盾构机

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引言

盾构技术先进、结构复杂，是大型的施工机械设备。盾构电气控制系统是盾构的控制核心，其作用非常关键。当前盾构电气控制系统均采用最先进、可靠的技术以保证盾构稳定可靠地运行。土压平衡式盾构机是应用最广泛的盾构设备．在很多大型地下工程项目中表现优异．本文以土压平衡式盾构机电气控制系统为例对盾构电气控制系统的基本要求、总体结构形式及土压平衡控制原理等进行了详细的介绍与分析。１盾构电气控制系统的基本要求与特点１．１系统可靠性与先进性盾构工作环境恶劣、条件复杂、维护维修条件差，所以电气控制系统的可靠性对于保证盾构稳定、高效、可靠地工作至关重要。另外，在保证系统可靠性与性能价格比的前提下。尽力追求系统的先进性。经实践检验的先进的控制设备与控制技术也是提高系统可靠性的重要措施。因此，目前盾构电气控制系统均在保证盾构系统整体可靠性与性价比的前提下．采用当代最先进的自动控制与计算机控制技术。１．２手动操作与自动控制功能完备众所周知。盾构在工作过程中．有很多需要人工判断与人工干预的环节．希望实现完全的自动控制是不现实也不科学的。但是，盾构电气控制系统如何科学合理地处理手动操作与自动控制功能的关系。一方面要尽可能发挥自动控制的优势．提高生产率：另一方面也要尽可能地采用检测、控制等技术辅助人工操作．帮助操作人员快速、准确、可靠地完成操作。１．３系统故障诊断如前所述，盾构系统复杂、工作环境恶劣，电气控制系统应充分考虑这些问题．除了尽力提高系统自身的可靠性之外，还要具有完善的故障诊断功能，从而在系统出现故障时，能够帮助操作人员快速判断故障原因与故障点并加以解决，使得损失减少到最小。２－４－压平衡式盾构基本工作原理土压平衡式盾构主要由盾体、刀盘及其驱动系统、螺旋输送机系统、推进系统、管片拼装系统、同步注浆系统以万方数据ＲＭＣＭ爨譬概烹。骶赫＆ｃ一曲。～。啊及盾尾密封装置等构成。在盾构中部设有一道密封隔板。把盾构开挖面与隧道分开。使密封隔板与开挖面土层之间形成一密封土舱（压力仓），刀盘在密封土舱中工作，另外通过密封隔板安装有螺旋输送机。当盾构向前推进时，由刀盘切削下来的泥土充满密封土舱和螺旋输送机壳体内的全部空间．同时依靠充满的泥土来顶住开挖面土层的水土压力．并使盾构排土量和进土量保持或接近平衡．以此来维持开挖面地层的稳定和防止地表变形。结构见图ｌ。图１土压平衡式盾构结构３盾构电气控制系统总体结构形式例调速阀、伺服电机等执行机构动作。这种ＰＩ。ｃ控制系统采用常规集中控制方式．ＰＩ。Ｃ集中安装在主控制室，所有的控制线和信号线都经过控制室，电缆数量繁多。因此，控制室内部走线困难．故障查找和维护检修都不方便…。３．２总线式电气控制系统由于盾构控制系统被控对象分布范围大，数量相对较多，约有上千个测控点。因此采用主从式、分布式结构，有利于提高系统的可靠性与可维护性。总线式盾构ＰＬＣ电气控制系统如图３所示…。所有的盾构电气控制系统均以ＰＬＣ为核心构成．但从总体结构形式上有所区别。３．１单ＰＬＣ电气控制系统由图２可知，电气控制系统由１台ＰＬＣ为控制核心，完成数据采集与控制任务。ＰＬＣ通过串行通信接口与控制Ｉｉｔｌ３总线式盾构ＰＬｃ电气控制系统结构室内数据采集系统的计算机通信，实现数据采集与储存、由图３可知，这种以可编程控制器为主站，远端ＰＬＣ、显示、统计、打印，并通过调制解调器将数据远传至洞外 智能远程Ｉ／Ｏ模块为从站的基于现场总线的盾构电气控的数据采集系统。制系统主要包括控制室内主ＰＬＣ、若干远端ＰＬＣ分站、若干智能远程Ｉ／Ｏ模块以及控制室内数据采集系统与洞外数据采集系统。盾构Ｐ【￡采用现场总线控制技术。在主控制室设置ＰＴ。ｃ主站．再根据设备的分布情况．在电气设备相对集中的盾体和低压配电柜处设置ＰＬＣ分站。之后，按照就近接线的原则．将分站附近的设备就近接入分站。这样就可以减少大量的接线，节约电缆。主站与分站之间通过现场总线组成一个通信控制网络。田ｚ单ＰＬＣ电气控制系统结构盾构的控制及数据采集、显示有关的各种数字量（如开关、按钮状态及各种数字量传感器状态等）、模拟量（如油温、油压、液位等）均通过各种传感器经数字量输入接口（ＤＩ）与模拟量输入接口（Ａ０接．入ＰＬＣ。同时，根据各种控制策略经ＰＬＣ内部控制程序运算分析后形成各种控制决策。经数字量输出接口（Ｄｏ）控制各指示灯、接触器、继电器、电磁阀等执行相应动作或经模拟量输出接口（ＡＯ）控制相应的比４土压平衡控制原理盾构土压平衡控制是土压平衡式盾构最关键的控制环节之一。土压平衡控制因素如图４所示。影响土仓内压力平衡的因素包括：掘进面土压及环境地下水压力、刀盘推进速度、螺旋输送机排土速度等。因此，保持土仓内土压力平衡的控制策略如下。（１）控制进土量。通过调整盾构推进液压缸的推进速万方数据圈４土压平衡控制因囊度控制进土量。（２）控制排土量。通过调整螺旋输送机的转速控制排土量。（３）同时控制进土、排土量。其中控制排土量模式简单方便．因此它的应用最为广泛，盾构土压平衡控制的特性直接影响盾构施工稳定性和施工效率。５土压平衡控制组成盾构机土压平衡控制的系统组成框图如图５所示。控制参数设定＋ｌ土压值蠹ｌ皇堡亟星堡Ｉ－ｉ＿压芷ｌ设定电位器－－．．．．．．．．Ｊ．－—－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－一螺旋输送机速度发定电位器推辨液压缸速度量定申｜位器推进液压☆Ｉ压力没定电位器刀靠转速设定电位器人机交互设备／上位机Ａ／Ｄ转换模块ＰＬＣ丰机Ｄ／Ａ转换模块信号调坪ｌｌＩ路土譬器ｒ地竺进土推进液压缸围５土压平衡控制系统组成５．１参数设定（１）土仓压力设定。一般可以有两种设定方式，一是由土仓压力设定电位器设定压力后经Ａ／Ｄ转换为数字量后输入ＰＬＣ，另外～种是直接由触摸屏／上位机等人机交互设备设定输入压力值。（２）控制参数设定。经人机交互设备设定输入。（３）调节参数设定。主要包括螺旋输送机速度设定、推进液压缸速度设定、推进液压缸压力设定、刀盘转速设定．均通过相应的设定电位器设定后经Ａ／Ｄ转换为数字量再输入ＰＬＣ。５．２控制输出（１）刀盘转速。它通过比例变量泵进行控制，盾构机掘进时。调整控制面板上的刀盘转速设定电位器将设定Ｂｒｉ蟓ａｎｄＴｕｎｎｅｌＭａｃｈｉｎｅ桥ｒｙ譬Ｃ机ｏｎ械ｓｔｒｕｃ＆ｔｉｏｎ施Ｔｅ工ｃｈｎ技ｏｌｏ术ｇｙＲＭＣＭ ｄ鲇 ＆ ■■■■●●一■■● 值通过Ａ／Ｄ转换模块输入到ＰＬＣ．ＰＬＣ根据设定值经Ｄ／Ａ转换模块输出到比例变量泵。通过控制变量泵的排量来实现刀盘转速的连续调节．刀盘转速的控制属开环控制。（２）推进液压缸速度与压力控制。盾构机的推进系统一般由多个左右对称的推进液压缸组成。推进液压缸可分别进行调压和调速控制。调压值和调速值分别通过速度设定电位器和压力设定电位器给定。推进液压缸的速度、压力控制可以是开环控制，也可以是闭环控制，这要根据实际掘进情况而定。对于开环控制。设定值通过＿Ａ／Ｄ转换模块输入到ＰＬＣ．ＰＬＣ根据设定值再经Ｄ／Ａ转换模块输出到相应的推进液压缸的比例溢流阀和比例调速阀，对推进液压缸进行速度和压力控制。对于闭环控制，ＰＬＣ根据控制策略与控制算法计算出控制输出量。经Ｄ／Ａ转换模块后输出到相应的推进液压缸的比例溢流阀和比例调速阀，对推进液压缸进行速度和压力控制。（３）螺旋输送机转速控制。与推进液压缸速度与压力控制类似，它的控制可以是开环控制，也可以是闭环控制。对于开环控制，设定值通过Ａ／Ｄ转换模块输入到ＰＬＣ，ＰＬＣ根据设定值再经Ｄ／Ａ转换模块后得到控制电流信号。放大后通过电磁比例阀控制变量泵排量的变化．从而控制螺旋输送机的液压马达的转速作对应的变化，使得螺旋输送机的转速（即泥土排出量）也随之增大或减少。对于闭环控制．ＰＬＣ根据控制策略与控制算法计算出控制输出量，经Ｄ／Ａ转换模块后得到控制电流信号。放大后通过电磁比例阀控制变置泵排量的变化．从而控制螺旋输送机液压马达的转速作对应的变化．使得螺旋输送机的转速（即泥土排出量）也随之增大或减少。６结语随着中国经济建设的不断发展．盾构在地下工程中的应用将日益普及。ＰＬＣ电气控制系统是盾构的控制核心．虽然盾构种类及品牌型号较多．但其ＰＴ￡电气控制系统组成及工作原理基本一致。掌握其组成及工作原理对于正确使用操作、维护维修盾构，从而充分发挥盾构效能、提高其使用效率至关重要。参考文献：〔１Ｊ唐健．盾构可编程控制器（ＰＬＣ）系统设计研究【Ｊ〕．铁道工程学报，２００６０）：４０—４３．〔２〕施一萍，刘启中，白英彩．基于现场总线的盾构控制系统的设计ｒ２〕计算机应用与软件，２００５，２２（３）：２４—２５．收稿日期：２００９—０１－：３０〔责任编辑：杜卫华〕６７堂塑薰万方数据作者：马立明， 李中山作者单位： 石家庄铁道学院,机械工程分院,河北,石家庄,050043 刊名：筑路机械与施工机械化英文刊名： ROAD MACHINERY & CONSTRUCTION MECHANIZATION 年，卷(期)： 2009，26(9) 引用次数： 0次 1.期刊论文唐健.TANG Jian 盾构可编程控制器(PLC)系统设计研究 -铁道工程学报2006(3) 研究目的:自主开发设计盾构可编程控制器(PLC)系统,掌握盾构国产化研究的关键技术.研究方法:针对盾构的结构特点,进行可编程控制器(PLC)的选型;通过对土压平衡盾构的工况、工作流程及功能要求分析,从系统设计、硬件配置、程序编写等方面对PLC控制系统的设计研究进行详细阐述,体现了检修维护方便,扩充灵活,降低造价的设计优点;从土压平衡控制、姿态控制、推进缸速度与压力协调控制等方面,对盾构的主要动作的控制原理进行了说明 ;并介绍了计算机控制系统对盾构进行参数设置、故障诊断,远程监视、数据采集分析的基本功能.研究结果:已基本完成PLC控制系统的设计,为实现盾构可编程控制器(PLC)控制系统的国产化打下了基础.研究结论:对盾构可编程控制器(PLC)系统的设计研究,已列入国家"863"攻关计划,为国产盾构的开发提供了试验参考. 2.学位论文 胡国良 盾构模拟试验平台电液控制系统关键技术研究 2006 盾构机是集机械、电气、液压、测量、控制等多学科技术于一体、专用于地下隧道工程开挖的技术密集型重大工程装备。它需要针对不同地层地质要求进行设计制造，而目前国内并没有合适的设计理论和方法来进行指导，也没有掌握相应的设计理论，所以有必要搭建盾构模拟试验平台，用来模拟不同类型的盾构机在不同地层中的掘进过程，开展土压平衡盾构在典型地质条件下的控制策略、设计理论及计算方法的研究。这将有利于提高我国盾构机的设计制造水平，扩大盾构机的国产率。盾构模拟试验平台中，盾构机电液控制系统是其关键和难点所在。论文以盾构模拟试验平台为研究对象，模拟实际盾构施工过程中的工况要求，采用电液比例控制技术对盾构模拟试验平台液压系统进行了原理设计。设计了一种基于压力流量复合控制的盾构推进电液控制系统，对推进系统中推进压力和推进速度的控制以及同步协调控制进行了分析研究。仿真和实验结果表明采用压力流量复合控制技术可实时控制推进系统的推进压力和推进速度，满足推进过程中随时变化的推进压力和推进速度的要求；同时采用主从式同步PID控制可使液压缸的同步精度范围控制在士3 mm之间，满足掘进要求。对土压平衡的控制机理进行了实验研究，通过对密封仓内土仓压力的实时反馈来控制螺旋输送机的转速，可控制土压力在设定范围，基本实现土压平衡，实验结果表明粘土层中的土仓压力值一般控制在20 KPa。论文还推导了盾构机总推力和刀盘扭矩的计算公式，对盾构机工作参数与土体的关系进行了实验研究，实验结果表明在土压平衡的情况下，刀盘扭矩和盾构总推力有良好的线性关系，并且盾构总推力随着推进距离的增加而缓慢地增加。本文的研究成果为实际盾构机的设计制造提供了相关参考依据。 论文主要研究内容如下：第一章，阐述了盾构机以及盾构模拟试验平台的国内外发展概况及现状，论述了盾构机电液控制系统需要解决的关键技术问题。提出了本课题的研究内容以及完成论文所要进行的研究工作。第二章，在对实际盾构机施工过程中的工况要求进行分析的基础上，采用电液比例控制技术对盾构模拟试验平台电液控制系统进行了原理设计。包括基于压力流量复合控制技术的推进液压系统；采用电比例反馈控制技术的螺旋输送机液压系统以及采用全局功率自适应技术的刀盘驱动液压系统。第三章，介绍了盾构模拟试验平台监控系统软硬件结构设计。利用基于CC-Link现场总线的PLC控制实现了盾构液压系统的控制功能，同时对盾构液压系统进行了PLC控制设计；采用组态王对盾构机液压监控系统界面进行开发设计。第四章，采用AMESim和MATLAB仿真软件建立了推进电液控制系统的仿真模型。对盾构推进液压系统的压力控制特性和速度控制特性进行仿真分析。结果表明采用压力流量复合控制可实现对液压缸的推进压力和推进速度的控制。文中同时采用主从式同步PID控制策略对推进液压系统的多缸同步协调控制进行仿真分析，仿真结果表明推进系统的同步运动误差精度可满足设计要求。 第五章，对盾构推进液压系统的推进压力和推进速度的控制特性进行实验分析研究，实验结果表明采用压力流量复合控制策略能实时控制推进系统的推进压力和推进速度。同时对推进液压系统的多缸同步协调控制进行实验分析，结果表明液压缸的同步精度可控制在±3 min之间。 第六章，根据密封仓内土压力的变化，对螺旋输送机的转速进行实时控制，从而较好地实现土压平衡，有效控制地表沉降，减少地表变形，实验结果表明粘土层中的土仓压力值一般控制在20 KPa。针对三种典型的土层，在模拟试验平台上进行大型掘进试验，推导了盾构机总推力的计算公式，分析了盾构机工作参数的相互关系以及变化规律，为实际土压平衡盾构掘进施工提供相关参考依据。第七章，概括了全文的主要研究工作和成果，并展望了今后需进一步研究的工作和方向。 3.学位论文 白中仁 广州地铁三号线客大盾构区间盾构机选型技术 2003 广州地铁三号线客大暗挖区间~大塘站盾构区间采用两条分离式的单线隧道,隧道纵断面埋深9.6米到31.3米,掘进总长度2967m,两线间距15.2米 ~11.2米,共有4个平面曲线段,曲线半径均为1000米,曲线段总长度占线路总长54％.区间线路最大坡度为3.0％,最小坡度为0.8％,最大坡长为365米.沿线建筑物密集、地下管线分布多.经过对工程地质情况的充分研究、比选,决定选择复合式土压平衡盾构机进行施工,拟选盾构机刀盘设计有软硬两种布局 ;可实现土压平衡、半敝开式及敞开式三种掘进模式;具有同步注浆系统;盾构总推力3421t,扭矩450t.m(最大扭矩530t.m).盾构机的主轴承寿命10000小时 ,盾构机可掘进约10公里.刀具设计为可更换式,且能够背后拆装.刀盘上设置超挖刀一把,以控制曲线施工、方向修正时的姿态.刀盘、密封隔板及螺旋输送机均设有泡沫、膨润土注入管路.螺旋输送机螺杆可伸缩,能解决螺旋输送机的堵塞问题.盾构机操纵控制系统采用PLC,可对三种模式进行有效的控制和转换.数据采集处理和远程传输系统,可实现办公室的掘进工况信息管理.配备自动定压同步注浆系统,并设有备用的注浆管路.配备SLS-T APD自动测量导向系统,可适时测控盾构机姿态和管片拼装精度.盾构采用中间铰接方式,可适应较小半径曲线的推进转弯.推进油缸设计为可分组独立控制伸缩动作,行程 2000mm,满足1500mm管片的拼装要求;辅以配置的超挖刀,可以较好的控制掘进方向和进行纠偏. 4.学位论文 邢彤 盾构刀盘液压驱动与控制系统研究 2008 盾构机技术正在向“大直径、大推力、大扭矩、多样化、无人值守”为特色的第四代技术发展。刀盘驱动系统是盾构机能耗最大的动力系统，在它的各种驱动方式中，液压驱动方式的功率密度最大，与盾构机大功率和安装空间有限的特点相适应，是应用最广泛的驱动方式，节能化和智能化是刀盘液压驱动技术的主要发展方向。因此，需要从以下三个方面研究新一代盾构刀盘驱动液压系统及其控制方法：第一，研究液压驱动系统的效率，提出效率更高的液压驱动方式；第二，研究刀盘扭矩的准确计算模型以及刀盘扭矩与其它关键施工参数的关系，为盾构刀盘驱动的设计与控制奠定理论计算基础；第三，研究刀盘转速控制与掘进土层的适应问题，提出智能控制方法以便实现刀盘转速的功率自适应，降低刀盘驱动的能耗。论文以 φ6.3m土压平衡盾构和φ1.8m模拟试验盾构为研究对象，提出了三种新型刀盘液压驱动方式，即闭式泵控回路的多泵组合驱动方式、大闭环控制的变排量泵控容积调速方式与变转速泵控容积调速方式；提出了土压平衡盾构刀盘扭矩的精确计算模型；提出了一种刀盘转速的智能控制方法，这些液压驱动与控制的新方法不同程度地提高了刀盘驱动液压系统的效率。文中，针对四种驱动方式的刀盘驱动液压系统，进行了理论分析、仿真研究和部分试验研究，仿真研究充分利用AMESim软件的优势，所建立液压驱动系统仿真模型与实际系统高度相似，尤其是负载模型充分考虑了外部条件的变化，研究内容包括刀盘液压驱动方式的效率、刀盘调速性能、时频域特性、液压系统性能、并对负载波动、液压马达故障、刀盘被困等情况进行了研究。文中，分析了单圆土压平衡盾构刀盘扭矩的组成，仿真与试验研究了φ1.8m模拟试验盾构的刀盘扭矩，分析了刀盘扭矩及其与刀盘结构和掘进参数之间的关系，明确了刀盘扭矩的地层特征，提出了刀盘扭矩的精确计算模型，在此基础上，提出了基于土层识别和驱动功率效能指数的刀盘转速智能控制方法，初步研究了土层的统计分类方法和智能控制策略。论文中各章的具体内容如下： 第一章，综述了盾构掘进机和盾构电液控制技术的国内外发展概况及现状，论述了盾构刀盘驱动技术现状及发展趋势以及刀盘驱动液压节能技术的发展过程，最后概述了本课题的研究内容以及所要进行的研究工作。第二章，仿真研究表明多泵组合驱动比多泵联合驱动方式的效率高3％-7％。设计了φ6.3m土压平衡盾构刀盘驱动液压系统，提出了以多泵组合驱动技术、电液比例控制技术和电液混合恒功率控制技术的新型刀盘驱动液压系统方案。采用AMESim软件仿真研究了多泵组合驱动液压系统在多种工况下的液压系统性能，并在掘进试验中验证了液压系统的多泵组合、恒功率、正反转和调速等性能。第三章，研究了φ1.8m模拟试验盾构的刀盘驱动液压系统，系统采用闭环控制的变排量容积调速技术。论述了刀盘与螺旋输送机驱动液压泵站的集成与现场总线的PLC控制技术。采用AMESSim软件仿真分析了所设计液压系统在多种工况下的性能，并在试验中验证了刀盘驱动液压系统的正反转、调速性能及仿真模型的正确性。此外，仿真研究表明，不同工况下，对比变转速容积控制方式和变排量容积控制方式，液压系统效率提高4％-25％。因此，提出了实现刀盘驱动进一步节能的液压驱动方式—闭环控制的变转速容积调速液压驱动方式。第四章，分析影响土压平衡盾构刀盘扭矩的各种因素和刀盘扭矩组成。利用AMESSim软件建立了φ1.8m模拟试验盾构刀盘扭矩的仿真研究模型，通过仿真与试验研究了刀盘扭矩及其与刀盘转速、推进速度、推进力、盾构埋深和刀盘开口率之间的关系，提出了土压平衡盾构刀盘扭矩的精确计算模型。第五章，研究了掘进土体的模式识别方法和刀盘驱动效能评价指标，研究表明，以FPI和TPI统计分类指数建立的特征空间有很好的土体区分性，据此，提出了掘进土体的统计分类方法。最后，提出了刀盘转速智能专家系统结构，并讨论了刀盘驱动功率自适应控制策略。第六章，概括了全文的主要研究工作、结论及本文的创新点，最后展望了今后的研究工作和方向。  

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