盾構(gòu)機(jī)刀盤變頻驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)研究

任亞軍1，趙明2

( 1.遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110161；2.北方重工集團(tuán)盾構(gòu)機(jī)分公司，遼寧 沈陽(yáng) 110027 )

ResearchonFrequencyConversionControlofTunnelBoringMachine’sCutterHeadDrivingSystem

RENYajun1，ZHAO Ming2

(1.LiaoningEquipmentManufacturingCollege，

Shenyang110161，China;2.NHIGroupTBMCompany，Shenyang110027，China)

摘要：針對(duì)盾構(gòu)機(jī)的刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了全新的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)選用8臺(tái)西門子G130系列變頻器，采用主從控制方式，重點(diǎn)解決多電機(jī)的同步運(yùn)行問題，實(shí)現(xiàn)了多臺(tái)電機(jī)之間的轉(zhuǎn)矩平衡。8臺(tái)變頻器同時(shí)響應(yīng)PLC的轉(zhuǎn)速給定信號(hào)，每臺(tái)變頻器分別對(duì)各自的電機(jī)施加力矩，具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、電機(jī)力矩一致性好和易于維護(hù)等優(yōu)勢(shì)。在程序結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，采用了應(yīng)用接口程序的編寫方式，使程序核心部分相對(duì)穩(wěn)定，又有靈活的擴(kuò)展及操作能力。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)機(jī)；刀盤驅(qū)動(dòng)；變頻器；PLC

中圖分類號(hào)：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-2257(2015)04-0044-03

收稿日期：2015-01-14

作者簡(jiǎn)介：任亞軍(1983-)，女，遼寧凌源人，講師，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化技術(shù)；趙明(1983-)，男，遼寧丹東人，工程師，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化技術(shù)、PLC控制技術(shù)。

Abstract：In this paper，the new cutter head driving system of tunnel boring machine is designed. The system includes 8 sets of Siemens G130 series frequency converters，the master-slave control mode is used to solve the problem of multi motor synchronous operation and the torque balance between multiple motors is realized.The speed set of 8 frequency converters comes from the PLC at the same time，and the torque of each electric motor applied by the frequency converter.The system has the advantages of simple structure，stable operation，good agreement of motor torque and easy maintenance.The program，using the interface application，isdesigned，it can make the core part of the program stable，and it can also has the ability to expand and easy use.

Keywords：tunnelboringmachine;cutterheaddriving;frequencyconverter;PLC

0引言

盾構(gòu)機(jī)的刀盤及其驅(qū)動(dòng)部分是盾構(gòu)機(jī)的核心部件之一，常見的刀盤系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式主要有液壓驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)。液壓驅(qū)動(dòng)刀盤使用的歷史較早，系統(tǒng)成熟可靠，常用于中、小直徑的軟土地質(zhì)盾構(gòu)機(jī)，滿足其速度較低，扭矩較大的特殊要求。而電機(jī)驅(qū)動(dòng)的盾構(gòu)機(jī)刀盤也是近幾年隨著電機(jī)拖動(dòng)技術(shù)、變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，日漸廣泛地應(yīng)用于盾構(gòu)機(jī)的設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域。

在此，介紹了一種刀盤電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，滿足了多電機(jī)的同步驅(qū)動(dòng)控制要求，并使得變頻控制的驅(qū)動(dòng)電機(jī)隨施工狀況和土質(zhì)的軟硬進(jìn)行靈活的調(diào)整，可以滿足盾構(gòu)機(jī)在較復(fù)雜地質(zhì)情況下的切削對(duì)刀盤的要求，具有抗突變性負(fù)載能力強(qiáng)的特點(diǎn)。

1盾構(gòu)機(jī)刀盤驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)與要求

1.1盾構(gòu)機(jī)刀盤驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)

盾構(gòu)機(jī)刀盤的主要功能是將盾構(gòu)機(jī)前方土體進(jìn)行切削、攪拌，便于排土，同時(shí)也起到減小盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)阻力、保持開挖面土體穩(wěn)定的重要作用，現(xiàn)階段盾構(gòu)機(jī)刀盤的裝機(jī)功率基本在600～3 000kW之間。由于刀盤結(jié)構(gòu)及使用方式的特殊要求無法采用單電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式，多采用多電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)，一般的電機(jī)數(shù)量在4～12臺(tái)之間。系統(tǒng)采用了8臺(tái)電機(jī)對(duì)刀盤進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，由8個(gè)電機(jī)通過減速機(jī)和主齒輪驅(qū)動(dòng)盾構(gòu)機(jī)刀盤，各電機(jī)軸通過減速器和主齒輪耦合在一起，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　電機(jī)剛性嚙合結(jié)構(gòu)

1.2刀盤的驅(qū)動(dòng)要求

由上述分析可知，盾構(gòu)機(jī)刀盤變頻調(diào)速系統(tǒng)屬于多電機(jī)剛性嚙合的力矩同步控制，對(duì)力矩的一致性要求較高，在忽略齒輪嚙合縫隙的情況下，這些電機(jī)的速度是強(qiáng)制同步的，要求傳動(dòng)系統(tǒng)之間既要保持一定的剛性，又要保持一定的柔性。由于機(jī)械近似剛性結(jié)合，所以需要軟化電機(jī)的輸出力矩，來實(shí)現(xiàn)負(fù)荷平衡，避免機(jī)械損傷和電氣故障。

2變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的配置

2.1驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的硬件配置

本項(xiàng)目配置8臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)刀盤，每臺(tái)電機(jī)的功率為430kW，電機(jī)的額定扭矩為2 964N·m，額定轉(zhuǎn)速為1 450r/min，最高轉(zhuǎn)速2 320r/min，系統(tǒng)的總效率為0.902 5。變頻器選擇西門子G130系列變頻器，控制PLC選擇西門子S7-300系列PLC，并配置了通訊卡及編碼器。

2.2驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制方案

對(duì)于多電機(jī)的同步驅(qū)動(dòng)控制，主要有2種：一種是主從控制，另外一種是滑差控制。主從控制方式，即將其中的1臺(tái)電機(jī)設(shè)置為主機(jī)，對(duì)其進(jìn)行速度控制，其他電機(jī)設(shè)置為從機(jī)，采用扭矩控制，扭矩控制的設(shè)定值由主機(jī)經(jīng)過計(jì)算獲得?；羁刂?，將電機(jī)的自然機(jī)械特性變軟(也可以變硬)，即可使得在電機(jī)轉(zhuǎn)速剛性一致的前提下，力矩也幾乎保持一致。

系統(tǒng)采用了主從控制，該控制方式簡(jiǎn)單可靠，其控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，主PLC為盾構(gòu)機(jī)刀盤變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主控單元；為了保證系統(tǒng)的相對(duì)獨(dú)立及通用性，針對(duì)刀盤變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)置變頻柜PLC，變頻柜PLC主要是處理柜內(nèi)的變頻器控制，與主PLC通訊的方式采用Modbus/TCP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，減輕主PLC的程序負(fù)擔(dān)，并使變頻系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，滿足盾構(gòu)機(jī)復(fù)雜控制模塊化處理的控制思路。

圖2　刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

刀盤變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由8臺(tái)西門子G130系列變頻器組成，為了避免沖擊，實(shí)現(xiàn)所有電機(jī)之間的轉(zhuǎn)矩平衡，將8臺(tái)電機(jī)中的1號(hào)電動(dòng)機(jī)設(shè)置為主機(jī)，8號(hào)電動(dòng)機(jī)設(shè)置為備用主機(jī)，其他電機(jī)設(shè)置為從電動(dòng)機(jī)，從電動(dòng)機(jī)的參數(shù)跟隨主電動(dòng)機(jī)參數(shù)的變化而變化。

為了保證系統(tǒng)的可靠性，預(yù)先在變頻控制系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置2套控制參數(shù)，分別是以1號(hào)電機(jī)為主電機(jī)的控制參數(shù)和以8號(hào)電機(jī)為備用主電機(jī)的控制參數(shù)。以便在某臺(tái)主機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，可以在最短時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)備用主機(jī)，減少停機(jī)時(shí)間。

由于采用帶有編碼器的矢量控制，需要對(duì)每套電機(jī)系統(tǒng)配置速度反饋信號(hào)，但由于8臺(tái)電機(jī)通過減速機(jī)安裝在同一齒圈上，在忽略齒間間隙的情況下，可以認(rèn)為電機(jī)速度一致。為了降低成本，并考慮到設(shè)備的可靠性等問題，系統(tǒng)設(shè)置了2個(gè)編碼器，即1號(hào)編碼器和8號(hào)編碼器，其他電機(jī)的速度反饋信號(hào)都是通過脈沖分配器虛擬信號(hào)的方法獲得。

2.3控制流程

2.3.1　主程序控制過程

主PLC將變頻控制系統(tǒng)作為一個(gè)整體進(jìn)行控制，發(fā)出啟停等控制要求，并可以對(duì)8臺(tái)電機(jī)進(jìn)行選擇，以便在某臺(tái)電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)進(jìn)行屏蔽，同時(shí)對(duì)每臺(tái)變頻器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。監(jiān)控內(nèi)容包括變頻器的狀態(tài)，當(dāng)前是否有故障和相關(guān)的報(bào)警信息，以及速度、扭矩、電流、變頻器溫度和電機(jī)溫度等信息。主PLC控制流程如圖3所示。

圖3　主 PLC控制流程

2.3.2　驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)基本控制參數(shù)接口

為了保證變頻器控制程序的通用性和可擴(kuò)展性，在程序設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)程序進(jìn)行了接口化處理，將刀盤驅(qū)動(dòng)看做一個(gè)整體進(jìn)行控制，設(shè)計(jì)了刀盤驅(qū)動(dòng)的接口程序，控制指令接口信息如表1所示。通過對(duì)相應(yīng)變量的賦值即可滿足相應(yīng)的功能要求，如在通信代碼中的Dp_drv1_run_order變量置為1，則代表下達(dá)啟動(dòng)命令。而刀盤驅(qū)動(dòng)的狀態(tài)信息則由表2中的相關(guān)變量中獲得。

表1控制命令接口信息表(節(jié)選)

變量名稱類型功能Dp_drv1_run_orderBool啟動(dòng)命令Dp_drv1_free_wheelBool自由停車Dp_drv1_fast_stopBool快速停車Dp_drv1_ackBool故障復(fù)位Dp_drv1_cw_orderBool順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)Dp_drv1_ccw_orderBool逆時(shí)針Dp_drv1_master_controlBool編碼器選擇Dp_drv1_motor_1_selBool選擇1號(hào)馬達(dá)Dp_drv1_motor_2_selBool選擇2號(hào)馬達(dá)Dp_drv1_motor_3_selBool選擇3號(hào)馬達(dá)Dp_drv1_motor_4_selBool選擇4號(hào)馬達(dá)Dp_drv1_motor_5_selBool選擇5號(hào)馬達(dá)Dp_drv1_motor_6_selBool選擇6號(hào)馬達(dá)Dp_drv1_motor_7_selBool選擇7號(hào)馬達(dá)Dp_drv1_motor_8_selBool選擇8號(hào)馬達(dá)Dp_drv1_torque_limitWord扭矩設(shè)定Dp_drv1_speed_spWord設(shè)定轉(zhuǎn)速

表2刀盤驅(qū)動(dòng)狀態(tài)信息表(節(jié)選)

變量名稱類型功能Dp_drv_ready_power_upBool變頻器的狀態(tài)已上電Dp_drv_readyBool就緒Dp_drv_run_statusBool運(yùn)行狀態(tài)Dp_drv_faultBool錯(cuò)誤Dp_drv_alarmBool報(bào)警Dp_drv_speedWord速度Dp_drv_torque_limit_stsWord轉(zhuǎn)矩限值Dp_drv_currentWord電流Dp_drv_torqueWord扭矩Dp_drv_tempWord溫度

一般技術(shù)人員只需要對(duì)表1、表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控和修改，即可完成對(duì)刀盤變頻系統(tǒng)的控制，而不用對(duì)程序內(nèi)部進(jìn)行操作，以此保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。

3結(jié)束語(yǔ)

將變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用到盾構(gòu)機(jī)刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，采用主從控制方式控制西門子變頻器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)盾構(gòu)類大扭矩負(fù)載有效、穩(wěn)定的控制要求，重點(diǎn)解決了多臺(tái)電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)的難題。刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用帶有編碼器的矢量控制，能夠很好地跟蹤各個(gè)電機(jī)的速度給定，且具有快速力矩調(diào)節(jié)功能，可以滿足盾構(gòu)機(jī)在較復(fù)雜條件下對(duì)刀盤的要求，因此,該方案可以廣泛地應(yīng)用于盾構(gòu)機(jī)刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制中。

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