宋 武 洋

(中国水利水电第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

厄瓜多尔科卡科多-辛克雷(Coca Codo Sinclair)水电工程项目1#输水隧洞全长13.7 km。该项目引进了德国海瑞克公司生产的先进的双护盾TBM(Tunnel Boring Machine)进行隧洞施工。TBM是一种集机械、液压、电气与自动化控制于一体、专门用于地下隧洞工程开挖的新型、先进的隧洞施工设备，使用电子、电气、液压、监测、遥控等高新技术对全部作业进行制导和监控，使掘进过程始终处于最佳状态。在国际上，TBM已广泛应用于水利水电、矿山开采、交通、市政、国防等工程建设中。

2 TBM电气系统

TBM为工厂化流水作业施工。此台TBM(型号为S-672)电气系统是参考工厂供配电原理进行设计的。配电系统分为高压系统、低压系统，其用电设备见表1。

表1 TBM用电设备表

2.1 高压系统

该TBM选用的高压环网柜的电压等级为24 kV，所选择的高压电缆线为20 kV三芯软电缆3×150 mm2，从高压接线柜到开关柜及开关柜到变压器的电缆20 kV采用单软电缆1×90 mm2, 所选择的变压器电压等级为20 kV，容量为2 000 kVA一台，2 700 kVA两台，1 200 kVA一台，变压器配有温度和瓦斯及密封性故障报警系统。

2.2 低压系统

1#变压器将20 kV的高压转变成400 V低压电，由电气柜MCC01集中分配电能，经断路器1-1Q1主开关供TBM后配套、推进系统、控制系统、数据采样系统的供电，主开关具有相序保护功能，同时，由于TBM在启动和运行时需要消耗无功功率，故S-672电气系统投入了功率补偿设备，以保证设备运行时功率因素大于0.9。MCC01电气柜采用用电设备分线布置，并对其用

图1 1#变压器原理图

电设备采用独立开关控制。因TBM属于施工设备，在施工过程中，为解决临时用电需求，在TBM不同区域布置了不同容量的电源插接盒，并加装了漏电保护开关以保证用电安全，其原理见图1。

弱电系统为低压系统的组成部分，弱电系统主要是为各控制仪表、继电器、传感器以及电磁阀提供电源，输出直流电压值为12 V和24 V。

2.3 可编程控制系统

TBM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20台变频器、电动机以及大量的比例调节阀，故该系统需要很多的输入输出点、大量的模拟量信号，如1～10VDC、4～20 mA、热电阻等，必须选用功能强大的PLC产品作为控制系统且其需具备快速性、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；满足施工过程中的快速动作、供电中断和故障保护等特殊要求。

由于整个处理工艺器件占用的面积比较大，控制回路多，为了避免铺设大量的控制线路，最终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。

PLC程序包含源文件和块文件，块文件又包括组织块、功能块和数据块等。其中组织块可调用各个功能块执行TBM的运行及动作并设有电源故障中断、管片安装机角度编码检测循环、推进检测等组织块。程序中的各个地址与电气图纸一一对应，以便于电气工作人员查找故障、分析原因。

2.4 计算机控制及数据采样分析系统

计算机控制系统主要用于参数设置和数据采样分析。西门子工控机安装于操作室，由现场操作人员操作使用，用于对监控、数据显示、报警提示设置和修改系统控制参数等。

工控机数据采集系统是集采集、处理、存储、显示和评估与掘进参数修改于一体，通过调整过的时钟脉冲，所有测量数据都将从工控机连续不断地得到，TBM工控机不断地对PLC传输的数据进行采样、显示、同时存储数据，每动作一次的资料均被保存在不同的文档中,通过这些掘进时的文档即可获得每一期、每一刻的文档数据并以图形的方式显示在监控界面上。通过功能键F1到F8、选择菜单、鼠标，可以选择单个的显示区域。如图2所示的监控界面，其中的参数可以进入参数修改界面进行参数设置。

3 TBM电气控制系统的应用

图2 F1监控界面图

3.1 低压系统的应用

TBM掘进机配电系统的配电开关主要以分块控制，每个电机上端安装一个断路器，具有过载短路漏电保护功能，其负荷电流、漏电电流和动作时间均可在一定范围内设定，比如推进液压泵1#电机上端断路器15-1Q1，将出厂时的负荷电流调节为150 A,但是，该开关可以从100 A到220 A范围内调节，从而极大地方便了用户对用电容量的设置，当需要改变负荷电流值时无需更换开关。弱电系统的输出电压在出厂时一般设定为24 V。S-672 TBM2由于采用独立发电厂孤网供电，其供电电压的变化、弱电负载的电压变化都将导致弱电负载端电压值不等于24 V。根据笔者的工作经验，当弱电用电设备输入电压超过本身的10%即容易损坏。所以，在TBM始发调试时，都必须根据弱电负载的电压值重新调定弱电系统的输出值为26 V，而且在设备使用过程中，因传感器的损坏或其他原因导致负载容量变化时引起的电压变化也需要监控，并对直流电源模块末端分配多个带有故障提示的穆尔开关，加强对各个功能直流电源的实时监控和调节，以保护TBM掘进机的弱电系统。

3.2 可编程控制系统的应用

可编程控制系统是TBM电气控制系统的关键部分，S-672系统系采用Siemens公司生产的SIMATIC S7-300系列的PLC，包括：中央处理单元(CPU319)一块，数字输入模块一块，数字输入模块以及一块接口扩展模块(IM360)。中央处理单元CPU319可进行部分I/O配置，可用于安装规模指令执行速度的程序及数字输入模块并使用光电耦合背光板隔离，该模拟输入模块具有反极性保护。可编程控制系统由西门子公司S7-300采用主站及从站分布式结构组成，系统程序运行采用Siemens公司生产的、与PLC配套使用的SIMATIC STEP7编程软件。在用户程序中设置组织块(OB1)、功能数据块(FB)和功能块(FC)。组织块(OB1)是操作系统和用户程序之间的接口，其由操作系统调用并控制循环和中断程序的执行及PLC的启动模式。功能块(FC)是无存储区的逻辑块，FC的临时变量存储在局域数据堆栈中，当FC执行结束后，这些数据自动丢失。FB是子程序段，此子程序段由组织块OB1根据控制指令调用。

SIMATIC STEP7 编程软件提供了三种编程工具，分别是：语句表(STL)、功能图(FBD)和梯形图(LAD)三种语言编写程序。

可编程逻辑控制器编程软件STEP7具有在线监视功能。假如我们不能确定某个传感器是好还是坏，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3中的PG和PLC连接好后，点击菜单栏中的小眼镜即可在线监视运行情况，也就可以知道I0.3的状态，从而判断对位传感器的好坏。

图3 PLC监控示意图

通过工控电脑可以连接PLC进行程序的修改和监控。通过该程序可以判断TBM不满足条件时无法执行动作，能够进行故障确定和信号短接，能快速排除故障使机器投入工作。

SIMATIC S7-300PLC控制系统上位机采用工业用计算机，配置为512 M内存、40 G硬盘、两个显示器，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PROFIBUS-DP与下位机通讯。采用Profibus-DP协议的现场总线控制技术，在操作室设置s7-300主站和工控机，在低压配电柜设置从站并将设备安装的电气元件通过DP电缆连接至主站。在用电集中的低压控制柜、操作室和护盾区设置远程I/O模块，按照就近原则，将附近的电气设备控制线接入分站，相比直接操作室控制设备及采样数据可以节约大量的控制电缆。

图4 刀盘转速历史数据记录图

3.3 计算机控制及数据采集分析系统的应用

计算机控制及数据采样分析系统的应用主要体现在管理级，同时方便操作手实时对TBM的工作状态进行监控并对掘进数据进行分析，同时记录掘进参数和故障报警。图4为刀盘转速历史数据记录图。

4 结 语

综上所述，S-672 TBM2电气系统是一个复杂、先进的系统。其配电系统从高压设备到低压设备采用集中电源控制，不但设定值精度准确而且防护效果好，从而减少了维护的工作量。可编程逻辑控制系统由主从分布式结构组成，系统稳定，功能强大。在工控机上可以监控程序的运行、硬件的诊断，可以由工控机判断电气故障点，以便快速排除故障。计算机控制及数据采集分析系统可以与PLC进行通讯、采集、处理、存储、显示与评估数据，从而判断岩石及设备的情况，便于及时掌握TBM的掘进情况，查询历史数据，修改掘进参数，起到提高工作效率、保证工程质量的作用。

参考文献：

[1] 刘 笙. 电气工程基础[M]. 北京：科学出版社，2008.

[2] 李 冰，刘富强，王嘉男. 零基础学西门子S7-300/400 PLC[M]. 北京：机械工业出版社, 2010.

[3] 廖常初. 大中型PLC应用教程[M]. 北京：机械工业出版社，2005.

作者简介:

宋武洋(1988-)，男，四川仪陇人，技术员，从事建筑工程施工技术与管理工作.

(责任编辑：李燕辉)