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盾构机控制系统要点 中国铁建重工集团股份有限公司 目 录 01 电气控制系统简介 02 盾构控制系统 03 操作实例 电气控制系统简介 01 概述 02 系统组成 03 控制器与总线技术 1.1 概述 1. 电气控制系统简介 电气控制系统一般称为电气设备二次控制回路，不同的设备有不同的控制回路，而且 高压电气设备与低压电气设备的控制方式也不相同。所谓的电气控制系统，是指由若干电气 元器件组合，用于实现对某个或某些对象的控制，从而保证被控设备安全、可靠地运行。电 气控制系统的主要功能有自动控制、保护、监视和测量。广义上，它的构成主要有三部分 （如传感器、开关、按钮等）、（如继电器、控制器等）和（如 接触器、变频器等）。 输入部分 逻辑部分 执行部分 1.2 系统组成 1. 电气控制系统简介 一个完整的电气控制系统，包含了上位机、下位机、 输入设备、输出设备、执行机构等。 操作人员通过上位机软件及输入设备将操作信号传输 至下位机（控制器PLC等）。下位机根据接收输入信号， 结合设备状态，进行逻辑处理判断，然后将结果作用至输 出设备。通过输出元器件控制执行机构动作，从而执行操 作人员的操作指令。同时，下位机将设备各种信号、状态 反馈到上位机以供操作人员对设备的监视。 系统结构图 1.3 控制器及总线技术 1. 电气控制系统简介 在电气控制系统中，控制器作为“大脑”承担着整个系 统的逻辑处理、通信、计算等功能。PLCProgrammable Logic Controller，一种具有微处理器的用于自动化控制的 数字运算控制器在电气控制系统中应用最为广泛。其由CPU、 指令及数据内存、输入/输出接口、电源、数字模拟转换等功 能单元组成，已经具备逻辑控制、时序控制、模拟控制、多 机通信等各类功能。常用的国际PLC品牌有德国西门子、日本 三菱、美国AB罗克韦尔等。国产PLC起步较晚，较为成熟的 品牌有和利时、浙江中控。国产化PLC发展受到处理器芯片的 制约。 1.3 控制器及总线技术 1. 电气控制系统简介 电气控制系统中，控制器比作是人体的“大脑”，那么总线技术则是“神经”。总线技术连 接着系统的各个躯干。控制器与从站或者其他设备通过总线技术进行物理连接，并将信息映射到控 制器内部建立一个虚拟连接（一般称为组态），让控制器“认识”系统内的每个设备。总线技术的 拓扑结构分为链形结构与星形结构。常用的总线技术有profinet、profibus、Ethernet/IP、 CAN等。总线技术是PLC控制系统的关键技术。目前国产PLC的发展过程中，受着总线技术的制约。 控制器 从站1 从站2 从站3 从站n 链形拓扑 控制器 从站1 从站2 从站n 星形拓扑 盾构控制系统 01 系统简介 02 PLC控制系统（下位机） 03 上位机及监控系统 1. 系统简介 盾构控制系统包括PLC控制系统（下位机）、上位机、数据采集/监控系统。 PLC控制系统的主要优点可靠性高、组态灵活、安装方便、体积小、能耗低、编 程方法简单等。盾构控制采用SIEMENS S7-1500系列CPU的分布式控制系统、站与 站之间采用Profinet方式通讯。注浆操作箱和配电柜分别设置一个PLC站、刀盘变频 柜内有个PLC站电驱、电机的温度检测设置PLC站电驱、其余子站均布置在主控室。 盾构机地下配备三台工控机、四个显示屏。其中两台工控机上运行TBM程序，通 过以太网与主PLC进行数据交换。在两个显示屏上实时显示盾构的各项运行参数，并通 过上位机软件实现设置参数、显示报警、历史数据查询等功能。每天的掘进数据自动 打包存储于工控机中，方便日后统计查询。其中一台工控机与一个显示屏进行导向数 据处理，一个显示屏通过硬盘刻录机显示监控画面。同时所有数据通过光纤传输至地 面，地面段通过安装地面监控软件，实时监控盾构运行状况，地下导向姿态，地下摄 像头视频，并与地面建立电话通讯。 2.1 PLC控制简介 在盾构PLC控制系统中，主控制器周期性的刷新从输入模块、 上位机、其智能设备传过来的状态值，然后再每个周期内进行逻 辑处理，运算，最后将结果写入输出映像区。PLC输出模块读取 PLC输出映像区的值，将状态作用到执行机构达到相应动作的控 制。 盾构上PLC控制，包含以下几个部件的共同作用 1） 人机界面面板与上位机（参数设置、命令给定、数据显示） 2） 控制单元 PLC及其输入输出模块（逻辑、连锁、运算、检测、控制） 3） 供配电变压器、断路器、中间继电器、接触器、变频器、软启动器等 4） 执行部件电机、液压阀（控制的输出） 5） 传感器压力、位移、温度、液位、接近开关等（检测及反馈） SIMATIC SIMATIC S7S7- -15001500 CPU 1516CPU 1516- -3 PN/DP3 PN/DP 6ES75166ES7516- -3AN013AN01- -0AB00AB0 2.2模块介绍 CPU 中包含有操作系统，可执行用户程序。用户程序位于 SIMATIC 存储卡中，在 CPU的工作存储器中执行处理。 I/O 模块通过 PROFINET 或 PROFIBUS 可集中式或分布式连接 到过程映射存储区。 CPU 上的 PROFINET 接口支持与 PROFINET 设备、 PROFINET 控制器、 HMI 设备、编程设备、其它控制器和其它 系统同时通信。 CPU 1516-3 PN/DP 可用作 IO 控制器和智能 设备。 与 PROFINET 接口类似，也可通过 CPU 上的 PROFIBUS 接口 与其它设备进行通信。将该接口用作 PROFIBUS DP 接口时， PROFIBUS DP 上的 CPU 将作为 DP 主站。 下图显示了 CPU 1516-3 PN/DP 的 LED 指示灯。 ① RUN/STOP LED 指示灯（LED 指示灯 黄色/绿色点亮） ② ERROR LED 指示灯（LED 指示灯红色 点亮） ③ MAINT LED 指示灯（LED 指示灯黄色 点亮） RUN/STOP、 ERROR 和 MAINT LED 指示灯的含 义CPU 1516-3 PN/DP 上配有三个 LED 指示灯， 用于指示当前的操作状态和诊断状态。下表列出了 RUN/STOP、 ERROR 和 MAINT LED 指示灯各种 颜色组合的含义。 SIMATICSIMATIC ET 200SPET 200SP DI 16x24VDC STDI 16x24VDC ST 数字量输入模块数字量输入模块 6ES71316ES7131- -6BH006BH00- -0BA00BA0 直流电源电压范围 【19.2V-28.8V】 具有反极性保护。 输入信号“1”的电压范围 【11V-30V】 输入模块（DI） ● 带有 16 个输入的数字量输入模块 ● 漏型输入，（PNP， P 读取） ● 电源电压 L ● 诊断可组态（按模块） SIMATICSIMATIC ET 200SPET 200SP DI 8x24VDC HSDI 8x24VDC HS 数字量输入模块数字量输入模块 6ES71316ES7131- -6BF006BF00- -0DA00DA0 输入模块 CNT 功能 计数是指对事件数量进行检测和求和。 模块各计数器用于检测编码器信号和脉冲，并相应地对其进行 评估，例如 ● 用于对常规事件进行计数直到最大限值 ● 用于包括重复计数过程的应用 （齿轮油流量、螺旋机油脂流量、刀盘转速） 问题土舱加水流量检测也是脉冲检测吗 SIMATICSIMATIC ET 200SPET 200SP AI 4xU/I 2AI 4xU/I 2- -wire STwire ST 模拟量输入模块模拟量输入模块 6ES71346ES7134- -6HD006HD00- -0BA10BA1 输入模块（AI） ● 带有 4 个输入的模拟量输入模块 ● 可为每个通道设置 2 线制变送器的测量类型电压 和电流 ● 电压测量的输入范围 – 10 V，精度 16 位（包括符号） – 5 V，精度 16 位（包括符号） – 1 到 5 V，精度 15 位 – 0 到 10 V，精度 15 位控制面板电位计） ● 电流测量的输入范围 – 4 到 20 mA，精度 15 位（流量压力检测） – 0 到 20 mA，精度 15 位 ● 与电源电压 L 的电气隔离（仅针对电压测量类型） ● 可组态诊断（每模块） 注 电压输入所允许的最大输入电压（损坏极限）30V 电流输入所允许的最大输入电流（损坏极限）50mA SIMATICSIMATIC ET 200SPET 200SP DQ 16x24VDC/0.5A STDQ 16x24VDC/0.5A ST 数字量数字量输出输出模块模块 6ES71326ES7132- -6BH006BH00- -0BA00BA0 输出模块（DQ） ● 带 16 个输出的数字量输出模块 ● 源型输出（PNP， P 开关） ● 电源电压 L ● 每个通道的输出电流为 0.5 A，总电流最大为 8 A （参见降额值技术数据 页 22 ● 诊断可组态（按模块） ● 适用于电磁阀、直流接触器和指示灯 ● 安全相关的关断 SIMATICSIMATIC ET 200SPET 200SP AQ 4xU/I STAQ 4xU/I ST 模拟量输出模块模拟量输出模块 6ES71356ES7135- -6HD006HD00- -0BA10BA1 输出模块（AQ） ● 带有 4 个输出的模拟量输出模块 – 对于电流输出 – 电压输出 ● 电流输出的输出范围 – 20 mA，精度 16 位（包括符号） – 0 到 20 mA，精度 15 位 – 4 到 20 mA，精度 14 位（变频控制电机速度） ● 电压输出的输出范围 – 10 V，精度 16 位（包括符号） – 5 V，精度 15 位（包括符号） – 0 到 10 V，精度 15 位（推进速度控制） – 1 到 5 V，精度 13 位（拼装机旋转及红蓝缸伸缩速度） ● 与电源电压 L 电气隔离 ● 可组态诊断（每模块） 问题盾构机上哪些系统的电 机是可以调速控制的 SIMATICSIMATIC ET 200SPET 200SP TM Pos 1TM Pos 1 工艺模块工艺模块 6ES71386ES7138- -6BA006BA000BA00BA0 工艺模块 （TM Pos 1） ● 技术特性 – 一个通道 – 接口SSI 编码器信号 DAT 和 CLK 或 RS422/TTL 编码器信号 – 位置值范围 31 位 – 计数范围 32 位 – 可组态快速模式 – 监视编码器信号以判断是否存在断线、短路和偏移电压 – 硬件中断可组态 – 可以组态在编码器输入和数字量输入上抑制干扰的输入滤波器 PROFINET总线 PROFINET的最大传输距离，就是以太网的最 大传输距离，一般的超五类网线单根线的距离 100m以内，通过光纤或加中继站可以实现远程。 具体的距离和光纤类型有关系多模一般5km以 内，单模可以到几十公里。 PROFINET电缆及接头 PROFINET是基于工业以太网的一种网络协议 传输速率10100M bit/s。 PLC控制系统构成图 1上位机 2上位机 导向系统 主CPU HMI 子站 盾构变频控制系统网络 CwhDrive_V1 PLC控制流程介绍 输 入 模 块 按钮 输 出 模 块 开关 传感器 电位计 继电器 指示灯 变频器 放大板 CPU模块 通讯接口 电源模块 接口模块 通讯网络 计算机 其他设备 其他PLC PLC开关量检测与控制举例 数字量输入输出控制 DI、DQ （24VDC） 启动按钮，中间继电器 PLC模拟量检测与控制举例 模拟量输入输出控制AI、AQ 信号类型010V DC 420mA 比例阀输出，电位计输入。 三相异步电动机 软启动器启动（拼装泵）控制过程 PLC 面板按钮启动 PLC数字量输入 PLC逻辑运算结果允许启动 PLC数字量输出 中间继电器动作 软启动器运行 3. 上位机及监控系统 自主开发不依赖于第三方的上位机软件与远程监控软件 掘进机上位机的数据采集与监视系统的软件采用VB或C语言 自主开发，其中包含了多项专利技术。由于摆脱了第三方的监 控软件的种种弊端，不但系统的图形界面更加丰富，功能更强 大，而且消除了用户版权及使用权限的种种不便。 盾构机的数据采集系统，将盾构机掘进的数据，实时传送到远 程计算机，用于管理者监控盾构机状态、工程施工进度以及生 产调度指挥等。整个网络系统主要分为盾构机数据采集监控 系统、导向系统数据采集监控系统、视频采集监控系统、电话 通信系统。 盾构机及导向系统的数据采集监控系统，均是通过 webservice服务器数据接口与地面TBM与导向监 控程序进行数据交换。 盾构机地下控制程序每300ms更新一次需要发送的 数据，并在webservice服务器上刷新，地面软件以 400ms一次的频率进行数据更新，保证数据的实时 性及准确性，同时开放了webservice接口，第三方 监控平台可以通过接口获取盾构机的运行数据，进 行实时显示。这种不让第三方监控平台直接读取PLC 数据的方式极大的保证了PLC控制系统的安全性。 3.1盾构机及导向数据采集监控系统 3.2视频采集监控系统 由多个摄像头采集盾构机各工作区域的实时画面，通过硬盘录像 机对画面进行管理。盾构机上的视频画面可以以4画面、6画面、 9画面等制式整合到主控室监控屏显示，方便盾构司机实时连接 盾构个工区的状态。硬盘录像机还具备存储功能，可以记录一周 内的视频信息，通过硬盘录像机的回看功能可以进行视频记录的 查询。 3.3电话系统 盾构机内部电话通过装载主控室的电话交换机进行号码分配连接 到一个通话网络内。盾构机布设电话的区域主要有人舱内部、 人舱外部门口、注浆操作区、控制室、皮带机出渣口，这些区域 的工作人员能够方便的实现互相间的通话交流。 数据采集监控系统结构图 主控室的上位机显示的监控页面，通过光纤传输到地面监控室。 PLC网络介绍 整个PLC网络被细分为三个网段 PROFINET I/O端该网段的IP为172.16.0.*，主要连接分布式I/O从站和其他与CPU直接进行数 据交互，实现控制功能的设备。其特点是数据量小、实时性要求高（毫秒级甚至微秒级）。 HMI端该网段的IP为172.17.0.*，主要连接工控软件及工控触摸屏。其特点是数据量较大、 实时性要求较高，一般为100ms到400ms，甚至1s。 管理端该网段的IP为192.168.*.*，该网络主要连接地上及地下电脑、视频信号、电话网络等， 有些甚至在地面直接连接Internet。其特点是数据量大，实时性要求不高，甚至有迟滞也是容 许的。 注由于不同网络有着的不同要求，对安全性，传输速率，传输质量的容忍度不一样，因此强烈要 求在机器运行时，严格按照个网络段的要求进行连接和设置。 操作实例 01 盾构机操作整体介绍 02 上位机操作 1. 操作机构总体介绍 主控室为盾构司机操作室，内部包含了操作面板、数据采集计算 机、导向系统及监视系统等。 操作台面板按功能分区，最左边的是泵的起停控制区，包括所有 液压泵、水泵和空压机的起停。右面区域为各机构控制，包括刀 盘、螺旋机、皮带机、推进、泡沫、盾尾密封和铰接等系统。 盾构司机根据指令，操作相应的按钮及上位机界面按钮，完成相 应指令的工作。同时关注主监控界面的各 系统参数，及时调整,使盾构在合理的参数 中运行，避免工程风险。在掘进过程中， 更应时刻关注导向系统指示的掘进方向参 数，及时调整掘进参数，使盾构按照设计 轴线掘进。同时，还应关注监视界面，及 时关注出渣情况。 1. 操作机构总体介绍 泵启动按钮的状态指示 （1）红灯熄灭 满足条件可以启动 （2）绿灯常亮 运行中 （3）绿灯慢闪 启动中 （4）绿灯快闪 启动条件不满足 泵启动原则先小后大、先次后主（启动螺旋机闭式系统的 泵一定要先启动先导和补油泵）。大功率泵不可同时启动， 如推进泵电机200KW与拼装泵电机90KW，启动时应先启动 一个，完毕后灯变常亮后再启动另一个。若同时启动可能会 因启动电流过大、对电网冲击过大造成跳闸。 面板锁定 只能启2个冷却水泵、空压机、通风机 复位按钮 复位安全继电器 复位软件故障 复位软启动器、变频器等 灯测试按钮 检查所有指示灯和喇叭（包括主控室、 外部操作箱、外部喇叭等） 紧急情况下拍急停按钮 刀盘系统 刀盘界面 电机状态，是否启用（使能为绿色，禁止 为灰色） 刀盘状态，电流、转速、转矩、侧滚、角 度数据监视 刀盘制动器状态（接近开关和压力开关） 电机数据监视，变频器状态，故障及代码 注意 刹车关闭才能转刀盘 长时间不转刀盘要停整流 刀盘系统 刀盘上电 摇表测绝缘，检查变频器进出线 合框架断路器，测变频器进线 启动条件检查 电机启用与禁止 条件满足显示绿色，不满足显 示红色 刀盘系统 刀盘启动按钮的状态指示 （1）绿灯闪烁刀盘刹车未打开 （2）绿灯常亮 刀盘刹车打开，运转 （3）红灯常亮刀盘启动条件不满足 本地模式在控制室操作刀盘 远程模式在人仓操作刀盘 正反转切换（刀盘停止后） 速度设置（启动时在零位） 无极调速 脱困模式时最低速度 刀盘系统 人仓操作箱 控制室切换到远程，操作箱切换到本地，指示灯常亮 正反转操作（点动操作），正反转速度为0.2rpm左右 推进系统 推进界面 油缸状态，是否启用（使能为绿色，禁止为灰色） 油缸行程和压力监视 推进状态监视，泵压力、推力、速度、贯入度、盾体倾角 控制操作界面油缸使能操作 推进系统 启动条件 刀盘速度正常（大于刀盘速度低限0.3rpm） 最大贯入度40.0mm/r（参数设置界面） 连接桥最大压力280bar 土仓压力高限为3bar 推进速度旋钮可以在任意位置 问题推进启动条件与螺旋机 旋转有关联吗 推进系统 主控室操作 拼装与推进模式选择 拼装完管片后拼装完毕指示 推进模式 满足启动条件 速度设置（比例调速阀） 分区压力设置（分区溢流阀） 螺旋机系统 螺旋机界面 螺旋机运行状态 数据监视，泵压力、补油压力、漏油温度、速度、转矩、 土压、上下后门行程 螺旋机系统 启动条件 螺旋机系统 主控室操作 启动先导泵、补油泵、螺旋机主泵 冷却电机启动、停止操作与状态指示 满足启动条件（停止指示灯灭） 正转逐渐加速 一直按着反转按钮，逐渐加速 上下后闸门打开、关闭操作及限位指 示 螺旋机伸缩、螺旋机前门打开和关闭 操作与限位指示（上位机） 螺旋机系统 操作箱 急停 主控室切换到远程，操作箱切换到本地， 指示灯常亮 上、下后闸门打开、关闭操作及限位指示 螺旋机伸缩操作及限位指示 防涌门打开、关闭操作及限位指示 注意 防涌门打开未到限位，螺旋机伸出无动作 螺旋机未到缩回限位，防涌门关闭无动作 操作时注意安全，查看动作时是否有干涉 ，遇到紧急情况要立即停止操作 问题当主控室的本地/远程选择为本地，外部操作箱上的 本地/远程选择远程时，螺旋机哪里操 拼装机系统 遥控器操作 启动按键，长 按拼装泵加载 复位 抓取头释放 吸盘翻转 吸盘倾斜 吸盘吸取 拼装机旋转/ 行走（带使 能键的摇杆） 拼装机红蓝 缸伸缩（带 使能键的摇 杆） K块油缸伸缩 拼装泵起停 拼装机系统 吸标准块条件 真空泵运行且真空箱真空度大于80 吸盘左右腔区域压到位 吸盘K块区域压到位 K块油缸缩回到位 吸K块条件 真空泵运行且真空箱真空度大于80 吸盘左右腔区域不能压到位 吸盘K块区域压到位 管片释放条件 左右两个按键同时按下， 时间间隔小于500ms 拼装机系统 K块油缸伸出条件 左右腔真空度小于30有信号 左右腔真空度大于80没有信号 吸盘左右腔区域不能压到位 K块油缸缩回条件 没有缩回到位 拼装机系统 拼装机角度 主从角度传感器组合计算出来 背靠背安装，从角度传感器朝前 顺时针角度，逆时针角度- 减速位165 停止位195 皮带机系统 上位机 渣车状态显示渣车满和渣 车空 皮带机速度监视 速度设定值和变频器速度反馈 值显示 主控室操作 远程与本地切换 启动与停止操作与指示 皮带机速度设置（电位器） 皮带机与螺旋机连锁与旁通 （连锁状态启动皮带机后，才 能启动螺旋机） 启动前，喇叭报警10S 皮带机系统 操作箱 主控室切换到远程，操作箱切换到本地， 指示灯常亮 渣车空及指示（绿色常亮） 渣车满及指示 皮带机启动、停止操作及状态指示 皮带机清洗启动、停止及状态指示 注意 启动皮带机需要在渣车空状态 渣车满有20S延时停机 皮带机系统 皮带机清洗 清洗与皮带机同步与独立运行控制 皮带机清洗打开、关闭及状态指示（上位 机和操作箱） 被动铰接系统 主控室操作 启动推进泵 铰接油缸强制工作旁 通运行 点动缩回按钮加载（液压 人员操作缩回和伸出） 上位机 铰接泵压力检测 铰接油缸压力检测 铰接油缸行程检测 油缸伸出、缩回操作 土壤改良 土壤改良 泡沫系统 原液和外水压力正常后 半自动模式下，根据设定的原液比例自动向过渡罐加混 合液 混合液低限时自动添加，高限时停止添加混合液 半自动模式下，按下通道启动按键，通道液体和气体流 量根据参数自动调节（流量调节通过调节电机速度）， 目标通道流量和膨胀率手动设置。 泡沫系统 推进过程中根据出渣情况对参数进行适当修 改 根据出渣，调整打开的泡沫通道数 推进过程中膨润土会使用泡沫通道 原液报低限时停止指示灯闪烁，不影响喷泡 沫 土壤改良 土仓加水 启动空压机和工业水泵 流量监视 打开关闭状态反馈 中心冲洗 启动空压机和工业水泵 打开关闭状态反馈 同步注浆 同步注浆上位机 操作位置选择 上位机本地操作泵起停、 清洗、反泵 搅拌电机正反转、停止操作 压力监视 次数和容积的显示切换、 清零 通道压力参数设置 同步注浆 注浆屏 通道注浆压力监视 次数清零 通道参数设置 推进速度显示 同步注浆 同步注浆操作箱 自动模式与手动模式 注浆泵启动、停止操作及状态显 示 操作箱达到本地，控制室上位机 选择操作箱 本地操作泵起停、清洗、反泵、 速度设置 本地操作搅拌电机正反转、停止 操作 盾尾密封 盾尾密封 指示灯状态 红灯常亮盾尾油脂罐低限 绿灯常亮至少有一路通道处于工作状态 绿灯闪烁手动模式下未选择通道按下启动按钮或自动 模式下处于等待过程 手动模式不显示通道计数 自动模式脉冲模式，脉冲等待模式 超挖刀 上位机 超挖刀液压泵控制及指示 超挖刀伸缩控制及指示 超挖刀行程检测 操作时需要在旁通状态 超挖刀角度 设备报警 标红栏为故障信息，标黄栏 为警告信息，如果故障和警 告排除，则进行复位操作， 正常信息会标白，并可点击 确认按钮将该信息消除，点 击一键确认后所有以消除的 故障可以一起确认消除报警。 勾选历史报警记录，界面 回切换到历史故障界面， 设定时间，填写搜索条件， 可以查询历史故障。 电表数据 电表软起，显示变压器多功能表的电能信息以及软起动器的信息。 辅助系统 辅助界面实现对各系统数据监视 控制操作 参数设置 登陆界面，初始用户名为admin,密码admin 参数设置 通过温度、流量、压力、行程参数 设置，对相应系统进行限制保护。 达到报警值在警告界面报警告（显 示黄色），达到设置的高限值时， 停对应的系统。设置施工环境中各 气体含量的警告与高限值，对施工 人员进行保护。 数据查询 数据查询可以查询历史数据。分为按时间、环片、变压器参数查询 数据查询可以查询历史 数据。分为按时间、环 片、变压器参数查询 参数在线 以图形的方式显示变量的变化，变量可以选择。既可以显示历史数据，又可以显示当前数据。 参数在线 谢 谢 本文档中出现的任何文字叙述、文档格式、插图、照片、方法、过程等内容，除另有特别注明，版权均属于中国铁建所有，受到有关产权及版权法保护。任何非本单位和个 人，未经书面授权许可，不得复制或引用本文档的任何内容（包括电子形式或非电子形式）。 版 权 声 明
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