海瑞克盾构机电气控制系统概述
李剑祥
（中铁六局集团有限公司深圳地铁2号线项目部 广东 深圳 518056）
摘 要：对海瑞克土压平衡盾构机电气控制系统进行概述，并分别对其配电系统、可编程控制系统和计算机控制及数据采集分析系统三个部分的设计进行总结，以加深对其整个电气控制系统原理的理解。
关键词：电气系统 配电系统 可编程控制系统 计算机控制及数据采集分析系统
0 海瑞克盾构机电气系统简介
盾构机是一种集机械、液压、电气和自动化控制于一体、专用于地下隧道工程开挖的技术密集型重大工程装备，其技术先进、结构庞大。如果把机械部分比喻成人的四肢，那么液压系统比喻成人的血液系统，则电气控制系统就是人的神经系统。当前盾构机电气控制系统均采用世界上最先进、可靠的技术以保证系统稳定可靠地运行。海瑞克盾构机电气控制系统分为配电系统、可编程控制系统和计算机控制及数据采集分析系统三个部分。下面对该三个部分进行介绍。
1 配电系统
盾构施工是参考工厂式的流程化作业施工，盾构机的配电系统设计原则也是参照工厂供配电原理设计的。配电系统分为高压系统和低压系统，其用电设备列表如下：
1.1高压系统
经过负荷计算，Sj1≈2000kVA ，则选择的电压器容量为2000kVA ，选择的高压电缆进线为UGP-3×50+1×25，选用的高压环网柜电压等级为12KV ，容量为200A ，变压器带温度和密封性故障报警。高压系统原理图如下：
1.2 低压系统
变压器将10KV 的市电转变成400V 的低压电，之后分成两路，分别经过断路器1-3Q2（俗称主开关）和断路器1-4Q2（副开关），其中主开关具有相序保护。主开关控制盾构机主要用电设备，比如各个电机。因各个电机为三相用电设备，在启动和运行时需消耗无功功率，所以海瑞克盾构机电气系统投入了功率补偿设备，以保障设备运行时，功率因数大于0.9。副开关控制台车部位和盾体部位的照明系统和备用插座系统。由此可见，三相用电设备系统与照明系统实行分线布置，提高了两者的供电质量。因盾构施工也属于临时施工，需要布置临时用电系统，备用插座系统就是与临时用电系统的接口，满足现场施工需求。
弱点系统也是低压系统的组成部分。弱点系统主要是给各个继电器和传感器以及电磁阀提供电源，电压输入整定值为24V 。
2 可编程控制系统
海瑞克盾构机的可编程控制系统是由西门子S7-400采用主从分布式结构组成的，
图一：硬件组态
其硬件组态如上图：
如图所示，可编程控制系统采用Profibus-DP 协议的现场总线控制技术，在司机室设置了S7-400 主站和工控机, 在低压配电柜设置了IM153从站，并将设备安装的电气元件通过DP 电缆连接至主站。在用电设备相对集中的低压配电柜设置智能远程I/O模块，这样就可以按照就近原则，将附近的电气设备接入分站，相比接入司机室S7-400 主站节省大量电缆。同时工控机可以通过工业以太网的TCP/IP 协议，与地面电脑组成局域网，使地面的电脑连接与控制工控机，以掌握盾构掘进状况。
PLC 程序包含源文件和块文件。块文件又包含组织块、功能块、功能和数据块等。其中组织块一调用各个功能块执行盾构机的运行和动作，还设置了三个中断组织块，一个为电源故障中断组织块，一个为拼装机角度编码器检测循环中断组织块，一个为每组推进速度检测计算循环中断组织块。功能块与电气图纸组别一一对应，相应地与盾构机各个系统相对应，使技术人员方便找到程序与图纸的对应关系。
3 计算机控制及数据采集分析系统
计算机控制系统主要用于参数设置和数据采集分析。西门子工控机安装在盾构司机室, 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。工控机与PLC 通讯示意图如下：
数据采集分析系统就是采集、处理、存储、显示和评估与掘进机联网所获得的数据。通过调整过的时钟脉冲，所有测量数据都将从工控机连续不断的得到。但是，只在特定的时间才进行数据的记录。数据采集系统连续不断对盾构机 的资料进行采集、显示和存储。每一推进时刻的资料均被保存在不同的文档中，这些文档连续的自动编上不同环
号。通过这些推进时刻的文档，就可以获得相关掘进区间每一期、每一刻的文档。测量的数据将以图形方式显示在工控机上，通过功能键 到、简单的菜单、鼠标和键盘，可以选择单个的显示区域。如下图为F1界面，其中的参数界面可以进行参数设置。
F1界面
每环结束后，掘进报告会自动生成。海瑞克公司还提供了一个额外数据评估程序，可以用来分析多环的各个参数变化情况并形成每环掘进报告。
SLS-T 隧道导向系统为测量专用系统，在此不讨论。
4 盾构机电气系统的应用
4．1配电系统的应用
海瑞克盾构机的配电系统装配的电器开关都是梅兰日兰生产的，该品牌为全球电器开关第一品牌。每个电机上端都安装了一个断路器，具有过载短路漏电保护，而且其负荷电流，漏电电流和动作时间都可以在一定范围内设定，这一点与国产件不同。比如推进泵电机上端断路器15-1Q1，出厂时负荷电流调节为120A ，但是该开关可以从90A-150A 范围内随意调节，这样极大的方便了用户对用电容量的设置。当需要改变负荷电流值时，
无须更换开关。弱电系统的输出电压在出厂时，一般设定为27V ，到负载端一般为24V ，但是工地现场实际，因为市电的电压，还有弱电负载的变化，都将导致负载端电压值不等于24V 。根据工程经验，弱电用电设备输入电压超过本身的10%，将容易损坏。所以每次盾构机始发调试时都必须根据弱电负载的电压值重新整定弱电系统的输出值，而且在设备使用过程中，因传感器的损坏或者其他原因导致负载容量变化时引起的电压变化也需要监控，实时调节。只有这样才能保护好了盾构机的弱电系统。
4．2可编程控制系统的应用
可编程控制系统是盾构机电气控制系统的最关键的部位。如果说电气控制系统是盾构机的神经系统，那么可编程控制系统就是盾构机的大脑。那么“大脑”是怎样指挥“神经系统”的呢？我们以推进系统1号油缸伸出为例说明可编程控制系统程序是如何控制1号油缸伸出的。如下图所示：
M58.4为推进模式下1号油缸伸出信号，M88.0为拼装模式下油缸伸出信号。当M58.4或者M88.0为1时，则Q9.7也为1。Q9.7对应电气图纸的“.15/23.3”为控制1号油缸伸缩换向阀的伸出电磁线圈，该线圈得电，1号油缸伸出。
通过工控机可以连接PLC 进行程序监控，通过该方法可以判断盾构机因条件不满足使动作无执行这类的故障。
4．3计算机控制及数据采集分析系统的应用
计算机控制及数据采集分析系统应用主要体现在管理级。现举例说明如何通过地面监控电脑对盾构机掘进过程的各组推进压力数据进行分析。在地面监控电脑与盾构机工控机之间占用一路电话线，都使用串口COM 调制解调器与电脑连接，即建立了工业以太网。在两部电脑上都安装PCANYWHERE 软件，经过设置后拨号会自动应答，既地面监控
电脑通过软件查看和控制盾构机的工控机。在控制工控机后，打开PDV 监视界面，进入F7的DATE EVALUATION，点击选项，得到如下图表：
如图所示，在地面监控电脑看到第225环三组推进压力的瞬时值。
5 盾构机电气系统的总结
综上所述，海瑞克盾构机的电气控制系统是一个庞大复杂但先进又不失人性化的系统。配电系统从高压到低压，从强电到弱电，电气元件大多为梅兰日兰的产品，有质量保证，不但设定值精度高而且寿命长，减少了维护的工作量。可编程控制系统为西门子S7-400为主站，采用主从分布式结构组成的。系统稳定，功能强大。在工控机上可以监控程序的运行，还可以进行硬件诊断，可以判断盾构机电气方面的大多数故障。计算机控制及数据采集分析系统可以与PLC 进行通讯，采集、处理、存储、显示和评估与掘进机联网所获得的数据。此时，盾构机电气控制系统的自动化级别为现场级，采用Profibus-DP 协议的现场总线控制技术。如果在地面设置监控电脑，并通过工业以太网协议进行通讯，那么其自动化级别可上升至监控级和管理级，实现盾构机的远程监控，掌握盾构机掘进状况。
参考文献
[1]海瑞克.S436 S437技术说明，2008.
[2]江文，许慧中主编. 《供配电技术》. 北京：机械工业出版社，2005.1
[3]张运刚，宋小春，郭武强编著. 《从入门到精通. 西门子S7-300/400PLC技术与应用》. 北京：人民邮电出版社，2007.8
海瑞克盾构机电气控制系统概述
李剑祥
（中铁六局集团有限公司深圳地铁2号线项目部 广东 深圳 518056）
摘 要：对海瑞克土压平衡盾构机电气控制系统进行概述，并分别对其配电系统、可编程控制系统和计算机控制及数据采集分析系统三个部分的设计进行总结，以加深对其整个电气控制系统原理的理解。
关键词：电气系统 配电系统 可编程控制系统 计算机控制及数据采集分析系统
0 海瑞克盾构机电气系统简介
盾构机是一种集机械、液压、电气和自动化控制于一体、专用于地下隧道工程开挖的技术密集型重大工程装备，其技术先进、结构庞大。如果把机械部分比喻成人的四肢，那么液压系统比喻成人的血液系统，则电气控制系统就是人的神经系统。当前盾构机电气控制系统均采用世界上最先进、可靠的技术以保证系统稳定可靠地运行。海瑞克盾构机电气控制系统分为配电系统、可编程控制系统和计算机控制及数据采集分析系统三个部分。下面对该三个部分进行介绍。
1 配电系统
盾构施工是参考工厂式的流程化作业施工，盾构机的配电系统设计原则也是参照工厂供配电原理设计的。配电系统分为高压系统和低压系统，其用电设备列表如下：
1.1高压系统
经过负荷计算，Sj1≈2000kVA ，则选择的电压器容量为2000kVA ，选择的高压电缆进线为UGP-3×50+1×25，选用的高压环网柜电压等级为12KV ，容量为200A ，变压器带温度和密封性故障报警。高压系统原理图如下：
1.2 低压系统
变压器将10KV 的市电转变成400V 的低压电，之后分成两路，分别经过断路器1-3Q2（俗称主开关）和断路器1-4Q2（副开关），其中主开关具有相序保护。主开关控制盾构机主要用电设备，比如各个电机。因各个电机为三相用电设备，在启动和运行时需消耗无功功率，所以海瑞克盾构机电气系统投入了功率补偿设备，以保障设备运行时，功率因数大于0.9。副开关控制台车部位和盾体部位的照明系统和备用插座系统。由此可见，三相用电设备系统与照明系统实行分线布置，提高了两者的供电质量。因盾构施工也属于临时施工，需要布置临时用电系统，备用插座系统就是与临时用电系统的接口，满足现场施工需求。
弱点系统也是低压系统的组成部分。弱点系统主要是给各个继电器和传感器以及电磁阀提供电源，电压输入整定值为24V 。
2 可编程控制系统
海瑞克盾构机的可编程控制系统是由西门子S7-400采用主从分布式结构组成的，
图一：硬件组态
其硬件组态如上图：
如图所示，可编程控制系统采用Profibus-DP 协议的现场总线控制技术，在司机室设置了S7-400 主站和工控机, 在低压配电柜设置了IM153从站，并将设备安装的电气元件通过DP 电缆连接至主站。在用电设备相对集中的低压配电柜设置智能远程I/O模块，这样就可以按照就近原则，将附近的电气设备接入分站，相比接入司机室S7-400 主站节省大量电缆。同时工控机可以通过工业以太网的TCP/IP 协议，与地面电脑组成局域网，使地面的电脑连接与控制工控机，以掌握盾构掘进状况。
PLC 程序包含源文件和块文件。块文件又包含组织块、功能块、功能和数据块等。其中组织块一调用各个功能块执行盾构机的运行和动作，还设置了三个中断组织块，一个为电源故障中断组织块，一个为拼装机角度编码器检测循环中断组织块，一个为每组推进速度检测计算循环中断组织块。功能块与电气图纸组别一一对应，相应地与盾构机各个系统相对应，使技术人员方便找到程序与图纸的对应关系。
3 计算机控制及数据采集分析系统
计算机控制系统主要用于参数设置和数据采集分析。西门子工控机安装在盾构司机室, 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。工控机与PLC 通讯示意图如下：
数据采集分析系统就是采集、处理、存储、显示和评估与掘进机联网所获得的数据。通过调整过的时钟脉冲，所有测量数据都将从工控机连续不断的得到。但是，只在特定的时间才进行数据的记录。数据采集系统连续不断对盾构机 的资料进行采集、显示和存储。每一推进时刻的资料均被保存在不同的文档中，这些文档连续的自动编上不同环
号。通过这些推进时刻的文档，就可以获得相关掘进区间每一期、每一刻的文档。测量的数据将以图形方式显示在工控机上，通过功能键 到、简单的菜单、鼠标和键盘，可以选择单个的显示区域。如下图为F1界面，其中的参数界面可以进行参数设置。
F1界面
每环结束后，掘进报告会自动生成。海瑞克公司还提供了一个额外数据评估程序，可以用来分析多环的各个参数变化情况并形成每环掘进报告。
SLS-T 隧道导向系统为测量专用系统，在此不讨论。
4 盾构机电气系统的应用
4．1配电系统的应用
海瑞克盾构机的配电系统装配的电器开关都是梅兰日兰生产的，该品牌为全球电器开关第一品牌。每个电机上端都安装了一个断路器，具有过载短路漏电保护，而且其负荷电流，漏电电流和动作时间都可以在一定范围内设定，这一点与国产件不同。比如推进泵电机上端断路器15-1Q1，出厂时负荷电流调节为120A ，但是该开关可以从90A-150A 范围内随意调节，这样极大的方便了用户对用电容量的设置。当需要改变负荷电流值时，
无须更换开关。弱电系统的输出电压在出厂时，一般设定为27V ，到负载端一般为24V ，但是工地现场实际，因为市电的电压，还有弱电负载的变化，都将导致负载端电压值不等于24V 。根据工程经验，弱电用电设备输入电压超过本身的10%，将容易损坏。所以每次盾构机始发调试时都必须根据弱电负载的电压值重新整定弱电系统的输出值，而且在设备使用过程中，因传感器的损坏或者其他原因导致负载容量变化时引起的电压变化也需要监控，实时调节。只有这样才能保护好了盾构机的弱电系统。
4．2可编程控制系统的应用
可编程控制系统是盾构机电气控制系统的最关键的部位。如果说电气控制系统是盾构机的神经系统，那么可编程控制系统就是盾构机的大脑。那么“大脑”是怎样指挥“神经系统”的呢？我们以推进系统1号油缸伸出为例说明可编程控制系统程序是如何控制1号油缸伸出的。如下图所示：
M58.4为推进模式下1号油缸伸出信号，M88.0为拼装模式下油缸伸出信号。当M58.4或者M88.0为1时，则Q9.7也为1。Q9.7对应电气图纸的“.15/23.3”为控制1号油缸伸缩换向阀的伸出电磁线圈，该线圈得电，1号油缸伸出。
通过工控机可以连接PLC 进行程序监控，通过该方法可以判断盾构机因条件不满足使动作无执行这类的故障。
4．3计算机控制及数据采集分析系统的应用
计算机控制及数据采集分析系统应用主要体现在管理级。现举例说明如何通过地面监控电脑对盾构机掘进过程的各组推进压力数据进行分析。在地面监控电脑与盾构机工控机之间占用一路电话线，都使用串口COM 调制解调器与电脑连接，即建立了工业以太网。在两部电脑上都安装PCANYWHERE 软件，经过设置后拨号会自动应答，既地面监控
电脑通过软件查看和控制盾构机的工控机。在控制工控机后，打开PDV 监视界面，进入F7的DATE EVALUATION，点击选项，得到如下图表：
如图所示，在地面监控电脑看到第225环三组推进压力的瞬时值。
5 盾构机电气系统的总结
综上所述，海瑞克盾构机的电气控制系统是一个庞大复杂但先进又不失人性化的系统。配电系统从高压到低压，从强电到弱电，电气元件大多为梅兰日兰的产品，有质量保证，不但设定值精度高而且寿命长，减少了维护的工作量。可编程控制系统为西门子S7-400为主站，采用主从分布式结构组成的。系统稳定，功能强大。在工控机上可以监控程序的运行，还可以进行硬件诊断，可以判断盾构机电气方面的大多数故障。计算机控制及数据采集分析系统可以与PLC 进行通讯，采集、处理、存储、显示和评估与掘进机联网所获得的数据。此时，盾构机电气控制系统的自动化级别为现场级，采用Profibus-DP 协议的现场总线控制技术。如果在地面设置监控电脑，并通过工业以太网协议进行通讯，那么其自动化级别可上升至监控级和管理级，实现盾构机的远程监控，掌握盾构机掘进状况。
参考文献
[1]海瑞克.S436 S437技术说明，2008.
[2]江文，许慧中主编. 《供配电技术》. 北京：机械工业出版社，2005.1
[3]张运刚，宋小春，郭武强编著. 《从入门到精通. 西门子S7-300/400PLC技术与应用》. 北京：人民邮电出版社，2007.8