原创《盾构机刀盘控制系统的机理与plc应用》
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【摘 要】 近些年来,我国在PLC 技术的研究方面取得了重大的突破,并将PLC 控制系统应用在各行业领域中.不仅可以提高系统的运行效率,还能对系统存在的问题进行控制,并采取正确的维修措施,保障系统的安全性.对此,本文对盾构机刀盘控制系统的机理及PLC 技术的应用进行了分析,并提出了有效的建议,以期为相关人员提供有益的参考.
【关键词】 盾构机 刀盘控制系统 PLC 技术
引言：盾构法是目前比较先进的暗挖施工方法,能有效摆脱外部环境因素的限制,确保施工的安全性.对此,在刀盘控制系统中应用PLC 技术,能有效提高盾构机的功能和性能,以保障施工质量和效率.
一、浅析刀盘控制系统的机理
1.1 系统组成
通常情况下,刀盘控制系统主要由液压马达、液压管线、主轴承、柱塞泵等组成.构成刀盘系统的构件则主要包括液压泵站、驱动马达组件、大齿轮箱等等.其中液压泵站主要是由液压油箱驱动电机液压泵先导泵组成,马达组件则是由8 台减速箱共同组合而成.在刀盘驱动系统当中,因连接法兰用螺栓具有较高强度特征,因此通过利用其连接主轴承内齿圈以及刀盘,使得刀盘能够在开挖掘进过程中拥有必要的转动扭矩,促进刀盘实现每分钟0 到6.1 转的无级变速.由8 组传动副以及主齿轮箱共同组合而成的刀盘驱动中,各组传动副统一各使用一个斜轴式变量轴向柱塞向栓塞马达以及水冷式变速齿轮箱,并且需要在变速齿轮箱中安装相应的制动设备,才能有效实现制动刀盘的效果.
1.2 工作原理
该盾构机在驱动装置的选择上采用了液压马达系统,并使用了双级减速传动的方式.当第一级减速器快要接近液压马达时,第二级减速器开始动作,通过齿轮之间的啮合来带动主轴承动作.在盾构机刀盘液压驱动系统当中,容积调速回路便是整个系统回路.由5.5kW 功率的外控液压控制先导泵系统对系统回路工作状态进行相应调整和控制.为了能够有效控制泵、马达斜盘角度,需要盾构司机在主控室对比例电磁阀电信号进行相应调控,进而完成对刀盘驱动供油液压泵与驱动液压马达的供油流量以及排量进行有效控制,使得刀盘转速和扭矩可以发生相应变化.根据公式：马达的排量× 马达的转速等于 泵的排量× 电机的转速；马达的转速×马达的排量等于 马达的流量,可知泵的排量决定马达即刀盘的转速；马达的扭矩由排量决定.有数据显示,当刀盘转速在每分钟0 到2.7 转的范围内可以被连续调整时,在正常工作状态下,扭矩最大值为4377kN·m.当进入高速掘进工作模式中,也就是刀盘转速维持在每分钟0 到6.1 转时,扭矩最大工作值为1970kN·m,此时系统脱困扭矩为5350kN·m.
当主轴承齿轮在运作时,齿轮油会发生升温变化,若温度过高时,会影响元件的质量.因此,需要配置相应的热交换器、油泵、过滤器等装置,确保其可以安全运行.在适当加大扭矩后,可以在一定程度上使得刮刀切削力得到相应提升,其使用切深也将明显加大,进而使得掘进速度能够得到明显加快.
二、PLC 技术在盾构机刀盘控制系统中的应用
以某盾构机为例,其刀盘主要采用的是液压马达驱动系统,需要利用PLC 技术来控制3 台刀盘电机,从而为刀盘提供动力支撑.因此,在实际应用阶段,需要对电机电路的实际情况进行分析,确保控制效果.当对1 号电机进行分析时,该电机的动力为315KW, 在启动时会产生过电流,容易损坏设备,需要采取降压起动等措施.当对刀盘的接触器与急停常开触点进行分析时,发现急停触点处于合位时,各器件处于正常工作状态.而当急停系统处于正常工作状态时,常开触点的开关则处于闭合状态,并有PLC 数据输出.同时,其余的常开触点与接触器也处于闭合、吸合状态,此时刀盘电机正常启动[1].
当对电机的运行状态进行分析时,应输入刀盘电机启动输入信号,在参数输入完毕后,停止输入信号检测参数、工作信号参数、断路器闭合信号参数等.同时,本次分析只针对1 号电机,为了避免3 台电机同步运行,还应该输入FGST 参数,确保只有1 号电机处于起动状态,以保障分析工作顺利进行.
在完成上述操作后,应对电机输入FG2 综合参数,有利于获得电机正确输入参数及处于正常运行状态下的输出逻辑.从而获得FG2 的输出逻辑.为了保障分析效果,还需要对其他辅助参数进行分析,以获得实际输出逻辑.当辅助参数的逻辑是“零”时,说明供给泵、冷水水泵、冷却回水等工作正常,其逻辑为1,电机处于正常起动和运行状态.
在将S7-PLC 技术运用在盾构机刀盘时,通过直接运用其中的Simatic Manager 程序随时监督控制盾构机刀盘驱动情况.在这一程序当中,油脂与齿轮油的控制功能模块为FB12,刀盘旋转的油脂与齿轮油方面条件的程序段则为Network19.如果某项条件满足的情况下,条件和逻辑盒连线相互呈现为绿色实线,反之为蓝色虚线.如在刀盘转动30s后,M28.5 位置上的条件和逻辑盒连线为绿色实线,则表明刀盘旋转的油脂与齿轮油方面条件已经得到充分满足.但此时表示主齿轮箱提供冷却与润滑的齿轮油和流量监控信号的E60.6 突然出现异常情况,监控显示出现蓝色虚线,此时该条件无法得到有效满足,刀盘出现自动停转的情况.要通过运用PLC 技术对刀盘旋转油脂以及齿轮油等进行实时监控,选择与之相对应的功能模块和程序段后,可以准确发现得知E60.6 存在故障问题.在按照Simatic Manager 的相关提示以及电路图手册内容,可知导致其出现故障的问题极有可能是齿轮油流量异常或是监控感应塞电路故障.工作人员通过结合实际情况进行深入判断分析后便可准确了解到故障原因为监控感应塞损坏,因此其通过重新更换流量监控感应塞的方式便可以有效处理故障问题,实现盾构机的重新正常运转.可见将PLC 技术运用在盾构机刀盘当中可以有效帮助人们随时对油脂泵运行状态、行星齿轮减速箱当中的齿轮油温度、齿轮泵运转情况等进行严密监控,其更主要的是可以帮助工作人员实现液压系统速度、扭矩控制的自动化以及智能提示排查故障,以此有效保障刀盘旋转油脂和齿轮油均可以满足相关标准,实现盾构机刀盘的持续运转.
三、PLC 技术在盾构机刀盘常见故障处理中的应用
第一,当电机起动工作快要结束时,而星三角转换突然无法正常进行时,一般是因为转换时间参数设置不正确,或常开触点存在吸合故障,导致FG2 的输出逻辑为“零”.对此,在实际处理时,首先需要彻底检查相应的监控卡,了解具体工作性能情况.随后应在此基础之上对PLC 控制系统的时间参数进行调整,并对延时继电器的参数进行调节,确保二者数值相等,或小于PLC 设置的时间.当对另外一个问题进行处理时,主要是检查常开触点的接触情况,若没有问题时再检查线路的运行状态,从而制定解决措施.
第二,当正常按下电机起动按钮而没有反应时,可能是因为PLC 系统存在故障,或控制电源存在故障等.其中,PLC 系统故障处理可通过以下两种方式,一方面是检查PLC软硬件设备,对破损的设备进行更换.另一方面是要检查PLC 系统有无信号输入问题,并根据实际情况进行处理,通过检查发现齿轮油流量无异常,但在监控卡当中并没有相应的流量监控感应塞S 端信号输入其中,因此工作人员初步判定监控感应塞出现了故障问题,其在将故障监控感应塞进行重新更换后,盾构机再次恢复正常工作.而当控制电源存在故障时,需要对电源的运行状态进行检测,若没有电源信号时,再对线路进行检测,从而判断是电源故障还是线路故障,并进行处理[2].通过结合PLC 技术排除盾构机刀盘故障可知,在PLC 技术的运用下,工作人员可以快速精准地了解故障信息,在灵活运用上位机完成查询以及指令下发下,可以充分发挥PLC 通信控制优势,以达到保障盾构机刀盘控制系统实现长久、稳定、安全运行的目的.
结束语：随着我国科学技术的发展,机械生产制造水平得到了快速提高,使得盾构机刀盘结构越来越复杂,给管理工作带来了很大的难度,也不利于开展维修工作.而将PLC控制技术应用在盾构机刀盘控制系统中,能有效简化控制流程,直接对各系统、元件的输出逻辑进行检测,以定位故障位置,并采取针对性的维修方案,保障盾构机刀盘可以正常运行.
参 考 文 献
[1] 陶云超. 德国海瑞克土压平衡盾构机刀盘转速异常故障原因分析和排除[J]. 铁道建筑技术, 2017(06):129-132.
[2] 肖权.PLC 在盾构机刀盘电机控制中的应用[J]. 建材与装饰( 下旬刊),2010(08):307-309.
[3] 赵勇. 基于动力学的盾构机行星传动系统的可靠性研究[D]. 重庆大学,2011.
[4] 邓立营, 刘春光, 党军锋. 盾构机刀盘扭矩及盾体推力计算方法研究[J]. 矿山机械,2010,38(17):13-16.
控制系统论文参考资料：
综上所述,此文是大学硕士与控制系统本科控制系统毕业论文开题报告范文和相关优秀学术职称论文参考文献资料，关于免费教你怎么写盾构机和控制系统和plc应用方面论文范文。
