SIMATIC S7-400 PLC 在土压平衡盾构机中的应用

［摘要］：本文结合北京城建地基公司使用的德国进口土压平衡盾构机（厂家编号：S-169）的工作原理和工作流程，叙述了西门子S7-400PLC结合现场总线控制系统在盾构机隧道施工中的应用。
［关键词］：盾构技术 PLC 控制 方案 系统功能 SIMATIC S7-400 PLC 在土压平衡盾构机中的应用 李安云 北京城建地基地铁市政工程有限公司
盾构技术的介绍:为了满足奥运工程北京地铁五号线的隧道施工，我集团公司首先引进了德国海瑞克公司生产的土压平衡盾构机（S-169）进行雍和宫至张自忠路区间的施工。土压平衡盾构（Earth-Pressure-Balance 盾构，简称EPB盾构），特别使用于陶土、粘土、或淤泥含量高、渗水性差的粘性土层。在土压盾构中，刀盘挖掘下的碎土添加适量的添加剂后用于支撑开挖面，以避免沉陷或隆起；在掘进过程中依据千斤顶的推力、出土量、掘进速度、土仓内土压力来进行判断，以便控制维持开挖面的平衡，然后拼装衬砌环形成隧道。
一、S-169盾构机的结构
盾构机全长约60m，主体长约8.1m，S355J2G3钢架，盾壳外径6.19m，长7.550m， 主体部分主要有刀盘、拼装机、螺旋输送机；后配套有6台台车组成，分别装有传输带、工作电机及泵、变压器、配电柜、浆罐、气罐、空压机；这两大部分分别组成了刀盘驱动系统、推进系统、拼装系统、出土系统、注浆系统、泡沫系统；另外还有盾尾密封系统、润滑系统、超挖系统、齿轮油系统、工业水系统、冷却系统。
二、S-169盾构机控制系统的要求
盾构机的主要动力是液压驱动，如刀盘驱动、螺旋输送机驱动、推进系统、拼装系统等；辅以电驱动，如泡沫和膨润土的变频电机等；在施工过程中，油冷却系统是所有含液压工作系统的前提条件，其中刀盘系统的驱动又增加了水冷却系统；为了保证安全及改善隧道的施工环境，又添加了瓦斯检测系统和隧道通风系统；除了拼装系统和超挖系统在各自的拼装和超挖模式下运行，推进中的盾构机要同时运行其他所有的系统。
系统中由于需要很多监测的变量和大量的执行机构元件，则包含了大量的流量传感器、行程传感器、温度传感器、压力传感器和少量变频器、电动机以及大量的比例溢流阀、节流阀、比例调节阀等， 由于构成的系统庞大，该系统中需要很多的输入输出点，模拟量信号类型有4-20ma、1-10vDC、热电阻等，为满足施工工艺的要求，必须选用功能最强大的PLC产品作为控制系统，要求具有快速性、稳定性；无风扇运行与集中/分布式信号模板的热插拔性；极为高效的组态与基于本产品和图形工程工具的高级语言相结合；所有项目数据、程序原代码和用户专用数据存储在CPU中；可以满足自动化过程中的供电中断和故障保护等特殊要求。
组态软件为了能更好地与硬件兼容，要求选用相应PLC的专用组态软件作为监控平台，并能对一些涉及生命和设备安全的重要参数以多种形式报警，并具备自锁控制；在施工生产过程中能将生产工艺过程动态显示出来，包括设备图形、数字量及模拟量；为了对历史工艺进行分析和记录及故障报警信息，须对历史数据进行记录，间隔时间可依据工艺需要而定；可以按照管理自动生成便于修改的各类报表；能将工艺参数以数字表、模拟表盘、棒图、游标等形式显示，刷新频率可调整；能以一定的时间间隔将重要参数的工艺曲线以趋势图形显示出来，相关的参数可以放在同一画面上；可以对操作记录、报警记录和各种生产报表以汉字形式进行生成和打印。
三、 S-169盾构机控制系统方案
该控制系统包括三个层次：过程控制级、过程管理级、生产管理级。过程控制级通过控制单元传感器和控制部件监控生产过程，同时接受操作信息，并向上层传递实时数据。过程控制级的所有信息将在过程管理机的操作站和工程师被监控，可完成如下功能：显示、记录、数据加工、报表输出、配置控制回路和修改参数等。生产管理级是企业的生产管理信息系统，通过MPI网用RS485线传输与过程管理级建立联系，监视施工过程中的相关数据和集成系统历史数据，向下层发布生产指令。

1）、PLC 系统
依据隧道施工工程技术的要求，PLC主机要求选用冗余电源；现场操作控制与管理控制级形成网络；PLC站要能接受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事件；数字量和模拟量的I/O点数满足控制工艺要求，并留有不少于20%的备用输入输出点；要能接受拼装机旋转角度检测传感器的绝对式编码器；签于以上要求，系统便采用了带MPI接口和DP接口的CPU 414-2DP和1块CP443-1（使用TCP/IP协议）通讯模块，UR1 18槽机架，3块PS407 10A电源，8块SM431 8通道AI，4块SM432 8通道AO和15块SM421 32点DI，14块SM422 32点DO，在模板之间使用了1块IM460-3和2块IM461-3接口模板。
PROFIBUS DP 网络：它处理来自DP网络中的传感器或与从站中的模块信息共享的功能，实现工厂自动化中现场级与单元级的通讯任务；对于系统中的拼装机来说，工作中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PROFIBUS DP接口的现场总线输出，受外界的干扰小，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，可满足了施工工艺的要求。
MPI网络：与带有MPI接口的设备，如S7-400、S7-300、S7-200的CPU和PC/PG以及TD/OP之间的通讯，MPI符合RS-485标准，具有多点通讯的性质，它的波特率设定为187.5kbps；在本系统中利用CP5611卡与MPI接口使过程管理级的VMT导向系统PC和生产管理级的工程师PC与PLC进行通讯，实时地从PLC中获取相关施工数据，便于及时了解施工情况，采取相应的措施。
PID自动调节：系统利用标准的PID算法块对过程参量进行调节，对于泡沫系统的自动控制来说，此功能在推进过程中，判断刀盘扭矩的大小主要来调节泡沫的注入量，保证刀盘的良好运转和排土的通畅性。
数据处理：SIMATIC S7-400具有数学运算（包括矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传递、转换、排序和查表、位操作等功能，也能完成数据的采集、分析和处理。能实现施工中所有参数的相应处理，以达到系统要求来满足客户需要。
自诊断功能：系统中CPU可以检测系统中的一个响应来自I/O模块信号的硬件中断、同步响应一个来自程序中指令的错误、异步响应CPU操作或模块状态异常等实时错误，并调用与错误相关的OB（组织模块）来满足施工中的各种需要。
2）、网络：在众多的现场总线协议中，PROFIBUS是目前唯一同时成为欧洲标准和中华人民共和国机械行业标准（JB/T 10308.3-200）以及国际标准（IEC61158）的现场总线，是最成功的现场总线之一，它是不依赖于生产厂家的、开放式的现场总线，各种各样的自动化设备均可通过同样的接口交换信息；SIMATIC S7通过PROFIBUS现场总线构成的系统，是一个很好的工厂自动化解决方案，它具有以下优点：PLC、I/O模块、智能化现场设备可通过现场总线来连接；I/O模块能安装在传感器和执行机构的附近；过程信号能就地转换和处理；编程仍旧采用传统的组态方式。PROFIBUS现场总线标准为工业现场级的自动化设备之间的高速数据通信提供了一个可靠的传输方案。作为一个开放的、标准化的体系，它由PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA、PROFIBUS-FMS三部分组成，系统中通过PROFIBUS DP下挂到现场过程控制级的拼装机角度检测传感器上，通过MPI接口与VMT导向系统电脑和远程的生产管理监控电脑进行通讯，在操作室中通过CP443-1通讯模块与控制室操作员电脑建立工业以态网进行通讯；因此可以既满足现场控制管理的要求，又可以满足生产管理级的实时远程监控。
四、S-169盾构机系统功能
（一）、SIMATIC S7-400 PLC系统：
模拟量输入处理功能：利用模拟量输入模块将现场的模拟量转换成过程值；
工艺参数信号的处理功能：对于模拟量通过相关信号处理的过程；如MTS系列的产品MK292卡，可以采集与处理千斤顶行程传感器提供的信号，把它传输到PLC系统中，并显示在屏幕上及控制面板上；
控制功能：能实现生产设备的顺序连锁控制和模拟参数的调节；
通信功能：利用本系统的DP、MPI接口和通讯模块CP443-1把过程管理级、过程控制级和生产管理级联系起来，实现双向通信；
报警功能：对报警信号进行多种形式的处理，系统中有窗口显示报警、红色指示灯应答和声音输出（检测CH4气体含量超标的声音输出）
监视限制功能：为保障系统能在安全的前提下运行，防止各系统不超负荷运行或使系统处于非正常运行的工作环境中运行，极大地提高了设备的安全性
主从站扩展功能：考虑施工规模或环境改变等因素，可以在本系统的基础上进行扩展，建立PLC从站，可实现施工要求改变后的控制需要。
（二）、监控系统：
地下控制室监控操作系统：地下控制室使用的是适用于工业以态网TCP/IP协议的D-Link De-528 Enthernet接口卡与PLC系统中的通讯模块CP443-1连接，达到与PLC通讯的目的，采用西门子的专用组态软件Windows Control Center（简称Wincc），可以按照系统工艺流程和要求设计建立控制组态操作界面、报警显示与报警组态、流程图组态、历史数据记录和维护、实时数据显示；并且用鼠标和键盘按照施工要求实现参数调节、数据输入和目标值设定等，它是过程控制级与生产管理级的根本区别。
地面监控室系统：地面监控系统是使用Paradox 9软件，它提供了地下监控室组态软件除修改施工工艺参数功能外的所有功能，而且又增加了历史数据的记录和维护、报表组态、重要参数的趋势显示（相关参数可同时显示）、打印功能。
（三）、VMT导向系统：按照隧道工程的设计轴线，将施工工艺过程以图形形式动态显示坐标系中，并从PLC获得相应的数据进行相应的处理得出施工过程中需要的工艺数据（如盾尾间隙、管片选型等）。
五、结束语
该控制系统中的硬件和软件配置先进，采用了西门子生产的工业控制设备，如西门子的S7-400PLC、兼容产品WINCC组态软件等。在繁忙的施工生产中通过自己的摸索学习、进一步的体会，渐渐对本系统中有了深入的了解。
系统是目前国内较大的应用西门子产品的隧道工程施工生产系统，它自投产以来，运行可靠，工程质量好，为公司带来了可观的经济效益。
参考文献
a) 郑晟 巩建平 张学，《现代可编程序控制器原理与应用》，北京：科学出版社，2003.4