盾构机电气控制系统设计研究

盾构机电气控制系统设计研究摘要：随着经济的快速发展和社会需求的不断增大，盾构机作为一种高效掘进机械，是工程中不可或缺的一种设备，它集中了液压、导向、土木、电气、机械、控制等科学技术，在工程施工中，广泛的应用于地铁的建设，盾构机发挥的作用越来越突出，所占的比例也在不断的增大，它越来越受到人们的关注。伴随着我国城市化建设进程的不断加快，就需要对盾构机的结构以及其工作原理进行不断的深入了解和分析。本文就土压式盾构机电气系统的组成与分类、结构、特点、要求、工作原理、PLC控制系统以及数据采集等进行了研究和探讨，希望能供业内人士参考借鉴。

关键词：盾构机；电气系统；控制原理；结构形式；电气控制系统

一、盾构机的组成与分类

盾构机的组成主要包括护盾、辅助机构、挖掘机构以及衬砌机构等，辅助机械一般情况下由导向测量、注浆装置以及控制装置等构成。另外，盾构的形式多种多样，可以按盾构的构造、断面形状以及开挖形式进行分类。其中，根据盾构前部构造的不同，可分为密封形、部分开口形、全部开口形三种。根据盾构断面形状的不同，可将盾构分为矩形、圆形、马蹄形及拱形四种；根据盾构开挖方式的不同，可分为机械化挖掘式、手工挖掘式以及半机械化挖掘式三种；就目前情况而言，应用的最多的盾构断面形式是圆形，圆形机械的盾构施工法主要有切削轮式、气压式、泥水加压式和土压平衡式。

二、盾构机的电气系统

盾构机的电气系统主要包括两个系统，分别为自动控制系统和配电系统。其中，配电系统还可以分为低压系统以及高压系统。它的设备主要有变压器、主要动力设备、高压电柜、电气控制器件以及补偿电容器等组成。

2.1 低压供电系统

针对盾构机的低压系统，需要从其存在的不同形式进行分析，例如低压控制形式、配电保护形式、低压配电形式。多线保护接零是NFM盾构机低压配电系统经常选用的方式。盾构机的低压配电保护形式经常适用于比较狭窄、潮湿的环境中。NFM 盾构机利用每个设备均跟地线连接的方式，来避免漏电造成的伤害和损失。

2.2 高压供电系统

针对盾构机供电距离比较长、用电量较大的特点，常采用的高压供电大小为10千伏，专线上的电力资源同样采用10千伏的高压开闭提供的，这种高压供电系统的优点是一方面可以在安全供电方面能够有效的得以保障，一方面在发生故障时，还能确保盾构机的正常运行，同时也不会对工程施工场地的城市供电系统造成影响。

三、盾构电气控制系统的特点与要求

3.1 电气控制系统的先进性与可靠性

在工程施工中，盾构机的工作条件比较复杂、环境比较恶劣以及维护条件比较差等特点，为了确保盾构机的高效、平稳、可靠，增强电气控制系统的可靠性则非常重要。除此之外，提高控制系统可靠性的另一个有效的措施就是采用先进的控制技术和先进的控制设备。这项措施的实施的前提是在盾构机电气控制系统可靠性以及性价比都得以保证的情况下得以实施。

3.2 自动控制与手动操作相结合

盾构机在实际工作中，只依靠自动控制来实现其功能是不切实际的，它常常需要人工干预和判断，如何通过盾构机电气控制系统来使自动控制功能与手动控制科学的合理的进行结合运用，需要注意以下两点，第一，要最大限度的使自动控制的优势发挥出来，从而提高工作生产率。第二，要最大限度的采用控制以及检测等技术手段来辅助人工操作，从而大大提高了人工操作的准确性、快速性以及可靠性。

3.3 电气控制系统的故障诊断

由于盾构机的系统复杂以及工作环境差等不利条件，在工作中就需要电气控制系统对其不利条件进行充分的分析和考虑，不但要提高电气控制系统的可靠性，而且还需具备健全的故障诊断的功能，当电气控制系统出现故障时，此项功能就能很好的帮助操作人员及时有效的判断出故障点以及故障原因，并对其能够很好的解决，从而最大限度的降低了损失。

四、土压平衡式盾构机工作原理

土压平衡式盾构机的组成包括刀盘、盾体、螺旋输送机系统、管片拼装系统、驱动系统、同步注浆系统、盾尾密封装置以及推进系统等。盾构机的中部设置了一道密封隔板，将隧道与盾构机开挖面进行分离，使得二者之间的土层产生压力

仓，刀盘在其压力仓中工作，并通过密封隔板设置了螺旋输送机，当工作中盾构机推进时，将刀盘削下来的土充满螺旋输送机内和压力仓的所有空间，于此同时，对于开挖面的水土压力通过充满的泥土来进行保护，使盾构机的进、排土量处于平衡状态，避免了地表发生变形，进而为开挖面的土层起到了稳定的作用。

五、盾构机电气控制系统的结构形式

5.1 PLC电气控制系统

盾构机电气控制系统的控制核心就是PLC，它的主要任务是采集数据和控制。具体来说，PLC是利用控制数据采集系统的计算机通信和串联通信接口，使数据采集、存储、统计、显示、打印等功能通过解调器把数据传输到数据采集系统的过程。对于盾构机控制和相关数据的采集及有关显示的模拟量、数字量，利用不同的传感器将模拟量、数字量的输入接口分别于PLC进行对接，并依据相对应的控制策略，在PLC控制程序运行分析后作出相应的控制决策，从而实现模拟量、数字量相对应的输入接口的执行动作。

5.2 总线式的电气控制系统

总线式盾构机PLC电气控制系统主要采用两种结构，分别为分布式和主从式。因为其被控制的对象数量上比较多，涉及的范围比较广，测控点多至上千个，所以采用总线式的电气控制系统，为系统的维护性及可靠性提供了有利的条件。而现场总线控制技术的盾构PLC，将PLC主站设置在主控制室，结合实际设备的分布，将PLC分站设置在电气比较密集的配电柜及盾体的地方，再根据就近原则进行接线，不仅使分站和主站间形成一个较好的通信控制网，而且大大降低了接线的数量和工作量，节约了电缆，提高了工作效率。

六、结束语

随着我国经济建设的快速发展，盾构机在地下挖掘的应用中逐渐成熟，它可以有效的保持了开挖面的稳定，是地下工程建设中的重要施工设备。盾构机的控制核心是PLC电气控制系统，它在工程的建设中起着重要的作用。在对盾构机的控制中，虽然盾构机的型号和种类颇多，但是在其工作原理和系统的组成上，PLC 电气控制系统能够基本保持一致。在实际施工中，对盾构机正确的合理的使用和维护，可以有效的、充分的发挥其所有优势，从而提高工作效率，为推动工程的建设和发展提供了有力的保障。