盾构机推进系统及PID控制简析

1盾构机推进系统的组成1.1盾构机推进系统的组成盾构机正常推进由ABCD四组千斤顶油缸提供的反力实现，直线掘进时四组油缸均匀用力，转弯时通过调节四组油缸的油压实现左右转或者升降，推进系统的组成可细分为压力调节系统、推进速度总调节系统、PLC、电机及泵头、ABCD四组阀组及油缸。另外还有管路系统，电源放大器及压力传感器等组成。见下图1-1图1-1推进系统示意图1.2ABCD四组油缸压力调节及总推进速度调节系统如上图1-1所以，在盾构机操作室内20个（不同盾构机油缸个数和分组会有所不同）推进油缸被分成ABCD四组,每组油缸可单独作为一个单元提供单独推力。每组调节旋钮（5000欧姆电阻）在全行程范围内将0-10V电压信号传送给PLC模拟量输入模块，经过系统逻辑计算输出信号用于调节每组油缸的比例溢流阀控制每组油缸的压力。对应A组油缸当调节A压力旋钮时，将0-10V的电压信号传送到PLC的模拟量通道模块，经过系统逻辑运算输出0-10V电压信号作用于电源放大器，电源放大器将接收子PLC的0-10V电压信号转换成0-1600mA的电流信号用于控制A组油缸的比例溢流阀A100，来控制A组油缸的压力。对于A组油缸调节过程中，通过压力传感器将A组油缸的压力值存入数字块（DB40）的数据双字（DBD44）中。并将该油缸的（行程数据和）压力数据显示到控制室对应的显示器上（如A组压力）。模拟量通道处理FC105功能块处理输入信号程序如下CALL"SCALE"IN:="模拟输入通道"模拟量模块的输入通道地址，在硬件组态时分配HI_LIM:=4.000000e+002现场信号的最大量程值LO_LIM:=0.000000e+000现场信号的最小量程值BIPOLAR:=FALSE极性设置，如果现场信号为+10V~-10（有极性信号），则设置为1，如果现场信号为4mA~20mA或者0~10V（无极性信号）；则设置为0RET_VAL:=#Fehler_Wort功能块的故障字，可存放在一个字里面OUT:="Komm_datenbaustein".现场信号值1.3可编程控制器采用西门子S7-400可编程控制器通过采集外部变送器信号经过程序运算输出信号用于控制外部机构。在盾构机的各个系统中可编程控制器充当大脑的作用。1.4电机与液压泵头图1-2液压泵头原理推进系统泵头由75kW电机驱动。电机带一个单向变量液压泵。通过电控外部压力控制比例溢流阀A300调节配油盘的角度使主油管压力和配油盘达到平衡。当通过调速旋钮调节盾构机推进速度时，PLC通过程序运算将0-10V电压信号送给电源放大器，电源放大器（双通道PAM-196W.E.ST.）将0-10V信号转换成0-1600Ma电流信号用于控制比例溢流阀A300，使阀芯弹簧与电磁作用力平衡而将该溢流阀的溢流压力达到某一设定值。泵头的工作原理：当电机刚启动时，恒压泵在未达到调定压力之前，处于以最大排量的定量泵作用工作状态。恒压变量泵是由柱塞泵、变量油缸和调压阀组成。恒压泵在未达到泵上调压阀（A300）设定压力之前，变量泵斜盘处于最大偏角，泵排量最大且排量恒定，实际上这个阶段恒压变量泵相当定量泵。在达到调压阀设定压力之后，A300溢流泄压，使得滑阀右侧压力降低，滑阀向右移动，使得斜盘调节阀前后油路相通,控制油进入变量油缸，变量油缸推动斜盘减小泵排量。在恒压变量泵系统里，如果存在溢流阀，泵上调压阀设定压力（A300的设定压力）要小于系统溢流阀（图中V2溢流阀）调定压力0.5-1Mpa。否则泵压力无法达到调压阀设定值，也就无法变量。恒压泵进入恒压工况后，它能根据系统的需要提供最大流量以下的流量，系统要多就多提供，系统要少就少提供，而保持系统为恒压压力。在保压系统这种情况下不需要流量时，泵的流量只满足于内泄漏就可以。1.5ABCD四组阀组对于A组推进油缸阀组，当推进模式激活的情况下，程序跳转至M007，此时对于推进阀组，系统直接将操作面板的设置压力通过PLC模拟量模块通过电源放大器用电流信号控制整组油缸的电控比例溢流阀A100来限制该组油缸的推进压力并将调速信号传送给每一组油缸的电控比例节流阀如A110控制流量。在拼装模式下系统跳转至M008，此时电控比例溢流阀A100与电控比例节流阀A110赋予最大值处于全开启状态。当拼装模式或者该组油缸中任一根油缸动作时A120得电，使得进油路绕过比例节流阀A110直接与油缸阀组相通如下程序段。由于控制比例阀的电流信号较大，所以实际采用的是PAM-190W.E.ST.双通道电源放大器控制比例阀，调试中对于A110，电流信号在约250-500mA控制液压油流量在0-24L/min变化，对于A100，电流信号在约100-500mA控制压力在0-350bar变化（对于不同的盾构机或者相同的盾构机参数也不一样，需现场调试整定）。A"BitVortriebaktiviert"推进模式JCM007M007:L"Komm_datenbaustein".A组油缸压力T#Ansteuerung_Druck_AL"Komm_datenbaustein".B组油缸压力T#Ansteuerung_Druck_BL"Komm_datenbaustein".C组油缸压力T#Ansteuerung_Druck_CL"Komm_datenbaustein".D组油缸压力T#Ansteuerung_Druck_DL"Komm_datenbaustein".总调速流量L1.000000e+002最大流量*RT#Ansteuerung_Menge_AA组油缸流量T#Ansteuerung_Menge_BB组油缸流量T#Ansteuerung_Menge_CC组油缸流量T#Ansteuerung_Menge_DD组油缸流量图1-3A组推进油缸阀组对于系统推进泵泵头A300的控制，当处于拼装模式时A"BitVortriebaktiviert"推进模式激活JCM003跳转至M003M003:L#最大拼装压力L2.000000e+001补偿管路压降+RT#Vorgabe_A10V_Regelung将压力传送给局部变量2推进系统的控制2.1基本控制原理系统通过传感器图1-2中A3031S004检测泵头主管路出油压力即过程变量（SP_IN），通过PID连续控制模块，与需要达到的压力，即四组油缸最大压力加20bar（预设值SP_INT）中间变量值#Vorgabe_A10V_Regelung对比并不断平滑校正，使推进泵泵头工作在稳定平滑的调节状态。这是一个利用偏差进行控制并最后消除偏差的过程。PID控制系统在盾构机推进系统的应用使盾构机在地下掘进过程中能够平滑缓慢的调节推进速度，使系统对地层的冲击扰动降低到最低，同时也将反作用力对盾构机刀盘，主轴承等设备的磨损降到最低，同时通过PID控制系统不必使推进电机泵头油压始终工作在最大压力或最大功率状态下，这样不仅降低了设备的磨损率也达到了节能的目的，这是一个近乎于零成本投入集众多优点的技术解决方案。它的采用也在客观上给人为误操作（如不小心将调速旋钮从零迅速调到最大）转化为系统反馈控制下的连