大型機電設備電氣控制系統(tǒng)

《大型機電設備電氣控制系統(tǒng)》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《大型機電設備電氣控制系統(tǒng)（157頁珍藏版）》請在裝配圖網上搜索。

大型機電設備電氣控制系統(tǒng),第一章 概述,大型的施工機械設備的電氣控制系統(tǒng)是整個設備的控制核心，作用非常關鍵，其電氣控制系統(tǒng)也隨著技術水平的不斷進步而不斷改進，當前，諸如TBM、盾構這樣的典型大型機電設備的電氣控制系統(tǒng)均采用最先進、可靠的技術與設備以保證性能的充分發(fā)揮。,系統(tǒng)可靠性與先進性,1.1 大型機電設備電氣控制系統(tǒng)的基本要求與特點,電氣控制系統(tǒng)是整個盾構系統(tǒng)的控制與操作核心，盾構工作環(huán)境惡劣、條件復雜、維護維修條件及保障能力差，所以作為整個設備核心的電氣控制系統(tǒng)的可靠性對于保證盾構穩(wěn)定高效可靠地工作是至關重要的。 因此，盾構電氣控制系統(tǒng)設計的第一原則便是在保證盾構系統(tǒng)整體可靠性與性價比的前提下，采用當代最先進的自動控制與計算機控制技術。,計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在PLC控制系統(tǒng)的基礎上可以同時實現(xiàn)施工數(shù)據(jù)的采集、顯示、匯總、統(tǒng)計甚至分析，為施工管理人員科學管理、科學施工創(chuàng)造很好的條件。,繼電—接觸器控制系統(tǒng),1.2 機械設備電氣控制系統(tǒng)基本形式,繼電—接觸器控制系統(tǒng)以硬接線的方式保證順序動作的實現(xiàn)，直觀、形象，結構簡單、價格便宜。廣泛應用于各種機械設備。 但也存在很多缺點： 通用性和靈活性差、修改、調試不便； 不能實現(xiàn)機械設備模擬量參數(shù)的測試與自動控制； 經常產生電弧，容易燒損觸點，從而造成開關動作不可靠、維修不便。 可靠性較低,雖然繼電—接觸器控制系統(tǒng)存在上述不足，但是仍能滿足很多中小型機械設備的自動控制要求，仍是最基本的電氣控制系統(tǒng)之一，同時也是盾構等大型機械設備電氣控制系統(tǒng)設計的基礎,無觸點邏輯控制,1.2 機械設備電氣控制系統(tǒng)基本形式,無觸點邏輯控制系統(tǒng)與繼電邏輯控制系統(tǒng)本質上是相同的，只是使用三極管、可控硅、數(shù)字集成電路等半導體元件替代繼電器、接觸器等有觸點控制與執(zhí)行電器。 因此，與繼電—接觸器控制系統(tǒng)相比較，具有體積小、可靠性好、反應速度快、壽命長等優(yōu)點。,計算機控制系統(tǒng),1.2 機械設備電氣控制系統(tǒng)基本形式,隨著微電子技術及計算機技術的飛速發(fā)展，機械設備的電氣控制系統(tǒng)普遍采用了計算機，計算機以其強大的功能和靈活性為機械設備的設計與應用帶來了前所未有的進步與發(fā)展，尤其是盾構這樣的大型、超大型機械設備必須采用計算機控制系統(tǒng)才能滿足其工藝與控制要求。 計算機控制系統(tǒng)的優(yōu)點是功能強大、性能優(yōu)異、可靠性高、抗干擾能力強、壽命長，缺點是系統(tǒng)組成不直觀，，故障判斷與處理較困難等，因此對系統(tǒng)使用與維護人員要求高，要求使用與維護人員具有較全面較扎實的計算機與自動控制方面的理論知識與實踐經驗。 。,目前機械設備的計算機控制系統(tǒng)主要包括以下幾類：,1.2 機械設備電氣控制系統(tǒng)基本形式,嵌入式微控制器 。 工業(yè)計算機控制系統(tǒng) 可編程控制器（PLC）控制系統(tǒng) 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng),嵌入式微控制器,1.2 機械設備電氣控制系統(tǒng)基本形式,嵌入式微控制器具有體積小、功能強、抗干擾能力強、價格低廉等優(yōu)點，廣泛應用于各種機械設備的控制系統(tǒng)中，但一般應用于控制要求較簡單的中小型機械設備或生產過程控制,工業(yè)計算機控制系統(tǒng),1.2 機械設備電氣控制系統(tǒng)基本形式,工業(yè)計算機—IPC是采用PC架構并采取多種有效技術措施以適應工業(yè)現(xiàn)場惡劣環(huán)境的計算機系統(tǒng)，因此，以工業(yè)計算機IPC為核心構建的控制系統(tǒng)具有系統(tǒng)開發(fā)方便，可以充分利用PC機的強大軟件資源的優(yōu)點，具有強大的數(shù)據(jù)運算和處理能力，功能強大、性能優(yōu)異?？梢员容^容易的開發(fā)較復雜的控制程序，具有強大的數(shù)據(jù)處理與圖形顯示功能，所以比較適用于控制算法比較復雜的過程控制系統(tǒng)。,可編程控制器（PLC）控制系統(tǒng),1.2 機械設備電氣控制系統(tǒng)基本形式,可編程控制器是微型計算機技術與繼電—接觸器控制等常規(guī)控制技術相結合的產物，是在繼電—接觸器控制系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng)基礎上發(fā)展起來的新型控制器。所以以PLC(可編程控制器)為核心組成的控制系統(tǒng)計既具有繼電—接觸器控制系統(tǒng)簡單易懂易于理解的優(yōu)點，也具有計算機控制系統(tǒng)的靈活方便、柔性強的特點，同時比一般的計算機系統(tǒng)具有可靠性強的優(yōu)良特性。自1969年誕生世界上第一臺PLC以來，很快被世界上機械設備控制系統(tǒng)及生產過程控制系統(tǒng)廣泛采用，PLC一直是工業(yè)控制產品中市場占有率最高的產品。目前，諸如盾構這樣的大型機械設備全部采用PLC控制系統(tǒng)。,現(xiàn)場總線控制系統(tǒng),1.2 機械設備電氣控制系統(tǒng)基本形式,現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是采用現(xiàn)場總線技術形成的控制系統(tǒng)，本質上是一種計算機局域網絡系統(tǒng)。它是依靠具有檢測、控制、通信能力的嵌入式控制器，數(shù)字化儀表（設備）在現(xiàn)場實現(xiàn)徹底分散控制，并以這些現(xiàn)場分散的測量、控制設備單個點作為網絡節(jié)點，將這些點以總線形式連接起來，形成一個現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。所以，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是一種全數(shù)字、全分散的控制系統(tǒng)。,第二章 現(xiàn)場總線技術,§2.1 現(xiàn)場總線的產生,現(xiàn)場總線（Fieldbus）是用于現(xiàn)場儀表、控制系統(tǒng)、控制室之間的一種全分散、全數(shù)字化、智能、雙向、互聯(lián)、多變量、多點、多站的智能設備互連通訊網絡。,現(xiàn)場總線作為工廠數(shù)字通信網絡的基礎，溝通了生產過程現(xiàn)場及控制設備之間及其與更高控制管理層次之間的聯(lián)系。,它不僅是一個基層網絡，而且還是一種開放式、新型全分布控制系統(tǒng)，是以智能傳感、控制、計算機、數(shù)字通訊等技術為主要內容的綜合技術 ；,一、現(xiàn)場總線技術產生的背景,現(xiàn)場總線技術產生于二十世紀八十年代 是為滿足日益急迫的企業(yè)綜合自動化的需求 開放性 通用性 可靠性 智能儀表為現(xiàn)場總線的出現(xiàn)奠定了基礎,二、傳統(tǒng)的現(xiàn)場級與車間級自動化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng),傳統(tǒng)的現(xiàn)場級與車間級自動化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)（包括：基于PC、PLC、DCS產品的分布式控制系統(tǒng)），如圖所示：,,傳統(tǒng)的現(xiàn)場級與車間級自動化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng),其主要特點： 現(xiàn)場層設備與控制器之間的連接是一對一（一個I/O點對設備的一個測控點）所謂I/O接線方式，信號傳遞4-20mA（傳送模擬量信息）或24VDC（傳送開關量信息）信號。,主要缺點,信息集成能力不強：,控制器與現(xiàn)場設備之間靠I/O連線連接，傳送4-20mA模擬量信號或24VDC等開關量信號，并以此監(jiān)控現(xiàn)場設備。這樣，控制器獲取信息量有限，大量的數(shù)據(jù)如設備參數(shù)、故障及故障紀錄等數(shù)據(jù)很難得到。底層數(shù)據(jù)不全、信息集成能力不強，不能完全滿足企業(yè)信息化系統(tǒng)對底層數(shù)據(jù)的要求。,系統(tǒng)不開放、可集成性差、專業(yè)性不強：,除現(xiàn)場設備均靠標準4-20mA/24VDC連接，系統(tǒng)其它軟、硬件通常只能使用一家產品。不同廠家產品之間缺乏互操作性、互換性，因此可集成性差。這種系統(tǒng)很少留出接口，允許其它廠商將自己專長的控制技術，如控制算法、工藝流程、配方等集成到通用系統(tǒng)中去。,可靠性不易保證 ：,對于大范圍的分布式系統(tǒng)，大量的I/O電纜及敷設施工，不僅增加成本，也增加了系統(tǒng)的不可靠性。,由于現(xiàn)場級設備信息不全，現(xiàn)場級設備的在線故障診斷、報警、記錄功能不強。另一方面也很難完成現(xiàn)場設備的遠程參數(shù)設定、修改等參數(shù)化功能，影響了系統(tǒng)的可維護性。,可維護性不高 ：,三、現(xiàn)場設備的串行通信接口是現(xiàn)場總線技術的原形,由于大規(guī)模集成電路的發(fā)展，許多傳感器、執(zhí)行機構、驅動裝置等現(xiàn)場設備智能化，即內置CPU控制器，完成諸如線性化、量程轉換、數(shù)字濾波甚至回路調節(jié)等功能。,對于這些智能現(xiàn)場設備增加一個串行數(shù)據(jù)接口（如RS-232/485）是非常方便的。,有了這樣的接口，控制器就可以按其規(guī)定協(xié)議，通過串行通信方式（而不是I/O方式）完成對現(xiàn)場設備的監(jiān)控。,如果設想全部或大部分現(xiàn)場設備都具有串行通信接口并具有統(tǒng)一的通信協(xié)議，控制器只需一根通信電纜就可將分散的現(xiàn)場設備連接，完成對所有現(xiàn)場設備的監(jiān)控。,這就是現(xiàn)場總線技術的初始想法。,基于以上初始想法，使用一根通信電纜，將所有具有統(tǒng)一的通信協(xié)議通信接口的現(xiàn)場設備連接，這樣，在設備層傳遞的不再是I/O（4-20mA/24VDC）信號，而是基于數(shù)字信息，由數(shù)字化通信網絡構成現(xiàn)場級與車間級自動化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)。,§2.2 現(xiàn)場總線技術概念,一、現(xiàn)場總線定義,★ ISA SP50（美國儀表協(xié)會標準）中對現(xiàn)場總線的定義       — 現(xiàn)場總線是一種串行的數(shù)字數(shù)據(jù)通信鏈路，它溝通了過程控制領域的基本控制設備（即場地級設備）之間以及與更高層次自動控制領域的自動化控制設備（即車間級設備）之間的聯(lián)系        ★ 國際電工委員會IEC標準和現(xiàn)場總線基金會FF的定義       — 現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡,因此，可以進一步理解為：,現(xiàn)場總線是安裝在生產過程區(qū)域的現(xiàn)場設備/儀表與控制室內的自動控制裝置/系統(tǒng)之間的一種串行、數(shù)字式、多點通信的數(shù)據(jù)總線。其中，“生產過程”包括斷續(xù)生產過程和連續(xù)生產過程兩類。,現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System, FCS）是由以單個分散的、數(shù)字化、智能化的測量和控制設備作為網絡節(jié)點、用現(xiàn)場總線相連接組成的控制系統(tǒng)。這是繼電式氣動儀表控制系統(tǒng)、電動單元組合式模擬儀表控制系統(tǒng)、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)DCS后的新一代控制系統(tǒng)。,基于現(xiàn)場總線技術的現(xiàn)場級與車間級自動化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)如圖所示：,二、現(xiàn)場總線本質,1.現(xiàn)場通信網絡 ： 用于過程控制及制造自動化的現(xiàn)場設備或現(xiàn)場儀表之間互連的通信網絡。,2.現(xiàn)場設備互連 ： 傳感器、變送器、執(zhí)行機構等現(xiàn)場設備、現(xiàn)場儀表通過一對傳輸線實現(xiàn)互連。傳輸線可以使用雙絞線、同軸電纜、光纖等，并可根據(jù)需要選擇。,2.互操作性 ： 不同制造商的產品互聯(lián)互通即互操作性。,4.分散功能塊 ： FCS系統(tǒng)將控制站的功能分散分配給現(xiàn)場儀表，構成虛擬控制站，實現(xiàn)了徹底的分散控制。,5.使用通信線供電 ：,6.開放式互連網絡 ： FCS系統(tǒng)將控制站的功能分散分配給現(xiàn)場儀表，構成虛擬控制站，實現(xiàn)了徹底的分散控制。,三、現(xiàn)場總線國際標準,由于剛開始沒有一個統(tǒng)一的國際標準，各企業(yè)和企業(yè)集團相繼開發(fā)自己的總線產品，制定現(xiàn)場總線標準，形成了百花齊放的現(xiàn)狀 據(jù)不完全統(tǒng)計，目前市場上形形式式的現(xiàn)場總線有200多種 號稱為開放標準的也有二、三十種 現(xiàn)場總線國際標準IEC61158包含了八種類型，,1.IEC61158國際標準 ： 1999年底IEC TC65（負責工業(yè)測量與控制的第65標準化技術委員會）通過以下8種類型的現(xiàn)場總線作為IEC61158國際標準：,IEC技術報告（即FF的H1) Control Net(美國Rockwell公司支持） Profibus(德國西門子公司支持） P-Net（丹麥Process Data公司支持） FF HSE（原FF到H2） Swift Net（美國波音公司支持） World FIP（法國Alston公司支持） Interbus（德國PhoenixContact公司支持）,2.IEC TC17B通過以下3種類型的現(xiàn)場總線國際標準：,SDS（Smart Ditributed System) ASI(Actuator Sensor Interface） DeviveNet,2.ISO 11898 CAN（Control Area Network）,共12種,現(xiàn)場總線技術開發(fā)之熱是近年之舉 信息時代各項技術發(fā)展對測控系統(tǒng)提出的要求 計算機技術 網絡與通信技術 自動控制技術 信息（IT）技術 網絡化、信息化給自控技術的發(fā)展提供的機遇 各國投入巨額資金與人力在開發(fā)這一技術，形成了企業(yè)、國家、國際標準 歐洲、北美、亞洲、中國,§2.3  現(xiàn)場總線現(xiàn)狀與發(fā)展,1.多總線共存,2.每種總線都力圖擴展自己的應用領域,2.多數(shù)總線都成立了相應的國際組織,目前，現(xiàn)場總線技術存在以下特點：,4.多數(shù)總線都成為所在國或地區(qū)標準，以加強競爭地位，P-net成為丹麥標準，Profibus成為德國標準，WorldFIP成為法國標致，并于1994年成為并列的歐洲標準EN50170，此標準后來又吸收了Control Net和FF。,5.以太網成為新技術熱點,現(xiàn)場總線的發(fā)展中充滿了競爭,現(xiàn)場總線的發(fā)展過程中充滿了競爭 經濟因素：每種總線都有一個或多個公司且多是大型跨國公司為背景，公司的利益與總線的發(fā)展息息相關 原先投入較大的現(xiàn)場總線技術不甘輕言放棄 政治因素：總線之間的競爭還涉及國家、地區(qū)間的競爭 1998年前，現(xiàn)場總線以制定單一國際標準為目的 FF成為最有可能成為國際標準的總線 FF成為國際標準的努力受到多方阻力 最后通過妥協(xié)，現(xiàn)場總線技術出現(xiàn)了協(xié)調共存、共同發(fā)展的局面,現(xiàn)場總線技術特點,1.增強了現(xiàn)場級信息集成能力 ： 現(xiàn)場總線可從現(xiàn)場設備獲取大量豐富信息，能夠更好的滿足工廠自動化及CIMS系統(tǒng)的信息集成要求?，F(xiàn)場總線是數(shù)字化通信網絡，它不單純取代4-20mA信號，還可實現(xiàn)設備狀態(tài)、故障、參數(shù)信息傳送。系統(tǒng)除完成遠程控制，還可完成遠程參數(shù)化工作。,2.開放式、互操作性、互換性、可集成性 ： 不同廠家產品只要使用同一總線標準，就具有互操作性、互換性，因此設備具有很好的可集成性。系統(tǒng)為開放式，允許其它廠商將自己專長的控制技術，如控制算法、工藝流程、配方等集成到通用系統(tǒng)中去，因此，市場上將有許多面向行業(yè)特點的監(jiān)控系統(tǒng)。,2.系統(tǒng)可靠性高、可維護性好 ： 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)采用總線連接方式替代一對一的I/O連線，對于大規(guī)模I/O系統(tǒng)來說，減少了由接線點造成的不可靠因素。同時，系統(tǒng)具有現(xiàn)場級設備的在線故障診斷、報警、記錄功能，可完成現(xiàn)場設備的遠程參數(shù)設定、修改等參數(shù)化工作，也增強了系統(tǒng)的可維護性。,4.降低了系統(tǒng)及工程成本 ： 對大范圍、大規(guī)模I/O的分布式系統(tǒng)來說，省去了大量的電纜、I/O模塊及電纜敷設工程費用，降低了系統(tǒng)及工程成本 。,市場上主要的現(xiàn)場總線標準,P-Net Profibus WorldFIP Foundation Fieldbus（包括HSE） ControlNet Interbus SwiftNet AS-I CC-Link 還有CAN、HART、LonWorks、Modbus….,主要的現(xiàn)場總線比較,開關量信號,各種現(xiàn)場總線的應用領域,數(shù)據(jù)來自美國VDC公司所作調查,各類現(xiàn)場總線的市場占有情況,第三章 CAN總線及應用,§3.1 CAN總線概念及相關協(xié)議,§3.1.1 CAN總線概念,什么是CAN ?,CAN，全稱為“Controller Area Network”，即控制器局域網，是目前國際上應用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。,最初，CAN被設計作為汽車環(huán)境中的微控制器通訊，在車載各電子控制裝置ECU之間交換信息，形成汽車電子控制網絡。比如：發(fā)動機管理系統(tǒng)、變速箱控制器、儀表裝備、電子主干系統(tǒng)中，均嵌入CAN控制裝置。,CAN 總線應用范圍已不再局限于汽車行業(yè)，而向過程工業(yè)、機械工業(yè)、紡織工業(yè)、農用機械、機器人、數(shù)控機床、醫(yī)療器械等領域發(fā)展。,CAN已成為國際標準病被公認為是最有前途的現(xiàn)場總線之一。,§3.1.1 CAN總線概念,CAN的產生與發(fā)展,1986年2月，Robert Bosch 公司在SAE（汽車工程協(xié)會）大會上介紹了一種新型的串行總線——CAN控制器局域網,那是CAN誕生的時刻。,今天，在歐洲幾乎每一輛新客車均裝配有CAN局域網。同樣，CAN也用于其他類型的交通工具，從火車到輪船或者用于工業(yè)控制。,在1999年，接近6千萬個CAN控制器投入應用；2000年，市場銷售超過1億個CAN器件。,§3.1.1 CAN總線概念,CAN的一致性問題,目前，CAN 以兩種形式存在：,一種是具有11 位ID 標識符的BasicCAN 另一種是帶有擴展成29 位ID 標識符的高級形式PeliCAN， Philips Intel Siemens 均支持BasicCAN 和PeliCAN 。,內部的驗收濾波器屏蔽濾波器可通過標識符ID 來接收需要的報文、屏蔽不相關的報文，即只向CPU 提交合適的報文。,§3.1.1 CAN總線概念,CAN的一致性問題,PeliCAN 協(xié)議允許兩段長度的標識符：,A 部分使用11 位報文標識符能夠識別出2032 個不同的標識符（保留十六位）此部分兼容BasicCAN 。,B 部分有29 位能夠產生536870912 個不同的標識,§3.1.2 CAN的一些基本概念,報文,節(jié)點單元在總線開放時發(fā)送到總線上的具有一定長度及確定意義的不同格式的數(shù)據(jù)信息。,§3.1.2 CAN的一些基本概念,信息路由問題,CAN系統(tǒng)中，一個CAN節(jié)點不使用有關系統(tǒng)結構的任何信息（如站地址等）。,一個CAN節(jié)點可以在所有節(jié)點及其應用層的軟件或硬件不做任何改變的情況下接入CAN網絡,具有極好的系統(tǒng)靈活性,§3.1.2 CAN的一些基本概念,報文通信,CAN系統(tǒng)中，一個CAN節(jié)點發(fā)送的報文內容由其標識符ID命名。,但標識符ID并不指出報文的目的，而是描述數(shù)據(jù)的含義,,因此，CAN網絡中的所有節(jié)點都可以通過報文濾波決定該報文數(shù)據(jù)是否使其激活。,§3.1.2 CAN的一些基本概念,成組,由于采用報文濾波方式，所有節(jié)點均可接收報文并可被同一報文激活,,§3.1.2 CAN的一些基本概念,位速率 —— 數(shù)據(jù)傳輸率,CAN的數(shù)據(jù)傳輸率在不同的系統(tǒng)是不同的，但在一個給定的系統(tǒng)中，是唯一且固定的。,§3.1.2 CAN的一些基本概念,優(yōu)先權,標識符定義了一個報文的優(yōu)先權。,遠程數(shù)據(jù)請求,需要數(shù)據(jù)的節(jié)點通過發(fā)送一個遠程幀請求另一個節(jié)點發(fā)送一個相應的數(shù)據(jù)幀。,遠程幀與相應的數(shù)據(jù)幀以相同的 標識符ID命名。,§3.1.2 CAN的一些基本概念,多主站,總線開放時，任何節(jié)點均可發(fā)送報文，具有最高優(yōu)先權報文的節(jié)點將贏得總線訪問權 。,§3.1.9  CAN的位仲裁技術,位仲裁技術及其原理,CAN總線使用“載波檢測多路訪問/沖突避免”（CSMA/CA)通信方式控制數(shù)據(jù)的發(fā)送。,CSMA:Carrier Sense Multiple Access 載波偵聽多路訪問,CA：Collision Avoidance  沖突避免,允許總線上的任一設備有機會取得總線的控制權以發(fā)送信息。,如果同一時刻有兩個以上的設備欲發(fā)送信息，將發(fā)生沖突，此時CAN總線能夠實時地檢測這些沖突并作出相應的仲裁，從而是的獲得仲裁通過的信息幀能夠不受任何損壞地繼續(xù)傳送。,§3.1.9  CAN的位仲裁技術,位仲裁技術及其原理,當總線空閑時呈隱性電平，此時任何一個節(jié)點都可以想總線發(fā)送一個顯性電平——幀開始，作為一個信息幀的開始。,如果有兩個以上的節(jié)點同時發(fā)送，就會產生競爭。,CAN總線按位對標識符進行仲裁；,各發(fā)送節(jié)點在向總線發(fā)送數(shù)據(jù)電平的同時，也對總線上的數(shù)據(jù)電平進行讀取，并與自己發(fā)送的電平進行比較；。,如果電平相同則繼續(xù)發(fā)送下一位，不同則停止發(fā)送從而退出總線競爭；,而剩余的節(jié)點將繼續(xù)上述過程，知道總線上只剩下一個節(jié)點發(fā)送的電平，此時總線競爭結束，優(yōu)先級最高的節(jié)點獲得總線的使用權；,§3.1.9  CAN的位仲裁技術,位仲裁技術及其原理,CAN 總線以報文為單位進行數(shù)據(jù)傳送，其標識符規(guī)定了此報文的優(yōu)先權。,具有最低二進制數(shù)的標識符具有最高的優(yōu)先級。,這種優(yōu)先級一旦在系統(tǒng)設計時被確定就不能更改；,總線沖突通過位仲裁解決。,§3.1.9  CAN的位仲裁技術,位仲裁技術及其原理,下圖標識了3個節(jié)點的CAN信息幀在總線上的競爭仲裁情況：,§3.1.9  CAN的位仲裁技術,位仲裁技術及其原理,在第6位（ID5) 節(jié)點2發(fā)送一個1（隱性位），但是從總線上接收到的卻是0，說明有優(yōu)先級比它高的信息幀在發(fā)送。,只有節(jié)點3成功地發(fā)送完全部的仲裁場各位，從而獲得總線控制權，繼續(xù)發(fā)送完其全部信息。,所以，節(jié)點2 立即退出發(fā)送，變?yōu)橹宦犇Ｊ剑嘞碌?個節(jié)點繼續(xù)發(fā)送；,在第9位（ID2) 節(jié)點1發(fā)送一個1（隱性位），但是從總線上接收到的卻是0，也退出發(fā)送，變?yōu)橹宦犇Ｊ健?在前5位（ID10-ID6)都相同，所以3個節(jié)點偵聽到的信息和它們發(fā)出的相同,§3.1.9  CAN的位仲裁技術,位仲裁技術及其原理,這種仲裁方式是非破壞性的位仲裁方式,在最終確定哪個節(jié)點的報文被傳送之前，報文的起始部分已經在總線上傳送了；,未獲得總線控制權的節(jié)點都成為具有最高優(yōu)先級報文的接收站，并且不會在總線再次空閑以前發(fā)送報文。,由上述分析可以看出：,§3.1.9  CAN的位仲裁技術,不足與局限性,由于采用固定優(yōu)先級，當高優(yōu)先級的節(jié)點以較高頻率發(fā)送數(shù)據(jù)時，低優(yōu)先級的節(jié)點就很難將數(shù)據(jù)傳送到總線，甚至一個數(shù)據(jù)都發(fā)送不出來，至少導致較大的延時，不利于實時的數(shù)據(jù)采集與控制,§3.2  CAN總線系統(tǒng)的結構原理,§3.2.1  CAN總線系統(tǒng)的構成,CAN總線時現(xiàn)場總線的一種，是一種有效支持分布式、實時控制的串行通信網絡。,從原理和實現(xiàn)的角度，只要有兩個CAN節(jié)點和將他們連接成一體的通信介質就可以構成一個CAN總線系統(tǒng)，這兩個節(jié)點通過通信媒介交換信息。,§3.2.1  CAN總線系統(tǒng)的構成,一方面，可以由控制器節(jié)點、傳感器節(jié)點、執(zhí)行器節(jié)點以及其他的監(jiān)控節(jié)點（如人機界面等）構成一個CAN 總線系統(tǒng)。,另一方面，CAN 總線系統(tǒng)作為控制局域網還可以通過網關和其他網絡(如以太網等）互聯(lián)構成大型網絡系統(tǒng)。,§3.2.1  CAN總線系統(tǒng)的構成,CAN 總線控制系統(tǒng)結構圖如下圖所示：,§3.2.1  CAN總線系統(tǒng)的構成,由控制系統(tǒng)的角度看，最小的控制系統(tǒng)是一個單回路的閉環(huán)控制系統(tǒng),即由一個控制器、一個傳感器和一個執(zhí)行起組成,另外，以CAN 總線為基礎的網絡控制系統(tǒng)也可以由多個互不相關的控制回路組成，但共享一個控制網絡 —— CAN總線。,從現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS的概念來講，傳感器節(jié)點、執(zhí)行起節(jié)點都可以集成控制器，即所謂的智能節(jié)點；,這樣就形成了真正分布式（主要是算法分散）的網絡控制系統(tǒng)；,§3.2.2  CAN總線系統(tǒng)的節(jié)點,節(jié)點,CAN 總線的節(jié)點一般是指掛在CAN 總線上的傳感部件、執(zhí)行部件或控制器單元等,CAN總線是通過允許節(jié)點間的對等傳播數(shù)據(jù)來實現(xiàn)網絡通信的。,§3.2.2  CAN總線系統(tǒng)的節(jié)點,節(jié)點組成,CAN 總線的節(jié)點構成多種多樣，一般的節(jié)點結構如下圖所示：,§3.2.2  CAN總線系統(tǒng)的節(jié)點,節(jié)點組成,關鍵部分是總線控制器和總線收發(fā)器，由它們來實現(xiàn)CAN 總線的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。,如果嵌入了控制算法，則此節(jié)點即為控制器節(jié)點；,如果帶有傳感器接口，則此節(jié)點即為智能傳感器節(jié)點；,如果帶有執(zhí)行器驅動接口，則此節(jié)點即為執(zhí)行器節(jié)點；,一個節(jié)點可以具有多種功能，例如可以具有I/O接口即控制算法，便成為一個完整的控制節(jié)點；,第四章 大型機電設備電氣控制系統(tǒng)總體結構分析,,1.單PLC電氣控制系統(tǒng),目前多數(shù)大型機電設備的控制系統(tǒng)采用以一臺中、大型PLC為核心組成控制系統(tǒng)的單PLC電氣控制系統(tǒng)， 由圖可知，電氣控制系統(tǒng)由一臺大型PLC為控制核心，完成數(shù)據(jù)采集與控制任務。PLC通過串行通信接口與控制室內數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)計算機通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與儲存、顯示、統(tǒng)計、打印，并通過調制解調器將數(shù)據(jù)遠傳至洞外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)系統(tǒng)。,,單PLC電氣控制系統(tǒng),此種方式是一種完全集中式的控制系統(tǒng)，所有的輸入、輸出信號都需連接至PLC。大型機電設備非常龐大，控制所需的輸入信號與輸出信號也很多且分布于設備各個位置，所以，這種集中式電氣控制系統(tǒng)所需的電纜數(shù)量將非常多且長度很大，成本很高且安裝維護不便，同時也會對系統(tǒng)的可靠性造成很大影響。 另外，此種方式的控制系統(tǒng)由于功能全部集中于單臺PLC，其控制程序的開發(fā)工作也很復雜。,2.多PLC電氣控制系統(tǒng),如圖所示為多PLC方式電氣控制系統(tǒng)結構框圖，系統(tǒng)使用多臺中型或大型PLC為核心完成電氣控制任務,,,此種方式，通過對整機控制需求進行分析，按照控制功能、安裝位置等將控制任務分解為若干部分并分別由不同的PLC承擔，PLC之間通過網絡通信接口建立通訊聯(lián)系，從而構建為一完整的電氣控制系統(tǒng)。 因此，這種控制系統(tǒng)將功能進行了適當分散，與單PLC方式的控制系統(tǒng)相比，很多輸入、輸出信號的接入距離可以大大縮短。安裝及維護工作也相對得到很大改善。,2.遠程I/O方式構建電氣控制系統(tǒng),如圖所示為遠程I/O方式電氣控制系統(tǒng)結構框圖，系統(tǒng)一臺中型/大型PLC為核心，并采用智能遠程I/O模塊完成整機的電氣控制任務,,,,智能遠程I/O模塊是一種可以遠端放置完成相應的I/O控制任務，并可以通過網絡通信接口與主PLC進行通信的智能輸入、輸出接口模塊。使用智能遠程I/O模塊就可以將模塊就近安裝于被控對象臨近，從而避免長距離連接控制電纜的弊端。 所以采用這種方式可以大大地減少控制電纜的使用量，同時也為安裝、維護及系統(tǒng)可靠性帶來了很大益處。,4.現(xiàn)場總線方式電氣控制系統(tǒng),如圖所示為現(xiàn)場總線方式電氣控制系統(tǒng)結構框圖，系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線技術構成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)完成TBM整機的電氣控制任務,,,,,由圖可知，系統(tǒng)可以包括多臺PLC、多臺完成監(jiān)控/操作任務的計算機、以及多臺完成具體測控任務的現(xiàn)場總線智能節(jié)點單元，它們之間通過各自的現(xiàn)場總線接口通信，從而構建成為全分散全數(shù)字化的現(xiàn)場總線方式的TBM電氣控制系統(tǒng),第五章 TBM電氣控制系統(tǒng),,如前所述，TBM技術先進、結構復雜。在國外經過五十多年的研究與發(fā)展，已成為長大隧道最有效的施工手段之一。TBM 是大型的隧道施工機械設備，工作環(huán)境非常惡劣，其電氣及控制系統(tǒng)的作用非常關鍵，并且其電氣及控制系統(tǒng)也隨著技術水平的不斷進步而不斷改進，當前TBM電器及控制系統(tǒng)均采用最先進、可靠的技術與設備以保證TBM性能的充分發(fā)揮。 目前，TBM電氣控制系統(tǒng)均采用PLC作為其電氣控制系統(tǒng)的控制核心。但是，不同的TBM從總體結構形式有所不同。,5.1 WIRTH TB880E電氣控制系統(tǒng),TBM 880E采用多臺PLC組成一功能強大的電氣及自動控制系統(tǒng)，主控制系統(tǒng)組成如圖7－21所示,由系統(tǒng)框圖可知，主機系統(tǒng)與后配套系統(tǒng)分別使用一臺大型PLC為控制核心，完成數(shù)據(jù)采集與控制任務，兩臺PLC之間通過網絡通信接口板建立實時通信。 主機PLC通過串行接口與控制室內WDAS系統(tǒng)計算機通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與儲存、顯示、統(tǒng)計、打印。 后配套PLC通過調制解調器將數(shù)據(jù)遠傳至隧道外WDAS系統(tǒng)。 其他相對獨立的配套設備如錨桿鉆機、翻車機等也都使用小型PLC構建控制系統(tǒng),5.2 ROBBINS MB264-311掘進機電氣控制系統(tǒng),圖所示為ROBBINS MB264-311TBM掘進機電氣控制系統(tǒng)框圖,,由圖可知，系統(tǒng)總體結構采用PLC加智能遠程I/O模塊方式構成。系統(tǒng)使用PLC基本模塊與部分輸入、輸出信號連接，另外，通過擴展模塊接口板擴展了一擴展模塊,擴展模塊包括：擴展模塊接口板、DEVICENET總線接口板、RS232串行通信接口板、CC—LINK遠程I/O接口板，下面具體說明其作用。,擴展模塊包括：擴展模塊接口板、DEVICENET總線接口板、RS232串行通信接口板、CC—LINK遠程I/O接口板，下面具體說明其作用。,擴展模塊接口：與基本模塊通信； DEVICENET總線接口板：ROBBINS MB264-311 TBM的8臺刀盤電機分別由2臺變頻器驅動，變頻器的控制由PLC程序實現(xiàn)，變頻器與PLC的通信接口即為DEVICENET總線接口； RS232串行通信接口板：PLC與觸摸屏通過此接口板通信； CC—LINK遠程I/O接口板：PLC主機部分與分布于全機的15臺智能遠程I/O模塊通過CC—LINK接口通信；,PLC基本模塊通過USB接口與編程終端連接，同時，編程終端與觸摸屏通過以太網接口連接為計算機網絡，另外觸摸屏的另一以太網口通過一網絡MODEM經電話線路連至地面數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)計算機，使得地面的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)計算機可以實時的得到TBM掘進機的各項工況參數(shù)。,5.3 TBM自動控制方式及實現(xiàn),TBM電氣控制系統(tǒng)提供了三種工作模式：自動扭矩控制、自動推力控制和手動控制模式。自動扭矩控制只適用于均質軟巖，自動推力控制只適用于均質硬巖，手動控制模式操作方便、反應靈活，適用于各種地質情況,5.2.1自動推力控制方式,自動扭矩和自動推力控制模式是通過改變自動檔設定值電位器阻值的大小，由PLC系統(tǒng)自動根據(jù)機器相關參數(shù)進行調整來實現(xiàn)自動控制。以自動推力控制模式為例，其閉環(huán)控制回路如圖所示,5.2.2自動扭矩控制方式,自動扭矩控制模式原理與此相似，只是控制參量為刀盤主電機扭矩。其閉環(huán)控制回路 如圖所示,由上述兩種自動控制模式的原理分析可以看出，為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，系統(tǒng)對設定值的反應不會也不允許太靈敏，允許實際值的波動范圍較大，并且只能對整個刀盤的平均值作出反應，而不能對實際掘進中多變的巖石情況作出靈活迅速的反應。因此在實踐操作過程中最常用的還是采用手動控制模式，其實質是以主司機替代PLC系統(tǒng)，根據(jù)掘進情況，手動改變推進速度電位器的開環(huán)控制系統(tǒng)。,§5 盾構PLC電氣控制系統(tǒng)總體結構形式,,單PLC電氣控制系統(tǒng),盾構電氣控制系統(tǒng)總體結構形式,目前多數(shù)盾構控制系統(tǒng)采用以一臺中、大型PLC為核心組成控制系統(tǒng)的單PLC電氣控制系統(tǒng)，如德國海瑞克公司的盾構系統(tǒng)，系統(tǒng)總體結構形式如圖所示。 由圖可知，電氣控制系統(tǒng)由一臺大型PLC為控制核心，完成數(shù)據(jù)采集與控制任務。PLC通過串行通信接口與控制室內數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)計算機通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與儲存、顯示、統(tǒng)計、打印，并通過調制解調器將數(shù)據(jù)遠傳至洞外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)系統(tǒng)。,盾構電氣控制系統(tǒng)總體結構形式,,單PLC電氣控制系統(tǒng),盾構電氣控制系統(tǒng)總體結構形式,由圖可知，電氣控制系統(tǒng)由一臺大型PLC為控制核心，完成數(shù)據(jù)采集與控制任務。PLC通過串行通信接口與控制室內數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)計算機通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與儲存、顯示、統(tǒng)計、打印，并通過調制解調器將數(shù)據(jù)遠傳至洞外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)系統(tǒng)。,盾構控制及數(shù)據(jù)采集、顯示有關的各種數(shù)字量（如開關、按鈕狀態(tài)及各種數(shù)字量傳感器狀態(tài)等）、模擬量（如油溫、油壓、液位等）均通過各種傳感器經數(shù)字量輸入接口（DI）與模擬量輸入接口（AI）接入PLC。同時，根據(jù)各種控制策略經PLC內部控制程序運算分析后形成各種控制決策，經數(shù)字量輸出接口（DO）控制各指示燈、接觸器、繼電器、電磁閥等執(zhí)行相應動作或經模擬量輸出接口（AO）控制相應的伺服電機等執(zhí)行機構動作。,土壓平衡式盾構系統(tǒng)常用的各種數(shù)字量、模擬量及檢測元件/傳感器參見下表,現(xiàn)場總線電氣控制系統(tǒng),盾構電氣控制系統(tǒng)總體結構形式,由于盾構控制系統(tǒng)被控對象分布范圍大，數(shù)量相對較多，約有一千多個測控點，屬于大型PLC控制系統(tǒng)。因此采用主從式、分布式結構有利于提高系統(tǒng)的可維護性、可靠性，有利于控制軟件的編制。而現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是一個很好的選擇。 采用現(xiàn)場總線技術的PLC電氣控制系統(tǒng)如圖所示：,,,由圖可知，這種以可編程控制器為主站，遠端PLC、智能遠程I／O模塊為從站的基于現(xiàn)場總線的盾構電氣控制系統(tǒng)主要包括控制室內主PLC、若干遠端PLC分站、若干智能遠程I/O模塊以及控制室內數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與洞外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 盾構PLC采用現(xiàn)場總線控制技術，在主控制室設置PLC主站，再根據(jù)設備的分布情況，在電氣設備相對集中的盾體和低壓配電柜處設置PLC分站，按照就近接線的原則，將分站附近的設備就近接入分站，這樣就可以減少大量接線，節(jié)約大量電纜，主站與分站之間通過現(xiàn)場總線組成一個通信控制網絡。,這樣的控制系統(tǒng)結構方案可以最大限度地減小布線工作量。PLC程序采用結構化編程，將程序按功能分成不同的功能組分別編程。這樣容易發(fā)現(xiàn)和檢查錯誤，特別適合像盾構這樣控制點多且分散，沿線狀分布的場合，還具有檢修維護方便，擴充靈活，降低造價的優(yōu)點。,§ 6 盾構PLC電氣控制系統(tǒng)常見結構及主要控制程序模塊,,可編程控制器的主要控制程序模塊,包括：控制時序產生、模擬量采集、過濾與冷卻回路控制、潤滑與齒輪油控制、刀盤驅動控制、推進控制、管片機控制、盾尾油脂控制、輔助液壓系統(tǒng)、膨潤土系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)、泡沫系統(tǒng)、故障處理、超挖刀控制、變頻器控制、電機啟停控制、給定值處理、給定值轉換、故障記錄、系統(tǒng)保護、鉸接控制、螺旋輸送機控制、控制量處理、脈沖時間處理、脈沖計數(shù)、偏差值處理、推進缸壓力計算、鉸接油缸位移測量、盾尾油脂控制、推進油缸MTS位移傳感器測量、位移控制、壓力調節(jié)、壓力給定處理、電源故障處理、再觸發(fā)時間監(jiān)控、系統(tǒng)復位、重新啟動控制等。,§7 盾構主要動作控制原理與控制策略,,土壓平衡的實現(xiàn),盾構主要動作控制原理與控制策略,土壓平衡控制是土壓平衡盾構控制技術的關鍵。對土壓平衡的控制主要依賴于操作人員的手動調節(jié)，屬于開環(huán)控制。在操作面板上分別顯示刀盤工作區(qū)(分為若干個分區(qū))的推進位移、壓力，以及土倉內的土壓值。操作人員根據(jù)顯示數(shù)值是否正常來調節(jié)推進壓力或推進速度或螺旋輸送機速度。有2種方式來保證土壓平衡：,土壓平衡控制因素如下圖所示：,土壓平衡控制,影響土倉內壓力平衡的因素包括：掘進面土壓及環(huán)境地下水壓力、刀盤推進速度、螺旋輸送機排土速度等。因此，保持土倉內土壓力平衡的控制策略包括：,控制進土量：通過調整盾構推進液壓缸的推進速度控制進土量，,控制排土量：通過調整螺旋輸送機的轉速控制排土量,同時控制進土、排土量：,其中控制排土量模式簡單方便，應用最為廣泛，盾構土壓平衡控制的特性直接影響盾構施工穩(wěn)定性和施工效率。,土壓平衡控制系統(tǒng)組成框圖如下圖所示：,由圖可知，土壓平衡控制系統(tǒng)主要由以下部分組成：,1. 參數(shù)設定：,控制參數(shù)設定：經人機交互設備設定輸入,調節(jié)參數(shù)設定：主要包括螺旋輸送機速度設定、推進液壓缸速度設定、推進液壓缸壓力設定、刀盤轉速設定，均通過相應的設定電位器設定后經A/D轉換為數(shù)字量后輸入PLC,土倉壓力設定：一般可以有兩種設定方式，一是由土倉壓力設定電位器設定后經A/D轉換為數(shù)字量后輸入PLC，另外一種是直接由觸摸屏/上位機等人機交互設備設定輸入,2. 控制輸出：,刀盤轉速：通過比例變量泵進行控制，盾構機掘進時，調整控制面板上的刀盤轉速設定電位器，通過A／D轉換輸入到PLC，PLC根據(jù)設定值經D／A轉換輸出到比例變量泵，通過控制變量泵的排量來實現(xiàn)刀盤轉速的連續(xù)調節(jié)，刀盤轉速的控制屬開環(huán)控制。,推進液壓缸速度與壓力控制：盾構機的推進系統(tǒng)一般由多個左右對稱的推進液壓缸組成，推進液壓缸可分別進行調壓和調速控制，調壓值和調速值分別通過速度設定電位器和壓力設定電位器給定。,推進液壓缸的速度、壓力控制可以是開環(huán)控制，也可以是閉環(huán)控制，這要根據(jù)實際掘進情況而定。,對于開環(huán)控制，設定值通過A／D轉換模塊輸入到PLC，PLC根據(jù)設定值再經D／A轉換輸出到相應的推進液壓缸的比例溢流閥和比例調速閥，對推進液壓缸進行速度和壓力控制。,對于閉環(huán)控制，PLC根據(jù)控制策略與控制算法計算出控制輸出量，經D/A轉換后輸出到相應的推進液壓缸的比例溢流閥和比例調速閥，對推進液壓缸進行速度和壓力控制。,螺旋輸送機轉速控制：與推進液壓缸速度與壓力控制類似，可以是開環(huán)控制，也可以是閉環(huán)控制。,對于開環(huán)控制，設定值通過A／D轉換模塊輸入到PLC，PLC根據(jù)設定值再經D／A轉換后得到控制電流信號，放大后通過電磁比例閥控制變量泵排量的變化，從而控制螺旋輸送機的液壓馬達的轉速作對應的變化，使得螺旋輸送機的轉速(即泥土排出量)也隨之增大或減少。,對于閉環(huán)控制， PLC根據(jù)控制策略與控制算法計算出控制輸出量，經D/A轉換后得到控制電流信號，放大后通過電磁比例閥控制變量泵排量的變化，從而控制螺旋輸送機的液壓馬達的轉速作對應的變化，使得螺旋輸送機的轉速(即泥土排出量)也隨之增大或減少。,土壓平衡控制原理：,下面以控制排土量模式為例說明土壓平衡的控制原理。,排土量控制實際上是根據(jù)土艙內的土壓控制螺旋輸送機的轉速，實際掘進時即可采用開環(huán)控制也可采用閉環(huán)控制，閉環(huán)控制框圖如圖：,控制器一般使用簡單實用的PID控制，土倉中的土壓經土壓計測量后通過A／D轉換送到PLC，并將土壓測量值與土壓設定值進行比較，計算出測量值與設定值之間的差值e， PLC根據(jù)偏差e進行PID運算，得到控制輸出量u，通過PID控制，自動調整螺旋機轉速，使e值趨向于零，當e值大于零時，PLC發(fā)出指令，增加螺旋機轉速，提高出土量直至土倉內土壓重新達到新的平衡狀態(tài)，反之當e值小于零時，PLC 會降低螺旋機轉速，以減少偏差。從而實現(xiàn)了土倉內土壓平衡、盾構機正常掘進。,PID控制器控制參數(shù)選取是否合適非常關鍵，必須通過參數(shù)整定獲得符合控制要求的P、I、D等各項參數(shù)，盾構控制參數(shù)整定可分為兩階段，第一階段在設備組裝完畢，無負荷調試運行狀態(tài)下進行預整定，第二階段在掘進開始，土層穩(wěn)定后，根據(jù)土層狀況和操作習慣進行整定，最終確定控制參數(shù)。,(1)以一定掘進速度推進，通過調節(jié)螺旋輸送機 各壓力區(qū)中的最大值(最大值加1O％)。的排土量達到土倉的土壓平衡。螺旋輸送機速度加快，則土倉內的土壓將下降，反之則上升。 (2)螺旋輸送機轉速保持一定值，調節(jié)推進速度實現(xiàn)土壓平衡。推進速度加快，則土倉內的土壓上升，反之則下降。,姿態(tài)控制的實現(xiàn) ·,盾構主要動作控制原理與控制策略,姿態(tài)控制是通過導向系統(tǒng)給操作人員指示隧道實際軌跡與設計軌跡的偏差，由操作人員根據(jù)經驗調節(jié)推進系統(tǒng)各工作分區(qū)不同的給定壓力，從而使盾構轉向。,推進速度與推進壓力的協(xié)調 ·,6.5.2盾構主要動作控制原理與控制策略,盾構控制的另一個重要問題就是推進缸的壓力和速度的協(xié)調控制問題?？刹捎玫牟呗园ǎ?手動狀態(tài),各分區(qū)分別處于壓力閉環(huán)控制，也就是說，各區(qū)的推進缸的推進壓力分別由面板上的給定電位器決定，比例流量閥處于比較大的開口，推進缸主要由比例溢流閥來控制。這種工況一般出現(xiàn)在姿態(tài)調整時。,自動狀態(tài),工作分區(qū)中的若干個(如：A、C、E)處于流量控制狀態(tài)，比例流量閥的給定由面板上的速度給定電位器決定。而另外兩個區(qū)(如：B、D)處于壓力閉環(huán)控制狀態(tài)，壓力給定來自于各自的壓力給定電位器。這種工況一般出現(xiàn)在正常直線掘進時。,§ 8盾構計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),,計算機數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)主要用于數(shù)據(jù)采集分析，它由盾構控制室的工控機和洞外辦公室的PC機組成，由現(xiàn)場操作人員使用，用于人機對話、顯示數(shù)據(jù)、設置和修改系統(tǒng)控制參數(shù)等。一般采用組態(tài)軟件編制，通常包括下列組態(tài)界面，分別通過功能鍵切換。：,主要完成參數(shù)設定、監(jiān)控、管理功能 采用組態(tài)軟件，西門子WinCC，施耐德的Factrylink 現(xiàn)場工控機與辦公室的管理計算機組成局域網，將洞內盾構機的信息傳輸?shù)降孛孓k公室，并儲存起來。 操作畫面 設定界面：設定盾構對象和控制參數(shù) 測量界面：顯示盾構中各類檢測儀器的測量值 掘進界面：施工時主畫面，掘進參數(shù)、設備狀態(tài) 歷史曲線畫面：以曲線形式顯示歷史施工數(shù)據(jù)，可按環(huán)號查詢 報警畫面：及時顯示盾構設備運轉情況和故障報警 報表 動態(tài)曲線 鉸接畫面：用于鉸接操作和控制，并顯示盾構姿態(tài),泡沫系統(tǒng)監(jiān)視界面； 土壓力、螺旋輸送機、仿形刀監(jiān)視控制界面； 油溫度、盾尾密封、鉸接油缸、推進油缸監(jiān)視界面； 泡沫系統(tǒng)參數(shù)設置界面； 油箱報警溫度、注漿壓力參數(shù)設置界面； 掘進參數(shù)設置界面； 盾尾密封控制參數(shù)設置界面； 故障、報警監(jiān)視界面；,華隧通盾構數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡介,,系統(tǒng)組成：,華隧通盾構數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為日本演算工坊(ENZAN)產品；,系統(tǒng)基本組成如下圖所示：,系統(tǒng)基本功能,1．信號收集與處理,2．數(shù)據(jù)形成,3．數(shù)據(jù)記錄及保存,4．系統(tǒng)的工作狀態(tài),5．環(huán)片掘進過程,6．采集數(shù)據(jù)顯示與應用,7．已收集數(shù)據(jù)的管理,10．數(shù)據(jù)的有效利用,9．報表制作及打印存檔,8．保存數(shù)據(jù)的表示：可以用數(shù)值或圖表來表示已存儲的數(shù)據(jù)。,１．信號收集,信號收集與處理工作由分別部署于盾構前端與后配套臺車上的信號收集處理計算機完成；,盾構前端的信號收集處理計算機信號來源包括：,盾構PLC：土壓、所有運行的有關狀態(tài)數(shù)據(jù)等；,其他設備傳感器信號：,陀螺儀：前部方位角；,注漿注入數(shù)據(jù)：注入量、注入壓、注入量累積等,排土量計測數(shù)據(jù)：體積、重量等,盾構前端的信號收集處理計算機收集信號并經數(shù)字化處理后，通過數(shù)據(jù)通信總線傳送至位于后配套臺車上的信號收集處理計算機，并送入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主機；,信號采樣周期：3s左右；,信號采樣點數(shù)：最大512點；,2．數(shù)據(jù)處理,信號收集處理計算機將相關信號收集并數(shù)字化后送入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主機進行數(shù)據(jù)處理；,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主機進行的數(shù)據(jù)處理主要包括：,1）顯示數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)更新周期大約為3秒,瞬時值：掘進過程、準備過程、安裝過程中各信號的瞬時值；,最大值：流量、壓力、速度、土壓、上下振動、左右振動等,最小值：壓力和土壓、脫落、上下振動、左右振動等,累計值：填沖土注入量及加泥注入量、刀具轉動、螺旋漿轉動等，累計中還有每天合計、累計計算等,2）保存數(shù)據(jù)：挖掘結束時、根據(jù)保存種類、最終值或是平均值生成存儲數(shù)據(jù),3．數(shù)據(jù)記錄與保存,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主機按以下規(guī)則記錄與保存數(shù)據(jù)：,1）按時間：掘進、裝配過程均有效,每隔5s記錄一次所有顯示數(shù)據(jù)；,記錄的數(shù)據(jù)以小時為單位保存到文件中；,2）掘進中數(shù)據(jù)：,每環(huán)進給一定量就記錄一次顯示數(shù)據(jù)；,以環(huán)為單位將記錄的數(shù)據(jù)保存到文件中；,3）掘進后數(shù)據(jù)：,掘進結束后記錄保存數(shù)據(jù)，是以每環(huán)代表數(shù)據(jù)為單位；,被記錄的數(shù)據(jù)以環(huán)片圖表的形式保存，；,4．系統(tǒng)的工作狀態(tài),配合現(xiàn)場的施工狀況系統(tǒng)將進入以下工作狀態(tài)：,1）掘進中：盾構掘進機正在掘進中,2）準備中：環(huán)片掘進開始后、由于運土車的裝卸等原因機器中斷掘進。,3）組裝中：正在組裝環(huán)片、或者組裝結束后、進入下次掘進的準備。,5．環(huán)片掘進過程,系統(tǒng)可自動判斷掘進的開始和結束。判斷使用以下的信號：,1）實際行程：,2）掘進中：表示盾構掘進機實際運行的狀態(tài)。一般利用“刀具轉動 ” ＋ “千斤頂?shù)耐七M” 等來進行判斷。,3）掘進模式：千斤頂操作在操作盤側時的狀態(tài)（挖掘可能的狀態(tài)）。,使用左右千斤頂?shù)男谐痰臏y量平均值；,左右兩側的千斤頂中如果有的沒有測量行程值、則利用有測量值的千斤頂?shù)男谐?4）環(huán)片模式：千斤頂操作機器內側的狀態(tài)（可用操縱桿操作的狀態(tài)）,通過這些信號和開始及結束條件的組合來自動判斷環(huán)狀掘進的開始和結束。,6．采集數(shù)據(jù)顯示與應用,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主機以多種方式顯示采集的數(shù)據(jù),1）數(shù)據(jù)采集畫面：,在每頁的各個項目中、數(shù)據(jù)通過數(shù)值、柱狀統(tǒng)計表、折線統(tǒng)計圖進行表示。曲線表是環(huán)狀片的詳細數(shù)據(jù)。此畫面主要便于把握掘進狀況。 共可記錄5頁的柱狀統(tǒng)計表、折線統(tǒng)計表 。,2）管理用綜合數(shù)據(jù)表示畫面：,適合于管理者、能夠綜合管理全部數(shù)值情報。而且可表示盾構掘進機的位置情報和偏差情報,例如、可以表示沖程差等在操作盤上沒有的數(shù)值、累計值以及最大、最小值等以往操作者在實際操作中得不到的數(shù)據(jù)。,3）操作監(jiān)視功能：輸入到主機中的數(shù)據(jù)不僅可以在地面管理、還可以在駕駛室看到。,此外、通過把偏差和姿態(tài)數(shù)據(jù)圖表化、操作者可確認挖掘流程中的狀況。,7．已收集數(shù)據(jù)的管理：土壓／注漿／排出土量各數(shù)據(jù)可在前面的N個環(huán)狀片的代表環(huán)狀片基礎上以統(tǒng)計方法計算管理。,10．數(shù)據(jù)的有效利用：主機上的數(shù)據(jù)可以在其它應用程序中使用。,9．報表制作及打印存檔：報表以電腦中各個數(shù)據(jù)為基礎自動做成。,8．保存數(shù)據(jù)的表示：可以用數(shù)值或圖表來表示已存儲的數(shù)據(jù)。,盾構PLC控制系統(tǒng)常用傳感器,電感感應式接近開關。（有常閉和常開兩種接線方式） 壓力傳感器、壓力開關。（壓力開關也有常閉和常開兩種接線方式） 電容式流量傳感器、流量開關。 溫度傳感器、溫度開關。 位移傳感器（拉線式、磁滯式） 傾角傳感器 旋轉編碼器,§ 8 盾構PLC電氣控制系統(tǒng)維護與保養(yǎng),,由于振動較大，要定期緊固接線端子。特別是電機接線端子。 防水、防潮，絕緣檢查。 除塵，降溫 傳感器加防護 接地良好 焊接作業(yè)時要注意一定要焊接哪里接地線就接在哪里。特別是在PLC附近和主軸承內外側焊接作業(yè),盾構機常見電氣故障判斷和處理,處理故障的原則： 先簡后繁，由外而內。 先檢查電源，在檢查外部線路。 絕大多數(shù)故障是線路故障，斷線、短路、接地和接觸不良等。 PLC程序一般不會出問題。 對于電氣故障要先從簡單的地方查起，開始不要考慮的太復雜。,