转 矩 保 护 等 级.2．4 Hz 以 下 时 为 1．8 Tn， 介 于 2．4 Hz～4．2 Hz 之间时为 1．6 Tn， 大于 4．2 Hz 时为 1．5 Tn； 正 常 运 转 时 在 触 摸 屏 上 根 据 不 同 的 操 作 权 限 可以设定 0～1．5 Tn.
启动时间保护：刀盘电机分为 7 个档位，每一 个档位对应一个变频器启动时间， 如果在规定的 时间内没有达到档位限定的转速时， 系统将报警 停机.刀盘转速表如表 1 所示.
近年来随着对变频技术和设备的开发，使其应用得越来越广泛，价格上比液压驱动更具有优势.变频 驱动的优点是：启动电流小、效率高，调节环路的反映好，配备的标准感应变频电机维修简单、噪音低、冷却 性 能 好 ，所 以 对 于 变 频 驱 动 控 制 研 究 具 有 重 要 意 义 ［3］.本 文 参 照 日 立 造 船 盾 构 机 的 刀 盘 变 频 驱 动 系 统 ，设 计 了一种新的刀盘变频驱动方案，使得变频控制的驱动电机随施工状况和土质的软硬进行调整，满足不同地 质的切削.
发出启 ／ 停、转向等控制命令；根据操作人员的指令给出 速度和转矩给定值；同步驱动电机的转矩，并将转盘驱动 系统的实时状态和转速、 转矩、 电流等数据传送到主控 PLC 系统.该刀盘驱动控制系统的结构如图 2 所示.
SINAMICS 家 族 S120 系 列 变 频 器 是 集 V ／ F 控 制 、矢 量控制、 伺服控制为一体的多轴驱动系统和高性能的单
收 稿 日 期 ：2010-11-24 基金项目：广西科学基金资助项目（桂科自 0991067）；北京三一重工盾构机基础研发项目资助. 作者简介：蔡启仲，教授，研究方向：嵌入式系统与自动化装置研究，E-mail: caiqzh@.
第1期
蔡启仲等：盾构机刀盘变频驱动控制研究
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操作室
主站 PLC
CPU315-2DP，选用 SINAMICS 家族 S120 系列变频器作为刀盘驱动系统，采用一拖一的控制结构，并以其中
一个变频器为主，其它变频器为从，PLC 把频率或扭矩传给主变频器，其它变频器跟随主变频器运行的控
制方式.主控制 PLC 与刀盘控制 PLC 通过 PROFIBUS 进行通讯，刀盘 PLC 根据主控 PLC 的指令给变频器
刀盘系统设有 3 级转矩保护功能，第 1 级根据机械系统允许的最大转矩设在变频器中，该限定值在变 频器调试时设定，不可进行更改（该值通常小于电机机械安全剪断扭矩的 80％）；第 2 级转矩限定值（上限） 由高级工艺人员在触摸屏上设定，该值作为正常钻进时的极限转矩，只在盾构机脱困时等特殊情况下才可 由相关授权工艺人员修改；第 3 级转矩（上限值）限定由盾构机操作人员根据钻进工艺需要在触摸屏上设 定，该设定值被限定在第 2 级限定值下，当刀盘转矩达到该设定值时，控制系统将自动降低推进速度.刀盘 转矩（各运行电机转矩之和）等于该设定值时，刀盘进入堵转状态，此时控制系统将自动将推进速度降为 0.
1 刀盘变频驱动的控制结构
刀盘驱动系统主要由变频电机、减速机、大小齿轮、三滚子轴向径向主轴承及密封组成. 日立造船盾构机的刀盘变频驱动控制系统采用一拖二的控制结构， 变频电机通过三菱 PLC 控制器与 东芝变频器通讯来控制，采用自由的 V ／ F 控制，PLC 把频率或扭矩同时传送给各个变频器，又同时接受各 个变频器的各种参数，直接监控各个变频器.使得刀盘速度可调，且具有较大扭矩储备和较高的传动效率［4］.8 个电机通过 CC－LINK 网络接收启 ／ 停以及速度信号， 通过 MELSEC NET ／ H 和 CC－LINK 网络控制的方式 可以保证 8 台电机启 ／ 停的同步性，从而实现 8 台电机的速度同步和扭矩保护.日立造船盾构机刀盘变频 驱动控制结构如下图 1 所示：
中 图 分 类 号 ：U452.2
文 献 标 志 码 ：A
0 引言
盾构机是集光、机、电、液、控等技术于一体，具有开挖切削土体、输送土渣、拼装隧道衬砌、测量导向纠 偏等功能.是实现掘进、岩渣转运、动壁支护等一次开挖成洞最为先进的隧道施工机械.
刀盘驱动系统是盾构机的重要组成部分之一，具有功率大、功率变化范围宽的特点.目前刀盘驱动方 式主要有液压驱动、变频电机驱动和双速电机驱动 3 种形式.通常大直径盾构机要求的转速高，宜选择电 驱 动 （变 频 电 机 驱 动 和 双 速 电 机 驱 动 ）.中 、小 直 径 的 软 土 盾 构 机 通 常 要 求 速 度 较 低 ，扭 矩 较 大 ，宜 选 用 液 压 驱 动 ［1］.液 压 驱 动 方 式 比 电 驱 动 方 式 微 动 操 作 性 好 ， 停 止 精 度 高 ， 同 步 性 能 好 ， 但 其 效 率 差 ， 噪 音 高 ， 后 续 台 车长，而对于大口径盾构机内空间大，驱动马达空间设置限制少，为提高效率、减低启动扭矩、简化后方设 备、改善隧道内环境等，切削刀盘采用变频驱动方式 ．［2］
S7.400 主控 PLC
S7.300 刀盘控制
PLC
PROFIBUS
轴驱动器，在盾构机刀盘驱动系统中，由于电机的功率比
PROFIBUS
较小，且需要电机冗余的设计要求，选用单轴控制的 AC ／ AC 变频器， 也称为 SINAMICS S120 单轴交流驱动器，其 机构形式为电源模块和电机控制模块集中在一起， 体积
5 结束语
刀盘变频控制是盾构机的关键技术之一，本文结合日立造船盾构机的刀盘驱动设计，全面介绍了盾构 机刀盘变频驱动控制结构、方式及控制原理.希望通过对某些问题的研究，给同行带来一些参考，从而推动 我国盾构机的研究和应用水平.
参考文献
［1］ 谢群，杨佳庆，高伟贤．盾构机刀盘驱动液压系统设计［J］．液压与气动，2009（4）：74-76． ［2］ 何 其 平 ．土 压 平 衡 盾 构 刀 盘 结 构 探 讨 ［J］．工 程 机 械 ，2003，34（11） ：10-16． ［3］ 王 胜 勇 ．盾 构 机 刀 盘 驱 动 研 究 ［J］．城 市 道 桥 与 防 洪 ，2007（12） ：95-96． ［4］ 彭 明 ．多 电 机 同 步 出 力 传 动 系 统 的 应 用 ［J］．有 色 冶 金 设 计 与 研 究 ，2007，28（1） ：10-12． ［5］Fang Y S,Lin S J,Lin J S.Time and settlement in EPB shield tunnelling［J］． Tunnels＆Tunnelling，1993（11）：9-10. ［6］ 刘 锦 波 ， 张 承 慧 ．电 机 与 拖 动 ［M］．北 京 ：清 华 大 学 出 版 社 ，2006． ［7］Hisakazu Matsushita． Earth pressure balanced shield method［J］．Tunnels＆Tunnelling，1980（1）：32-34. ［8］ 唐 健 ．盾 构 机 电 气 控 制 系 统 设 计 概 要 ［J］．隧 道 建 设 ，2002，22（1） ：33-35．
刀盘电机在启动和正常运转的时候有不同的
设置转矩 限制%
主机
PLC S7-400
刀盘 PLC 读取 变频器参数
发送指令给 PLC： （操作室） 电机转向、速度给
定、转矩限制等
刀盘
刀盘 PLC 读取 变频器参数
PLC S7-300
发送指令给变频 器：电机转向、速度 给定、转矩限制等
INV 柜
S120 变频器
第 22 卷 第 1 期 2011 年 3 月
广西工学院学报 JOURNAL OF GUAN广GX西I工UN学IV院E学RS报ITY OF TECHNOLOGY
文章编号 1004-6410（2011）01-0044-04
盾构机刀盘变频驱动控制研究
Vol.22 No.1 第Ma2r.22卷011
蔡启仲，汤 尧，吴玉鹏
一般 0—1 转为恒扭矩方式，1—1．5 转为恒功率方式.
扭矩/（103 N·m)
6
5
额定扭矩=5 770 N·m
4
（a=24.8）
3
2 最大转速=1.51 rad/s（额定时）
1
最大时的扭矩=3 790 N·m （a=14.6）
0 0.12 0.24 0.48 0.71 0.97 1.23 1.51 v/rad.s-1
（广西工学院 电子信息与控制工程系，广西 柳州 545006）
摘 要：刀盘驱动系统是盾构机重要系统之一，承担着驱动刀盘旋转、切削开挖面和密封舱内土体搅拌的任务.通过对
刀盘变频驱动的控制结构、控制方式以及控制过程和相关的控制连锁的介绍，为盾构机刀盘变频驱动控制选择提供
参考.
关 键 词 ：盾 构 机 ；刀 盘 驱 动 系 统 ；变 频 电 机 ；变 频 器 ；PLC
4 刀盘变频驱动的控制连锁
（1） 当达到 80％刀盘容许扭矩（可在触摸屏设定）持续时间超过 5 s 时，所有刀盘驱动电机将停止工作； （2） 当超过刀盘容许扭矩的 150％时，所有刀盘驱动电机就会立即停止工作； （3） 当刀具密封圈温度超过 60 ℃，所有刀盘驱动电机将停止工作； （4） 当变频器电源中断时，刀盘驱动电机将不能转动； （5） 当变频器控制器出现不正常的状态时，刀盘驱动电机不能转动； （6） 当工作舱内的安全确认开关处于打开（ON）状态时，刀盘驱动电机不能转动； （7） 刀盘驱动电机在过载时将会停止工作；
H网 PLC2
CC-Link 网
变频柜
变频柜
变频柜
变频柜
电机 1 电机 6
电机 2 电机 5
电机 3 电机 7
图 1 刀盘控制结构图
电机 4 电机 8
根据盾构机的特点以及刀盘变频驱动的控制要求，设计了一种新的刀盘变频驱动系统，主控制 PLC 选
用 SIMATICS7-400，控制器选用 CPU414-3，用于各系统的总体协调 .［5］ 刀盘驱动控制 PLC 采用 S7-300 系统