盾构电气控制原理培训(盾构机修必备)

1、.,液驱盾构机电气系统介绍,.,盾构机供配电和电控系统 电气控制系统 刀盘电气原理 管片拼装机电气原理 推进系统电气原理 螺旋机电气原理 皮带机电气原理 泡沫系统电气原理 膨润土系统电气原理 如何读懂电气原理图 弱电检修的基本要点,目录,.,盾构机供配电和电控系统,盾构机的高压供电系统 盾构机400/230V低压配电系统 电动机和电磁阀等执行机构的控制,.,盾构机属于三级用电负荷，采用一路10kV高压供电电源供； 盾构机高压供配电系统主要由进线端子箱、高压开关柜、变压器构成。 端子箱：盾构机10kV高压供电的接口； 高压开关柜：对变压器进行短路和温升保护； 变压器：实现10kV到400V的变换

2、。,1.盾构机的高压供电系统,.,高压开关柜,.,各部件的作用 负荷开关：实现回路的分断 接地刀：对线路进行放电，防止误送电给维修人员带来危险； 避雷器：防止雷击等过电压对电气设备的损害。 熔断器：提高短路分断能力,.,2.盾构机400/230V低压配电系统,接地形式 由于盾构机的工作环境复杂，为了保障盾构机在工作时设备及人员的安全，盾构机的接地系统应做到万无一失。盾构机的接地系统包括供电系统接地、计算机系统的接地、静电接地及等电位接地等。,.,(1)供电系统接地 供电接地系统分为TN、TT和IT接地系统，TN接地系统是变压器的零线和PE共用接地极，TT接地系统是电力系统有一点直接接地，受电设

3、备的外露可导电部分通过保护线接至与电力系统接地点无直接关联的接地极。IT接地系统是变压器中心点不接地系统。 TN接地系统：变压器的工作零线N与接地线PE线共用接地极，接地装置在变压器侧。TN系统又可分为TN-S、TN-C及TN-C-S系统。 TN-S接地系统的工作零线N与接地线PE线在供配电系统中不公用。供配电系统为三相五线制，工作零线N接设备的工作零线，接地线PE线接设备正常工作时不带电的金属外壳，TN-S接地系统的安全性在TN系统最好，但系统的投资较高。以下为TN-S系统的接线形式：,.,.,TN-C接地系统的工作零线N与接地线PE线在供配电系统中公用，供配电系统为三相四线制，第四根线既接

4、设备的工作零线又接设备正常工作时不带电的金属外壳。TN-C接地系统的安全性在TN系统较差，但系统的投资较低。以下为TN-C系统的接线形式：,.,TNC-S接地系统的工作零线N与接地线PE线在供配电系统中有时公用，有时不公用。采用TN-C-S系统时，当保护线与中性线从某点(一般为进户处)分开后就不能再合并，且中性线绝缘水平应与相线相同。一般在供配电系统的前段公用，在供配电系统的后段不公用。供配电系统为三相五线制和三相四线制混合供电。在供配电系统的前段为三相四线制，第四根线既接设备的工作零线又接设备正常工作时不带电的金属外壳。在供配电系统的后段为三相五线制，工作零线N接设备的工作零线，接地线PE线

5、接设备正常工作时不带电的金属外壳。,.,.,（2）计算机系统的接地 盾构机由于有计算机系统的数字地和模拟地，这些接地可以和供电系统的接地公用接地极。但是接地排要分别设置。且接地电阻不能大于1欧姆。有条件时还可考虑计算机控制系统的防电磁干扰屏蔽接地。 （3）静电接地 盾构机液压系统的油路管道及气压管道均要做防静电接地。以防管道静电放电产生故障。应用-40*4扁钢或10号 （4）等电位接地： 由于盾构机的工作环境潮湿，用电设备繁多，一旦发生漏电会对设备及人身产生危害。因此，盾构机需做等电位接地。应用-40*4扁钢作等电位联结。,.,盾构机的低压配电系统的形式 (1) 低压配电电压应采用230/40

6、0V。带电导体系统的型式宜采用单相二线制、两相三线制、三相三线制和三相四线制。 (2)在正常的用电环境中，当大部分用电设备为中小容量，且用电设备无特殊要求时，宜采用树干式配电方式。 (3) 当用电设备为大容量，或负荷性质重要，或在有特殊要求的用电环境中，宜采用放射式配电方式。 (4)当部分用电设备距供电点较远，而彼此相距很近、容量很小的次要用电设备，可采用链式配电方式，但每一回路环链设备不宜超过5台，其总容量不宜超过10kW。,.,(5)采用何种配电方式要根据用电设备的情况具体而定。一般盾构机中大容量的油泵电机、空气压缩机电机、刀盘驱动电机、螺旋输送机的驱动电机及注浆泵电机都等采用放射式供电。

7、而其他的负荷多数采用树干式配电方式或链式配电方式。,.,盾构机配电保护形式 （1）盾构机变压器低压侧出线总开关应设长延时脱扣保护（15S）短延时脱扣保护（0.20.5S）、欠压保护和接地保护。 （2）盾构机中用电设备的配电线路应设短路保护、过负载保护和漏电保护。 （3）对于操作人员直接接触的用电设备，所选断路器应具有0.03A的剩余电流动作保护功能, 确保在故障情况下可靠切断电源，保护人身安全。 （4）盾构机中用电设备配电线路采用的上下级保护电器，其动作应具有选择性；各级之间应能协调配合。但对于非重要负荷的保护电器，可采用无选择性切断。,.,3.电动机和电磁阀等执行机构的控制,电动机的控制 盾

8、构机中采用的驱动电机大量为交流异步电机，控制分为单向和双向两种控制模式。,.,.,电动机的启动 盾构机中采用的驱动电机大量为交流异步电机，且多数为三相鼠笼式电动机.由于交流电机对电压非常敏感，而三相异步电动机在启动时过大的启动电流会引起电压的急剧下降，从而影响其他设备的运行。这时限制电动机的启动电流就是要首先考虑的问题。常用星三角降压启动、自藕变压器降压启动及软启动。 三相鼠笼式电动机在额定电压下的启动电流Iq=（6），电动机的定子绕组正常情况下能够承受在额定电压下的启动电流。三相鼠笼式电动机在启动时对电机结构本身没有损坏。三相鼠笼式电动机的启动主要考虑启动时对电网的影响。,.,（1）星三角降

9、压启动 适用于正常运行时电动机的接法为三角形的鼠笼式三相异步电动机。在电动机启动时将电动机的三相定子绕组接成星形，从而降低了电动机定子绕组的启动电压，进而降低了电动机定子绕组的启动电流，也就降低了对电源或电网的冲击。星三角降压启动时，电动机的启动电流及启动转矩均为电动机在额定电压下直接启动时的1/3。,.,QF为断路器，起短路保护作用；KH2为热继电器，起过载保护作用。KM1为接触器，起控制作用。启动时： KM12闭合。运行时， KM1、KM3闭合。,.,.,.,（2）自藕变压器降压启动 电动机启动时在定子侧增设一台三相自藕变压器，电动机的定子接在三相自藕变压器的二次侧，三相自藕变压器的一次侧

10、接电网，由于降低了电动机定子绕组的启动电压，进而降低了电动机定子绕组的启动电流，也就降低了对电源或电网的冲击。自藕变压器降压启动时，电动机的启动电流及启动转矩均为电动机在额定电压下直接启动时的1/(K*K) 。,.,.,.,.,（3）软启动,一拖一软启动,.,一拖多软启动,.,盾构机中电动机的调速 对于在正常时需调速的电动机，盾构机中大量采用变频调速控制来解决电动机的调速问题。交流电动机的速度通过对电源的频率来控制。而电源的频率依被控的物理量（如温度、流量、压力等）而变化。需要恒物理量控制时可组成闭环控制系统，通过计算机内的PID控制器来控制。 变频电路一般采用交-直-交。 交-直变换通过整流

11、电路来实现；直-交变换通过逆变电路来实现。 逆变电路是指把直流电变成交流电供向负载.,.,s1和s4导通，负载RL的电流从左向右； s2和s3导通，负载RL的电流从右向左.,.,变频控制的优点：调速性能好。 电动机过载能力不变；调速范围较宽；系统的稳定性不变；还可解决电动机的启动问题（增加了电动机的启动转矩）。,.,开关量电磁阀,开关量电磁阀采用继电器、接触器或安全继电器触点串接到电磁阀电源回路完成对电磁阀的控制。,.,比例电磁阀,通过放大板驱动比例电磁阀实现压力或流量的控制,.,放大板输入与输出的线性关系,电磁阀电流与控制量的线性关系,PLC输出 放大板输出比例电磁阀控制量,.,盾构机控制系

12、统,盾构技术先进、结构复杂，是大型的施工机械设备，电气控制系统是整个设备的控制核心，其作用非常关键，其电气控制系统也随着技术水平的不断进步而不断改进，当前盾构电气控制系统均采用最先进、可靠的技术与设备以保证性能的充分发挥。 随着盾构技术的不断革新发展，对盾构机的性能和要求越来越高，这就迫使盾构机本身的自动化程度越来越高，先进的电气技术得到了广泛应用；PLC是盾构机的控制核心，其性能越高，逻辑控制也就越完备，故障响应就越快，智能化程度就越高。高性能的传感器，如微脉冲位移传感器用来检查油缸行程，红外线传感器用来检测油脂油位，高防护等级和抗干扰能力强的接近开关用来测速等。智能电流分配器用来精确分配电

13、流。高端比例阀电流放大器，精确控制比例阀。大量先进的断路器、接触器、继电器、电源、智能仪表的应用，保证了系统的稳定性。精确的过程控制和PID运算，尽可能地节省了刀具、泡沫原液、油脂等易耗品。刀盘的驱动使用变频控制，提高了机器的效率。,.,目前机械设备的控制系统主要包括以下：,工业计算机控制系统 可编程控制器（PLC）控制系统,.,1、工业计算机控制系统 工业计算机IPC是采用PC架构并采取多种有效技术措施以适应工业现场恶劣环境的计算机系统，因此，以工业计算机IPC为核心构建的控制系统具有系统开发方便，可以充分利用PC机的强大软件资源的优点，具有强大的数据运算和处理能力，功能强大、性能优异。可以

14、比较容易的开发较复杂的控制程序，具有强大的数据处理与图形显示功能，所以比较适用于控制算法比较复杂的过程控制系统。 2、PLC 中文名称为可编程控制器； 英文名称为Programmable Logic Controller，简称PLC。,.,1987年，国际电工委员会（IEC）定义： “可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都应按易于与工业系统联成一个整体，易于扩充其功能的原

15、则设计”。,.,PLC硬件系统组成,.,按结构形式分 ： （1）一体化紧凑型PLC ：电源、CPU中央处理系统、I/O接口都集成在一个机壳内。如西门子S7-200系列。 （2）标准模块式结构化PLC ：各种模块相互独立，并安装在固定的机架（导轨）上，构成一个完整的PLC应用系统。如西门子S7-300、S7-400系列。 按I/0点数容量分： （1）小型机：I/O点数一般在256点以下 （2）中型机：I/O点数在256-2048之间 （3）大型机：I/O点数在2048点以上 以上划分没有一个十分严格的界限，随着PLC技术的飞速发展，某些小型PLC也具有大型或中型PLC的功能。,PLC的分类,.,

16、概括而言，PLC是按集中输入、集中输出，周期性循环扫描的方式工作的，工作全过程可用下图表示。,.,S7-400的基本结构和特点 基本结构： S7-400是具有中高档性能的的PLC，采用模块化无风扇设计，适用于对可靠性要求极高的大型复杂的控制系统。S7-400由机架（RACK)、电源模块（PS）、中央处理单元（CPU）、数字量输入/输出模块（DI/DO)、模拟量输入输出模块（AI/AO)、通信处理器（CP）、功能模块（FM)和接口模块（IM）组成。DI/DO模块和AI/AO模块统称为信号模块（SM)。 S7-400的特点： （1）运行速度高 （2）存储器容量大 （3）I/O扩展功能强 （4）通信

17、能力强 （5）诊断功能强 （6）集成有HMI服务,.,1、PLC使用的物理存储器 （1）随机存取存储器（RAM） CPU可以读出RAM中的数据，也可以将数据写入RAM，它是易失性的存储器，电源中断后，储存的信息将会丢失。在关断PLC外部电源后，可用锂电池保存RAM中的用户程序和数据。 （2）只读存储器（ROM） ROM的内容只能读出，不能写入。它是非易失性的，电源消失后，仍能保存储存的内容，ROM一般用来存放PLC的操作系统。 （3）快闪存储器（FEPROM)和EEPROM FEPROM和EEPROM是非易失性的，可用编程装置对他们编程，兼有ROM非易失性和RAM的随机存取的优点，但是将信息写

18、入它们所需的时间比RAM长的多。,.,2、CPU存储器复位 CPU必须处于STOP模式下才可以执行存储器复位，当存储器复位时，工作存储器、内置装载存储器和带保持的数据都被清零，然后执行硬件测试。如果使用FEPROM卡，用户程序就从存储卡拷贝到工作存储区，使用RAM卡，则需重新下载用户程序。 存储器复位的具体过程： （1）将模式选择器设置为STOP 指示灯变化：STOP LED亮 （2）将选择器设置为MRES并保持在该位置 指示灯变化：STOP LED熄灭1秒钟，然后亮起1秒钟，再熄灭1秒钟然后常亮,.,（3）将开关切换回STOP位置，然后再迅速切换到MRES位置保持3秒钟，最后切换回STOP。

19、 指示灯变化：STOP LED以 2HZ 的频率至少闪烁3秒钟（正在复位存储器），然后一直亮起,.,CPU上控制和显示元件的分布,.,CPU上的LED显示,.,盾构机电气拓扑结构,.,1、DP和Profinet总线拓扑结构,DP拓扑,.,Profinet总线拓扑,.,盾构控制及数据采集、显示有关的各种数字量（如开关、按钮状态及各种数字量传感器状态等）、模拟量（如油温、油压、液位等）均通过各种传感器经数字量输入接口（DI）与模拟量输入接口（AI）接入PLC。同时，根据各种控制策略经PLC内部控制程序运算分析后形成各种控制决策，经数字量输出接口（DO）控制各指示灯、接触器、继电器、电磁阀等执行相应

20、动作或经模拟量输出接口（AO）控制电机等执行机构动作。,.,控制时序产生、模拟量采集、过滤与冷却回路控制、润滑与齿轮油控制、刀盘驱动控制、推进控制、管片机控制、盾尾油脂控制、辅助液压系统、膨润土系统、注浆系统、泡沫系统、故障处理、超挖刀控制、变频器控制、电机启停控制、给定值处理、给定值转换、故障记录、系统保护、铰接控制、螺旋输送机控制、控制量处理、脉冲时间处理、脉冲计数、偏差值处理、推进缸压力计算、铰接油缸位移测量、盾尾油脂控制、推进油缸位移传感器测量、压力调节、压力给定处理、电源故障处理、再触发时间监控、系统复位、重新启动控制等。,可编程控制器的主要控制程序模块,.,盾构主要动作控制原理与控

21、制策略,土压平衡控制是土压平衡盾构控制技术的关键。对土压平衡的控制主要依赖于操作人员的手动调节，属于开环控制。在操作面板上分别显示刀盘工作区(分为若干个分区)的推进位移、压力，以及土仓内的土压值。操作人员根据显示数值是否正常来调节推进压力或推进速度或螺旋输送机速度。有两种方式来保证土压平衡,1、土压平衡的实现,(1)以一定掘进速度推进，通过调节螺旋输送机 各压力区中的最大值。的排土量达到土仓的土压平衡。螺旋输送机速度加快，则土仓内的土压将下降，反之则上升。 (2)螺旋输送机转速保持一定值，调节推进速度实现土压平衡。推进速度加快，则土仓内的土压上升，反之则下降。,.,2.姿态控制的实现 ,姿态控

22、制是通过导向系统给操作人员指示隧道实际轨迹与设计轨迹的偏差，由操作人员根据经验调节推进系统各工作分区不同的给定压力，从而使盾构转向。,.,3.推进系统的控制,推进系统控制采用PID控制（闭环控制）。,闭环控制,闭环控制的主要性能指标。由于给定输入信号或扰动输入信号的变化，系统的输出量达到稳态值之前的过程称为过渡过程或动态过程。系统的动态性能常有阶跃响应（阶跃输入时输出量的变化）的参数来描述。阶跃输入信号在t=0之前为0，t0时为某一恒定值。输出量第一次到达稳态的时间Tr称为上升时间，上升时间反应了系统在响应初期的快速性。 系统进入并停留在稳态值的时间 上下 或 或误差带内的时间Tr称为调节时间

23、，到达调节时间表面调节过程结束。,.,如果设动态过程输出量最大值cmax(t)大于输出量的稳态值c() 方法,则超调量 超调量反应系统的稳定性，它越小，动态稳定性越好，一般都希望超调量小于10%。 系统的稳态误差是指进入稳态后期望值和实际值之间的差，它反应了系统的稳态误差。,闭环控制的反馈极性的确定 闭环控制必须是保证是负反馈（误差=给定值-反馈值），而不是正反馈（误差=给定值+反馈值）。,.,数字PID控制控制器,PID是比例、微分、积分的缩写，现在估计涉及的闭环控制的都用PID来做控制。 （1）不需要被控对象的数学模型； （2）结构简单，容易实现。程序设计简单，计算工作量小，各参数都有明确

24、的物理意义，参数方便调整； （3）有较强的灵活性和适用性。,.,PID控制器计算原理如下： 传递函数 1.误差信号 进入PID控制器后进行如下运算 式中，控制器的输入信号 ； 为设定值； 为过程变量（反馈值）； 是控制器的输出信号； 为比例系数； 和 分别是积分时间常数和微分时间常数； 是积分部分的初始值。 2.采样离散化后的差分近似表达式为 其中， 为采样周期。,.,.,刀盘系统电气原理,刀盘电机驱动系统 1、刀盘液压泵电机启动方式 液压泵电机采用软启驱动技术，实现电压的从低到高的连续上升，减少了电机启动时对其他设备的影响。 2、刀盘控制方式 采用远程和本地两种控制方式；,.,刀盘速度调节控

25、制 刀盘旋转功能是操作面板电位计和按钮设定速度和方向到PLC，PLC输出控制WEST放大板和电磁阀。 放大板驱动比例溢流阀实现速度的控制。,.,.,刀盘系统常见问题,.,拼装机电气原理,拼装机液压泵电机启动方式 拼装机电机采用软启驱动技术，实现电压的从低到高的连续上升，减少了电机启动时对其他设备的影响。 拼装机控制方式 采取无线遥控操作。,.,比例阀驱动 1、旋转和前后行驱动 （1）拼装机旋转和前后行走功能是无限遥控设定速度值和方向到PLC，PLC输出控制放大板。 （2）放大板驱动比例阀实现拼装机旋转和前后行的速度和方向控制。,.,2、大臂伸缩驱动 （1）拼装机大臂伸缩功能是通过无限遥控设定速

26、度值和方向到PLC，PLC输出控制放大板。 （2）放大板驱动比例阀实现拼装机大臂伸缩的速度和方向控制。,.,旋转限位原理,旋转限位是通过两个接近开关检测拼装机大齿圈齿面构成A相和B相两个正交信号，信号进入PLC解析后计算出旋转角度、速度和方向等信息，从而实现旋转角度的限位。,.,管片松开的双手控制功能 为了避免遥控器误动作使管片松开而造成事故，所以管片松开功能采取了双手控制器，双手控制器必须在遥控器上的两个松开按钮和PLC输出必须同时完成时，才能激活，实现管片的松开功能。,.,管片机急停功能 拼装机的急停功能只有在拼装模式下激活，由遥控器上的急停按钮完成。,.,拼装机无线遥控器,.,故障及处理

27、办法,.,.,推进系统电气原理,推进液压泵电机启动方式 推进系统采用软启驱动技术，实现电压的从低到高的连续上升，减少了电机启动时对其他设备的影响。 推进控制方式 1、推进模式下，本地控制，可以实现A、B、C和D4个分区推进压力和速度的控制。 2、拼装模式下，采取无线遥控器控制各组油缸的伸缩。,.,各分区压力和流量控制 1、压力是由触摸屏设定完成； 2、流量由调速电位器设定后，根据各个分区油缸组数的不同设定不同比例的电流。 注：在现场使用过程中，放大板相关参数不要随意调节，需要由厂家技术员根据实际情况进行微调。,.,液压泵总压力控制 液压泵总压力是由PLC经过PID调节，放大板驱动完成，设定值为

28、 SP=PXmax + P 注：在现场使用过程中，放大板相关参数不要随意调节，需要由厂家技术员根据实际情况进行微调。,.,故障及处理办法,.,螺旋机电气原理,螺旋机液压泵电机启动方式 液压泵电机采用软启驱动技术，实现电压的从低到高的连续上升，减少了电机启动时对其他设备的影响。 螺旋机控制方式 采用远程和本地两种控制方式；,.,螺旋机旋转功能是操作面板电位计设定速度值和按钮设定方向到PLC，PLC输出控制WEST放大板。 放大板驱动比例阀实现速度和方向的控制。,.,螺旋机速度是通过接近开关检测大齿圈的齿数或螺钉实现,.,.,故障及处理办法,.,皮带机电气原理,皮带机电机启动方式 皮带机采用软启驱

29、动技术，实现电压的从低到高的连续上升，减少了电机启动时对其他设备的影响和实现了皮带机启动时皮带张力缓慢上升，避免了张力冲击造成皮带断裂。 皮带机控制方式 采用远程和本地两种控制方式； 启动前具有10s的皮带机喇叭报警功能； 具有皮带机跑偏告警和急停功能。,.,.,.,.,皮带机速度检测 皮带机速度通过从动轮的检测装置，实现皮带机速度的检测和皮带打滑检测功能，从而保护皮带。,.,故障及处理办法,.,泡沫系统电气原理,.,.,泡沫配电系统 采用变频器驱动，实现流量各流量的连续调节 混合液配比控制方式 1、原液泵采用闭环控制实现对水流量的跟随，实现泡沫的配比； 2、水流量计和原液流量计实现实际流量的

30、采样作为闭环控制使用； 3、泡沫流量和发泡率控制方式/1、泡沫流量和发泡率通过混合液流量和压缩空气流量调节实现； 4、混合液流量和压缩空气流量调节为闭环控制方式； 5、泡沫流量、发泡率控制和配比通过HMI设定，通过PLC计算后，由模拟量输出到变频器，实现速度的调节，流量计实现流量的采用、显示和数据记录使用。,计算公式 1、混合液目标流量 = 泡沫流量/膨胀率 2、空气目标流量 = 混合液目标流量 * 膨胀率* 土仓压力,.,.,.,.,故障及处理办法,.,膨润土电气原理,膨润土配电系统 采用变频器驱动软管泵，实现流量的连续调节，软管泵风机为独冷风机增强了电机的散热。,.,控制方式 控制方式为开环控制，变频器的速度给定来自HMI膨润土速度给定，通过PLC模拟量输出到变频器，实现速度的调节，流量计作为显示和数据记录使用。,.,故障及处理办法,.,如何读懂电气原理图,原理图图纸章节号（高层代号，即=4）为4，其它（目录、端子图标等）画在其它章节，章节号不作规定，厂家自行决定。 电动机安装位置代号为+SH； 设备标识符使用“安装位置-页+标识字母+列”的形式。器件的标识字母按照电气标准。