盾构施工技术培训课件三

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2023/3/152、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。2023/3/15PLC是采用顺序扫描、不不断循环的方式进行工工作的。PLC的扫描工作过过程可分为输输入采样、程程序执行和输输出刷新3个个阶段，并进进行周期性循循环。PLC的工作方式常用PLC型号目前常用的PLC有西门子和施施耐德。西门子PLC系列有S7-200\S7-300\S7-400三个系列，盾盾构机常用的的是高档S7-400系列，施耐德PLC有MODICOM\PREMIUM\MUMENTUM系列。海瑞克盾构全全部用的是西西门子，维尔尔特用的全是是施耐德。这这有一个习惯惯问题。西门子常用的的PLC编程软件是STEP7西门子常用的的组态软件是是WINCC施耐德常用的的PLC编程软件是PL7和UNITY西门子S7-300系列PLC主操作室（主主站）盾体（分站））配电柜（分站站）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西门子标准通通讯总线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:第三厂家的串串行协议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系列分布式PLC带分布式I/O的控制器I/O总线(Interbus)-最多128I/O模块，距离42,000英尺.ModbusPlus方式-最多64I/O模块，距离6000英尺以太网-最多64I/O模块，距离与与介质有关.RS-232Port-ModbusI/OBus(Interbus)CommunicationtoDistributedI/OModulesMomentumI/OModuleslocatednearfielddevicesMomentumProcessormountedonI/OModuleComputerOperatorStation施耐德PLC通讯总线MODBUSPLUS和FIPIO盾构PLC控制系统组成（西西门子）主操作室（主站））盾构机PLC控制系统组成（续续）盾构机PLC控制系统配置TBM-PLC控制系统配置图盾构PLC控制流程图计算机控制及数据据采集系统主要完成参数设定定、监控、管理功功能采用组态软件，西西门子WinCC，施耐德的Factrylink现场工控机与办公公室的管理计算机机组成局域网，将将洞内盾构机的信信息传输到地面办办公室，并储存起起来。操作画面设定界面：设定盾盾构对象和控制参参数测量界面：显示盾盾构中各类检测仪仪器的测量值掘进界面：施工时时主画面，掘进参参数、设备状态历史曲线画面：以以曲线形式显示历历史施工数据，可可按环号查询报警画面：及时显显示盾构设备运转转情况和故障报警警报表动态曲线铰接画面：用于铰铰接操作和控制，，并显示盾构姿态态在线状态监视显示示屏---WDAS（数据采集系统））WDAS系统主要用于TBM主机工作状态监视视、掘进参数统计计分析、历史数据据查询和故障统计计，打印输出掘进进报告和有关报表表。WDAS具有人机界面友好好。显示信息丰富富，历史数据贮量量大，故障信息和和运行状态数据保保存完整特点。特特别是它保存完整整的故障信息和运运行状态数据对诊诊断某些疑难故障障非常有用，因此此WDAS系统是对MAGELS故障诊断的一种补补充。WDAS共有12个显示界面。F1—启动屏，F2—TBM参数屏，F3—全视屏，F4—液压系统屏，F5—趋势图显示屏1，F6—趋势图显示屏2，F7—换班信息屏，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不能直直接反反映其其故障障的情情况，，就需需要借借助于于专用用笔记记本编编程器器FTX417-20才能快快速查查找和和确定定故障障。使使用FTX417-20笔记本本编程程器可可以快快速查查询故故障信信息的的部位位和相相关信信息状状态，，分析析内部部联锁锁关系系，修修改和和优化化程序序。使用FTX417-20又可以以对PLC程序进进行在在线监监控。。连接接FTX417-20到PLC上，进进入online（在线线状态态）时时PLC程序的所有有状态都将将实时反映映在编程器器上，将Magelis提供的故障障地址输入入到编程器器，利用编编程器的搜搜索功能将将很快找出出故障信息息所在子程程序和相关关信息并显显示在屏幕幕上，造成成故障的条条件信息，，将以不同同的颜色显显示在屏幕幕上。这样样就可以非非常直观、、快速地查查找到故障障，并分析析可能的故故障原因，，最终排除除故障。使用编程器器还可以修修改和优化化PLC程序，当发发现程序有有问题，需需要修改程程序，或在在查找故障障时，需要要临时做一一些上处理理，（如临临时短接某某个条件，，强制置位位）等，利利用编程器器可以实现现在线修改改。编程器器对于PLC故障诊断。。特别是对对于那些Magelis上无故障显显示，而机机器又确实实发生故障障的情况，，用编程器器来诊断非非常准确有有效。因此，Magelis和专用笔记记本编程器器是TBM在线故障诊诊断的两个个最重要的的必不可少少的工具。。故障在线实实时显示屏屏----MagelisPLC的编程控制制系统带有有一个故障障在线实时时显示屏（（Magelis），它可以以将TBM各种电气液液压发生的的故障及时时地显示和和记录下来来。供故障障诊断分析析使用，并并提供发生生故障部位位的信息或或可能发生生故障部位位的相关信信息，便于于缩小故障障找询范围围，快速诊诊断故障。。Magelis的主要功能能为：立即显示并并记录当前前刚发生的的故障信息息，并有音音响提示可循环显示512个故障的历史记记录，通过翻页页形式来查询。。可循环显示当前前尚未消除的故故障信息监视所有通道的的实际显示值可查询的故障信信息内容有：故障的内容，即即何种故障故障发生的时间间和消除恢复的的时间故障的子程序和和行号故障的PLC输入端口地址，，和相应元件的的电气编号模拟量输入信号号的故障通道号号等。Magilis是TBM最重要最实用的的在线诊断工具具，TBM主要电气、液压压故障都将首先先在Magelis中显示，同样，，当发生任何电电气、液压故障障时，操作人员员首先要查看Magelis记录。安全保护电路在在TBM盾构的应用安全继电器保护护回路，采用紧紧急按钮、紧急急继电器双接点点保护安全保护设计：：接近保护开关关常闭回路设计计。断线监视功功能。绝缘检测高压保护，短路路、速断，单相相接地接地连续性监测测保护，高压快快速插头TJB高压快速插头TJB高压快速插头TJB高压快速插头绝缘监视和相位位保护TBM盾构机常用传感感器电感感应式接近近开关。压力传感器、压压力开关。电容式流量传感感器、流量开关关。温度传感器、温温度开关。位移传感器倾角传感器编码器TBM盾构机电气系统统维护保养由于振动较大，，特别是TBM，要定期紧固接接线端子。特别别是电机接线端端子。防水、防潮，绝绝缘检查。除尘，降温传感器加防护TBM盾构机常见电气气故障判断和处处理处理故障的原则则：先简后繁，由外外而内。先检查电源，在在检查外部线路路。绝大多数故障是是线路故障，断断线、短路、接接地和接触不良良等。PLC程序一般不会出出问题。对于电气故障要要先从简单的地地方查起，开始始不要考虑的太太复杂。TBM盾构机机常见见电气气故障障判断断和处处理典型故故障处处理：：1。秦岭岭TBM接地故故障。。2。磨沟沟岭TBM串电故故障。。3。广州州S180盾构PLC复位输输入板板故障障。4。大伙伙房PLC通讯故故障。。对于于有通通讯的的PLC,要重视视终端端电阻阻的作作用.秦岭TBM接地故故障三月五五日上上午，，在正正常掘掘进中中突然然出现现奇特特故障障，现现象如如下：：按正正常步步骤启启动1#~9#液压泵泵，启启动皮皮带机机，顺顺次启启动1#~8#刀盘驱驱动主主电机机，再再启动动刀盘盘旋转转，然然后向向前推推进，，至此此一切切正常常，但但在刀刀盘接接触掌掌子面面2~3分钟后后，两两个主主变压压器上上的E04主开关关跳闸闸，+E04配电柜断电，1#2#6#9#泵关闭，E01、+E02配电柜正常，1~8#主电机正常运转，，但皮带机停转，，刀盘推进停止，，主控室中与PLC控制系统相联的故故障诊断系统显示示器上显示如下故故障：T01MainSwitch+E04400vFault；中断路器Q3M）T02MainSwitch+E04400vFault；中断路器Q6M）Powerpack1I-TestFault；Powerpack2I-TestFault；；但随即按下操作台台上的故障确认按按钮（Acknowledge），即可消除全部部故障，重新合上上E04主开关，并重复以以上正常操作，在在接触岩面2~3分钟后重复以上现现象。此后三天内内，此故障持续发发生，导致无法掘掘进。至此，终于确定问问题在230v控制电的瞬间失电电上，我们认为大大致有三种情况：：其一电源不稳，，其二接触不良，，其三瞬间接地。。第一步，更换T04并使其改由应急发发电机供电，故障障依旧，证明非电电源问题；第二步步，检查230v控制变压器出线电电缆及相关线路，，未发现异常；最最后联想到故障的的一个偶然现象，，即有时在顺次启启动至6#主电机时故障会出出现，由于主电机机加热器也由230v控制电供电，猜测测是主电机的加热热器回路出现故障障，故将此回路取取消进行试掘进，，结果故障消除，，进一步实验证明明，是6#主电机的加热器回回路出现了故障，，由于主电机的加加热器位于电机内内部，不易拆出检检查，故现场采取取将6#主电机加加热器回回路暂时时断开的的措施，，终于在在三月七七日下午午六时恢恢复掘进进，故障障解决历历时将近近三天。。主电机的的加热器器回路是是如何引引发这个个故障的的呢？分分析认为为，在启启动至6#主电机或或刀盘接接触到岩岩面时，，电机振振动加剧剧，使出出现故障障的6#主电机加加热器回回路出现现瞬间接接地，从从而230v控制电瞬瞬时失压压，由于于主变压压器断路路器的欠欠压脱扣扣线圈及及各回路路接触器器均由230v控制电供供电，结结果造成成断路器器欠压脱脱扣及接接触器失失压动作作。但在在此有两两个疑问问：其一一，为何何其他泵泵不停泵泵？由于于P1、P2、P6、P9的一次回回路有电电流检测测，并由由PLC系统控制制故障置置位，不不按下““故障确确认”按按钮就不不能复位位故障，，而其它它泵则不不进行电电流检测测，在230v控制电恢恢复正常常后又重重启，从从而在故故障显示示器上不不显示其其他泵的的停止又又重启过过程；其其二，同同样由230v控制的8个主电机机回路，，同样有有电流检检测，为为何不出出现电流流检测故故障而停停机呢？？我们已已知，P1、P2、P6、P9控制回路的接接触器型号为为LC1-F185M5，而主电机的的接触器型号号为LC1-F630M7与LC1-F400M7（刀盘转速为为5.4rpm时）及LC1-F500M7（2.7rpm时），通过查查阅Schneider产品技术资料料得知，LC1-F185的打开动作时时间为7~15ms，LC1-F400与LC1-F500为100~170ms，LC1-F630为100~200ms，这样如果控控制电压的失失压时间在15~100ms之间，就只会会令LC1-F185型接触器打开开，而对于LC1-F400和LC1-F630其打开动作尚尚未开始230v控制电又立即即恢复而依然然保持闭合，，一次回路中中依然保持工工作电流，这这就是8个主电机不停停机的原因，，同样也可解解释为何主变变压器上Q1M、Q2M和Q4M、Q5M不跳闸的原因因，事后我们们利用示波器器对230v控制电压进行行监测，在重重现故障时得得到了验证。。结束语：在这这次故障的排排查过程中花花去近三天时时间，除由于于我们经验不不足及现场条条件不完善（（当时无示波波器）外，还还给我们一个个重要启示，，即现场排障障时，不但要要定性地分析析，还必须有有定量的分析析，否则一些些故障可能就就无法找到原原因并排除。。秦岭TBM接地故障磨沟岭TBM串电故障。。十月十二日日，TBM出现电气故故障，无法法掘进。现现场技术人人员努力仔仔细查找，，经过两个个保养班、、两个掘进进班排除了了故障，恢恢复了正常常掘进。故故障发生现现象及处理理分析过程程如下：十月十二日日晚23：40分左右，掘掘进Ⅱ班喷完浆后后，启动电电机掘进了了3～4cm突然紧急停停机。1#、2#、6#、9#泵电流测试试故障停止止，主电机机未停，在在停电机后后拉掉4#电机的刀熔熔开关（因因4#离合器冒烟烟），确认认故障后再再启动各泵泵站，9#泵站电流测测试停泵，，在确认故故障后再启启动9#泵，并转动动刀盘清碴碴。由于已已到交班时时间，故停停止掘进。。保养班接接班后，在在只启动各各泵站的情情况下未发发生异常，，而在准备备掘进时发发现在启动动泵站和主主电机后数数分钟内，，就会由于于电流测试试故障而停停1#、2#、6#、9#泵，导致无无法掘进，，而且在停停止电机后后，启动电电机指示灯灯闪烁。在分析解决决故障时，，由启动电电机指示灯灯闪烁入手手，由于正正常情况下下，停止电电机后是不不会闪烁的的。通过手手提电脑联联机发现，，八个主电电机在停止止电机后，，由PLC模拟量输入入板得到的的各电机电电流值不回回零，并在在0～16A间跳动，由由于程序设设定电机电电流大于5A，即认为此此电机已启启动，故导导致启动电电机指示灯灯闪烁。在在更换新的的电流变送送器后，排排除了电流流变送器发发生故障的的可能性，，疑点集中中在测量回回路中窜入入感应或其其它电流上上。但在串串联电流表表测试中均均未发现异异常。后又