主电机的的加热器回回路出现故故障，故将将此回路取取消进行试试掘进，结结果故障消消除，进一一步实验证证明，是6#主电机的加加热器回路路出现了故故障，由于于主电机的的加热器位位于电机内内部，不易易拆出检查查，故现场场采取将6#主电机加热热器回路暂暂时断开的的措施，终终于在三月月七日下午午六时恢复复掘进，故故障解决历历时将近三三天。主电机的加加热器回路路是如何引引发这个故故障的呢？？分析认为为，在启动动至6#主电机或刀刀盘接触到到岩面时，，电机振动动加剧，使使出现故障障的6#主电机加热热器回路出出现瞬间接接地，从而而230v控制电瞬时时失压，由由于主变压压器断路器器的欠压脱脱扣线圈及及各回路接接触器均由由230v控制电供电电，结果造造成断路器器欠压脱扣扣及接触器器失压动作作。但在此此有两个疑疑问：其一一，为何其其他泵不停停泵？由于于P1、P2、P6、P9的一次回路路有电流检检测，并由由PLC系统控制故故障置位，，不按下““故障确认认”按钮就就不能复位位故障，而而其它泵则则不进行电电流检测，，在230v控制电恢复复正常后又又重启，从从而在故障障显示器上上不显示其其他泵的停停止又重启启过程；其其二，同样样由230v控制的8个主电机回回路，同样样有电流检检测，为何何不出现电电流检测故故障而停机机呢？我们们已知，P1、P2、P6、P9控制回路的的接触器型型号为LC1-F185M5，而主电机机的接触器器型号为LC1-F630M7与LC1-F400M7（刀盘转速速为5.4rpm时）及LC1-F500M7（2.7rpm时），通过过查阅Schneider产品技术资资料得知，，LC1-F185的打开动作作时间为7~15ms，LC1-F400与LC1-F500为100~170ms，LC1-F630为100~200ms，这样如果果控制电压压的失压时时间在15~100ms之间，就只只会令LC1-F185型接触器打打开，而对对于LC1-F400和LC1-F630其打开动作作尚未开始始230v控制电又立立即恢复而而依然保持持闭合，一一次回路中中依然保持持工作电流流，这就是是8个主电机不不停机的原原因，同样样也可解释释为何主变变压器上Q1M、Q2M和Q4M、Q5M不跳跳闸闸的的原原因因，，事事后后我我们们利利用用示示波波器器对对230v控制制电电压压进进行行监监测测，，在在重重现现故故障障时时得得到到了了验验证证。。结束束语语：：在在这这次次故故障障的的排排查查过过程程中中花花去去近近三三天天时时间间，，除除由由于于我我们们经经验验不不足足及及现现场场条条件件不不完完善善（（当当时时无无示示波波器器））外外，，还还给给我我们们一一个个重重要要启启示示，，即即现现场场排排障障时时，，不不但但要要定定性性地地分分析析，，还还必必须须有有定定量量的的分分析析，，否否则则一一些些故故障障可可能能就就无无法法找找到到原原因因并并排排除除。。秦岭岭TBM接地地故故障障磨沟沟岭岭TBM串电电故故障障。。十月月十十二二日日，，TBM出现现电电气气故故障障，，无无法法掘掘进进。。现现场场技技术术人人员员努努力力仔仔细细查查找找，，经经过过两两个个保保养养班班、、两两个个掘掘进进班班排排除除了了故故障障，，恢恢复复了了正正常常掘掘进进。。故故障障发发生生现现象象及及处处理理分分析析过过程程如如下下：：十月月十十二二日日晚晚23：40分左左右右，，掘掘进进Ⅱ班喷喷完完浆浆后后，，启启动动电电机机掘掘进进了了3～4cm突然然紧紧急急停停机机。。1#、2#、6#、9#泵电电流流测测试试故故障障停停止止，，主主电电机机未未停停，，在在停停电电机机后后拉拉掉掉4#电机机的的刀刀熔熔开开关关（（因因4#离合合器器冒冒烟烟）），，确确认认故故障障后后再再启启动动各各泵泵站站，，9#泵站站电电流流测测试试停停泵泵，，在在确确认认故故障障后后再再启启动动9#泵，，并并转转动动刀刀盘盘清清碴碴。。由由于于已已到到交交班班时时间间，，故故停停止止掘掘进进。。保保养养班班接接班班后后，，在在只只启启动动各各泵泵站站的的情情况况下下未未发发生生异异常常，，而而在在准准备备掘掘进进时时发发现现在在启启动动泵泵站站和和主主电电机机后后数数分分钟钟内内，，就就会会由由于于电电流流测测试试故故障障而而停停1#、2#、6#、9#泵，，导导致致无无法法掘掘进进，，而而且且在在停停止止电电机机后后，，启启动动电电机机指指示示灯灯闪闪烁烁。。在分析解决故故障时，由启启动电机指示示灯闪烁入手手，由于正常常情况下，停停止电机后是是不会闪烁的的。通过手提提电脑联机发发现，八个主主电机在停止止电机后，由由PLC模拟量输入板板得到的各电电机电流值不不回零，并在在0～16A间跳动，由于于程序设定电电机电流大于于5A，即认为此电电机已启动，，故导致启动动电机指示灯灯闪烁。在更更换新的电流流变送器后，，排除