基于PLC系統(tǒng)的盾構(gòu)機(jī)電氣調(diào)試技術(shù)

揭麗霞

（中鐵十六局集團(tuán)有限公司，北京 100018）

0 引言

盾構(gòu)機(jī)是一種大型隧道專(zhuān)用施工設(shè)[1]。集機(jī)械、液壓、電氣、PLC 控制等多學(xué)科技術(shù)為一體，具有其隧道開(kāi)挖速度快、安全、地面沉降控制好等優(yōu)點(diǎn)，但由于其自身設(shè)備龐大，機(jī)械液壓電氣系統(tǒng)組成復(fù)雜的特點(diǎn)，這對(duì)設(shè)備的調(diào)試與日常的運(yùn)行維護(hù)提出了更高的要求。

1 鐵建重工盾構(gòu)機(jī)簡(jiǎn)介

本文介紹的鐵建重工液壓驅(qū)動(dòng)土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)，開(kāi)挖直徑為6280mm，主機(jī)長(zhǎng)度為12.5 米包含前盾（切口環(huán)）、中盾（支承環(huán)）、盾尾及螺旋機(jī)幾大部分，整機(jī)長(zhǎng)度約為80 米。裝機(jī)功率約為1700KW,其中主驅(qū)動(dòng)功率為945kW，額定扭矩5000kNm,脫困扭矩6000kNm。推進(jìn)油缸數(shù)量32 根，油缸行程2100mm,額定推力36493kN@300bar，最大總推力42575kN@350bar。鉸接采用被動(dòng)鉸接形式，鉸接油缸數(shù)量為14 根，油缸行程150mm,最大收縮力為10000kN@350bar。盾構(gòu)機(jī)整機(jī)控制系統(tǒng)采用德國(guó)西門(mén)子S7-400PLC 主機(jī)對(duì)各系統(tǒng)功能進(jìn)行集中處理控制[2]。

2 調(diào)試前準(zhǔn)備工作

在調(diào)試前分別對(duì)水、電、液、氣各系統(tǒng)連接對(duì)照?qǐng)D紙逐一核實(shí)，特別是各液壓管路應(yīng)保證鐵牌一一對(duì)應(yīng)，確保管路連接的正確性。高壓電纜應(yīng)在清潔干燥的環(huán)境由高壓電工按相序進(jìn)行連接，低壓電纜要求放線(xiàn)規(guī)整線(xiàn)號(hào)對(duì)應(yīng)，發(fā)現(xiàn)線(xiàn)路破損要采取更換或者做相應(yīng)絕緣處理。

3 調(diào)試步驟

調(diào)試時(shí)按照各系統(tǒng)的相互關(guān)系來(lái)綜合決定先調(diào)試哪一部分，本次調(diào)試的順序?yàn)椋邏核碗?、低壓送電、?bào)警信息消除、管片吊機(jī)調(diào)試、通外循環(huán)水源、空壓機(jī)系統(tǒng)、油脂系統(tǒng)、各電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向檢查、拼裝機(jī)系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、螺旋機(jī)系統(tǒng)、皮帶機(jī)系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)、泡沫膨潤(rùn)土系統(tǒng)、刀盤(pán)系統(tǒng)，按此步序?qū)Ω鞣植窟M(jìn)行調(diào)試。

3.1 高壓電源送電操作

盾構(gòu)機(jī)的動(dòng)力電源由地面10KV 高壓電纜接至盾構(gòu)機(jī)的后部臺(tái)車(chē)上，送高壓電之前應(yīng)保證盾構(gòu)機(jī)上所有用電設(shè)備閘處于斷開(kāi)狀態(tài)，在專(zhuān)業(yè)電氣工程師檢查確認(rèn)后由地面高壓電工進(jìn)行高壓送電操作，高壓送電完成后應(yīng)檢查設(shè)備是否有相序檢測(cè)報(bào)警。如有相序檢測(cè)報(bào)警需要進(jìn)行倒相操作，地面高壓電工應(yīng)斷開(kāi)高壓電源，把此路高壓的手車(chē)搖出并合上地刀。然后進(jìn)行線(xiàn)序倒換作業(yè)，倒換其中任意兩條線(xiàn)的順序即可改變相序的狀態(tài)。倒換線(xiàn)序完成后即可按送電步驟操作重新進(jìn)行高壓送電。

3.2 低壓送電及電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向檢查

低壓主電源送電前檢查急停按鈕是否按下，確認(rèn)主電源后端的所有負(fù)載斷開(kāi)后方可進(jìn)行合閘操作。

當(dāng)所有電機(jī)相間電阻平衡測(cè)試及對(duì)地絕緣測(cè)試通過(guò)后即可對(duì)其負(fù)載送電，避免調(diào)試時(shí)啟動(dòng)電機(jī)出現(xiàn)危險(xiǎn)。送電后點(diǎn)動(dòng)啟動(dòng)電機(jī)觀察電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向是否正確，正確狀態(tài)為面向風(fēng)扇觀察順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，反之應(yīng)調(diào)換線(xiàn)序使電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向正確。

3.3 急停故障消除

3.3.1 急停控制原理

鐵建重工盾構(gòu)機(jī)急停保護(hù)采用了AB 品牌MSR127 型安全繼電器作為保護(hù)控制器件，安全繼電器原理圖如下

圖4-1

其中 S52&S12 ，S21&S22 ，S11&S52 三路均為安全輸入回路。13&14,23&24,33&34,41&42 均為安全繼電器的輸出回路，其中13&14,23&24,33&34三組為常開(kāi)觸點(diǎn)，41&42 為常閉觸點(diǎn)。S12&S34 為手動(dòng)復(fù)位回路輸入信號(hào)。

3.3.2 控制回路分析

以盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)急停回路分析為例對(duì)刀盤(pán)急?；芈房刂圃磉M(jìn)行分析。

圖4-2

盾構(gòu)機(jī)使用了安全繼電器的一組輸入S11&S52,另兩路輸入信號(hào)直接用導(dǎo)線(xiàn)短接，13&14,23&24 兩副輸出常開(kāi)觸點(diǎn)作為兩個(gè)輔助繼電器2K6，2K7 線(xiàn)圈的接通條件，2K6，2K7 繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)均串接在安全繼電器的復(fù)位回路中作為復(fù)位回路的一部分。輸出33&34 未使用，輸出信號(hào)41&42 常閉觸點(diǎn)串接于繼電器2K5 的接通回路。

安全繼電器的輸入信號(hào)正常時(shí)，安全繼電器正常動(dòng)作41&42 常閉輸出觸點(diǎn)會(huì)斷開(kāi)，繼電器2K5 不得電，繼電器2K5 常開(kāi)觸點(diǎn)不動(dòng)作，刀盤(pán)緊急停止輸入信號(hào)不會(huì)被觸發(fā)。

當(dāng)急停按鈕有動(dòng)作或急停輸入回路斷開(kāi)時(shí)，安全繼電器在復(fù)位之前將切斷輸出信號(hào)，即13&14,23&24,33&34 三組為常開(kāi)觸點(diǎn)保持打開(kāi)，41&42 為常閉觸點(diǎn)保持閉合，其中41&42 觸點(diǎn)串接于繼電器2K5 線(xiàn)圈的回路，這時(shí)候繼電器2K5 將得電，2K5 常開(kāi)觸點(diǎn)11&14 動(dòng)作接通，此時(shí)刀盤(pán)緊急停止信號(hào)觸發(fā)，主控室人機(jī)界面報(bào)刀盤(pán)緊急停止故障信息。

3.3.2 刀盤(pán)調(diào)試方法

刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用的是三臺(tái)閉式變量柱塞泵，必須保證AB 管路成并聯(lián)對(duì)應(yīng)關(guān)系，電磁閥插頭要求一一對(duì)應(yīng)不能接反，為了防止管路接錯(cuò)，調(diào)試時(shí)采取一臺(tái)一臺(tái)泵啟動(dòng)后旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)的方法調(diào)試，最終看三次旋轉(zhuǎn)的方向是否一致，如不一致則有可能是AB 管路接錯(cuò)或者電磁閥插頭接反[3]。具體方法如下

打開(kāi)刀盤(pán)控制程序功能塊FB13，其中網(wǎng)絡(luò)19、20、21 的中間變量#STAT21、#STAT22、#STAT23 為123 號(hào)刀盤(pán)的運(yùn)行狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)30 的M401.0、M401.4、M403.0為123 刀盤(pán)的就緒狀態(tài)。調(diào)試時(shí)保證中間變量#STAT21、#STAT22、#STAT23 都處于接通狀態(tài)，在網(wǎng)絡(luò)19、20、21 程序中分別加入ON M1000.1 使其中間變量輸出為1，如圖4-3，

圖4-3

當(dāng)只啟動(dòng)1#刀盤(pán)泵轉(zhuǎn)刀盤(pán)時(shí)更改網(wǎng)絡(luò)30 的程序，在控制程序第七行插入ON M100.2 即可保證不啟動(dòng)2、3 號(hào)刀盤(pán)泵的情況下刀盤(pán)能正常轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖4-4

圖4-4

當(dāng)只啟動(dòng)2#刀盤(pán)泵轉(zhuǎn)刀盤(pán)時(shí)更改網(wǎng)絡(luò)30 的程序，在控制程序第四行第七行分別插入ON M100.2 即可保證不啟動(dòng)1、3 號(hào)刀盤(pán)泵的情況下刀盤(pán)能正常轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖4-5

圖4-5

當(dāng)只啟動(dòng)3#刀盤(pán)泵轉(zhuǎn)刀盤(pán)時(shí)更改網(wǎng)絡(luò)30 的程序，在控制程序第五行插入ON M100.2 即可保證不啟動(dòng)1、3 號(hào)刀盤(pán)泵的情況下刀盤(pán)能正常轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖4-6

圖4-6

通過(guò)三次單泵分別轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤(pán)，如果刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)方向都一致證明液壓管路和電磁閥插頭均連接正確。如果啟動(dòng)某一個(gè)泵運(yùn)行刀盤(pán)，旋轉(zhuǎn)方向不一致則應(yīng)該首先對(duì)比刀盤(pán)泵斜盤(pán)的偏轉(zhuǎn)方向，如果刀盤(pán)泵斜盤(pán)偏轉(zhuǎn)方向都一致證明電磁閥插頭未接錯(cuò)，就可以判斷出旋轉(zhuǎn)方向不一致的那臺(tái)泵AB 管路接反，應(yīng)調(diào)整AB 口管路位置。

4 故障分析處理

在調(diào)試過(guò)程中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)因?yàn)闂l件不滿(mǎn)足，但又缺少報(bào)警信息的情況，此時(shí)的維修人員會(huì)憑借自己日常積累的工作經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷故障的部位，或者排除法，或者用元器件替換法，但這些方法排除故障效率不高且容易引發(fā)新的故障，為此如果借助PLC 控制程序監(jiān)控來(lái)排除故障將大大提高盾構(gòu)機(jī)的調(diào)試維修速度，且能直接命中定位故障點(diǎn)，處理一些疑難問(wèn)題。

4.1 泡沫系統(tǒng)故障排除

比如啟動(dòng)半自動(dòng)打泡沫時(shí)無(wú)反應(yīng)，但能手動(dòng)模式打，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)我們會(huì)判斷執(zhí)行器件及線(xiàn)路均正常，否則手動(dòng)模式不會(huì)正常工作。常規(guī)判斷會(huì)誤認(rèn)為半自動(dòng)啟動(dòng)按鈕有問(wèn)題或者半自動(dòng)啟動(dòng)的PLC 點(diǎn)位有故障，會(huì)把問(wèn)題定位到啟動(dòng)輸入信號(hào)上去排查。根據(jù)PLC 在線(xiàn)程序監(jiān)控發(fā)現(xiàn)DB2.DBX 3.0 狀態(tài)為0，其中DB2.DBX3.0為3#土壓傳感器的工作狀態(tài)。0 為傳感器斷線(xiàn)或者故障，1 為正常工作的狀態(tài)。在線(xiàn)監(jiān)控程序如下

圖5-1

DB2.DBX 3.0 為3 號(hào)土倉(cāng)壓力傳感器的故障檢測(cè)，當(dāng)3#土倉(cāng)壓力傳感器故障時(shí)DB2.DBX 3.0 為0，此時(shí)會(huì)聯(lián)鎖泡沫的半自動(dòng)運(yùn)行功能，使泡沫半自動(dòng)運(yùn)行條件不滿(mǎn)足。通過(guò)程序定位故障點(diǎn)更換3#土壓傳感器后故障排除。

4.2 刀盤(pán)補(bǔ)油故障分析

在始發(fā)空載運(yùn)轉(zhuǎn)調(diào)試時(shí)刀盤(pán)補(bǔ)油壓力一直在20bar 左右，導(dǎo)致補(bǔ)油壓力異常，刀盤(pán)時(shí)常因補(bǔ)油壓力低限觸發(fā)而停機(jī)，通過(guò)和液壓工程師溝通決定暫時(shí)把補(bǔ)油壓力設(shè)定為18-35bar 運(yùn)行，如果補(bǔ)油還是不正常再調(diào)整補(bǔ)油泵的溢流閥。更改后的運(yùn)行程序如下

圖5-2

通過(guò)空載一段時(shí)間的運(yùn)行補(bǔ)油壓力恢復(fù)正常，最后得出的結(jié)論可能因?yàn)檠a(bǔ)油泵長(zhǎng)期停機(jī)沒(méi)運(yùn)行導(dǎo)致補(bǔ)油壓力調(diào)整溢流閥芯出現(xiàn)卡滯造成的補(bǔ)油壓力不正常，當(dāng)補(bǔ)油壓力經(jīng)過(guò)多次起泵正常后把程序更改為出廠狀態(tài)20-35bar 范圍[4]，如下圖

圖5-3

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本次調(diào)試，尤其刀盤(pán)的三臺(tái)驅(qū)動(dòng)泵采用單泵逐臺(tái)試轉(zhuǎn)，然后對(duì)比三次轉(zhuǎn)動(dòng)的情況來(lái)判斷液壓與電氣管路線(xiàn)路連接的正確性，調(diào)試效果好，節(jié)省了大量的人工成本，同時(shí)也避免了因人為接錯(cuò)管路線(xiàn)路造成對(duì)設(shè)備的損壞，把潛在的設(shè)備損壞風(fēng)險(xiǎn)通過(guò)巧妙的調(diào)試方法進(jìn)行化解，這也為以后的刀盤(pán)調(diào)試方法提供了參考。