盾構(gòu)機(jī)刀盤測速裝置的改進(jìn)

郝春寶 張 旭

（濟(jì)南中鐵重工軌道裝備有限公司，濟(jì)南 250000）

盾構(gòu)機(jī)是集機(jī)械、電氣、液壓、測量和控制等多種學(xué)科技術(shù)于一體，專門用于地下隧道工程開挖的技術(shù)密集型重大工程裝備[1]。刀盤是盾構(gòu)機(jī)的關(guān)鍵部件之一，安裝在刀盤上的刀具在盾體推進(jìn)油缸的作用下緊壓在巖面上，隨著刀盤的旋轉(zhuǎn)，對(duì)地層進(jìn)行開挖。因此，刀盤的轉(zhuǎn)速是操作盾構(gòu)機(jī)的重要參數(shù)。

1 刀盤測速的現(xiàn)狀

刀盤由主驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，刀盤的轉(zhuǎn)速檢測是通過安裝在主驅(qū)動(dòng)箱上的感應(yīng)式接近開關(guān)感應(yīng)主驅(qū)動(dòng)箱內(nèi)的齒輪產(chǎn)生脈沖信號(hào)，由PLC采集后再經(jīng)過計(jì)算把脈沖頻率轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，然后傳給控制室里的上位機(jī)進(jìn)行顯示。

接近開關(guān)選用圖爾克Bi5-M18-AP6X型感應(yīng)式接近開關(guān)，常開觸點(diǎn)，NPN輸出，三線，電壓10～30VDC，最大感應(yīng)距離是5mm，如圖1所示，該型接近開關(guān)的外形是圓柱形，外表面是M18×1.0的螺紋。

圖1 感應(yīng)式接近開關(guān)

接近開關(guān)通過螺紋固定到主驅(qū)動(dòng)箱的螺紋孔里，使感應(yīng)頭與主驅(qū)動(dòng)箱內(nèi)齒輪的垂直距離在5mm之內(nèi)。當(dāng)接近開關(guān)的感應(yīng)頭感應(yīng)到齒輪時(shí)，接近開關(guān)內(nèi)的常開觸點(diǎn)導(dǎo)通，輸出直流電壓；當(dāng)感應(yīng)頭感應(yīng)不到齒輪時(shí)，接近開關(guān)內(nèi)的常開觸點(diǎn)斷開，無輸出直流電壓。因此，每感應(yīng)到主驅(qū)動(dòng)箱內(nèi)齒輪的一個(gè)齒便產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)。PLC采集到脈沖信號(hào)后，可以根據(jù)式（1）計(jì)算出刀盤的轉(zhuǎn)速。

式中，t為采集周期，s；N為采集周期內(nèi)采集到的脈沖數(shù)；P為刀盤每旋轉(zhuǎn)一周的脈沖數(shù)；N為刀盤轉(zhuǎn)速，r/min。

PLC以西門子6ES7 321-1BL00-0AA0型32點(diǎn)24VDC數(shù)字量輸入模塊為例，數(shù)字量輸入通道的最短響應(yīng)時(shí)間是1.2ms，即最高響應(yīng)頻率是833Hz[2]。

刀盤的轉(zhuǎn)速越高，接近開關(guān)產(chǎn)生的脈沖頻率就會(huì)越高，如果接近開關(guān)產(chǎn)生的脈沖頻率大于833Hz，就會(huì)超出PLC數(shù)字量輸入的最高響應(yīng)頻率，從而使超過PLC響應(yīng)頻率的脈沖丟失，導(dǎo)致計(jì)算出來的刀盤轉(zhuǎn)速低于實(shí)際轉(zhuǎn)速。

2 刀盤測速的改進(jìn)措施

選用圖爾克IM21-14-CDTRi型轉(zhuǎn)速監(jiān)控器，把采集到的脈沖頻率轉(zhuǎn)換為刀盤的實(shí)際轉(zhuǎn)速進(jìn)行顯示，同時(shí)把轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為4～20mA的模擬量信號(hào)傳送給PLC的模擬量輸入模塊，由PLC把4～20mA的模擬量信號(hào)再轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。

圖爾克IM21-14-CDTRi型轉(zhuǎn)速監(jiān)控器能夠監(jiān)控旋轉(zhuǎn)電機(jī)、齒輪的脈沖頻率，具有超速、欠速報(bào)警功能，有兩路繼電器輸出和一路晶體管輸出、一路電流輸出，最高響應(yīng)頻率是10kHz，通過面板上的顯示屏顯示實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速[3]。如圖2所示，Pwr指示燈：電源/故障指示燈；1號(hào)指示燈：繼電器1的開關(guān)狀態(tài)指示燈；2號(hào)指示燈：繼電器2的開關(guān)狀態(tài)指示燈；3號(hào)指示燈：晶體管的開關(guān)狀態(tài)指示燈。

圖2 IM21-14-CDTRi型轉(zhuǎn)速監(jiān)控器

如圖3所示，端子19、20接工作電源。端子3、4、5接三線制的接近開關(guān)，其中端子3、5為接近開關(guān)提供12VDC的電源，端子4接接近開關(guān)的脈沖輸出端。端子11、16是模擬量電流信號(hào)輸出端。

圖3 IM21-14-CDTRi型轉(zhuǎn)速監(jiān)控器接線圖

通過參數(shù)設(shè)定鍵設(shè)定參數(shù)如下：進(jìn)入“DIn”主菜單，進(jìn)入“輸入信號(hào)類型”菜單，選擇“3-wire sensor”（三線制傳感器），進(jìn)入“Tb”菜單，更改時(shí)間基數(shù)為“60，10E0”，即60x10E0，表示數(shù)據(jù)單位為r/min，接著進(jìn)入“NoTar”菜單，設(shè)定刀盤每旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生的脈沖數(shù)。然后返回到主界面，進(jìn)入“AOut”主菜單，進(jìn)入“F-IL”菜單，設(shè)定模擬量輸出最小值對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速，設(shè)為0；再進(jìn)入“F-IH”菜單，設(shè)定模擬量輸出最大值對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速；再進(jìn)入“0/4mA”菜單，設(shè)置輸出電流范圍為“4”，即4～20mA。值得注意的是，對(duì)PLC編程時(shí)，刀盤的最低轉(zhuǎn)速值、最高轉(zhuǎn)速值必須與轉(zhuǎn)速監(jiān)控器里的“F-IL”“F-IH”菜單里的數(shù)值一致，否則經(jīng)PLC換算的刀盤轉(zhuǎn)速不準(zhǔn)確。

3 結(jié)語

通過采用圖爾克IM21-14-CDTRi型轉(zhuǎn)速監(jiān)控器，人們實(shí)現(xiàn)了對(duì)刀盤轉(zhuǎn)速脈沖的完全采集，并且把脈沖頻率轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過4～20mA電流信號(hào)傳給PLC。目前，PLC直接采集刀盤轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)時(shí)，數(shù)字量輸入通道的響應(yīng)頻率過低，刀盤高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的脈沖信號(hào)不能完全被PLC采集，導(dǎo)致計(jì)算出來的刀盤轉(zhuǎn)速過低，而該方案有效地解決了上述問題。實(shí)踐證明，采用該方案檢測的刀盤轉(zhuǎn)速準(zhǔn)確，而且便于觀察，在轉(zhuǎn)速監(jiān)控器的顯示屏上就可以直接讀取刀盤的轉(zhuǎn)速。