引进超大直径泥水平衡盾构PLC系统解析

引进超大直径泥水平衡盾构PLC系统解析摘要：结合德国进口泥水平衡盾构机（供应商编号：s-666），叙述西门子s7-400系列plc现场总线控制系统在超大直径泥水平衡盾构电气控制中的应用。

通过硬件结构、网络设置、逻辑控制等几个方面解析plc控制系统。

关键字：盾构；plc；控制；网络；系统中图分类号：tn711 文献标识码：a 文章编号：工程概述虹梅南路越江隧道工程位于闵行区和奉贤区，北起虹梅路、永德路交叉口，沿虹梅南路向南延伸，先后穿越剑川路、东川路、沪闵支线、江川东路、黄浦江，终点至西闸路以南约500米，全长约5260米。

工程施工采用德国海瑞克公司设计制造的ф14930mm的泥水气压平衡盾构。

该盾构控制系统采用德国西门子s7系列plc系统进行控制，文章主要叙述了该plc系统的网络搭接和逻辑分析，为将来设计超大直径泥水气压平衡盾构的plc控制系统，作好技术储备。

plc系统硬件结构2.1系统配置plc系统硬件主要采用西门子公司的s7系列和wago公司的750系列以太网控制器。

对于分布相对集中的设备，其电信号进入中控室的plc主站。

对于分布于盾构壳体的电信号，采用远程以太网模块进行采集，然后统一送至plc。

盾构的plc系统硬件配置详见表1表1 plc系统硬件配置表本台盾构机中，电气设备多，plc需要的输入输出点数量相应也比较大。

对于各个模块采集的信号点数统计如表2：表2 plc系统点数分布表2.2系统供电系统供电分为工作电源和控制电源。

工作电源采用一路230v交流供电，用于提供plc硬件设备运行所需的电能。

由于工作电源回路配置1台梅兰日兰pulsar m(3000)型ups，在供电回路出现故障或电源供应切断的紧急情况下，能继续为ｐｌｃ设备提供一段时间的电源供应，保证plc设备能正常工作。

在这段时间内让盾构操作人员排查故障、切换备用电源，提高了安全系数。

因此无需另外配置一套备用供电回路。

控制电源采用24v直流供电，用于输入输出的操作、指示灯供电、传感器供电等。

控制电源回路通过2台phoenixquint系列开关电源将230v交流转换成24v/40a直流。

通过智能电流分配器将24v/40a直流电源分配成8路24v/10a电源：1路供给模拟量输入，1路提供给模拟量输出，1路提供给开关量输入，5路提供给开关量输出。

实现直流电源分流、隔离，保证正常运行时各分路之间互不影响，方便故障产生时的检修。

防止过载电流，提供报警显示，大大增强了可靠性。

图1 plc系统供电plc系统网络结构3.1网络构成根据盾构电气系统设备较多分布较广的特点，控制系统采用基于plc的工业以太网ethernet的网络结构，控制系统网络结构如图2所示。

该网络结构将盾构控制网络分为3层：监控层、控制层和设备层。

监控层由工控主机和用于显示、操作的触摸屏组成，负责整个控制系统的参数设定，状态监控、数据存储、故障诊断等工作。

控制层由西门子s7-400系列plc和wago750系列以太网控制器组成，负责对整个盾构控制系统的检测和控制。

设备层由盾构电气系统的各个分散式i/o、传感器、驱动器、执行机构、开关设备组成，负责整台盾构的运行。

监控层和控制层之间通过ethernet网络实现数据的共享。

控制层与设备层之间通过各种电缆连接，将设备的状态输送给plc或者将plc的控制信号传达到设备。

图2 控制系统网络构成作为控制层的plc系统采用profibus现场总线将各个控制模块连接起来，构成一个稳定、易于扩展的硬件环境。

一个s7－400系列的主机架（ur）和三个扩展机架（er）组成了plc系统的主站。

分布式i/o设备et200m、变频器、数字化仪表等都作为dp从站接入系统，构成整个plc系统网络。

plc系统网络结构如图3所示图3 plc系统网络结构图plc网络连接采用profibus通讯线，以安装在盾构中控室的plc主站为中间点分成2路。

1路通讯线通向盾构壳体，依次分别连接油缸长度检测wago模块、刀盘旋转编码器、齿轮油控制wago模块，并在齿轮油控制wago模块后加终端电阻。

另1路通讯线通向盾构车架，由于通讯距离长特设置西门子rs485中继器（repeater）。

中继器起到一个隔离放大的作用。

将拼装遥控和拼装选择测量2个模块作为网段2，与车架上其他模块组成的网段1隔离开。

在网段1内进行信号放大，保证长距离通讯的信号传输。

经过中继器后依次连接注浆就地箱、泥水泵p2.1泵、刀盘变频器、p0.1泵变频器、废水泵变频器、注浆泵变频器、低配柜分布式i/o模块、泥水接力泵p2.2~p2.9、泥水输送泵p1.1，并在泥水输送泵p1.1后加终端电阻。

3.2网络设置盾构plc系统在硬件设计的基础上采用simaticstep 7软件对s7-400的机架号、电源、cpu、分布式i/o模块等按其实际配置和物理地址进行组态。

根据网络结构设置网络参数，确定plc地址。

最后将组态程序表下载到plc并确认。

图4 plc系统硬件网络组态plc控制程序解析该盾构plc系统采用siemes公司生产的simatic step 7编程软件作为应用软件编制平台，该编程软件主要具有以下特点：编程方式灵活多样，应用语句表（stl）, 梯形图（lad）, 功能块图（fbd）编程语言,方便用户使用标准协议已经集成到控制器内，不需要额外驱动现场总线通讯功能. 控制器功能中已集成了profibus dp master / slave, profibus fms 和 lonworks.在线监控功能强大, 使用siemens工程工具，监视修改变量，程序状态等4.1逻辑控制特点以下以盾构本体plc控制系统（tbm）为例来分析逻辑控制的特点：结构清晰,便于阅读tbm控制程序主要由组织块（ob）、功能块（fb）、数据块（db）等部分组成。

组织块用于plc控制程序的启动、循环、中断、计时等功能，是系统正常运行、自我纠错的必要部分。

tbm控制程序主要的组织块见图5图5 tbm控制程序组织块功能块是控制程序实现逻辑控制的主要部分。

tbm程序将每一个分系统的控制逻辑做成一个程序功能块，大体上分为驱动、推进、刀盘、拼装、搅拌机、注浆、冷却、润滑、盾尾油脂、辅助液压、阀组、泥水输送等多个主要程序功能块。

将泵组启动、阀组控制、接力泵、数据转换、刀盘变频器控制等重复性控制程序做成功能块供程序块调用。

tbm控制程序主要的功能块见图6图6 tbm控制程序功能块数据块是控制程序处理各种数据的程序，主要用于设备故障信息的处理、外围传感器数据的处理和转换、通信数据（上位机、变频器等）的传送和接收等。

tbm控制程序主要的数据块见图7图7 tbm控制程序数据块每个模块独立运行，相互之间又可以调用。

可以说每个模块的关系既相对独立又相互作用。

对于整个控制程序来说，每个部分各司其职，结构清晰明了。

2）控制安全可靠性高在控制程序中，对每个分系统的运行均设置了永久联锁条件和分系统联锁条件。

在连锁条件的考虑上充分应用了盾构中配置的大量外围i/o信号（限位开关、压力继电器、温度继电器等）。

同时把传感器的模拟量信号进行转换、与安全值进行比较，作为安全条件。

尽管整个系统的联锁条件比较复杂，但是控制的安全可靠性极高。

4.2故障诊断技巧tbm控制程序的故障判断程序主要分为：系统故障（紧急停止、变压器和低配电源故障等）、通信故障（etnernet、profi-bus等）、液压系统故障（油压、油位、油温等）和接触器返回故障（电机运行故障）等。

对于开关量的故障信号（譬如紧急停止、电源故障等），在控制程序中建立变量表，包含输入信号地址、图纸页码、信号名称。

对于模拟量的错误（譬如油温低、液位低等），在程序中进行转换、比较。

将所有的故障信号进行收集、整理，创建故障数据块db50，用于与上位机的信息传输。

在故障判别的方式上，采用了静态和动态信号相结合的方式，大大提高了故障判断的准确性。

plc系统特点硬件配置高低搭配，兼顾经济性和适用性西门子s7-400系列plc具有精度高，可靠性高，性能优越，系统稳定等优点，适用于盾构机特殊的应用环境。

plc系统还采用了wago的以太网控制模块，西门子的远程分布式i/o模块等设备，在达到控制目的的前提下，节省布线、采购等费用，达到了经济型和适用性的平衡。

网络搭建方便可靠，兼顾安全性和扩展性profibus是一种国际化．开放式．不依赖于设备生产商的现场总线标准。

标准本身具有传输速度快、存储功能强大、安全可靠等优点。

各种自动化设备通过应用这一标准，利用相同的协议结构和接口形式可以很方便的连接系统网络。

盾构plc控制系统采用profibus现场总线，集中组态方便搭建整个系统网络。

在运行期间接入和断开一个或几个站不会到影响其他站的工作。

既方便了日常维护检修也方便后续对系统进行扩展。

对于整个网络的设计，可以说兼顾安全性和扩展性。

模块化编程，增加便利、提高效率由于盾构中有很多相似的设备，采用模块化的编程方式将大大降低编程的难度，节省精力和时间。

tbm控制程序中将逻辑控制要求相同的控制程序单独做功能块，供别的功能块调用。

比如接力泵控制程序，需要添加另外一台接力泵时，只需调用原有接力泵的模块，修改相应的地址就能完成。

编程软件也集成了许多比较典型的功能块供用户调用，比如功能块fc105，用于模拟量的数值进行整定，设置模拟量上下限值。

通过这些模块化的编程，可以大大减少工作量，增加便利，提高编程效率。

故障诊断设计合理、注重人机结合控制程序将盾构故障信息收集、转换、整理，建立错误数据字典，把故障代码、图纸页码、程序地址三者联系起来。

通过与上位机的通讯，在人机界面上显示出来。

既方便盾构操作人员快速了解盾构信息，也方便电气工程师排查故障。

整个故障诊断人机界面友好，具有准确、直观、简洁、反应迅速的特点。

总结通过硬件、网络、程序等多方面对盾构plc系统进行分解、剖析，本台盾构plc系统具有设计理念先进，硬件配置合理，网络设计得当，控制程序稳定等优点。

通过学习研究，掌握国外先进盾构设计方法，为将来设计超大直径泥水气压平衡盾构的plc控制系统，作好技术储备。

参考文献[1]廖常初．s7—300/400plc应用技术[m]．北京：机械工业出版社．。