中国中铁盾构电气控制系统介绍

盾构电气系统介绍盾构电气系统主讲内容1、动力供配电系统介绍2、数据采集及PLC系统介绍3、主控制室介绍4、导向系统介绍5、监视照明通讯系统介绍6、气体检测及消防系统介绍7、盾构电气保养及故障排查1、动力供配电系统介绍

1.1、高压系统描述及组成常规描述：由于盾构整机负荷较大，如果直接供给380V电压，在距离过长后将衰减，从而影响使用。盾构单区间施工距离一般为1KM左右，因此采用高压10KV供电。在长距离隧道中，一般施工距离都超过10KM，这时将采用20KV供电。

高压供电组成：

液压驱动盾构一般由高压电缆卷筒（含约250米高压电缆）或电缆箱（含约500米高压电缆）、高压开关柜及变压器组成。

变频驱动盾构一般由高压电缆卷筒（含约250米高压电缆）或电缆箱（含约500米高压电缆）和箱式变压器组成。1、动力供配电系统介绍

1.2、高压系统组成介绍高压电缆卷筒或电缆箱:卷筒采用将250米高压电缆缠绕在圆形滚筒上，并通过收放电机控制卷筒正反转从而实现收放电缆。电缆箱是在拖车上排放500米电缆，掘进过程中收放电缆都靠人工进行。高压开关柜：高压开关柜负责将10KV高压供给给变压器，同时变压器的保护触点与高压开关相连。当变压器故障（高温、密封失效）时，高压开关将断开，保护变压器。变压器：盾构常用的变压器有密封油浸式和干式变压器两种。油浸式压器具有体积小、价格低等优点，但维护不便；而干式变压器维护方便，过载能力强，但体积大、价格贵。目前常见的液驱盾构机采用的是密封油浸式变压器，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。CREC003/004高压系统由高压电缆卷筒和箱式变压器组成。1、动力供配电系统介绍

1.3、高压系统组成照片—液驱盾构

1、动力供配电系统介绍

1.3、高压系统组成照片—变频盾构之电缆卷筒

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1.3、高压系统组成照片—变频盾构之箱式变压器

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1.2、低压系统的组成组成：低压系统由变频器驱动系统（TC3）、泵站驱动系统（TC2）、主控室系统（TC1）、盾体左系统(DTL)、盾体右系统(DTR)、内循环水及皮带机系统(TC5)和线前系统(TC3)组成。

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1.2、低压系统的组成

变频驱动系统(TC3）布置在TC3的右侧，其功能只为刀盘驱动系统服务。

1、动力供配电系统介绍

1.2、低压系统的组成泵站驱动系统（TC2）布置在TC2的右侧，紧靠液压泵站系统，为液压系统提供动力及控制（螺旋输送机、推进、管片安装、过滤循环、控制、辅助、注浆），同时为TC3及TC2左侧的流体系统提供动力及控制（膨润土、盾壳膨润土、泡沫、加水）。

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1.2、低压系统的组成主控室系统(TC1）为TC1左右侧的系统提供控制，同时为设备桥的系统

、管片安装机系统、螺旋输送机系统、管片小车等提供控制。作为控制系统的核心-PLC主系统也布置在TC1的主控室内，此外，数据采集及显示系统（上位机）、视频监视系统及导向系统也布置在主控室内。在后面的介绍中将详细介绍这些系统。

1、动力供配电系统介绍

1.2、低压系统的组成盾体左侧和盾体右侧系统：为盾体左右侧的系统提供控制，系统大致包括推进系统、盾尾油脂、齿轮油、膨润土、盾壳膨润土及刀盘现场控制等系统。

1、动力供配电系统介绍

1.2、低压系统的组成内循环水及皮带机系统(TC5)：为布置在TC5及TC6的系统提供动力及控制，包括内循环水系统、皮带机系统、水管卷筒等系统。

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1.2、低压系统的组成线前系统（TC3）：为设备系统照明、插座等系统提供动力，该系统脱离其他拖车系统。

1、动力供配电系统介绍

1.3、供配电原理图

2、PLC及数据采集系统

2.1、盾构采用PLC的意义盾构是一个机、电、液、气于一体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可编程控制器系统。

2、PLC及数据采集系统

2.1、盾构采用PLC的意义PLC可编程控制器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盾构机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。

2、PLC及数据采集系统

2.2、盾构PLC控制系统的组成PLC控制盾构PLC控制系统包括PLC及上位机。PLC系统是以SiemensS7-400为主站ET200M为从站的可编程控制器系统；上位机为面板式工控机组成的基于工业以太网协议的计算机局域网络。数据采集系统盾构上的数据采集系统与上位机共用面板式电脑，设计采用为SiemensPC677系列面板式电脑，采用彩色液晶触摸屏，安置在盾构主控室内。用于设置控制系统参数和显示数据，由现场操作人员（主司机）使用，每天的掘进参数将自动打包存储于面板式电脑中，方便日后统计使用。其余PC根据需要可以放置在机电工程师室或经理室。这些计算机上均安装相应的监视软件，用于对隧道内的施工情况进行实时监控，同时进行打印报表和其他管理工作。

PLC控制系统位置

盾构机PLC主机放置在拖车1左侧的主控室内，通过PROFIBUSDP总线扩展分布式I/O，分别位于盾体左侧、盾体右侧、拖车2及拖车5，同时TC3的变频驱动系统的变频器也通讯。数据采集系统也安装在主控室内。

2、PLC及数据采集系统

2.3、盾构PLC及数据采集系统示意图2、PLC及数据采集系统

2.5、PLC介绍-S7-4002、PLC及数据采集系统

2.6、盾构PLC系统-主控室控制面板2、PLC及数据采集系统

2.6、盾构PLC系统-现场控制面板2、PLC及数据采集系统

2.7、数据采集系统-总体描述数据采集系统主要完成参数设定、监控、管理功能。采用西门子WinCC组态软件。现场工控机与办公室的管理计算机组成局域网，将洞内盾构机的信息传输到地面办公室，并储存起来。数据采集系统界面包括以下10个界面：1、主监控界面：实现掘进机各系统采集参数的显示；2、泡沫系统界面：实现泡沫系统参数的显示、设置及控制；3、辅助控制界面：实现盾尾密封、膨润土及调试选择等功能；4、启动条件界面：实现各系统的启动条件的显示，方便操作人员及维修

人员及时查找故障；5、参数设置界面：对掘进机部分重要参数进行设置；6、变频驱动：对掘进机刀盘驱动参数进行监视。7、报警系统界面：对掘进机故障点进行明确指示，便于维修；8、曲线图界面：可对部分参数进行线性监视。9、运行记录界面：对掘进机参数进行归类保存，并自动存储在计算机里，

便于日后进行归纳总结。10、返回界面：方便维修工程师进行上位机程序维修等。2、PLC及数据采集系统

2.7、数据采集系统-主监控界面2、PLC及数据采集系统

2.7、数据采集系统-泡沫系统界面2、PLC及数据采集系统

2.7、数据采集系统-辅助控制界面2、PLC及数据采集系统

2.7、数据采集系统-启动条件界面（1）2、PLC及数据采集系统

2.7、数据采集系统-启动条件界面（2）2、PLC及数据采集系统

2.7、数据采集系统-参数设置界面2、PLC及数据采集系统

2.7、数据采集系统-变频驱动界面2、PLC及数据采集系统

2.7、数据采集系统-报警系统界面2、PLC及数据采集系统

2.7、数据采集系统-曲线图界面2、PLC及数据采集系统

2.7、数据采集系统-历史数据界面2、PLC及数据采集系统

2.7、数据采集系统-返回界面（1）2、PLC及数据采集系统

2.7、数据采集系统-返回界面（2）3、主控室介绍

3.1、总体概述

主控室分为操作间和电气控制间，操作间为盾构司机操作盾构运行的控制间，内部包含了主控制台、数据采集计算机、导向系统及监视系统等；电气控制间内部包含了主可编程控制器（主PLC）及拖车1（含设备桥）的控制电气元器件等；3、主控室介绍

3.2、操作间

操作间为盾构司机操作盾构的地方，内部包含了主控制台、数据采集计算机、导向系统及监视系统等。盾构司机根据指令，操作相应的按钮及上位机界面按钮，完成相应指令的工作。同时关注主监控界面的各系统参数，及时调整，使盾构在合理的参数中运行，降低风险的发生率。在掘进过程中，更应时刻关注导向系统指示的掘进方向参数，及时调整掘进参数，使盾构按照设计轴线掘进。同时，还应关注监视界面，及时关注出渣情况。3、主控室介绍

3.3、电气控制间

电气控制间内部包含了主可编程控制器（主PLC）及拖车1（含设备桥）的控制电气元器件等。

4、导向系统介绍

4.1、整体概述设备导向系统采用英国ZED公司的ZEDGlobal系统，在用TBM施工的隧道项目中，ZEDGlobal系统是用来监视盾构精确姿态的一种导向系统。此系统为用户提供了盾构相对于隧道设计轴线的详细偏差信息，便于用户及时纠正盾构的姿态。由于可连续地高精度地显示机器的姿态，因此可大大提高隧道施工的效率，降低了施工的费用。导向系统包括：1）硬件—激光靶1台（含1台激光靶/倾角传感器+集成棱镜）—便携式终端（含导向系统软件、纠偏曲线、数据历史记录及隧道设计轴线计算软件）—控制单元（含无线传输单元、中央控制箱、连接电缆、工具箱及地面电脑浏览软件）—激光全站仪(徕卡TCA1203全站仪)—棱镜4、导向系统介绍

4.2、导向系统连接示意图4、导向系统介绍

4.3、导向系统界面-描述

界面被分为8个小的信息窗口，每一个信息窗口都可以通过点击屏幕进行选择，然后此窗口放大显示在屏幕的中央。默认界面在菜单页面中进行设置。

每一个窗口都有四个位置显示数据。窗口的上面显示了窗口的信息主题。跟姿态有关的四个值的安排原则是，正值是指在在上部或右边，负值是指在底部或在左边。对于本界面及所有其它的界面，如果一个数字有错误符号及窗口的外框为红色，则表明存在错误。不能进行按显示错误的数据继续驾驶机器。导向系统配备中文和英文两种操作界面，方便中方和外方人员操作。4、导向系统介绍

4.3、导向系统界面-主界面4、导向系统介绍

4.4、ZED、VMT、演算工房的区别

ZED及VMT的功能及硬件配置基本一致，都是采用激光导向系统，只是在控制软件上有所区别，VMT的控制简洁一些，界友好一些，而ZED控制软件专业开发，相对稳定一些。激光靶导向系统控制精度高，反应速度块，数据能实时显示。正是由于这一点，ZED及VMT的造价较高。

演算工房采用的是棱镜导向系统，相比ZED及VMT而言，精度较低一些，同时数据不是实时数据，稍有滞后。但其价格较ZED和VMT便宜一些。4、导向系统介绍

4.4、ZED、VMT、演算工房的区别

比较项目激光导向系统棱镜导向系统精度/距离（+）不论在何种条件下，不论将激光靶安装在哪个固定的位置，刀头处位置的精度都是能得到保证的。如果隧道中存在严重的烟尘/污染，激光的测量距离比EDM测量的距离要长（大约两倍）(-)棱镜导向系统的精度很大程度上依赖于他们的安装位置。两个棱镜之间的横向，纵向距离保证一定的距离，但在拥挤的机器内这是很难满足的。如果把测量棱镜得的数据推算计算到几米之外刀头上，则一般有几倍的误差放大。激光光束(+)测量水平方位角提醒工作人员不要阻挡测量视线(+)一般情况下没有激光。也可以加一束激光以来保证全站仪的视线畅通。

全站仪视线窗口(+)仅仅需要一个激光靶的测量窗口-激光窗，这对于拥挤的盾构机内部是一个很大的优点。(-)相对于激光导向系统来说，需要一个较大的测量窗口，这在拥挤的盾构机内部来说很难保证全站仪测量的视线不被阻挡。系统复杂程度(+)只有一个集成的单元，包括所有需要的元件，只需要一条电缆连接，电缆中集成了电源供应及数据传输。(-)至少有两个单独的装置，每个装置都需要连线。倾斜仪要单独处于一个安全的地方，也需要线连接。机械部件(+)如果导向系统是使用的ELS靶，则靶内的唯一的机械部件是用来测量水平方位角的，此部件集成于靶内部的，不受泥水和灰尘的影响。(++)最新的激光靶采用的是ALTU激光靶，无任何机械部件。(-)棱镜导向系统带有“开闭”式机械防护机构，这种机构暴漏在外部充满灰尘的环境中，很容易遭到腐蚀！机械部件经过长时间的使用，很容易劳损，出现打不开等故障。测量循环所用的时间(+)激光靶采集所需要的数据基本上是即时的，1秒之内采集完所有的数据，因此系统需要的数据都是即时数据。(-)进行完一次测量循环，需要较长的时间，由于视线的原因有时候需要更长的时间，所以系统计算采用的数据并不是同一个时间内采集到的，这对系统精度有影响，需要采取一定的措施。5、监视照明通讯系统

5.1、监视系统

在螺旋输送机卸碴口、皮带机卸碴口、后配套尾部及管片小车区域安装一台摄像机，主控室内安装一台彩色显示器，配有转换开关，用以即时监视以上区域的工作情况。5、监视照明通讯系统

5.2、照明系统

照明采用三防日光灯，具有良好的接地保护，每4盏灯配置一套应急照明装置，在设备停电后，自动切换到应急照明，应急照明时间能持续1小时。

5、监视照明通讯系统

5.3、通讯系统

在主机及后配套系统上安装8部电话。

5部电话采用分机号模式通话，并与地面连接，地面电话能直接联系到盾构上人员，电话具体安装位置：1）主控制室，2）主舱（人闸）3）材料舱（人闸）4）人闸外部5）拖车尾部人闸部分还安装了3