1、PLC 在南京长江隧道盾构机上的应用中铁十四局隧道公司南京长江隧道第一项目部 刘中华摘要：现代隧道工程中已逐渐广泛应用盾构机施工，而盾构机的自 动控制系统多采用可编程序控制器（PLC）实现，文中介 绍了德国西 门子 PLC 在南京长江隧道海瑞克大直径泥水盾构机上的硬件组态及软件组成，运行过程。结合实例分析 PLC 的应用及故障的处理。关键词：可编程序控制器；盾构机；应用The application of PLC in Nanjing Yangtze TBMLIU zhonghua 14th Engineer Bureau Group Co.,Ltd,CRCCAbstract: The tun
2、 building machine (TBM) is applied in the modern tunnel projects widely,and the automatic control system of the TBM is realized by the programmable logic controller (PLC),it introduce the hardware configuration and software components of the Siemens PLC,which is manufactured in Germany, it also intr
3、oduce the process of the system in the Nanjing Yangtze TBM.Analysis with practical examples of the application of PLC and malfunction handling.Key words: PLC;TBM; application1 工程概况南京过江通道是南京城市总体规划确定的一条重要的城市过江快速通道，连接南京河西新城区-江心洲-浦口区。整个工程通道总长 5853m，双洞双线六车道设计，采用“左汊盾构隧道+右汊桥梁”方案，其中左汊盾构隧道（分为左、右线两条隧道）江北起点里程为
4、 K3+600，江南梅子洲到达里程为K6+532.756，盾构区间长度为 2932.756m，左、右线两条隧道分别采用德国海瑞克公司生产的两台（S349、S350）14.93m 泥水加压平衡盾构机施工。左、右线隧道分别于 2009 年 5 月 20 日和 8 月22 日贯通，现正在对盾构机进行保养工作。2 盾构机及对控制系统的要求每台盾构机全长约 134 米，主体部分约 8 米，主体部分主要有刀盘、管片拼装机、碎石机；后配套有 3 台台车组成，分别装有管片运输吊机、喂片机、液压泵站、变压器、配电柜、泥水罐、储气罐、空压机；以上各部分组成了由西门子 PLC 控制的液压推进系统、刀盘驱动系统（电机
5、变频调速） 、膨润土泥水系统、拼装系统、盾尾油脂加注系统、同步注浆系统、刀盘主轴承自动润滑及密封系统、工业水系统、冷却系统 和 VMT 激光导向控制系统，是当今隧道掘进设备中自动化集成程度很高的机械。盾构机在掘进过程中需要大量的检测变量和执行元件，其中包含了大量的位移传感器、温度传感器、压力传感器、流量传感器液位传感器和二十多台变频器、电动机以及大量的比例调节阀，所以该系统需要很多的输入输出点，大量的模拟量信号如 1-10vDC、4-20mA、热电阻等，必须选用功能强大的 PLC 产品作为控制系统且具有快速性、稳定性；无风扇运行与集中/分布式信号模块的热插拔性；高效的组态与本产品和图形工程工具
6、的高级语言相兼容；所有数据、程序原代码和用户专用数据存储在CPU 中；满足施工过程中的供电中断和故障保护等特殊要求。3 盾构机控制系统组成该盾构机的 PLC 控制系统分为两大部分。一部分是由 SIMATIC S7-300 组成的三个吊机（中箱涵吊机、管片运输吊机、管片转运吊机）的控制系统，其硬件及控制程序都是单独的，其硬件就是由 S7-300 系列中 CPU315-2DP 组成的控制系统，管片转运吊机 PLC 硬件组态见图 1；另一部分就是由 CPU 414-2DP 为主站组成的 SIMATIC S7-400 盾构机 PLC 控制系统。后一部分是盾构机 PLC 的核心部分。图 1 管片运输吊机
7、 PLC 硬件组态图SIMATIC S7-400 PLC 控制系统上位机（隧道内中央控制室监控操作系统）采用工业用计算机，配置为 P1100、512M 内存、40G 硬盘、两个 21 显示器，运行英文 Windows XP 操作系统，组态软件为 Graphpic7.1 英文版，通过西门子的 PROFIBUSDP 与下位机通讯；下位机采用 S7-400 系列中的 CPU414-2DP。由于整个处理工艺的面积比较大，控制回路多，为了避免铺设大量的控制线路，所以采用西门子的从站模块将一部分 I/O 放置在距离中心控制室较远而控制点又比较集中的地方（如采用 ET200 将在地面膨润土泥水场，距隧道内盾
8、构机最远有 3000 米的 P1.1A、P1.1B 泥水泵实现电机变频调速及信息反馈；采用西门子的 ET300 模块将离盾构机较远的 P2.3、P2.2 泥水泵实现电机变频调速及信息反馈等），该盾构机与以前盾构机的通讯不通所有通讯都利用西门子的 PROFIBUSDP 通讯协议形成远程I/O。控制系统结构如图 2 所示：图 2 控制系统网络示意图PROFIBUS-DP 网络处理来自 DP 网络中的传感器或与从站中的模块信息共享的功能，实现自动化中现场执行元件间的通讯任务；对于系统中拼装机和刀盘的旋转角度需要随时检测，并与系统中设定的限制值进行比较，保证在失电又恢复供电后能记忆当前读数，利用 PR
9、OFIBUS-DP 接口的现场总线输出，受外界干扰小，传感器的精度主要取决于编码器的分辨率，它采用二进制编码，可满足施工工艺的要求。地面监视系统是通过地面监视计算机与隧道内工业用计算机连接起来，可以通过 Windows XP 系统自带的远程登录功能，以实现在地面上就可以对隧道内盾构机运行状态的监视。VMT 导向系统能按照隧道工程设计的轴线，将施工工艺过程以形象生动的动态显示坐标展现给盾构司机，并能将从 PLC 获得的相应数据进行运算处理得出施工所需要的数据（如盾尾间隙、管片选型、拼装点数等） 。本系统中采用 PLC 的 DP 接口与装有 CP5611 通讯卡的 VMT 电脑进行通讯，实现实时的
10、从PLC 中获取相关施工数据，以便于施工。4 SIMATIC S7-400 PLC 控制系统硬件组态SIMATIC S7-400 PLC 控制系统主体放在中心控制室的电柜中。 如图 3 所示，该系统硬件由一个18 槽的主机架 UR1 和四个 18 槽的扩展机架 ER1 及下挂一个 P1.1A 泥水泵（ET200） 、一个 P1.1B 泥水泵（ET200） 、一个 P2.1 泥水泵（ET300） 、一个 P2.2 泥水泵（ET300） 、一个 P2.3 泥水泵（ET300） 、MDB1 电柜的两个 ET200、一个拼装机旋转角度检测传感器编码器和一个刀盘旋转角度检测传感器编码ET200(P1.1
11、A 泥浆泵)ET200(P1.1B 泥浆泵)ET300(P2.1泥浆泵)ET300(P2.3泥浆泵)ET300(P2.2泥浆泵)拼装机旋转角度传感器拼装机旋转角度传感器ET200（MDB1 配电柜）地面监视计算机 上位机下位机 PLC （CPU414-2DP）VMT 导向系统器及各中继器。各机架之间通过 5 个接口模块 IM460-3 连接起来。根据隧道工程施工要求，PLC 主机电源选用冗余电源；现场操作控制与管理控制级形成网络；PLC站能够接收监控计算机的时钟同步信号来记录和报送动作顺序及故障信息；数字量和模拟量的输入输出点数满足控制工艺要求，保留不少于 20%的备用点；并且要能接受拼装机和
12、刀盘的旋转角度检测传感器的绝对式编码器；为满足以上要求系统采用带 MPI 和 DP 接口的 CPU414-2DP 和一块 CP443-1 通讯模块。图 3 SIMATIC S7-400 PLC 硬件组态5 结合实际故障分析 SIMATIC S7-400 PLC 控制系统程序盾构机 PLC 的软件是 SIMATIC Manager 软件，在组装盾构机时海瑞克公司电气工程师，用装有SIMATIC 程序的专门随盾构机配备的 PG 将硬件组态好且将程序下载到下位机中。在施工过程中， PLC程序不停的循环运行，检测到某个传感器故障或超出设定限制值时，都会在上位机上出现报警提示或报警急停。首先解释一下实际
13、的 PLC 上标记，如图 4 和图 5 分别是控制室配电柜内 PLC 的输入点与输出点，也就是所谓的硬件组态的输入 I 与输出 Q，但在实际作标记时用的是德语 Eingeben 的首字母 E 和Ausgeben 的首字母 A，模拟量输入标记为 PEW，也就是程序中的 PIW，而且在程序中有很多标注都用到了德语，对我们没有学过德语的人可以用灵格斯翻译软件对其翻译。图 4 PLC 输入点标记 图 5 PLC 输出点标记5.1 上位机出现“.11/27.2 partial flow filter tank1”报警这样的报警对有经验的工程师来说，一看可能就知道是哪的故障，但对于不熟悉或从未出现过的故障
14、我们可以按照以下方法解决。从提示上可以看出，这是有输入点提示的，我们可以直接按“.11/27.2”找到电气图纸的第 11 部分的 27 页的第 2 列。如下图图 6 电气图纸所示，可以看到“.11/27.2”是液压油箱 tank1 的旁通冷却滤芯传感器。我们首先想到的是滤芯脏了。如果更换内滤芯后还是报警，通过图 6 找到对应的 PLC 输入点“=9-9D4”的“E13.7”即程序中的“I13.7”，用随机配备的 PG 连接到 PLC。图 6 “.11/27.2”电气图纸如下图图 7 所示，从程序中可以看出在正常掘进情况下 PLC 的输入点“=9-9D4”的“E13.7”是亮的，也就是图 6 中
15、传感器-27B2 是得电的、闭合的，我们可以检查传感器或线路进行排除。图 7 “I13.7”程序图5.2 上位机出现“DB50.DBX34.0”报警对于这样没有输入点提示的报警，可以通过 SIMATIC S7 程序，如图 8 可以查到“DB50.DBX34.0”在程序 FB50 的 Network21 中。图 8 “DB50.DBX34.0”在程序中的位置如图 9 所示，程序 FB50 找到“DB50.DBX34.0” ，从程序注释中可以看出是连续复位导致报警提示。图 9 FB50 中“DB50.DBX34.0”程序图5.3 SIMATIC S7 软件在线监视功能假如我们不确定某个传感器是好还
16、是坏，或者是不方便找到传感器时，可以通过 SIMATIC 的在线监视功能。如图 10 中 PG 和 PLC 连接好后，点击黑色圈中小眼镜就可在线监视运行情况，也就可知道I0.3 的状态，从而判断轮对位置传感器的好坏。图 10 右前方轮对限位中断掘进程序段6 小结目前两条隧道都已顺利贯通，通过实际应用可以证明该控制系统中的硬件和软件配置先进，如西门子 SIMATIC S7-400PLC 等。该系统是目前国内较大的应用西门子产品的隧道施工生产系统，自投产以来运行可靠，工程质量好。在施工生产中通过自己的摸索学习、进一步的体会，渐渐对本系统有了较深的了解，希望对以后使用或研究该系统的同行有所帮助，但由于实践时间不是很长，文中分析难免有误，恳请指教更正。参考文献(Referenionces)：1 廖常初. S7-300/400 PLC 应用技术. 北京：机械工业出版社，20052 高鸿斌, 孔美静, 赫孟合. 西门子 PLC 与工业控制网络应用，北京：电子工业出版社，20063 STEP 7 V5.4 编程手册4 廖常初.大中型 PLC 应用教程. 北京：机械工业出版社，20055 西门子 SIMATIC S7 System Service&Programming 培训教程
