PLC故障導(dǎo)致推進(jìn)油缸損壞原因分析及解決思路

摘 要：北京地下鐵路直徑線是國內(nèi)首次在城市中心區(qū)域使用大直徑泥水盾構(gòu)機施工，盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)的液壓油缸承受巨大的反作用力，液壓油缸一旦損壞不僅更換困難而且維修費用高昂，如何確保關(guān)鍵液壓設(shè)備的安全是PLC及電氣控制系統(tǒng)必須考慮的。

關(guān)鍵詞：PLC故障；油缸損壞原因；解決方法

1 PLC故障后推進(jìn)油缸損壞及判斷

北京直徑線盾構(gòu)機的PLC程序中含有許多自動控制模塊，需要進(jìn)行完善，在廠家技術(shù)人員對程序更新后，某天夜里在正常掘進(jìn)時突然停機，不得不手動重啟PLC，恢復(fù)后重新掘進(jìn)時盾構(gòu)無法前進(jìn)，故障現(xiàn)象是在按下推進(jìn)按鈕后，盾構(gòu)機4個推進(jìn)油缸區(qū)域壓力不能提高，在140-180bar左右，推進(jìn)泵出口壓力190bar，盾構(gòu)推力顯示7000T左右，且盾構(gòu)機有后退現(xiàn)象，最大后退量達(dá)到30cm。因該故障是在PLC死機后出現(xiàn)，懷疑是電氣方面的原因并聯(lián)系廠家要求派工程師協(xié)助排查故障，廠家技術(shù)人員到達(dá)后檢查確認(rèn)沒有故障。我們懷疑液壓系統(tǒng)有問題，在管片拼裝模式下依次測試各組油缸的大腔壓力，發(fā)現(xiàn)有3組油缸大腔壓力明顯低于其它油缸，只有20-30bar，正常情況下應(yīng)為90bar，且這三組油缸的進(jìn)油管震動幅度大、噪音大，停止油缸動作后大腔壓力很快降低，據(jù)此判斷這三組油缸有內(nèi)泄，通過操作屏幕將這三組油缸屏蔽不用，盾構(gòu)實現(xiàn)正常推進(jìn)。

2 液壓、電氣故障分析

該盾構(gòu)機推進(jìn)系統(tǒng)由4組共25對油缸組成，每組油缸由一套液壓閥組控制，控制電磁閥的PLC數(shù)字量模塊也位于不同的控制柜內(nèi)。單根油缸最大推力280T，掘進(jìn)時同時出力，推力最大可達(dá)到10000T。掘進(jìn)時掌子面壓力頂部3bar，中心壓力3.6bar，計算出開挖倉內(nèi)泥水壓力對盾構(gòu)機的反作用力在4000T左右，而盾殼與地層之間的摩擦力遠(yuǎn)小于該值，停機狀態(tài)下，所有油缸大腔被關(guān)閉，25組油缸同時受力保證盾構(gòu)機不會后退。

以單組推進(jìn)閥組及推進(jìn)油缸為例，如圖1所示，掘進(jìn)時，比例閥zv2209調(diào)節(jié)進(jìn)入推進(jìn)閥組的總流量，每組油缸的先導(dǎo)控制閥（cv2201-cv2205）開啟，實際上所有油缸大腔都是相通的，如果有油缸內(nèi)泄，就會導(dǎo)致其它油缸的大腔進(jìn)油量減少甚至不進(jìn)油。壓力傳感器pf2210用于推進(jìn)壓力控制，同時盾構(gòu)機推進(jìn)力也是根據(jù)壓力值計算得到的，所以操作屏上顯示的推力7000t，但實際推力小于泥水倉壓力對盾構(gòu)的反作用力，引起盾構(gòu)機后退。

此次故障是PLC死機后引起的，對電氣控制部分進(jìn)行分析如下：該盾構(gòu)機使用的是施耐德控制系統(tǒng)，PLC帶有watchdog（看門狗）輸出端子，用于在PLC故障或死機時的動作控制。PLC程序的大小決定了程序執(zhí)行掃描周期時間，watchdog時間設(shè)置比正常掃描周期長一些，當(dāng)PLC執(zhí)行程序周期超過watchdog時間，則watchdog啟動，跳出正在執(zhí)行的程序，并從頭開始執(zhí)行PLC程序，但嚴(yán)重的PLC故障可能導(dǎo)致PLC死機，此時watchdog接出的引線就要通過電氣線路來控制設(shè)備停止以保護(hù)重要的電氣設(shè)備。

而急?；芈穭t控制安全繼電器確保整套設(shè)備緊急情況下的斷電，目前一般電氣設(shè)計都是斷強電，如斷開電機電源，但未考慮弱電部分控制，如電磁閥等。此次故障原因判斷就是PLC程序復(fù)雜、中斷程序較多或相當(dāng)多的卡件掉電，cpu運行時間被硬件中斷占用，觸發(fā)watchdog引起急停，電機失電，推進(jìn)泵失去動力源，但控制推進(jìn)的閥組上電磁閥未同時斷電或斷電時間有間隔，導(dǎo)致先斷電的電磁閥所控制的油缸進(jìn)油關(guān)閉，進(jìn)油關(guān)閉的油缸將獨自承受盾構(gòu)開挖倉巨大的反作用力，加上盾構(gòu)機使用時間較長，油缸內(nèi)的密封老化，密封被沖破致使油缸內(nèi)泄。

3 解決思路

（1）加強對盾構(gòu)機控制系統(tǒng)模塊的檢查，緊固接線端子，確保連接可靠，降低硬件中斷發(fā)生概率。

（2）加強對盾構(gòu)機掘進(jìn)參數(shù)的整理分析，油缸內(nèi)泄很可能已經(jīng)存在，只是不嚴(yán)重，當(dāng)一根油缸內(nèi)泄后，為了達(dá)到相應(yīng)的推進(jìn)力，勢必要增加推進(jìn)泵壓力，增加其它油缸負(fù)擔(dān)，使其損壞概率加大，同時內(nèi)泄的液壓油也會導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)熱，增加能耗及設(shè)備磨損。

（3）合理編制盾構(gòu)機控制程序，對控制程序進(jìn)行簡化、優(yōu)化，避免程序過于冗繁復(fù)雜引起不可預(yù)知的故障。

（4）在進(jìn)行控制系統(tǒng)急停功能設(shè)計時，將關(guān)鍵的弱電控制功能適當(dāng)集中布置，控制模塊或電磁閥電源由安全繼電器引出，發(fā)生急停故障后，可以保證所有的電磁閥同時關(guān)閉。如此雖然會增加元器件及布線成本，但可以從根本上避免因電氣系統(tǒng)問題導(dǎo)致機械、液壓設(shè)備的損壞。

4 結(jié)束語

現(xiàn)代盾構(gòu)掘進(jìn)機集光、機、電、液、傳感、信息技術(shù)于一體，但其工作時位于幾十米深的地下，環(huán)境惡劣，施工風(fēng)險大。在施工過程中重要設(shè)備的維修、更換非常不方便，如果因設(shè)備故障導(dǎo)致施工事故，其后果將不堪設(shè)想，因此在進(jìn)行盾構(gòu)機設(shè)計時對設(shè)備、器件的可靠性要求很高。成套大型設(shè)備的精髓在于電氣控制，這就要求我們在進(jìn)行電氣系統(tǒng)、PLC控制設(shè)計時要考慮各種可能遇到的情況，尤其是緊急情況下的處置，盡可能降低施工風(fēng)險，確保人員、設(shè)備、工程項目的安全。

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作者簡介：任勇，男，2004年畢業(yè)于華北水利水電學(xué)院機械設(shè)計制造及自動化專業(yè)，本科，助理工程師，曾從事直徑線盾構(gòu)操作及設(shè)備物資管理工作，現(xiàn)就職于中鐵隧道二處有限公司制造公司，從事盾構(gòu)機維修改造及產(chǎn)品研發(fā)工作。