杨 军

（上海盈洲能源技术股份有限公司，上海 201607）

引言

地铁建设、铁路建设、水利建设等工程中，需要采用盾构机对山体或地下空间进行开挖。为保证盾构机高效、持续掘进，需及时将其掘进产生的渣土转运至隧洞外。渣土转运距离较短时可采用运输机车进行转运，但运输机车单次转运时间较长，连续性差，噪声污染大，不便于盾构机持续掘进[1]；距离较长时，需采用带式输送机转运，其具有运距长，运量大，速度快，污染小等特点[2],其作为盾构机后配套设备，通过多条带式输送机搭配，能够很好地承担起渣土输送重任。

本文就珠江三角洲水资源配置工程工B4 标盾构机后配套多条带式输送机控制系统进行探讨，根据其现场特性及控制需求，设计一套控制系统。

1 系统构成

珠江三角洲水资源配置工程工B4 标采用两套盾构机同时掘进，需配套五条带式输送机，将盾构机掘进过程中产生的渣土转运至地面渣场，其系统结构如图1 所示。该项目五条带式输送机，分别为连续输送机1、转载输送机1、连续输送机2、转载输送机2、提升输送机。生产过程中，盾构机1 掘进产生的渣土卸载至连续输送机1，渣土后经转载输送机1 运至提升输送机，最终提升输送机将渣土提升运至地面渣场。盾构机2 掘进渣土转运过程与盾构机1 相同，两盾构机出渣共用同一提升输送机。连续输送机1、连续输送机2、提升输送机采用变频驱动方式，转载输送机1、转载输送机2 采用星三角软启动。

图1 输送机系统构成

此五条带式输送机是掘进施工的重要组成部分，该系统连续可靠运行是隧道掘进正常施工的重要保障。根据工作特性，输送机控制系统需具备以下功能：

1）盾构机1 及盾构机2 均可独立进行开挖施工，其工作过程互不干涉；

2）整个系统五条输送机既可以单独运行，又可以根据需求进行组合，实现其工艺连锁；

3）生产线较长，尤其是连续输送机2，其长度约3 100 m，对数据通信实时性、可靠性要求较高；

4）现场设备较分散，大量现场设备信号需采集，设计时应考虑电缆敷设及后期维护检修便捷性；

5）现场连续输送机1、连续输送机2、提升输送机主电机采用变频驱动方式，控制系统需能够方便快捷读取变频器电压、电流、频率、故障信息等参数；

6）在每条输送机头部位置均可对全生产线进行操作、监视；

7）能够采集现场拉线开关、跑偏开关、纵撕开关、堵料开关等保护传感器，并用于输送机控制。

2 控制系统硬件设计

经过对现场工况的分析研究，此生产线较长，设备较为分散，若只设置一套PLC 模块，将不可避免地敷设大量电缆，电缆成本高，后期维护复杂，多点分散控制较为合适。

变频器需要采集及控制的参数较多，如采用传统模拟量读取方式，将需要扩展多个模拟量模块，电缆敷设较复杂，灵活性不高，经综合考虑，该项目通过总线通信控制变频器，选用ProfiNet 通信方式，它是全开放、全数字化的网络，遵照网络协议的不同厂商的设备容易实现联网[3]。该总线方式通信速率快，可靠性高，硬件敷设方便，PLC 和变频器间仅需敷设一根屏蔽网线即可。

2.1 系统结构

根据现场实际工况，在连续输送机1 头部、连续输送机2 头部、提升输送机头部设置PLC 控制主站，分别为控制主站1-3；在连续输送机1 尾部、连续输送机2 尾部，设置控制分站，分别为控制分站1、控制分站2。系统结构如图2 所示。

图2 控制系统网络拓扑图

各控制站点功能如下：控制主站1 用于连续输送机1 及转载输送机1 信号采集及设备控制；控制主站2 用于连续输送机2 及转载输送机2 信号采集及设备控制；控制主站3 用于提升输送机信号采集及设备控制；控制分站1 用于与盾构机1 进行信号连锁，该站点同时用于操作员对连续输送机进行控制操作；控制分站2 用于与盾构机2 进行信号连锁，该站点同时用于操作员对连续输送机进行控制操作。

各控制站间通过光纤进行以太网通信，实现数据高速可靠传输。

2.2 各控制站主要硬件构成

综合经济成本及可靠性，选用西门子SIMATIC S7-1200 系列PLC 作为控制核心，它可实现简单却高度精确的自动化任务，单个CPU 最多可扩展8 个信号模块，满足现场设备信息采集及控制需求；集成的PROFINET 接口可用于进行编程以及HMI 和PLC 之间的通信，此外它还通过开放的以太网协议支持与第三方设备的通信。控制器使用灵活、功能强大、设计紧凑、组态灵活且具有强大的指令集[4]。

各控制主站能够独立完成对应输送机控制，每个站点均配置CPU 一套，选用型号为CPU1214C，其集成14 路开关量输入、10 路开关量输出、两路模拟量输入功能；每个站点另外配置16 路开关量输入模块两套，型号6ES7 221-1BH32-0XB0；8 路开关量输入模块1 套，型号6ES7 222-1BF32-0XB0；8 路RTD 输入模块1 套，型号6ES7 231-5PF32-0XB0。以上模块用于采集每条输送机拉绳开关、跑偏开关、纵向撕裂开关、堵料开关、电机风扇运行、拉紧装置状态、输送机转速、电机绕组温度、电机轴承温度等数据，并完成对应设备控制。

各控制分站配置CPU 一套，选用CPU1214C 型，其自带开关输出功能，用于与盾构机实现连锁，在连续输送机因故障停机时，及时停止盾构机，避免物料堆积。

为满足生产及检修需求，各控制站点均配备了工业触摸屏，用于组态编制上位监控界面，工业触摸屏选用昆仑通泰公司产品，型号为TPC1061Ti，它通过工业以太网与每台PLC 通信。

为便于各站点间通信，各站点配置工业级以太网光电交换机，交换机具有6 个电通信接口，两个光通信口，通过光电交换机光通信接口间级联，实现各站点通信。

3 控制系统软件设计

3.1 变频器通信

本系统主要控制对象为变频器，使用丹佛斯FC302 系列产品，PLC 和其之间通过ProfiNet 通信协议实现。项目中，使用TIA Portal V14 进行通信程序编制，这是一款由西门子打造的全集成自动化编程软件，可用于PLC 编程与仿真操作，支持多种操作系统，它可在全图形化的设备视图和网络视图中对所有硬件进行组态和联网设置。以图形方式进行连接组态，对PC、HMI 设备、控制器和驱动装置的连接更为轻松便捷[4]。

为完成PLC 和变频器间通信，首先需将变频器GSDML 文件导入TIA Portal V14 中，然后在TIA Portal V14 中组态丹佛斯FC302 变频器，接着根据通信及项目控制要求，在变频器侧设置控制地点、控制源、数据读写内容，变频器IP 地址等相关参数，其中变频器IP 地址不得重复，以下为连续输送机1 变频器主要通讯参数，其他变频器类似。

接下来在TIA Portal V14 编程环境中，通过指令“DPWR_DAT”完成变频器数据写入，即表1 中9-15参数数据写入变频器，用于设定变频器转速并控制其启动、停止、复位等；通过指令“DPRD_DAT”完成变频器数据读取，即表1 中9-16 数据读入PLC，用于对变频器运行状态、速度、功率等参数进行显示及数据分析。

表1 连续输送机1 变频器通信参数设置

通过ProfiNet 通信方式，能够方便快捷地实现变频器控制。

3.2 监控界面程序

监控界面程序主要分为主画面、实时数据、故障及操作记录、历史曲线等多个窗口。主画面可直观显示各处PLC 通信状态、连续输送机状态，提升输送机状态并对其驱动电机工作电流、输送机带速等主要参数进行显示，通过该页面工具条可快速切换到每条输送机详细页面；实时数据页面用于显示变频器频率给定、电机温度、电机电流、电机电压等详细运行参数；故障及操作记录页面可对各输送机产生的故障及操作进行记录，通过这些页面，可对输送机异常情况进行分析判断，便于维护及故障处理。

3.3 PLC 控制程序

盾构机1 及盾构机2 在掘进及出渣过程中，其中一套设备停机、断电检修时，不得影响另一套正常使用。因此，现场控制程序分别编制于控制主站1、控制主站2 及控制主站3，各控制主站独立完成相应设备控制，并通过通信进行连锁。每条输送机按照驱动方式及所处环节功能略有区别，主要控制流程见图3。

图3 带式输送机控制流程图

根据输送机工作特性，输送机开始时首先进行自检，主要包括检查拉线开关、跑偏开关、纵撕开关、堵料开关是否有报警信号，电机轴承温度是否正常，PLC 和变频器通是否正常，变频器是否报故障等。以上自检无误后，检查并等待系统启动信号，启动信号发出后，输送机首先预警30 s，提示附近人员注意安全，预警完成后，开始启动辅助设备，主要包括电机冷却风扇、拉紧装置等，以上设备运行后，开始启动变频器，为消除输送机胶带张力，变频器首先照速度10 Hz运行1 min，然后按照设定速度进行运行。运行过程中需对电机电压、电流、轴承温度等信息进行采集存储，以备后期维护需要；运行中还需对停止命令及异常信号进行采集，一旦检测此类信息，需按照停机程序进行处理。

为了后期维护方便，同时利于工艺的扩充，本项目采用结构化编程，将实现不同功能的程序，编制于不同的子程序中，然后通过主程序进行调用。子程序主要有初始化程序、变频器通信程序、站点间通讯程序、数据转换程序、输送机保护程序、输送机控制程序。

4 结语

该系统通过现场总线方式的使用，避免敷设大量电缆，节省人力财力。同时具有数据通信实时性好、自动化程度高、抗干扰能力强操作维护简单易行等特点。通过多个人机界面的应用，带式输送机运行数据、故障信息等高度集中，操作及维护人员较同等工况大幅度减少。自2021 年投入以来，安全稳定运行，为盾构机高效、持续掘进提供有力保障。