盾构机刀盘驱动控制系统分析和使用
[摘要] 刀盘驱动系统是盾构机的重要组成部分，本文分析了国内盾构机中刀盘常用的几种典型的驱动方式，结合广佛地铁十二标中罗宾斯盾构机的刀盘驱动系统进行重点分析。

并使用GX Developer和GT Designer2进行联合仿真，分析其控制过程，供施工人员进行学习检修作参考。

[关键词] 盾构机；刀盘驱动；PL
前言
刀盘是盾构设备的重要组成部分，是进行掘进作业的主要工作装置。

虽然盾构机刀盘工作转速并不高，但是由于广佛地铁十二标地质构造复杂、刀盘作业直径较大。

要求刀盘的驱动系统需具备: 大功率、大转矩输出、抗冲击、转速双向连续可调。

在满足使用要求的前提下减小装机功率，具备节能降耗等工作特点。

盾构机中主要使用三菱电机自动化生产的Q2大型PLC进行分布式控制，各个部分在控制系统中分工明确，整个控制系统具有一定的复杂性。

因此，刀盘的驱动系统以及控制系统必须具有高可靠性和良好的操作性能。

通过使用GX Developer 和GT Designer2进行联合仿真可以很好地克服整套大型设备难以开展调试、学习、检查等工作的缺点。

1刀盘驱动系统分类
刀盘驱动系统是盾构机的主要系统之一, 分析盾构机刀盘驱动系统液压驱动方式和电驱动方式, 并对两种驱动方式进行了优缺点比较,结果如表1-1所示。

表1-1 驱动方式优缺点对比表
驱动形式特点
电机驱动能源使用效率高，噪音小，价格上比液压驱动具有优势，但是在前盾中占用空间比较大。

液压驱动起动力矩大，容易同步控制，效率低，噪音高。

前盾内空间宽敞，后续台车配套设备所占空间比较大。

虽然液压控制在控制精度以及起动转矩方面有一定的优势，但是随着异步电机变频控制技术的发展和完善，在刀盘驱动中使用电机驱动技术更加符合生产和设备使用和维护实际情况。

刀盘采用电机驱动将会越来越普遍。

2刀盘电驱动分析
电驱动方式分为单速电机驱动方式、双速电机驱动方式和变频电机驱动方式。

单速电机驱动方式不能调节速度，近年来在投入和功能的比较上，越来越缺
乏竞争力，因此较少使用。

双速电机驱动方式采用变换极对数达到变速, 但只有两档。

其结构简单、可靠性强、价格便宜, 但体积大，不适合中、小型盾构机的选用，起动电流大，电机相对发热量高，也是它的劣势, 但对于地质变化不是十分突出的情况而言，采用双速电机也是合适的。

和前面两种电机驱动方式相比，变频驱动的优点是:启动电流小，效率高，调速性能好。

近年来随着对变频技术及相关设备的深入开发，使得其应用范围越来越广泛，价格上比液压驱动更具有优势。

它的另一个优点是便于盾构机的使用和保养。

采用电机驱动的盾构机，前盾中液压管路明显减少，更加整洁，更换刀具时，刀盘可随时停止在指定的角度，也非常方便地通过改变相序，来改变刀盘转动方向。

盾构机中采用10台90KW x 400v电机进行独立变频驱动，控制形式为VFD 变频调速。

在0～50 Hz 范围内可达到全额扭矩,电动机功率恒定。

工作扭矩为5628KNm (100%，α=22.9)，脱困扭矩为7316KNm (130%，α=29.8)。

盾构机刀盘驱动性能如图2-1所示。

配备的标准感应变频电机维修简单，噪音低、冷却性能好，可改善环境温度。

但其控制部分要求具备一定的工作环境，需要解决潮湿环境下的潮湿问题，对环境中的湿度也很敏感。

图2-1 刀盘驱动性能
采用变频调速驱动时，每台电机有其自己的变频器，在个别电机变频器出现故障时，盾构机仍能正常运行，从而实现刀盘驱动的平稳性。

从性能及控制上，要求各变频器之间信号交换时间要降到最低，以保证他们之间的同步性。

电机上应装有扭矩限制器以保护主驱动器不受尖峰扭矩的损坏，并在扭矩限制器动作后及时复位。

3刀盘驱动变频模块分析
电机驱动使用东芝公司生产的VFAS1-4110KPC型变频器，其电压工作范围为380v～480v，最大输出功率可以达到110kw，完全符合电机所需的驱动能力。

单台电机驱动电路电气接线如图3-1所示，
变频器输入端R/L1、S/L2、T/L3和输出端U/T1、V/T2、W/T3绝对不能接错。

如果电源输入接至变频器输出端，变频器中逆变电路中桥臂上无论哪个逆变管导通，将导致两相间的短路而将逆变管迅速烧坏。

另外，变频器输出至电机输入的动力线应控制在500m的布线距离范围之内，长距离布线寄生电容所产生的冲击电流，可能会引起过电流保护误动作，输出侧
连接的设备可能运行异常或发生故障。

变频器输出端不能接电力电容或浪涌吸收器，这将导致变频器故障或电容和浪涌吸收器的损坏。

调试过程中如果电动的旋转方向和生产工艺要求不一致，最好用调换变频器输出相序的方法，不要用调换控制端子FWD或REV的控制信号来改变电动机的旋转方向。

刀盘各个电机使用变频器单独进行驱动，并且使用VFD的变频控制方式。

如果某台电机对应的变频器出现故障，理论上可以进行多台电机连接在一台变频器上，单是考虑到变频器的驱动功率以及电机动力线的布线距离，应禁止一台变频器带动多台电机。

图3-2 变频器外围接线功能
变频器外围接线功能分析如图3-2所示。

使用过程中可以根据变频器的实际使用情况进行配置。

外围主要涉及电能质量相关部分以及制动相关部分，其中输入电抗器属于交流电抗器，主要用于抑制电动运行过程中产生的高次谐波，提高供电系统的稳定性，在4号台车上占用一个柜的位置。

变频器内部结构如图3-3所示，作为电机所需的变频电源，其主电路主要将直流电变换成所需频率的交流电，完成逆变功能。

由于电机功率比较大，和小功率变频器相比，内部增加了许多保护电路。

变频器使用过程中应特别注意图中序号所标部分，其功能特点如下所示：
图3-3 变频器内部结构框图
1：务必必须安装直流电抗器。

2：输入直流电源时，连接PA/+，PC/-。

3：在使用直流电源时，必须设置抑制突入电流的电路。

4：400V全部容量内置干扰过滤器。

5：200V-75kW、400V-110kW 以上的机种，使用直流电源时另外需要配置风扇驱动用的三相电源输入。

6：200V 全容量400V-160kW 以下标配内置发电制动驱动电路（GTR7）。

只要连接外部制动电阻器。

选用的电阻器必须是东芝公司配套的元件以防止烧坏设备。

7：400V-200kW 以上，制动单元（选项）和外部制动电阻器（选项）组合使用。

8：各开关的功能如下表3-1所示。

表3-1各开关功能表
9：OUT1，VI/II，RR/S4 用开关及参数设定可以切换功能。

见下表3-2所示。

表3-2 功能切换表
10：控制电源虽然由变频器内部供给，作为备用由外部供给时，需要控制电源备用选项（CPS002Z）。

此时并用变频器内部电源。

11：控制电源备用选项200/400V 共用。

4刀盘电机联合仿真控制过程
仿真过程主要由两部分组成：控制程序仿真部分和触摸屏仿真部分。

控制程序使用GX Developer平台，界面如图4-1所示。

虽然平台能够对控制程序进行独立仿真，但是由于控制程序指令比较多，不容易看出程序的运行规
律，并且盾构机生产商提供的源程序属日文注释，在平台中显示为乱码，更加影响了程序的可读性。

图4-1GX Developer平台
触摸屏部分使用GT Designer2平台，仿真界面如图4-2所示。

仿真过程中需要在选项中选择QCPU系列控制内核模型。

通过和控制程序的联合仿真，可以更加容易形象地调试观察程序中电机的控制过程。

图4-2 触摸屏仿真平台
通过对PLC程序的分析，我们对盾构机故障的处理将会简单快速，如果能应用STEP7仿真软件进行仿真调试，则我们更会事半功倍，因为每一个输入输出及相关的变量都能很直观地显示它们的状态以及相关的逻辑关系，很快能发现哪个参数不符合要求。

可利用PLC系统联合仿真，很快找到故障点并处理。

特别是在控制程序注释不是很清晰友好的情况下，可以进行调试学习。

5 结束语
液压驱动方式和电驱动方式各有优缺点。

电驱动方式具有效率高，维修简单，噪音低的优点。

液压驱动方式技术成熟，操作性好，比较实用。

使用过程中应结合刀盘的驱动特性以及土仓的负载特性，对刀盘电机进行驱动控制，特别是在电机起动、运行、停止过程中的合理控制调节。

这样既能提高刀盘驱动系统使用寿命，又能提高施工工艺。

通过仿真平台进行调试学习，既节约学习成本又能提高控制系统的学习效率。

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