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      淺析厄瓜多爾CCS項目雙護盾TBM電氣控制系統(tǒng)

      2014-08-29 10:09:56
      四川水力發(fā)電 2014年4期
      關(guān)鍵詞:工控機弱電電氣

      宋 武 洋

      (中國水利水電第十工程局有限公司,四川 成都 610072)

      1 概 述

      厄瓜多爾科卡科多-辛克雷(Coca Codo Sinclair)水電工程項目1#輸水隧洞全長13.7 km。該項目引進了德國海瑞克公司生產(chǎn)的先進的雙護盾TBM(Tunnel Boring Machine)進行隧洞施工。TBM是一種集機械、液壓、電氣與自動化控制于一體、專門用于地下隧洞工程開挖的新型、先進的隧洞施工設(shè)備,使用電子、電氣、液壓、監(jiān)測、遙控等高新技術(shù)對全部作業(yè)進行制導(dǎo)和監(jiān)控,使掘進過程始終處于最佳狀態(tài)。在國際上,TBM已廣泛應(yīng)用于水利水電、礦山開采、交通、市政、國防等工程建設(shè)中。

      2 TBM電氣系統(tǒng)

      TBM為工廠化流水作業(yè)施工。此臺TBM(型號為S-672)電氣系統(tǒng)是參考工廠供配電原理進行設(shè)計的。配電系統(tǒng)分為高壓系統(tǒng)、低壓系統(tǒng),其用電設(shè)備見表1。

      表1 TBM用電設(shè)備表

      2.1 高壓系統(tǒng)

      該TBM選用的高壓環(huán)網(wǎng)柜的電壓等級為24 kV,所選擇的高壓電纜線為20 kV三芯軟電纜3×150 mm2,從高壓接線柜到開關(guān)柜及開關(guān)柜到變壓器的電纜20 kV采用單軟電纜1×90 mm2, 所選擇的變壓器電壓等級為20 kV,容量為2 000 kVA一臺,2 700 kVA兩臺,1 200 kVA一臺,變壓器配有溫度和瓦斯及密封性故障報警系統(tǒng)。

      2.2 低壓系統(tǒng)

      1#變壓器將20 kV的高壓轉(zhuǎn)變成400 V低壓電,由電氣柜MCC01集中分配電能,經(jīng)斷路器1-1Q1主開關(guān)供TBM后配套、推進系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)的供電,主開關(guān)具有相序保護功能,同時,由于TBM在啟動和運行時需要消耗無功功率,故S-672電氣系統(tǒng)投入了功率補償設(shè)備,以保證設(shè)備運行時功率因素大于0.9。MCC01電氣柜采用用電設(shè)備分線布置,并對其用

      圖1 1#變壓器原理圖

      電設(shè)備采用獨立開關(guān)控制。因TBM屬于施工設(shè)備,在施工過程中,為解決臨時用電需求,在TBM不同區(qū)域布置了不同容量的電源插接盒,并加裝了漏電保護開關(guān)以保證用電安全,其原理見圖1。

      弱電系統(tǒng)為低壓系統(tǒng)的組成部分,弱電系統(tǒng)主要是為各控制儀表、繼電器、傳感器以及電磁閥提供電源,輸出直流電壓值為12 V和24 V。

      2.3 可編程控制系統(tǒng)

      TBM在掘進過程中需要大量的檢測變量和執(zhí)行元件,其中包含了大量的位移傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、液位傳感器和20臺變頻器、電動機以及大量的比例調(diào)節(jié)閥,故該系統(tǒng)需要很多的輸入輸出點、大量的模擬量信號,如1~10VDC、4~20 mA、熱電阻等,必須選用功能強大的PLC產(chǎn)品作為控制系統(tǒng)且其需具備快速性、穩(wěn)定性;無風(fēng)扇運行與集中/分布式信號模塊的熱插拔性;高效的組態(tài)與本產(chǎn)品和圖形工程工具的高級語言相兼容;所有數(shù)據(jù)、程序原代碼和用戶專用數(shù)據(jù)存儲在CPU中;滿足施工過程中的快速動作、供電中斷和故障保護等特殊要求。

      由于整個處理工藝器件占用的面積比較大,控制回路多,為了避免鋪設(shè)大量的控制線路,最終采用西門子的從站模塊,將一部分I/O放置在距離中心控制室較遠、而控制點又比較集中的地方。

      PLC程序包含源文件和塊文件,塊文件又包括組織塊、功能塊和數(shù)據(jù)塊等。其中組織塊可調(diào)用各個功能塊執(zhí)行TBM的運行及動作并設(shè)有電源故障中斷、管片安裝機角度編碼檢測循環(huán)、推進檢測等組織塊。程序中的各個地址與電氣圖紙一一對應(yīng),以便于電氣工作人員查找故障、分析原因。

      2.4 計算機控制及數(shù)據(jù)采樣分析系統(tǒng)

      計算機控制系統(tǒng)主要用于參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)采樣分析。西門子工控機安裝于操作室,由現(xiàn)場操作人員操作使用,用于對監(jiān)控、數(shù)據(jù)顯示、報警提示設(shè)置和修改系統(tǒng)控制參數(shù)等。

      工控機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是集采集、處理、存儲、顯示和評估與掘進參數(shù)修改于一體,通過調(diào)整過的時鐘脈沖,所有測量數(shù)據(jù)都將從工控機連續(xù)不斷地得到,TBM工控機不斷地對PLC傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行采樣、顯示、同時存儲數(shù)據(jù),每動作一次的資料均被保存在不同的文檔中,通過這些掘進時的文檔即可獲得每一期、每一刻的文檔數(shù)據(jù)并以圖形的方式顯示在監(jiān)控界面上。通過功能鍵F1到F8、選擇菜單、鼠標,可以選擇單個的顯示區(qū)域。如圖2所示的監(jiān)控界面,其中的參數(shù)可以進入?yún)?shù)修改界面進行參數(shù)設(shè)置。

      3 TBM電氣控制系統(tǒng)的應(yīng)用

      圖2 F1監(jiān)控界面圖

      3.1 低壓系統(tǒng)的應(yīng)用

      TBM掘進機配電系統(tǒng)的配電開關(guān)主要以分塊控制,每個電機上端安裝一個斷路器,具有過載短路漏電保護功能,其負荷電流、漏電電流和動作時間均可在一定范圍內(nèi)設(shè)定,比如推進液壓泵1#電機上端斷路器15-1Q1,將出廠時的負荷電流調(diào)節(jié)為150 A,但是,該開關(guān)可以從100 A到220 A范圍內(nèi)調(diào)節(jié),從而極大地方便了用戶對用電容量的設(shè)置,當(dāng)需要改變負荷電流值時無需更換開關(guān)。弱電系統(tǒng)的輸出電壓在出廠時一般設(shè)定為24 V。S-672 TBM2由于采用獨立發(fā)電廠孤網(wǎng)供電,其供電電壓的變化、弱電負載的電壓變化都將導(dǎo)致弱電負載端電壓值不等于24 V。根據(jù)筆者的工作經(jīng)驗,當(dāng)弱電用電設(shè)備輸入電壓超過本身的10%即容易損壞。所以,在TBM始發(fā)調(diào)試時,都必須根據(jù)弱電負載的電壓值重新調(diào)定弱電系統(tǒng)的輸出值為26 V,而且在設(shè)備使用過程中,因傳感器的損壞或其他原因?qū)е仑撦d容量變化時引起的電壓變化也需要監(jiān)控,并對直流電源模塊末端分配多個帶有故障提示的穆爾開關(guān),加強對各個功能直流電源的實時監(jiān)控和調(diào)節(jié),以保護TBM掘進機的弱電系統(tǒng)。

      3.2 可編程控制系統(tǒng)的應(yīng)用

      可編程控制系統(tǒng)是TBM電氣控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部分,S-672系統(tǒng)系采用Siemens公司生產(chǎn)的SIMATIC S7-300系列的PLC,包括:中央處理單元(CPU319)一塊,數(shù)字輸入模塊一塊,數(shù)字輸入模塊以及一塊接口擴展模塊(IM360)。中央處理單元CPU319可進行部分I/O配置,可用于安裝規(guī)模指令執(zhí)行速度的程序及數(shù)字輸入模塊并使用光電耦合背光板隔離,該模擬輸入模塊具有反極性保護。可編程控制系統(tǒng)由西門子公司S7-300采用主站及從站分布式結(jié)構(gòu)組成,系統(tǒng)程序運行采用Siemens公司生產(chǎn)的、與PLC配套使用的SIMATIC STEP7編程軟件。在用戶程序中設(shè)置組織塊(OB1)、功能數(shù)據(jù)塊(FB)和功能塊(FC)。組織塊(OB1)是操作系統(tǒng)和用戶程序之間的接口,其由操作系統(tǒng)調(diào)用并控制循環(huán)和中斷程序的執(zhí)行及PLC的啟動模式。功能塊(FC)是無存儲區(qū)的邏輯塊,F(xiàn)C的臨時變量存儲在局域數(shù)據(jù)堆棧中,當(dāng)FC執(zhí)行結(jié)束后,這些數(shù)據(jù)自動丟失。FB是子程序段,此子程序段由組織塊OB1根據(jù)控制指令調(diào)用。

      SIMATIC STEP7 編程軟件提供了三種編程工具,分別是:語句表(STL)、功能圖(FBD)和梯形圖(LAD)三種語言編寫程序。

      可編程邏輯控制器編程軟件STEP7具有在線監(jiān)視功能。假如我們不能確定某個傳感器是好還是壞,或者是不方便找到傳感器時,可以通過SIMATIC的在線監(jiān)視功能,如圖3中的PG和PLC連接好后,點擊菜單欄中的小眼鏡即可在線監(jiān)視運行情況,也就可以知道I0.3的狀態(tài),從而判斷對位傳感器的好壞。

      圖3 PLC監(jiān)控示意圖

      通過工控電腦可以連接PLC進行程序的修改和監(jiān)控。通過該程序可以判斷TBM不滿足條件時無法執(zhí)行動作,能夠進行故障確定和信號短接,能快速排除故障使機器投入工作。

      SIMATIC S7-300PLC控制系統(tǒng)上位機采用工業(yè)用計算機,配置為512 M內(nèi)存、40 G硬盤、兩個顯示器,運行英文Windows XP操作系統(tǒng),組態(tài)軟件為Graphpic7.1英文版,通過西門子的PROFIBUS-DP與下位機通訊。采用Profibus-DP協(xié)議的現(xiàn)場總線控制技術(shù),在操作室設(shè)置s7-300主站和工控機,在低壓配電柜設(shè)置從站并將設(shè)備安裝的電氣元件通過DP電纜連接至主站。在用電集中的低壓控制柜、操作室和護盾區(qū)設(shè)置遠程I/O模塊,按照就近原則,將附近的電氣設(shè)備控制線接入分站,相比直接操作室控制設(shè)備及采樣數(shù)據(jù)可以節(jié)約大量的控制電纜。

      圖4 刀盤轉(zhuǎn)速歷史數(shù)據(jù)記錄圖

      3.3 計算機控制及數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)的應(yīng)用

      計算機控制及數(shù)據(jù)采樣分析系統(tǒng)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在管理級,同時方便操作手實時對TBM的工作狀態(tài)進行監(jiān)控并對掘進數(shù)據(jù)進行分析,同時記錄掘進參數(shù)和故障報警。圖4為刀盤轉(zhuǎn)速歷史數(shù)據(jù)記錄圖。

      4 結(jié) 語

      綜上所述,S-672 TBM2電氣系統(tǒng)是一個復(fù)雜、先進的系統(tǒng)。其配電系統(tǒng)從高壓設(shè)備到低壓設(shè)備采用集中電源控制,不但設(shè)定值精度準確而且防護效果好,從而減少了維護的工作量??删幊踢壿嬁刂葡到y(tǒng)由主從分布式結(jié)構(gòu)組成,系統(tǒng)穩(wěn)定,功能強大。在工控機上可以監(jiān)控程序的運行、硬件的診斷,可以由工控機判斷電氣故障點,以便快速排除故障。計算機控制及數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)可以與PLC進行通訊、采集、處理、存儲、顯示與評估數(shù)據(jù),從而判斷巖石及設(shè)備的情況,便于及時掌握TBM的掘進情況,查詢歷史數(shù)據(jù),修改掘進參數(shù),起到提高工作效率、保證工程質(zhì)量的作用。

      參考文獻:

      [1] 劉 笙. 電氣工程基礎(chǔ)[M]. 北京:科學(xué)出版社,2008.

      [2] 李 冰,劉富強,王嘉男. 零基礎(chǔ)學(xué)西門子S7-300/400 PLC[M]. 北京:機械工業(yè)出版社, 2010.

      [3] 廖常初. 大中型PLC應(yīng)用教程[M]. 北京:機械工業(yè)出版社,2005.

      作者簡介:

      宋武洋(1988-),男,四川儀隴人,技術(shù)員,從事建筑工程施工技術(shù)與管理工作.

      (責(zé)任編輯:李燕輝)

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