浅谈顶管机电控系统设计赵岩领

浅谈顶管机电控系统设计赵岩领

赵岩领崔学普冯彦坤

中铁工程装备集团隧道设备制造有限公司河南新乡453000

摘要：随着城市化不断扩大，地下空间建设已向不同深度和广度范围发展，而顶管机施工在地下工程建设中占有越来越重要的地位，为城市综合管廊和管网设计不可缺少。由于顶管机是在地下施工连续作业，这就需要整个顶管机电控系统能长期、稳定运行，从而达到预期效果。基于此，本文对顶管机电控系统设计进行了详细地分析与探究。

关键词：顶管机；电控系统；设计

1、系统工作原理

基于PLC的顶管机电控系统控以西门子S7-300作为控制核心，整个电控系统由一个主站和多个从站构成，主站与从站之间采用标准的PROFIBUS-DP协议进行I/O通信。系统主站主要包括操作台、上位机和摄像头显示器；操作台主要实现对各种功能泵启停；上位机主要用于显示电机和各种设备的运行状态、传感器监控数据显示以及控制按钮，同时上位机还可用于保存故障信息和历史故障查询；摄像头显示器主要用于显示摄像头采集的机头内设备工作状况以及激光中心点位置。盾体内电气系统作为一个分站，把采集到电机变频器、土压传感器等有关参数时时传送到PLC主站上，主站及时响应分站传送过来的数据，对设备形成有效的控制；同时在机头后背面设置经纬仪，正常情况下经纬仪对准导向靶，当需要调整坐标时，可启动调向泵，通过调向油缸伸缩从而调整机头位置，实现对盾体的姿态的控制。整个控制还包括有顶推系统分站、泡沫系统分站、膨润土系统分站。

2、顶管机电控系统设计

2.1控制系统设计

传统的顶管机控制系统普遍采用指示灯、按钮开关、仪表盘组成，功能简单，不能实现复杂的逻辑控制，已满足不了当下施工的需要。随着自动化技术的发展，越来越多的控制设备逐步采用PLC技术，顶管的控制及数据采集可以由1个或多个PLC完成。使用1个PLC的技术即集中控制方式，PLC安装在一控制柜中，通过多芯信号控制线连接各设备单元，如果控制单元数量较多，则相应的线路也要增加，设备布置分散就会使走线复杂，不便于维护，故障率也会提高，可靠性相对较差；使用多个独立的PLC，分别控制各系统设备运行，各自为政，相互独立不便于联动，总之以上两类方式都不大适用于本系统，如何才能实现既能分散控制，又能互相联动，为此在本工程中引入了网络型的分布式I/O控制方式。以主站为控制核心，采用主从分布式结构，遵循“集中监测、分散控制”的原则，将集中控制和分散控制相结合，数据计算与逻辑控制用集中控制方式，输入输出则分散处理，这样既保证了数据处理的完整性、统一性，实现了设备的联动控制，又避免了控制中心过于庞大、连接电缆过多的弊端，从而提高了系统的可靠性和稳定性。

2.2硬件设计

硬件设计首要是保证安全，要防短路、漏电，另外还需要考虑抗干扰设计，如隔离、屏蔽和布线等。目前市场上PLC产品众多，为了保证整个系统的稳定性，本系统采用西门子PLCS7-300系统。

依据本顶管机的工艺流程和复杂程度进行估算，输入输出点数统计如表1所示，另外还需要网络传输等功能、PID控制，属于中等规模的系统，西门子S7-300系列PLC就能满足该控制要求。由此选定主站PLC：CPU315-2PN/DP+盾体分站+顶推分站+泡沫分站+膨润土分站;每个分站配置一个IM153通讯模块和若干个输入输出模块，通过RPROFIBUS-DP通讯连接，实现软元件相互链接的功能;主站还通过Internet网线连接一个PC-1561系列人机界面(HMI)，与开关按钮、指示灯等构成下位机

2.3软件设计

在硬件设计的同时，还要进行软件设计开发工作。软件设计的主要任务是按照控制要求将工艺流程转换为程序语言，即PLC梯形图，并将所有相关数据及状态信息以直观的方式一一呈现给用户，即界面程序。

2.31各模块介绍

为了解决这类问题，将PLC程序按模块化进行开发。把一个总的控制目标程序分成多个子任务程序，分别编写调试，最后合并组成一个完整的程序。分部分项完成各子系统的控制要求，然后根据各设备间的逻辑关系，可以很方便地建立相应的联锁保护，从而降低误操作的概率，减少故障的发生，保障设备人身安全。按照本顶管机的功能特性，将其分成刀盘、出土、顶推和辅助4个子系统，功能划分清晰，标识明显，便于操作。

(1)刀盘模块

负责刀盘电机的启动以及正反转动作，对刀盘电机电流和转速进行监测，一旦大于上限值，超过延时时间后自动停止转动；刀盘未转动的情况下禁止系统顶进，防止闷顶造成土体隆起。

(2)出土模块

负责整个出土系统，包含螺旋机、搅拌泵以及进排泥泵的启停控制，实时监测土仓内的压力值，通过PID变频调节螺旋机转速，实现挖掘面土体的压力平衡，提升施工效率。

(3)顶推模块

后座主顶及任意指定的多个中继泵的联动控制，根据控制要求，手动或自动操作中继泵以及后座顶进泵，提高施工效率和增加单个施工区间的长度。

(4)辅助模块

配套设备包含加水泵、冷却泵、润滑泵、空压机等设备的启停控制，并监测润滑系统是否堵塞，保证设备正常运行。

2.3.2技术难题的克服

软件编制过程中克服了不少技术难题，尤其是土仓压力与螺旋机转速、顶进系统之间的联动，润滑系统与刀盘、刀盘转动与顶进、油压等各类动作的联锁保护。充分考虑到设备的故障误动作和人工误操作的各种可能性，对应设计了故障诊断机制和各类动作的联锁保护，并对一些重要的运行数据进行限位保护，以避免各类故障隐患的发生，从而保证设备人身安全，提高系统稳定性和可靠性。

2.3.3HMI人机界面

除了PLC程序的设计外，另外还有人机界面HMI程序的设计，有主监控、状态、设置和报警4个画面。通过主监控画面可以监视整个项管机系统的运行状况：状态画面则可以详细地看到各子系统、电机或泵的具体工作状态；设置画面对一些重要的数据参数设置初始值、上下限位，起到预警作用：报警画面可以查阅到当前及历史报警信息，供施工人员快速排障。该HMI与控制面板所组成的平台是面向最终用户的，也就是所谓的下位机。

综上所述，顶管机电控系统具有实时性快、可靠性高、稳定性好、界面直观、简单易用等优点，先进的分布式网络控制架构在顶管机中的应用，实现了制造、使用、检修和维护等环节上的便利和快捷，采用该方案是符合项管机产品特征和使用特性的，同样也适用于盾构掘进机及相关领域。

参考文献：

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[2]周长华.浅谈顶管机构造及保养维护分析[J].中国住宅设施,2015,(03):112-114.[2017-08-31]