W.E.ST比例放大模块在盾构机自动控制系统中的应用

W.E.ST比例放大模块在盾构机自动控制系统中的应用

摘要：盾构技术是目前世界上用于隧道施工的最先进的技术之一，它主要适用于环境复杂的城市地铁施工。本文以海瑞克盾构机为例，对W.E.ST比例放大模块在盾构机自动控制系统中的应用进行了详细的探讨。

关键词：W.E.ST比例；放大模块；自动控制系统；应用

引言:海瑞克盾构机是目前国内广泛采用的盾构施工机型，其PLC采用的是西门子的S7-400系列PLC及附属设备，以实现盾构掘进控制和数据采集分析。S7—400PLC为模块化结构，除必配的几种模块外，可以根据实际需要选配其它的模块主要有以下几种模块：中央处理单元(CPU)模块、信号模块(SM)、通讯处理器(CP)、功能模块(FM)、接口模块(IM)等。此外根据现场实际需要，还可以实现与其他设备元件的通讯和控制，比如变频器、传感器、压力开关等。W.E.ST 比例放大模块就是用来实现模拟量输出控制驱动单元的一种集成模块。

1.海瑞克盾构机放大模块概述

虽然PLC本身带有模拟量输出（AO），但是只能局限于0-10V电压或4-20mA 电流。由于在液压回路里面比例电磁阀需要的电流比较大，PLC直接输出的电流无法驱动相关的比例电磁阀，于是在电气控制回路应用了比例放大模块。海瑞克盾构机上使用的放大模块为德国的w.e.st公司的PAM-195和PAM-196放大卡，主要有以下特点：

①双通道独立控制

②数字量调整

④错误监控和扩展功能检查

⑤使用WPC-300软件通过RS232C接口进行调试

海瑞克盾构机应用的PAM-196比例放大模块主要应用在推进系统、注浆系统中对液压比例电磁阀的线性驱动，并且能够实时监控功能实现条件，比如推进系统中控制泵头流量比例阀的15-10N4，只有15通道满足输入条件的前提下，放大卡才会工作，而不是让电磁阀始终带电，这样就避免了液压油在泵体内无谓的溢流。后面会对该系统做进一步的分析。

海瑞克盾构机采用W.E.ST放大模块，还有一个最便捷的功能，就是可以通过一根数据线连接到安装了WPC-300软件的工业电脑，即可实现对各项参数的修改和调试。通讯电缆通过连接电脑的RS232串行插口和放大卡3.5mm通讯接口，采用3000Hz或4000Hz的PPWM宽频脉冲信号实现即时通讯。在软件界面列表中，可以对各项参数进行修改和调试。

AINA(B)X：X=V/C（V=0...10V C=4...20mA）

AA(B):I X:i=up/down X=0 (60000)

MODE:是否采用实际电流控制模式

CURRENT:A(B)输出电流最大值0=1A 1=1.6A 2=2.6A

MIN（MAX）:X电流输出最小值（最大值）

其中A、B分别表示两条独立的通道，MIN、MAX分别对应输出范围（最小、最大值分别为0和9999），当Current设定电流范围为0，则对应0-9999的电流范围就是0-1A，所以如果MIN=2500，MAX=7500，则输出端电磁阀电流为250mA-750mA。当Current设定电流范围为1，则对应0-9999的电流范围就是0-1.6A，所以如果MIN=2500，MAX=7500，则输出端电磁阀电流为450mA-1350mA。所以必须根据电磁阀线圈的实际驱动要求设定参数。需要指出的是，放大卡的电流输出属于闭环控制，当输出端断开，电路没有电流时，放大卡会停止电流输出直到故障排除。

2.W.E.ST比例放大卡在盾构机液压系统中的应用

下面通过电气原理控制分析W.E.ST比例放大卡在盾构机液压系统中的应用，以海瑞克S-489盾构机推进泵压力控制为例，下图是放大卡的电气图，该卡只使用了A通道对推进泵比例电磁阀进行控制，从而实现泵头压力的输出控制。

控制推进泵流量的比例放大卡（图1）

15是放大卡输出的条件，只有推进模式或者拼装模式满足条件才会激活放大卡的比例电源放大功能。

可以看到只有当PLC中满足以上两个条件之一后Q8.7输出，继电器15-10K2得电才会满足放大卡输出条件。这样可以保证电磁阀在需要流量时才会通电，避免液压管路在非工作状态下带压出现意外。需要指出的是在海瑞克推进泵的设计中，当比例放大卡未运行在工作模式时，虽然电磁阀未通电，但是由于液压系统的需要，设计为仍然有20Bar左右的油压做为备压，为液压系统内部平衡阀等提供控制所必须的压力。

9、10是信号输入来源，接受来自PLC输出模块PQW516的电压信号，PQW 的电压信号是根据各组推进油缸行程变化转换后进行PID运算后得出的或者拼装模式按设定压力比例输出的，过程比较复杂，在此不做赘述。

3、4为A通道的输出端，外接控制电磁阀的驱动单元。

该系统驱动单元采用的是力士乐DBET-6X电磁阀，阀芯驱动线圈阻值24欧左右。

DBET-6X 0-350Bar 125cm3/U

Current I Min at 20 Bars 100mA

Current I Min at 350 Bars 1600mA

根据电磁阀压力输出范围设定放大卡参数：

Current:A=2

MIN:A=100

MAX:A=6150

推进泵比例电磁阀（图2）

在实际调试过程中，为了让A300符合更好的线性输出，需要反复修改MIN:A 与MAX:A的参数，根据笔者现场的调试经验，MIN:A=140时推进泵出口压力能够达到驱动电磁阀的最小电流，此时泵头输出压力为21Bar；MAX:A=6500时PLC对推进泵压力的控制线性最好。

如果真正掌握了比例放大模块在实际施工中的功能和应用范围，就可以灵活应用。下面我将会以实际例子分析用W.E.ST比例放大卡替代其他产品，来实现设备改造以及功能扩展。

我们公司海瑞克S-254盾构机已经运转十几公里，大部分设备已经进入需要大修的阶段，在维修过程中，注浆系统电气控制电路采用的HAWE公司的EV22K2-24比例放大器需要更换，但是市场上已经很难找到配件，所以需要替代产品。我选择了W.E.ST这种兼容性强，功能更强大的产品。

在更换之前，首先要分析适用性。通过电路图分析，EV22K2-24比例放大模块和W.E.ST比例放大模块在原理上是相通的，只需要解决电气连接和输入控制转换即可。输出端只需要根据电磁线圈的实际要求修改相关参数即可满足原始工作条件。

从电路图可以看出，EV22K2-24比例放大卡同样可以支持双通道独立工作，并且输入端有独立电源，只需要通过电位器23-17R7就可以实现模拟量信号输入。W.E.ST比例放大卡，同样支持双通道独立电源工作模式，所以电气连接只需要根据图8连接即可。EV22K2-24比例放大卡中a14是检测输出条件的输入点，在W.E.ST放大卡中已经集成到电路内部，直接去掉就可以了。唯一需要注意的