大型机电设备电气控制系统

大型机电设备电气控制系统,第一章 概述,大型的施工机械设备的电气控制系统是整个设备的控制核心，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，诸如TBM、盾构这样的典型大型机电设备的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。,系统可靠性与先进性,1.1 大型机电设备电气控制系统的基本要求与特点,电气控制系统是整个盾构系统的控制与操作核心，盾构工作环境恶劣、条件复杂、维护维修条件及保障能力差，所以作为整个设备核心的电气控制系统的可靠性对于保证盾构稳定高效可靠地工作是至关重要的。因此，盾构电气控制系统设计的第一原则便是在保证盾构系统整体可靠性与性价比的前提下，采用当代最先进的自动控制与计算机控制技术。,计算机数据采集系统在PLC控制系统的基础上可以同时实现施工数据的采集、显示、汇总、统计甚至分析，为施工管理人员科学管理、科学施工创造很好的条件。,继电接触器控制系统,1.2 机械设备电气控制系统基本形式,继电接触器控制系统以硬接线的方式保证顺序动作的实现，直观、形象，结构简单、价格便宜。广泛应用于各种机械设备。但也存在很多缺点：通用性和灵活性差、修改、调试不便；不能实现机械设备模拟量参数的测试与自动控制；经常产生电弧，容易烧损触点，从而造成开关动作不可靠、维修不便。可靠性较低,虽然继电接触器控制系统存在上述不足，但是仍能满足很多中小型机械设备的自动控制要求，仍是最基本的电气控制系统之一，同时也是盾构等大型机械设备电气控制系统设计的基础,无触点逻辑控制,1.2 机械设备电气控制系统基本形式,无触点逻辑控制系统与继电逻辑控制系统本质上是相同的，只是使用三极管、可控硅、数字集成电路等半导体元件替代继电器、接触器等有触点控制与执行电器。因此，与继电接触器控制系统相比较，具有体积小、可靠性好、反应速度快、寿命长等优点。,计算机控制系统,1.2 机械设备电气控制系统基本形式,随着微电子技术及计算机技术的飞速发展，机械设备的电气控制系统普遍采用了计算机，计算机以其强大的功能和灵活性为机械设备的设计与应用带来了前所未有的进步与发展，尤其是盾构这样的大型、超大型机械设备必须采用计算机控制系统才能满足其工艺与控制要求。计算机控制系统的优点是功能强大、性能优异、可靠性高、抗干扰能力强、寿命长，缺点是系统组成不直观，故障判断与处理较困难等，因此对系统使用与维护人员要求高，要求使用与维护人员具有较全面较扎实的计算机与自动控制方面的理论知识与实践经验。 。,目前机械设备的计算机控制系统主要包括以下几类：,1.2 机械设备电气控制系统基本形式,嵌入式微控制器 。工业计算机控制系统 可编程控制器（PLC）控制系统 现场总线控制系统,嵌入式微控制器,1.2 机械设备电气控制系统基本形式,嵌入式微控制器具有体积小、功能强、抗干扰能力强、价格低廉等优点，广泛应用于各种机械设备的控制系统中，但一般应用于控制要求较简单的中小型机械设备或生产过程控制,工业计算机控制系统,1.2 机械设备电气控制系统基本形式,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。,可编程控制器（PLC）控制系统,1.2 机械设备电气控制系统基本形式,可编程控制器是微型计算机技术与继电接触器控制等常规控制技术相结合的产物，是在继电接触器控制系统和计算机控制系统基础上发展起来的新型控制器。所以以PLC(可编程控制器)为核心组成的控制系统计既具有继电接触器控制系统简单易懂易于理解的优点，也具有计算机控制系统的灵活方便、柔性强的特点，同时比一般的计算机系统具有可靠性强的优良特性。自1969年诞生世界上第一台PLC以来，很快被世界上机械设备控制系统及生产过程控制系统广泛采用，PLC一直是工业控制产品中市场占有率最高的产品。目前，诸如盾构这样的大型机械设备全部采用PLC控制系统。,现场总线控制系统,1.2 机械设备电气控制系统基本形式,现场总线控制系统是采用现场总线技术形成的控制系统，本质上是一种计算机局域网络系统。它是依靠具有检测、控制、通信能力的嵌入式控制器，数字化仪表（设备）在现场实现彻底分散控制，并以这些现场分散的测量、控制设备单个点作为网络节点，将这些点以总线形式连接起来，形成一个现场总线控制系统。所以，现场总线控制系统是一种全数字、全分散的控制系统。,第二章 现场总线技术,2.1 现场总线的产生,现场总线（Fieldbus）是用于现场仪表、控制系统、控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、互联、多变量、多点、多站的智能设备互连通讯网络。,现场总线作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。,它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统，是以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术 ；,一、现场总线技术产生的背景,现场总线技术产生于二十世纪八十年代是为满足日益急迫的企业综合自动化的需求开放性通用性可靠性智能仪表为现场总线的出现奠定了基础,二、传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统,传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统（包括：基于PC、PLC、DCS产品的分布式控制系统），如图所示：,传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统,其主要特点：现场层设备与控制器之间的连接是一对一（一个I/O点对设备的一个测控点）所谓I/O接线方式，信号传递4-20mA（传送模拟量信息）或24VDC（传送开关量信息）信号。,主要缺点,信息集成能力不强：,控制器与现场设备之间靠I/O连线连接，传送4-20mA模拟量信号或24VDC等开关量信号，并以此监控现场设备。这样，控制器获取信息量有限，大量的数据如设备参数、故障及故障纪录等数据很难得到。底层数据不全、信息集成能力不强，不能完全满足企业信息化系统对底层数据的要求。,系统不开放、可集成性差、专业性不强：,除现场设备均靠标准4-20mA/24VDC连接，系统其它软、硬件通常只能使用一家产品。不同厂家产品之间缺乏互操作性、互换性，因此可集成性差。这种系统很少留出接口，允许其它厂商将自己专长的控制技术，如控制算法、工艺流程、配方等集成到通用系统中去。,可靠性不易保证 ：,对于大范围的分布式系统，大量的I/O电缆及敷设施工，不仅增加成本，也增加了系统的不可靠性。,由于现场级设备信息不全，现场级设备的在线故障诊断、报警、记录功能不强。另一方面也很难完成现场设备的远程参数设定、修改等参数化功能，影响了系统的可维护性。,可维护性不高 ：,三、现场设备的串行通信接口是现场总线技术的原形,由于大规模集成电路的发展，许多传感器、执行机构、驱动装置等现场设备智能化，即内置CPU控制器，完成诸如线性化、量程转换、数字滤波甚至回路调节等功能。,对于这些智能现场设备增加一个串行数据接口（如RS-232/485）是非常方便的。,有了这样的接口，控制器就可以按其规定协议，通过串行通信方式（而不是I/O方式）完成对现场设备的监控。,如果设想全部或大部分现场设备都具有串行通信接口并具有统一的通信协议，控制器只需一根通信电缆就可将分散的现场设备连接，完成对所有现场设备的监控。,这就是现场总线技术的初始想法。,基于以上初始想法，使用一根通信电缆，将所有具有统一的通信协议通信接口的现场设备连接，这样，在设备层传递的不再是I/O（4-20mA/24VDC）信号，而是基于数字信息，由数字化通信网络构成现场级与车间级自动化监控及信息集成系统。,2.2 现场总线技术概念,一、现场总线定义, ISA SP50（美国仪表协会标准）中对现场总线的定义       现场总线是一种串行的数字数据通信链路，它沟通了过程控制领域的基本控制设备（即场地级设备）之间以及与更高层次自动控制领域的自动化控制设备（即车间级设备）之间的联系         国际电工委员会IEC标准和现场总线基金会FF的定义       现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络,因此，可以进一步理解为：,现场总线是安装在生产过程区域的现场设备/仪表与控制室内的自动控制装置/系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线。其中，“生产过程”包括断续生产过程和连续生产过程两类。,现场总线控制系统（Fieldbus Control System, FCS）是由以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点、用现场总线相连接组成的控制系统。这是继电式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散控制系统DCS后的新一代控制系统。,基于现场总线技术的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统如图所示：,二、现场总线本质,1.现场通信网络 ：用于过程控制及制造自动化的现场设备或现场仪表之间互连的通信网络。,2.现场设备互连 ：传感器、变送器、执行机构等现场设备、现场仪表通过一对传输线实现互连。传输线可以使用双绞线、同轴电缆、光纤等，并可根据需要选择。,2.互操作性 ：不同制造商的产品互联互通即互操作性。,4.分散功能块 ：FCS系统将控制站的功能分散分配给现场仪表，构成虚拟控制站，实现了彻底的分散控制。,5.使用通信线供电 ：,6.开放式互连网络 ：FCS系统将控制站的功能分散分配给现场仪表，构成虚拟控制站，实现了彻底的分散控制。,三、现场总线国际标准,由于刚开始没有一个统一的国际标准，各企业和企业集团相继开发自己的总线产品，制定现场总线标准，形成了百花齐放的现状据不完全统计，目前市场上形形式式的现场总线有200多种号称为开放标准的也有二、三十种 现场总线国际标准IEC61158包含了八种类型，,1.IEC61158国际标准 ：1999年底IEC TC65（负责工业测量与控制的第65标准化技术委员会）通过以下8种类型的现场总线作为IEC61158国际标准：,IEC技术报告（即FF的H1)Control Net(美国Rockwell公司支持）Profibus(德国西门子公司支持）P-Net（丹麦Process Data公司支持）FF HSE（原FF到H2）Swift Net（美国波音公司支持）World FIP（法国Alston公司支持）Interbus（德国PhoenixContact公司支持）,2.IEC TC17B通过以下3种类型的现场总线国际标准：,SDS（Smart Ditributed System) ASI(Actuator Sensor Interface） DeviveNet,2.ISO 11898 CAN（Control Area Network）,共12种,现场总线技术开发之热是近年之举信息时代各项技术发展对测控系统提出的要求计算机技术网络与通信技术自动控制技术信息（IT）技术网络化、信息化给自控技术的发展提供的机遇各国投入巨额资金与人力在开发这一技术，形成了企业、国家、国际标准欧洲、北美、亚洲、中国,2.3  现场总线现状与发展,1.多总线共存,2.每种总线都力图扩展自己的应用领域,2.多数总线都成立了相应的国际组织,目前，现场总线技术存在以下特点：,4.多数总线都成为所在国或地区标准，以加强竞争地位，P-net成为丹麦标准，Profibus成为德国标准，WorldFIP成为法国标致，并于1994年成为并列的欧洲标准EN50170，此标准后来又吸收了Control Net和FF。,5.以太网成为新技术热点,现场总线的发展中充满了竞争,现场总线的发展过程中充满了竞争经济因素：每种总线都有一个或多个公司且多是大型跨国公司为背景，公司的利益与总线的发展息息相关原先投入较大的现场总线技术不甘轻言放弃政治因素：总线之间的竞争还涉及国家、地区间的竞争1998年前，现场总线以制定单一国际标准为目的FF成为最有可能成为国际标准的总线FF成为国际标准的努力受到多方阻力最后通过妥协，现场总线技术出现了协调共存、共同发展的局面,现场总线技术特点,1.增强了现场级信息集成能力 ：现场总线可从现场设备获取大量丰富信息，能够更好的满足工厂自动化及CIMS系统的信息集成要求。现场总线是数字化通信网络，它不单纯取代4-20mA信号，还可实现设备状态、故障、参数信息传送。系统除完成远程控制，还可完成远程参数化工作。,2.开放式、互操作性、互换性、可集成性 ：不同厂家产品只要使用同一总线标准，就具有互操作性、互换性，因此设备具有很好的可集成性。系统为开放式，允许其它厂商将自己专长的控制技术，如控制算法、工艺流程、配方等集成到通用系统中去，因此，市场上将有许多面向行业特点的监控系统。,2.系统可靠性高、可维护性好 ：现场总线控制系统采用总线连接方式替代一对一的I/O连线，对于大规模I/O系统来说，减少了由接线点造成的不可靠因素。同时，系统具有现场级设备的在线故障诊断、报警、记录功能，可完成现场设备的远程参数设定、修改等参数化工作，也增强了系统的可维护性。,4.降低了系统及工程成本 ：对大范围、大规模I/O的分布式系统来说，省去了大量的电缆、I/O模块及电缆敷设工程费用，降低了系统及工程成本 。,市场上主要的现场总线标准,P-NetProfibus WorldFIP Foundation Fieldbus（包括HSE） ControlNet InterbusSwiftNetAS-ICC-Link还有CAN、HART、LonWorks、Modbus.,主要的现场总线比较,开关量信号,各种现场总线的应用领域,数据来自美国VDC公司所作调查,各类现场总线的市场占有情况,第三章 CAN总线及应用,3.1 CAN总线概念及相关协议,3.1.1 CAN总线概念,什么是CAN ?,CAN，全称为“Controller Area Network”，即控制器局域网，是目前国际上应用最广泛的现场总线之一。,最初，CAN被设计作为汽车环境中的微控制器通讯，在车载各电子控制装置ECU之间交换信息，形成汽车电子控制网络。比如：发动机管理系统、变速箱控制器、仪表装备、电子主干系统中，均嵌入CAN控制装置。,CAN 总线应用范围已不再局限于汽车行业，而向过程工业、机械工业、纺织工业、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械等领域发展。,CAN已成为国际标准病被公认为是最有前途的现场总线之一。,3.1.1 CAN总线概念,CAN的产生与发展,1986年2月，Robert Bosch 公司在SAE（汽车工程协会）大会上介绍了一种新型的串行总线CAN控制器局域网,那是CAN诞生的时刻。,今天，在欧洲几乎每一辆新客车均装配有CAN局域网。同样，CAN也用于其他类型的交通工具，从火车到轮船或者用于工业控制。,在1999年，接近6千万个CAN控制器投入应用；2000年，市场销售超过1亿个CAN器件。,3.1.1 CAN总线概念,CAN的一致性问题,目前，CAN 以两种形式存在：,一种是具有11 位ID 标识符的BasicCAN 另一种是带有扩展成29 位ID 标识符的高级形式PeliCAN， Philips Intel Siemens 均支持BasicCAN 和PeliCAN 。,内部的验收滤波器屏蔽滤波器可通过标识符ID 来接收需要的报文、屏蔽不相关的报文，即只向CPU 提交合适的报文。,3.1.1 CAN总线概念,CAN的一致性问题,PeliCAN 协议允许两段长度的标识符：,A 部分使用11 位报文标识符能够识别出2032 个不同的标识符（保留十六位）此部分兼容BasicCAN 。,B 部分有29 位能够产生536870912 个不同的标识,3.1.2 CAN的一些基本概念,报文,节点单元在总线开放时发送到总线上的具有一定长度及确定意义的不同格式的数据信息。,3.1.2 CAN的一些基本概念,信息路由问题,CAN系统中，一个CAN节点不使用有关系统结构的任何信息（如站地址等）。,一个CAN节点可以在所有节点及其应用层的软件或硬件不做任何改变的情况下接入CAN网络,具有极好的系统灵活性,3.1.2 CAN的一些基本概念,报文通信,CAN系统中，一个CAN节点发送的报文内容由其标识符ID命名。,但标识符ID并不指出报文的目的，而是描述数据的含义,因此，CAN网络中的所有节点都可以通过报文滤波决定该报文数据是否使其激活。,3.1.2 CAN的一些基本概念,成组,由于采用报文滤波方式，所有节点均可接收报文并可被同一报文激活,3.1.2 CAN的一些基本概念,位速率 数据传输率,CAN的数据传输率在不同的系统是不同的，但在一个给定的系统中，是唯一且固定的。,3.1.2 CAN的一些基本概念,优先权,标识符定义了一个报文的优先权。,远程数据请求,需要数据的节点通过发送一个远程帧请求另一个节点发送一个相应的数据帧。,远程帧与相应的数据帧以相同的 标识符ID命名。,3.1.2 CAN的一些基本概念,多主站,总线开放时，任何节点均可发送报文，具有最高优先权报文的节点将赢得总线访问权 。,3.1.9  CAN的位仲裁技术,位仲裁技术及其原理,CAN总线使用“载波检测多路访问/冲突避免”（CSMA/CA)通信方式控制数据的发送。,CSMA:Carrier Sense Multiple Access 载波侦听多路访问,CA：Collision Avoidance  冲突避免,允许总线上的任一设备有机会取得总线的控制权以发送信息。,如果同一时刻有两个以上的设备欲发送信息，将发生冲突，此时CAN总线能够实时地检测这些冲突并作出相应的仲裁，从而是的获得仲裁通过的信息帧能够不受任何损坏地继续传送。,3.1.9  CAN的位仲裁技术,位仲裁技术及其原理,当总线空闲时呈隐性电平，此时任何一个节点都可以想总线发送一个显性电平帧开始，作为一个信息帧的开始。,如果有两个以上的节点同时发送，就会产生竞争。,CAN总线按位对标识符进行仲裁；,各发送节点在向总线发送数据电平的同时，也对总线上的数据电平进行读取，并与自己发送的电平进行比较；。,如果电平相同则继续发送下一位，不同则停止发送从而退出总线竞争；,而剩余的节点将继续上述过程，知道总线上只剩下一个节点发送的电平，此时总线竞争结束，优先级最高的节点获得总线的使用权；,3.1.9  CAN的位仲裁技术,位仲裁技术及其原理,CAN 总线以报文为单位进行数据传送，其标识符规定了此报文的优先权。,具有最低二进制数的标识符具有最高的优先级。,这种优先级一旦在系统设计时被确定就不能更改；,总线冲突通过位仲裁解决。,3.1.9  CAN的位仲裁技术,位仲裁技术及其原理,下图标识了3个节点的CAN信息帧在总线上的竞争仲裁情况：,3.1.9  CAN的位仲裁技术,位仲裁技术及其原理,在第6位（ID5) 节点2发送一个1（隐性位），但是从总线上接收到的却是0，说明有优先级比它高的信息帧在发送。,只有节点3成功地发送完全部的仲裁场各位，从而获得总线控制权，继续发送完其全部信息。,所以，节点2 立即退出发送，变为只听模式，余下的2个节点继续发送；,在第9位（ID2) 节点1发送一个1（隐性位），但是从总线上接收到的却是0，也退出发送，变为只听模式。,在前5位（ID10-ID6)都相同，所以3个节点侦听到的信息和它们发出的相同,3.1.9  CAN的位仲裁技术,位仲裁技术及其原理,这种仲裁方式是非破坏性的位仲裁方式,在最终确定哪个节点的报文被传送之前，报文的起始部分已经在总线上传送了；,未获得总线控制权的节点都成为具有最高优先级报文的接收站，并且不会在总线再次空闲以前发送报文。,由上述分析可以看出：,3.1.9  CAN的位仲裁技术,不足与局限性,由于采用固定优先级，当高优先级的节点以较高频率发送数据时，低优先级的节点就很难将数据传送到总线，甚至一个数据都发送不出来，至少导致较大的延时，不利于实时的数据采集与控制,3.2  CAN总线系统的结构原理,3.2.1  CAN总线系统的构成,CAN总线时现场总线的一种，是一种有效支持分布式、实时控制的串行通信网络。,从原理和实现的角度，只要有两个CAN节点和将他们连接成一体的通信介质就可以构成一个CAN总线系统，这两个节点通过通信媒介交换信息。,3.2.1  CAN总线系统的构成,一方面，可以由控制器节点、传感器节点、执行器节点以及其他的监控节点（如人机界面等）构成一个CAN 总线系统。,另一方面，CAN 总线系统作为控制局域网还可以通过网关和其他网络(如以太网等）互联构成大型网络系统。,3.2.1  CAN总线系统的构成,CAN 总线控制系统结构图如下图所示：,3.2.1  CAN总线系统的构成,由控制系统的角度看，最小的控制系统是一个单回路的闭环控制系统,即由一个控制器、一个传感器和一个执行起组成,另外，以CAN 总线为基础的网络控制系统也可以由多个互不相关的控制回路组成，但共享一个控制网络 CAN总线。,从现场总线控制系统FCS的概念来讲，传感器节点、执行起节点都可以集成控制器，即所谓的智能节点；,这样就形成了真正分布式（主要是算法分散）的网络控制系统；,3.2.2  CAN总线系统的节点,节点,CAN 总线的节点一般是指挂在CAN 总线上的传感部件、执行部件或控制器单元等,CAN总线是通过允许节点间的对等传播数据来实现网络通信的。,3.2.2  CAN总线系统的节点,节点组成,CAN 总线的节点构成多种多样，一般的节点结构如下图所示：,3.2.2  CAN总线系统的节点,节点组成,关键部分是总线控制器和总线收发器，由它们来实现CAN 总线的物理层和数据链路层协议。,如果嵌入了控制算法，则此节点即为控制器节点；,如果带有传感器接口，则此节点即为智能传感器节点；,如果带有执行器驱动接口，则此节点即为执行器节点；,一个节点可以具有多种功能，例如可以具有I/O接口即控制算法，便成为一个完整的控制节点；,第四章 大型机电设备电气控制系统总体结构分析,1.单PLC电气控制系统,目前多数大型机电设备的控制系统采用以一台中、大型PLC为核心组成控制系统的单PLC电气控制系统，由图可知，电气控制系统由一台大型PLC为控制核心，完成数据采集与控制任务。PLC通过串行通信接口与控制室内数据采集系统计算机通信，实现数据采集与储存、显示、统计、打印，并通过调制解调器将数据远传至洞外数据采集系统系统。,单PLC电气控制系统,此种方式是一种完全集中式的控制系统，所有的输入、输出信号都需连接至PLC。大型机电设备非常庞大，控制所需的输入信号与输出信号也很多且分布于设备各个位置，所以，这种集中式电气控制系统所需的电缆数量将非常多且长度很大，成本很高且安装维护不便，同时也会对系统的可靠性造成很大影响。另外，此种方式的控制系统由于功能全部集中于单台PLC，其控制程序的开发工作也很复杂。,2.多PLC电气控制系统,如图所示为多PLC方式电气控制系统结构框图，系统使用多台中型或大型PLC为核心完成电气控制任务,此种方式，通过对整机控制需求进行分析，按照控制功能、安装位置等将控制任务分解为若干部分并分别由不同的PLC承担，PLC之间通过网络通信接口建立通讯联系，从而构建为一完整的电气控制系统。因此，这种控制系统将功能进行了适当分散，与单PLC方式的控制系统相比，很多输入、输出信号的接入距离可以大大缩短。安装及维护工作也相对得到很大改善。,2.远程I/O方式构建电气控制系统,如图所示为远程I/O方式电气控制系统结构框图，系统一台中型/大型PLC为核心，并采用智能远程I/O模块完成整机的电气控制任务,智能远程I/O模块是一种可以远端放置完成相应的I/O控制任务，并可以通过网络通信接口与主PLC进行通信的智能输入、输出接口模块。使用智能远程I/O模块就可以将模块就近安装于被控对象临近，从而避免长距离连接控制电缆的弊端。所以采用这种方式可以大大地减少控制电缆的使用量，同时也为安装、维护及系统可靠性带来了很大益处。,4.现场总线方式电气控制系统,如图所示为现场总线方式电气控制系统结构框图，系统采用现场总线技术构成现场总线控制系统完成TBM整机的电气控制任务,由图可知，系统可以包括多台PLC、多台完成监控/操作任务的计算机、以及多台完成具体测控任务的现场总线智能节点单元，它们之间通过各自的现场总线接口通信，从而构建成为全分散全数字化的现场总线方式的TBM电气控制系统,第五章 TBM电气控制系统,如前所述，TBM技术先进、结构复杂。在国外经过五十多年的研究与发展，已成为长大隧道最有效的施工手段之一。TBM 是大型的隧道施工机械设备，工作环境非常恶劣，其电气及控制系统的作用非常关键，并且其电气及控制系统也随着技术水平的不断进步而不断改进，当前TBM电器及控制系统均采用最先进、可靠的技术与设备以保证TBM性能的充分发挥。目前，TBM电气控制系统均采用PLC作为其电气控制系统的控制核心。但是，不同的TBM从总体结构形式有所不同。,5.1 WIRTH TB880E电气控制系统,TBM 880E采用多台PLC组成一功能强大的电气及自动控制系统，主控制系统组成如图721所示,由系统框图可知，主机系统与后配套系统分别使用一台大型PLC为控制核心，完成数据采集与控制任务，两台PLC之间通过网络通信接口板建立实时通信。主机PLC通过串行接口与控制室内WDAS系统计算机通信，实现数据采集与储存、显示、统计、打印。后配套PLC通过调制解调器将数据远传至隧道外WDAS系统。其他相对独立的配套设备如锚杆钻机、翻车机等也都使用小型PLC构建控制系统,5.2 ROBBINS MB264-311掘进机电气控制系统,图所示为ROBBINS MB264-311TBM掘进机电气控制系统框图,由图可知，系统总体结构采用PLC加智能远程I/O模块方式构成。系统使用PLC基本模块与部分输入、输出信号连接，另外，通过扩展模块接口板扩展了一扩展模块,扩展模块包括：扩展模块接口板、DEVICENET总线接口板、RS232串行通信接口板、CCLINK远程I/O接口板，下面具体说明其作用。,扩展模块包括：扩展模块接口板、DEVICENET总线接口板、RS232串行通信接口板、CCLINK远程I/O接口板，下面具体说明其作用。,扩展模块接口：与基本模块通信；DEVICENET总线接口板：ROBBINS MB264-311 TBM的8台刀盘电机分别由2台变频器驱动，变频器的控制由PLC程序实现，变频器与PLC的通信接口即为DEVICENET总线接口；RS232串行通信接口板：PLC与触摸屏通过此接口板通信；CCLINK远程I/O接口板：PLC主机部分与分布于全机的15台智能远程I/O模块通过CCLINK接口通信；,PLC基本模块通过USB接口与编程终端连接，同时，编程终端与触摸屏通过以太网接口连接为计算机网络，另外触摸屏的另一以太网口通过一网络MODEM经电话线路连至地面数据采集系统计算机，使得地面的数据采集系统计算机可以实时的得到TBM掘进机的各项工况参数。,5.3 TBM自动控制方式及实现,TBM电气控制系统提供了三种工作模式：自动扭矩控制、自动推力控制和手动控制模式。自动扭矩控制只适用于均质软岩，自动推力控制只适用于均质硬岩，手动控制模式操作方便、反应灵活，适用于各种地质情况,5.2.1自动推力控制方式,自动扭矩和自动推力控制模式是通过改变自动档设定值电位器阻值的大小，由PLC系统自动根据机器相关参数进行调整来实现自动控制。以自动推力控制模式为例，其闭环控制回路如图所示,5.2.2自动扭矩控制方式,自动扭矩控制模式原理与此相似，只是控制参量为刀盘主电机扭矩。其闭环控制回路 如图所示,由上述两种自动控制模式的原理分析可以看出，为保证系统的稳定性，系统对设定值的反应不会也不允许太灵敏，允许实际值的波动范围较大，并且只能对整个刀盘的平均值作出反应，而不能对实际掘进中多变的岩石情况作出灵活迅速的反应。因此在实践操作过程中最常用的还是采用手动控制模式，其实质是以主司机替代PLC系统，根据掘进情况，手动改变推进速度电位器的开环控制系统。,5 盾构PLC电气控制系统总体结构形式,单PLC电气控制系统,盾构电气控制系统总体结构形式,目前多数盾构控制系统采用以一台中、大型PLC为核心组成控制系统的单PLC电气控制系统，如德国海瑞克公司的盾构系统，系统总体结构形式如图所示。由图可知，电气控制系统由一台大型PLC为控制核心，完成数据采集与控制任务。PLC通过串行通信接口与控制室内数据采集系统计算机通信，实现数据采集与储存、显示、统计、打印，并通过调制解调器将数据远传至洞外数据采集系统系统。,盾构电气控制系统总体结构形式,单PLC电气控制系统,盾构电气控制系统总体结构形式,由图可知，电气控制系统由一台大型PLC为控制核心，完成数据采集与控制任务。PLC通过串行通信接口与控制室内数据采集系统计算机通信，实现数据采集与储存、显示、统计、打印，并通过调制解调器将数据远传至洞外数据采集系统系统。,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、电磁阀等执行相应动作或经模拟量输出接口（AO）控制相应的伺服电机等执行机构动作。,土压平衡式盾构系统常用的各种数字量、模拟量及检测元件/传感器参见下表,现场总线电气控制系统,盾构电气控制系统总体结构形式,由于盾构控制系统被控对象分布范围大，数量相对较多，约有一千多个测控点，属于大型PLC控制系统。因此采用主从式、分布式结构有利于提高系统的可维护性、可靠性，有利于控制软件的编制。而现场总线控制系统是一个很好的选择。采用现场总线技术的PLC电气控制系统如图所示：,由图可知，这种以可编程控制器为主站，远端PLC、智能远程IO模块为从站的基于现场总线的盾构电气控制系统主要包括控制室内主PLC、若干远端PLC分站、若干智能远程I/O模块以及控制室内数据采集系统与洞外数据采集系统。盾构PLC采用现场总线控制技术，在主控制室设置PLC主站，再根据设备的分布情况，在电气设备相对集中的盾体和低压配电柜处设置PLC分站，按照就近接线的原则，将分站附近的设备就近接入分站，这样就可以减少大量接线，节约大量电缆，主站与分站之间通过现场总线组成一个通信控制网络。,这样的控制系统结构方案可以最大限度地减小布线工作量。PLC程序采用结构化编程，将程序按功能分成不同的功能组分别编程。这样容易发现和检查错误，特别适合像盾构这样控制点多且分散，沿线状分布的场合，还具有检修维护方便，扩充灵活，降低造价的优点。, 6 盾构PLC电气控制系统常见结构及主要控制程序模块,可编程控制器的主要控制程序模块,包括：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MTS位移传感器测量、位移控制、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。,7 盾构主要动作控制原理与控制策略,土压平衡的实现,盾构主要动作控制原理与控制策略,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2种方式来保证土压平衡：,土压平衡控制因素如下图所示：,土压平衡控制,影响土仓内压力平衡的因素包括：掘进面土压及环境地下水压力、刀盘推进速度、螺旋输送机排土速度等。因此，保持土仓内土压力平衡的控制策略包括：,控制进土量：通过调整盾构推进液压缸的推进速度控制进土量，,控制排土量：通过调整螺旋输送机的转速控制排土量,同时控制进土、排土量：,其中控制排土量模式简单方便，应用最为广泛，盾构土压平衡控制的特性直接影响盾构施工稳定性和施工效率。,土压平衡控制系统组成框图如下图所示：,由图可知，土压平衡控制系统主要由以下部分组成：,1. 参数设定：,控制参数设定：经人机交互设备设定输入,调节参数设定：主要包括螺旋输送机速度设定、推进液压缸速度设定、推进液压缸压力设定、刀盘转速设定，均通过相应的设定电位器设定后经A/D转换为数字量后输入PLC,土仓压力设定：一般可以有两种设定方式，一是由土仓压力设定电位器设定后经A/D转换为数字量后输入PLC，另外一种是直接由触摸屏/上位机等人机交互设备设定输入,2. 控制输出：,刀盘转速：通过比例变量泵进行控制，盾构机掘进时，调整控制面板上的刀盘转速设定电位器，通过AD转换输入到PLC，PLC根据设定值经DA转换输出到比例变量泵，通过控制变量泵的排量来实现刀盘转速的连续调节，刀盘转速的控制属开环控制。,推进液压缸速度与压力控制：盾构机的推进系统一般由多个左右对称的推进液压缸组成，推进液压缸可分别进行调压和调速控制，调压值和调速值分别通过速度设定电位器和压力设定电位器给定。,推进液压缸的速度、压力控制可以是开环控制，也可以是闭环控制，这要根据实际掘进情况而定。,对于开环控制，设定值通过AD转换模块输入到PLC，PLC根据设定值再经DA转换输出到相应的推进液压缸的比例溢流阀和比例调速阀，对推进液压缸进行速度和压力控制。,对于闭环控制，PLC根据控制策略与控制算法计算出控制输出量，经D/A转换后输出到相应的推进液压缸的比例溢流阀和比例调速阀，对推进液压缸进行速度和压力控制。,螺旋输送机转速控制：与推进液压缸速度与压力控制类似，可以是开环控制，也可以是闭环控制。,对于开环控制，设定值通过AD转换模块输入到PLC，PLC根据设定值再经DA转换后得到控制电流信号，放大后通过电磁比例阀控制变量泵排量的变化，从而控制螺旋输送机的液压马达的转速作对应的变化，使得螺旋输送机的转速(即泥土排出量)也随之增大或减少。,对于闭环控制， PLC根据控制策略与控制算法计算出控制输出量，经D/A转换后得到控制电流信号，放大后通过电磁比例阀控制变量泵排量的变化，从而控制螺旋输送机的液压马达的转速作对应的变化，使得螺旋输送机的转速(即泥土排出量)也随之增大或减少。,土压平衡控制原理：,下面以控制排土量模式为例说明土压平衡的控制原理。,排土量控制实际上是根据土舱内的土压控制螺旋输送机的转速，实际掘进时即可采用开环控制也可采用闭环控制，闭环控制框图如图：,控制器一般使用简单实用的PID控制，土仓中的土压经土压计测量后通过AD转换送到PLC，并将土压测量值与土压设定值进行比较，计算出测量值与设定值之间的差值e， PLC根据偏差e进行PID运算，得到控制输出量u，通过PID控制，自动调整螺旋机转速，使e值趋向于零，当e值大于零时，PLC发出指令，增加螺旋机转速，提高出土量直至土仓内土压重新达到新的平衡状态，反之当e值小于零时，PLC 会降低螺旋机转速，以减少偏差。从而实现了土仓内土压平衡、盾构机正常掘进。,PID控制器控制参数选取是否合适非常关键，必须通过参数整定获得符合控制要求的P、I、D等各项参数，盾构控制参数整定可分为两阶段，第一阶段在设备组装完毕，无负荷调试运行状态下进行预整定，第二阶段在掘进开始，土层稳定后，根据土层状况和操作习惯进行整定，最终确定控制参数。,(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(最大值加1O)。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。,姿态控制的实现 ,盾构主要动作控制原理与控制策略,姿态控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。,推进速度与推进压力的协调 ,6.5.2盾构主要动作控制原理与控制策略,盾构控制的另一个重要问题就是推进缸的压力和速度的协调控制问题。可采用的策略包括：,手动状态,各分区分别处于压力闭环控制，也就是说，各区的推进缸的推进压力分别由面板上的给定电位器决定，比例流量阀处于比较大的开口，推进缸主要由比例溢流阀来控制。这种工况一般出现在姿态调整时。,自动状态,工作分区中的若干个(如：A、C、E)处于流量控制状态，比例流量阀的给定由面板上的速度给定电位器决定。而另外两个区(如：B、D)处于压力闭环控制状态，压力给定来自于各自的压力给定电位器。这种工况一般出现在正常直线掘进时。, 8盾构计算机数据采集系统,计算机数据采集分析系统主要用于数据采集分析，它由盾构控制室的工控机和洞外办公室的PC机组成，由现场操作人员使用，用于人机对话、显示数据、设置和修改系统控制参数等。一般采用组态软件编制，通常包括下列组态界面，分别通过功能键切换。：,主要完成参数设定、监控、管理功能采用组态软件，西门子WinCC，施耐德的Factrylink现场工控机与办公室的管理计算机组成局域网，将洞内盾构机的信息传输到地面办公室，并储存起来。操作画面设定界面：设定盾构对象和控制参数测量界面：显示盾构中各类检测仪器的测量值掘进界面：施工时主画面，掘进参数、设备状态历史曲线画面：以曲线形式显示历史施工数据，可按环号查询 报警画面：及时显示盾构设备运转情况和故障报警报表动态曲线铰接画面：用于铰接操作和控制，并显示盾构姿态,泡沫系统监视界面；土压力、螺旋输送机、仿形刀监视控制界面；油温度、盾尾密封、铰接油缸、推进油缸监视界面；泡沫系统参数设置界面；油箱报警温度、注浆压力参数设置界面；掘进参数设置界面；盾尾密封控制参数设置界面；故障、报警监视界面；,华隧通盾构数据采集系统简介,系统组成：,华隧通盾构数据采集系统为日本演算工坊(ENZAN)产品；,系统基本组成如下图所示：,系统基本功能,1信号收集与处理,2数据形成,3数据记录及保存,4系统的工作状态,5环片掘进过程,6采集数据显示与应用,7已收集数据的管理,10数据的有效利用,9报表制作及打印存档,8保存数据的表示：可以用数值或图表来表示已存储的数据。,信号收集,信号收集与处理工作由分别部署于盾构前端与后配套台车上的信号收集处理计算机完成；,盾构前端的信号收集处理计算机信号来源包括：,盾构PLC：土压、所有运行的有关状态数据等；,其他设备传感器信号：,陀螺仪：前部方位角；,注浆注入数据：注入量、注入压、注入量累积等,排土量计测数据：体积、重量等,盾构前端的信号收集处理计算机收集信号并经数字化处理后，通过数据通信总线传送至位于后配套台车上的信号收集处理计算机，并送入数据采集系统主机；,信号采样周期：3s左右；,信号采样点数：最大512点；,2数据处理,信号收集处理计算机将相关信号收集并数字化后送入数据采集系统主机进行数据处理；,数据采集系统主机进行的数据处理主要包括：,1）显示数据：数据更新周期大约为3秒,瞬时值：掘进过程、准备过程、安装过程中各信号的瞬时值；,最大值：流量、压力、速度、土压、上下振动、左右振动等,最小值：压力和土压、脱落、上下振动、左右振动等,累计值：填冲土注入量及加泥注入量、刀具转动、螺旋浆转动等，累计中还有每天合计、累计计算等,2）保存数据：挖掘结束时、根据保存种类、最终值或是平均值生成存储数据,3数据记录与保存,数据采集系统主机按以下规则记录与保存数据：,1）按时间：掘进、装配过程均有效,每隔5s记录一次所有显示数据；,记录的数据以小时为单位保存到文件中；,2）掘进中数据：,每环进给一定量就记录一次显示数据；,以环为单位将记录的数据保存到文件中；,3）掘进后数据：,掘进结束后记录保存数据，是以每环代表数据为单位；,被记录的数据以环片图表的形式保存，；,4系统的工作状态,配合现场的施工状况系统将进入以下工作状态：,1）掘进中：盾构掘进机正在掘进中,2）准备中：环片掘进开始后、由于运土车的装卸等原因机器中断掘进。,3）组装中：正在组装环片、或者组装结束后、进入下次掘进的准备。,5环片掘进过程,系统可自动判断掘进的开始和结束。判断使用以下的信号：,1）实际行程：,2）掘进中：表示盾构掘进机实际运行的状态。一般利用“刀具转动 ” “千斤顶的推进” 等来进行判断。,3）掘进模式：千斤顶操作在操作盘侧时的状态（挖掘可能的状态）。,使用左右千斤顶的行程的测量平均值；,左右两侧的千斤顶中如果有的没有测量行程值、则利用有测量值的千斤顶的行程,4）环片模式：千斤顶操作机器内侧的状态（可用操纵杆操作的状态）,通过这些信号和开始及结束条件的组合来自动判断环状掘进的开始和结束。,6采集数据显示与应用,数据采集系统主机以多种方式显示采集的数据,1）数据采集画面：,在每页的各个项目中、数据通过数值、柱状统计表、折线统计图进行表示。曲线表是环状片的详细数据。此画面主要便于把握掘进状况。共可记录5页的柱状统计表、折线统计表 。,2）管理用综合数据表示画面：,适合于管理者、能够综合管理全部数值情报。而且可表示盾构掘进机的位置情报和偏差情报,例如、可以表示冲程差等在操作盘上没有的数值、累计值以及最大、最小值等以往操作者在实际操作中得不到的数据。,3）操作监视功能：输入到主机中的数据不仅可以在地面管理、还可以在驾驶室看到。,此外、通过把偏差和姿态数据图表化、操作者可确认挖掘流程中的状况。,7已收集数据的管理：土压注浆排出土量各数据可在前面的N个环状片的代表环状片基础上以统计方法计算管理。,10数据的有效利用：主机上的数据可以在其它应用程序中使用。,9报表制作及打印存档：报表以电脑中各个数据为基础自动做成。,8保存数据的表示：可以用数值或图表来表示已存储的数据。,盾构PLC控制系统常用传感器,电感感应式接近开关。（有常闭和常开两种接线方式）压力传感器、压力开关。（压力开关也有常闭和常开两种接线方式）电容式流量传感器、流量开关。温度传感器、温度开关。位移传感器（拉线式、磁滞式）倾角传感器旋转编码器, 8 盾构PLC电气控制系统维护与保养,由于振动较大，要定期紧固接线端子。特别是电机接线端子。防水、防潮，绝缘检查。除尘，降温传感器加防护接地良好焊接作业时要注意一定要焊接哪里接地线就接在哪里。特别是在PLC附近和主轴承内外侧焊接作业,盾构机常见电气故障判断和处理,处理故障的原则：先简后繁，由外而内。先检查电源，在检查外部线路。绝大多数故障是线路故障，断线、短路、接地和接触不良等。PLC程序一般不会出问题。对于电气故障要先从简单的地方查起，开始不要考虑的太复杂。,