TBM盾构电气控制系统
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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
在线状态监视显示屏--- WDAS（数据采集系统）
WDAS系统主要用于TBM主机工作状态监视、掘进参数统计分析、历史数据查 询和故障统计，打印输出掘进报告和有关报表。WDAS具有人机界面友好。显 示信息丰富，历史数据贮量大，故障信息和运行状态数据保存完整特点。特别是 它保存完整的故障信息和运行状态数据对诊断某些疑难故障非常有用，因此 WDAS系统是对MAGELS故障诊断的一种补充。
使用FTX417-20又可以对PLC程序进行在线监控。连接FTX417-20到PLC上， 进入online（在线状态）时PLC程序的所有状态都将实时反映在编程器上，将 Magelis提供的故障地址输入到编程器，利用编程器的搜索功能将很快找出故 障信息所在子程序和相关信息并显示在屏幕上，造成故障的条件信息，将以不 同的颜色显示在屏幕上。这样就可以非常直观、快速地查找到故障，并分析可 能的故障原因，最终排除故障。
第三厂家总线 - Interbus-S - Profibus-DP - CANopen
第三厂家的总线型 I/O
DeviceNet/ControlNet
Profibus
Interbus
Operator Station
施耐德Momentum系列分布式PLC
带分布式 I/O的控制器
• I/O 总线(Interbus) - 最多 128 I/O 模块，距离 42,000 英尺. • Modbus Plus 方式 -最多 64 I/O模块，距离 6000 英尺 • 以太网 -最多 64 I/O模块，距离与介质有关.
使用编程器还可以修改和优化PLC程序，当发现程序有问题，需要修改程序， 或在查找故障时，需要临时做一些上处理，（如临时短接某个条件，强制置位） 等，利用编程器可以实现在线修改。编程器对于PLC故障诊断。特别是对于那 些Magelis上无故障显示，而机器又确实发生故障的情况，用编程器来诊断非 常准确有效。
继电器 数字输出模块
光耦合器 数字输出模块 继电器, 可配置 数字输出模块 光耦合器, 可配置 模拟输出模块 数字输入模块
以太网/ 内联网/ 因特网
显示单元 例如带浏览器的笔记
本
BDA / BDA Plus
COM15
BSS ETU 测量
SENTRON WL
TELEPERM M, SIMATIC S5, SIMATIC S7
盾构机控制系统示意图
显示器
远程计 算机
打印 机
触摸屏
工业计 算机
激光导 向系统
PLC
DI DO AI AO
接口
现场操 作板
遥控操 纵板
位置 开关 传感 器等
中间 继电 器
开关 阀、 信号 灯等
接触 器、 电机 等
驱动 放大 板
比例 阀、 变频 器、 表头
模拟 传感 器
脉冲 传感 器
主机控制系统的组成：
PLC系统配置示意图
PC Magelis
PC
盾构PLC控制流程图
计算机控制及数据采集系统
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
TCP开放 : 基于 TCP/IP 的自由协议
-基于 Ethernet TCP/IP 的Modbus 协议
Ethernet 伙伴 Fipio 伙伴 Modbus 伙伴
OPC 兼容
Java Applets 库函数
HTML Web server
SCP开放 : 第三厂家的串行协议
AS-i 总线
电话线 - Modem
ET200 L 中压断路器 3AH
西门子标准通讯总线
PROFIBUS-DP
COROS SICAM LCC
Master Drive
Micro Master
AS-I ET200 U
M 3~
SIMOCODE-DP
M 3~
DP / AS-I Link
AS-I
AS-I
M 3~
断路器
施耐德Premium 系列 PLC
因此，Magelis和专用笔记本编程器是TBM在线故障诊断的两个最重要的必不 可少的工具。
故障在线实时显示屏----Magelis
PLC的编程控制系统带有一个故障在线实时显示屏（Magelis），它可以将TBM各种 电气液压发生的故障及时地显示和记录下来。供故障诊断分析使用，并提供发生故 障部位的信息或可能发生故障部位的相关信息，便于缩小故障找询范围，快速诊断 故障。
输入端 SB1
X400
SB2
X401
输入继电器
COM
X400 X401 X402 Y430
Y430 内部触点
输出继电器 外部触点
电源 Y430 KM
输出端
输入部分
内部控制电路
输出部分
PLC的工作方式
输 入 端 子
输 入 锁 存 器
输 入
状 态 寄
读
存
器
读 输 出
程 序 执 行
状
态 寄
写
存 器
输 出 锁 存 器
输 出 端 子
输入采样
程序执行
输出刷新Biblioteka 一个扫描周期PLC是采用顺序扫描、不断循环的方式进行工作的。PLC的 扫描工作过程可分为输入采样、程序执行和输出刷新3个阶段 ，并进行周期性循环。
常用PLC型号
目前常用的PLC有西门子和施耐德。 西门子PLC系列有S7-200\S7-300\S7-400三个系列，盾构机常用的是 高档S7-400系列， 施耐德PLC有MODICOM\PREMIUM\MUMENTUM系列。 海瑞克盾构全部用的是西门子，维尔特用的全是施耐德。这有一个习惯问 题。 西门子常用的PLC编程软件是STEP7 西门子常用的组态软件是WINCC 施耐德常用的PLC编程软件是PL7和UNITY
西门子S7-300系列PLC
主操作室（主站）
盾体（分站） 配电柜（分站）
西门子S7-400系列PLC
SPS 例如SIMATIC S7 数据收集和处理
PC 带有Switch ES Power 用于通过PROFIBUS DP对 SENTRON断路 器进行参数化、操作和监视的软件
ZSI模块 数字输出模块
施耐德PLC通讯总线 MODBUS PLUS 和FIPIO
盾构PLC控制系统组成（西门子）
主操作室（主站）
盾构机PLC控制系统组成（续）
盾构机PLC控制系统配置
PC
PC PC
电/光
TCP/IP
光/电 PC670 DP VMT MPI
控制系统配置示意图
PROFIBUS-DP
TBM-PLC控制系统配置图
Magelis中显示，同样，当发生任何电气、液压故障时，操作人员首先要查看 Magelis记录。
安全保护电路在TBM盾构的应用
安全继电器保护回路，采用紧急按钮、紧急 继电器双接点保护
安全保护设计：接近保护开关常闭回路设计。 断线监视功能。
绝缘检测 高压保护，短路、速断，单相接地 接地连续性监测保护，高压快速插头
主机控制系统采用PLC可偏程控系统 盾构机是一个机、电、液一体化的工厂化隧道开挖施工机械，
是大型化、自动化、流程化的大型连动机。由于其控制环节多， 工序复杂，并且相互关联，相互影响，任何一个环节出现故障 都将影响正常掘进甚至停机修理，因为了保障盾构机工作的高 度可靠性安全性和易维护性，其控制系统采用了PLC可偏程控 制系统。 PLC可偏程控制系统具有系统功能强、可靠性高、抗震性能好、 编程容易、修改方便、扩充维修容易等一系列优点。 采用PLC可编控制系统的特点是盾构机上所有传感器和控制信 号都输入到PLC，所有输出信号都由PLC发出的。方便建立各 种连锁关系。因此PLC可编控制器是掘进机的控制中枢。
防水、防潮，绝缘检查。 除尘，降温 传感器加防护
TBM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
PLC的结构
编程器
打印机
外 部
计算机
设 备
盒式磁带机
接
条码扫描仪
口
按钮 触点
输 入
…
模 块
行程开关
输入设备
存储器 用户
系统程序 程序 数据
CPU 电源
I/O
I/O
扩
扩
展
展
接
单
口
元
指示灯
输 出
电磁线圈
模 块
…
电磁阀
输出设备
2、PLC的工作原理
直接起动控制电路采用PLC控制，其外部接线及内部等效电 路如图所示。可将PLC分成3部分：输入部分、内部控制电路 和输出部分。
TJB高压快速插头
TJB高压快速插头
TJB高压快速插头
绝缘监视和相位保护
TBM盾构机常用传感器
电感感应式接近开关。 压力传感器、压力开关。 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 倾角传感器 编码器
TBM盾构机电气系统维护保养
由于振动较大，特别是TBM，要定期紧固接 线端子。特别是电机接线端子。
RS-232 Port Modbus
I/O Bus ( Interbus) Communication to Distributed I/O Modules
Computer
Momentum Processor mounted on I/O Module
Momentum I/O Modules located near field devices
主机控制系统的组成：
主机控制系统 ➢ 盾构机主机控制系统采用主从、上下位机和分布式I/O结构。上位机
为PC（个人计算机）和墙面式工控机组成的基于Profibus-Dp协议的 现场总线的计算机局域网络，下位机是以Siemens S7-400为主站的 可编程控制器系统。 工控机和数据采集系统 ➢ 墙面式工控机为Siemens PC670人机界面，采用彩色液晶触摸屏， 安置在盾构机操纵室内控制面板上。用于设置控制系统参数和显示数 据，由现场操作人员使用。其余PC根据需要可以放置在机电工程师室 和经理室。这些计算机上均安装WINCC（WINDOWS NT版）软件， 用于对隧道内的施工情况进行实时监控，打印报表和其他管理工作。
在线状态监视显示屏--- WDAS（数据采集系统）
PLC专用笔记本编程器在线实时查询和故障诊断
PLC专用笔记本编程器在线实时查询和故障诊断
正常情况下，PLC控制系统的故障诊断Magelis就能解决绝大部分电气、液压 故障，但遇到联锁关系复杂Magelis不能直接反映其故障的情况，就需要借助 于专用笔记本编程器FTX417-20才能快速查找和确定故障。使用FTX417-20 笔记本编程器可以快速查询故障信息的部位和相关信息状态，分析内部联锁关 系，修改和优化程序。
WDAS共有12个显示界面。F1—启动屏，F2—TBM参数屏，F3—全视屏， F4—液压系统屏，F5—趋势图显示屏1，F6—趋势图显示屏2，F7—换班信息屏， F8—输入参数屏，F9—选择屏，F10—报警/信息屏，F11—打印屏，F12—系 统屏。
其中F2—参数屏，F3—全视屏，F4—液压系统屏， F10—报警/信息屏，对故障诊断非常有帮助。
Magelis的主要功能为： 立即显示并记录当前刚发生的故障信息，并有音响提示 可循环显示512个故障的历史记录，通过翻页形式来查询。 可循环显示当前尚未消除的故障信息 监视所有通道的实际显示值 可查询的故障信息内容有： 故障的内容，即何种故障 故障发生的时间和消除恢复的时间 故障的子程序和行号 故障的PLC输入端口地址，和相应元件的电气编号 模拟量输入信号的故障通道号等。 Magilis是TBM最重要最实用的在线诊断工具，TBM主要电气、液压故障都将首先在
参数屏：显示TBM当前主机的各种运行参数 全视屏：显示TBM主机各系统的当前的运行状态 液压系统屏：显示TBM液压系统当前的运行状态及压力温度、液位等参数。 报警和信息屏：显示TBM主机的各种故障报警信息和工作状态信息，并可通过
打印报警报告信息报导查询TBM以前任何时候的报警信息和工作状态信息，各 种报警信息和工作状态信息都有起止时间，这对诊断故障十分有用。
在线状态监视显示屏--- WDAS（数据采集系统）
WDAS系统主要用于TBM主机工作状态监视、掘进参数统计分析、历史数据查 询和故障统计，打印输出掘进报告和有关报表。WDAS具有人机界面友好。显 示信息丰富，历史数据贮量大，故障信息和运行状态数据保存完整特点。特别是 它保存完整的故障信息和运行状态数据对诊断某些疑难故障非常有用，因此 WDAS系统是对MAGELS故障诊断的一种补充。
使用FTX417-20又可以对PLC程序进行在线监控。连接FTX417-20到PLC上， 进入online（在线状态）时PLC程序的所有状态都将实时反映在编程器上，将 Magelis提供的故障地址输入到编程器，利用编程器的搜索功能将很快找出故 障信息所在子程序和相关信息并显示在屏幕上，造成故障的条件信息，将以不 同的颜色显示在屏幕上。这样就可以非常直观、快速地查找到故障，并分析可 能的故障原因，最终排除故障。
第三厂家总线 - Interbus-S - Profibus-DP - CANopen
第三厂家的总线型 I/O
DeviceNet/ControlNet
Profibus
Interbus
Operator Station
施耐德Momentum系列分布式PLC
带分布式 I/O的控制器
• I/O 总线(Interbus) - 最多 128 I/O 模块，距离 42,000 英尺. • Modbus Plus 方式 -最多 64 I/O模块，距离 6000 英尺 • 以太网 -最多 64 I/O模块，距离与介质有关.
使用编程器还可以修改和优化PLC程序，当发现程序有问题，需要修改程序， 或在查找故障时，需要临时做一些上处理，（如临时短接某个条件，强制置位） 等，利用编程器可以实现在线修改。编程器对于PLC故障诊断。特别是对于那 些Magelis上无故障显示，而机器又确实发生故障的情况，用编程器来诊断非 常准确有效。
继电器 数字输出模块
光耦合器 数字输出模块 继电器, 可配置 数字输出模块 光耦合器, 可配置 模拟输出模块 数字输入模块
以太网/ 内联网/ 因特网
显示单元 例如带浏览器的笔记
本
BDA / BDA Plus
COM15
BSS ETU 测量
SENTRON WL
TELEPERM M, SIMATIC S5, SIMATIC S7
盾构机控制系统示意图
显示器
远程计 算机
打印 机
触摸屏
工业计 算机
激光导 向系统
PLC
DI DO AI AO
接口
现场操 作板
遥控操 纵板
位置 开关 传感 器等
中间 继电 器
开关 阀、 信号 灯等
接触 器、 电机 等
驱动 放大 板
比例 阀、 变频 器、 表头
模拟 传感 器
脉冲 传感 器
主机控制系统的组成：
PLC系统配置示意图
PC Magelis
PC
盾构PLC控制流程图
计算机控制及数据采集系统
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
TCP开放 : 基于 TCP/IP 的自由协议
-基于 Ethernet TCP/IP 的Modbus 协议
Ethernet 伙伴 Fipio 伙伴 Modbus 伙伴
OPC 兼容
Java Applets 库函数
HTML Web server
SCP开放 : 第三厂家的串行协议
AS-i 总线
电话线 - Modem
ET200 L 中压断路器 3AH
西门子标准通讯总线
PROFIBUS-DP
COROS SICAM LCC
Master Drive
Micro Master
AS-I ET200 U
M 3~
SIMOCODE-DP
M 3~
DP / AS-I Link
AS-I
AS-I
M 3~
断路器
施耐德Premium 系列 PLC
因此，Magelis和专用笔记本编程器是TBM在线故障诊断的两个最重要的必不 可少的工具。
故障在线实时显示屏----Magelis
PLC的编程控制系统带有一个故障在线实时显示屏（Magelis），它可以将TBM各种 电气液压发生的故障及时地显示和记录下来。供故障诊断分析使用，并提供发生故 障部位的信息或可能发生故障部位的相关信息，便于缩小故障找询范围，快速诊断 故障。
输入端 SB1
X400
SB2
X401
输入继电器
COM
X400 X401 X402 Y430
Y430 内部触点
输出继电器 外部触点
电源 Y430 KM
输出端
输入部分
内部控制电路
输出部分
PLC的工作方式
输 入 端 子
输 入 锁 存 器
输 入
状 态 寄
读
存
器
读 输 出
程 序 执 行
状
态 寄
写
存 器
输 出 锁 存 器
输 出 端 子
输入采样
程序执行
输出刷新Biblioteka 一个扫描周期PLC是采用顺序扫描、不断循环的方式进行工作的。PLC的 扫描工作过程可分为输入采样、程序执行和输出刷新3个阶段 ，并进行周期性循环。
常用PLC型号
目前常用的PLC有西门子和施耐德。 西门子PLC系列有S7-200\S7-300\S7-400三个系列，盾构机常用的是 高档S7-400系列， 施耐德PLC有MODICOM\PREMIUM\MUMENTUM系列。 海瑞克盾构全部用的是西门子，维尔特用的全是施耐德。这有一个习惯问 题。 西门子常用的PLC编程软件是STEP7 西门子常用的组态软件是WINCC 施耐德常用的PLC编程软件是PL7和UNITY
西门子S7-300系列PLC
主操作室（主站）
盾体（分站） 配电柜（分站）
西门子S7-400系列PLC
SPS 例如SIMATIC S7 数据收集和处理
PC 带有Switch ES Power 用于通过PROFIBUS DP对 SENTRON断路 器进行参数化、操作和监视的软件
ZSI模块 数字输出模块
施耐德PLC通讯总线 MODBUS PLUS 和FIPIO
盾构PLC控制系统组成（西门子）
主操作室（主站）
盾构机PLC控制系统组成（续）
盾构机PLC控制系统配置
PC
PC PC
电/光
TCP/IP
光/电 PC670 DP VMT MPI
控制系统配置示意图
PROFIBUS-DP
TBM-PLC控制系统配置图
Magelis中显示，同样，当发生任何电气、液压故障时，操作人员首先要查看 Magelis记录。
安全保护电路在TBM盾构的应用
安全继电器保护回路，采用紧急按钮、紧急 继电器双接点保护
安全保护设计：接近保护开关常闭回路设计。 断线监视功能。
绝缘检测 高压保护，短路、速断，单相接地 接地连续性监测保护，高压快速插头
主机控制系统采用PLC可偏程控系统 盾构机是一个机、电、液一体化的工厂化隧道开挖施工机械，
是大型化、自动化、流程化的大型连动机。由于其控制环节多， 工序复杂，并且相互关联，相互影响，任何一个环节出现故障 都将影响正常掘进甚至停机修理，因为了保障盾构机工作的高 度可靠性安全性和易维护性，其控制系统采用了PLC可偏程控 制系统。 PLC可偏程控制系统具有系统功能强、可靠性高、抗震性能好、 编程容易、修改方便、扩充维修容易等一系列优点。 采用PLC可编控制系统的特点是盾构机上所有传感器和控制信 号都输入到PLC，所有输出信号都由PLC发出的。方便建立各 种连锁关系。因此PLC可编控制器是掘进机的控制中枢。
防水、防潮，绝缘检查。 除尘，降温 传感器加防护
TBM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
PLC的结构
编程器
打印机
外 部
计算机
设 备
盒式磁带机
接
条码扫描仪
口
按钮 触点
输 入
…
模 块
行程开关
输入设备
存储器 用户
系统程序 程序 数据
CPU 电源
I/O
I/O
扩
扩
展
展
接
单
口
元
指示灯
输 出
电磁线圈
模 块
…
电磁阀
输出设备
2、PLC的工作原理
直接起动控制电路采用PLC控制，其外部接线及内部等效电 路如图所示。可将PLC分成3部分：输入部分、内部控制电路 和输出部分。
TJB高压快速插头
TJB高压快速插头
TJB高压快速插头
绝缘监视和相位保护
TBM盾构机常用传感器
电感感应式接近开关。 压力传感器、压力开关。 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 倾角传感器 编码器
TBM盾构机电气系统维护保养
由于振动较大，特别是TBM，要定期紧固接 线端子。特别是电机接线端子。
RS-232 Port Modbus
I/O Bus ( Interbus) Communication to Distributed I/O Modules
Computer
Momentum Processor mounted on I/O Module
Momentum I/O Modules located near field devices
主机控制系统的组成：
主机控制系统 ➢ 盾构机主机控制系统采用主从、上下位机和分布式I/O结构。上位机
为PC（个人计算机）和墙面式工控机组成的基于Profibus-Dp协议的 现场总线的计算机局域网络，下位机是以Siemens S7-400为主站的 可编程控制器系统。 工控机和数据采集系统 ➢ 墙面式工控机为Siemens PC670人机界面，采用彩色液晶触摸屏， 安置在盾构机操纵室内控制面板上。用于设置控制系统参数和显示数 据，由现场操作人员使用。其余PC根据需要可以放置在机电工程师室 和经理室。这些计算机上均安装WINCC（WINDOWS NT版）软件， 用于对隧道内的施工情况进行实时监控，打印报表和其他管理工作。
在线状态监视显示屏--- WDAS（数据采集系统）
PLC专用笔记本编程器在线实时查询和故障诊断
PLC专用笔记本编程器在线实时查询和故障诊断
正常情况下，PLC控制系统的故障诊断Magelis就能解决绝大部分电气、液压 故障，但遇到联锁关系复杂Magelis不能直接反映其故障的情况，就需要借助 于专用笔记本编程器FTX417-20才能快速查找和确定故障。使用FTX417-20 笔记本编程器可以快速查询故障信息的部位和相关信息状态，分析内部联锁关 系，修改和优化程序。
WDAS共有12个显示界面。F1—启动屏，F2—TBM参数屏，F3—全视屏， F4—液压系统屏，F5—趋势图显示屏1，F6—趋势图显示屏2，F7—换班信息屏， F8—输入参数屏，F9—选择屏，F10—报警/信息屏，F11—打印屏，F12—系 统屏。
其中F2—参数屏，F3—全视屏，F4—液压系统屏， F10—报警/信息屏，对故障诊断非常有帮助。
Magelis的主要功能为： 立即显示并记录当前刚发生的故障信息，并有音响提示 可循环显示512个故障的历史记录，通过翻页形式来查询。 可循环显示当前尚未消除的故障信息 监视所有通道的实际显示值 可查询的故障信息内容有： 故障的内容，即何种故障 故障发生的时间和消除恢复的时间 故障的子程序和行号 故障的PLC输入端口地址，和相应元件的电气编号 模拟量输入信号的故障通道号等。 Magilis是TBM最重要最实用的在线诊断工具，TBM主要电气、液压故障都将首先在
参数屏：显示TBM当前主机的各种运行参数 全视屏：显示TBM主机各系统的当前的运行状态 液压系统屏：显示TBM液压系统当前的运行状态及压力温度、液位等参数。 报警和信息屏：显示TBM主机的各种故障报警信息和工作状态信息，并可通过
打印报警报告信息报导查询TBM以前任何时候的报警信息和工作状态信息，各 种报警信息和工作状态信息都有起止时间，这对诊断故障十分有用。