一种盾构隧道远程自动化控制装置的制作方法

本发明涉及盾构隧道自动化控制技术领域，具体为一种盾构隧道远程自动化控制装置。

背景技术：

目前在国内对盾构的控制主要靠人工操作，盾构的控制受到操作者的能力、身体状况、情绪等个人因素的影响，控制质量很难保证。随着盾构法向大深度、大断面、长距离发展，再加上改善施工环境及劳动条件，提高施工质量，避免施工危险及熟练工人不足等原因，使得自动化技术的开发成为必需。

申请号为cn201611182388.7，申请日为20161220的发明公开了一种复合式盾构机刀盘驱动变频控制装置，包括人机操作界面、以太网交换机、施耐德plc、以太网通讯模板ety、profibus-dp网络通信模板、pby、profibus-dp网络通信电缆、abb变频器vfd1、vfd6、光纤链路、刀盘变频电机m1-m6，人机操作界面是整个装置的控制、显示及操作界面，以太网交换机是用来连接人机操作界面、施耐德plc和变频器的网络通讯设备，该方案通过plc作为主控制器，通过通信网络连接到盾构机刀盘驱动变频器，采用编程方法实现盾构机刀盘具备主从控制与滑差两种控制方式切换，提高设备的使用寿命，应用于盾构隧道掘进机自动化控制领域中。

授权公告号为cn203430525u，申请日为20130819的实用新型公开了一种基于控制器的盾构分布式plc控制系统，包括通过工业以太网与plc分别连接的上位机和远程监控器，所述的plc通过profibusdp总线分别连接分布式i/0、变频器、智能仪表和dp/can网关，dp/can网关通过can总线连接控制器，该方案通过dp/can网关将can总线通讯的控制器与plc的dp网络连接，从而实现主plc与控制器的通讯，将控制器引入盾构的分布式控制网络。

然而上述两个方案仍存在以下问题:plc要控制多台变频器的场合，如果大量使用plc的d/a模块来控制变频器，则会使系统成本增加且抗干扰能力差；工作时变频器对刀盘电机会产生干扰。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种盾构隧道远程自动化控制装置，以解决上述背景技术中提出的问题。所述盾构隧道远程自动化控制装置具有可远程操作，控制方式简单可靠、最大限度的开放性和灵活性的特点。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种盾构隧道远程自动化控制装置，包括人机界面、plc、以太网、变频器、刀盘电机，所述人机界面通过以太网连接plc，所述六台变频器通过电缆连接到六台刀盘电机，所述刀盘电机通过减速机连接到刀盘驱动大齿轮上，所述plc包括控制站plc、工作站plc，所述控制站plc安装在操作室内，所述控制站plc通过neth/h网络连接工作站plc，所述工作站plc通过r485总线连接变频器，所述六台变频器连接脉冲分配器，所述脉冲分配器通过trd100s编码器连接工作站plc。

优选的，所述每台变频器入口端设有进线交流电抗器、漏电断路器，所述变频器输入及输出端还设置有第一滤波器、第二滤波器，所述变频器通过热继电器连接刀盘电机。

优选的，所述以太网网络接入模块为qj71e71，所述以太网支持tcp/ip和udp/ip通信协议。

优选的，所述控制站plc、工作站plc均为k120splc，所述控制站plc的cpu模块选用q06hcpu，所述工作站plc的cpu模块选用q02hcpu。

优选的，变频器为022ig54变频器，采用三相380v交流输入，功率为2.2kw。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本装置的控制站plc为盾构机的控制中心，控制站plc与工作站plc通过net/h网络直接通讯，网络结构简化、可靠，使plc和操作站具有最大限度的开放性和灵活性，具有管理的集中性和控制的分散性，采用rs485总线通信接口的变频器，使plc和变频器构成rs485通信网络，利用各种通信协议来对变频器进行控制，使操作者能方便灵活地利用plc和变频器的强大功能，在每台变频器的入口端设置漏电断路器，以防止交直流线路过载、短路、欠压，每台变频器设有滤波器、热继电器，从而保护刀盘电机。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为变频器与刀盘电机连接结构示意图。

图中：人机界面1、控制站plc2、工作站plc3、以太网4、neth/h网络5、r485总线6、脉冲分配器7、变频器8、第一变频器81、第二变频器82、第三变频器83、第四变频器84、第五变频器85、第六变频器86、刀盘电机9、第一刀盘电机91、第二刀盘电机92、第三刀盘电机93、第四刀盘电机94、第五刀盘电机95、第六刀盘电机96、编码器10、漏电断电器11、交流电抗器12、热继电器13、第一滤波器14、第二滤波器15。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1～2，本发明提供一种技术方案：

一种盾构隧道远程自动化控制装置，包括人机界面1、plc、以太网4、变频器8、刀盘电机9，所述人机界面1通过以太网4连接plc，所述六台变频器8通过电缆连接到六台刀盘电机9，所述刀盘电机9通过减速机连接到刀盘驱动大齿轮上，所述plc包括控制站plc2、工作站plc3，所述控制站plc2安装在操作室内，所述控制站plc2通过neth/h网络5连接工作站plc3，所述工作站plc3通过r485总线6连接变频器8，所述六台变频器8连接脉冲分配器7，所述脉冲分配器7通过trd100s编码器10连接工作站plc3；所述每台变频器8入口端设有进线交流电抗器12、漏电断路器11，所述变频器8输入及输出端还设置有第一滤波器14、第二滤波器15，所述变频器8通过热继电器13连接刀盘电机9；所述以太网4网络接入模块为qj71e71，所述以太网4支持tcp/ip和udp/ip通信协议；所述控制站plc2、工作站plc3均为k120splc，所述控制站plc2的cpu模块选用q06hcpu，所述工作站plc3的cpu模块选用q02hcpu；所述变频器8为022ig54变频器，采用三相380v交流输入，功率为2.2kw。

控制站plc2安装在操作室内，完成盾构机的主要控制任务，利用neth/h网络5采集工作站plc3的现场数据，组织控制流程和完成控制算法，实施对目标的控制，工作站plc3接受控制站plc2的命令实现现场数据的采集和对象控制。本装置采用通用高性能的plc和冗余分散控制设计，通用性好，可靠性高，易于系统扩展和维护，具有管理的集中性和控制的分散性，控制站plc2与工作站plc3通过net/h网络直接通讯，网络结构简化、可靠，从而使plc和操作站具有最大限度的开放性和灵活性。

通常一台plc要控制多台变频器8，如果大量使用plc的d/a模块来控制变频器8，则会使系统成本增加且抗干扰能力差，本装置采用rs485总线6通信接口的变频器8，使plc和变频器8构成rs485通信网络，利用各种通信协议来对变频器8进行控制，使操作者能方便灵活地利用plc和变频器8的强大功能来设计工业控制系统。

工作站plc3通过rs485网络可控制六台变频器8，分别驱动六台刀盘电机9，经过减速机构减速后带动执行机构运行，每一台变频器8由操作面板设定一个站号，plc通过rs485网络发给每一个变频器8频率参数，以便进行准确地调速，使每一时刻各执行机构的位置误差最小，其trd100s增量型编码器10作为反馈部件，由变频器8控制的刀盘电机9通过减速机构减速后带动执行机构运行，执行机构的转动带动编码器10产生一系列脉冲信号反馈给工作站plc3进行计数，由于采用带有编码器10的矢量控制，对电机系统配置速度反馈信号，以利用工作站plc3的pid计算，计算机作为用于远程监控的设备，通过公用电话网对系统运行情况进行监控。

在每台变频器8的入口端设置漏电断路器11，以防止交直流线路过载、短路、欠压，同时也可以对人身触电进行有效保护，在每台变频器8输入侧设置进线交流电抗器12，以改善变频器8电源侧的功率因数，减低谐波同时抑制外来浪涌，同时在每台变频器8的输入输出端设置无线电噪音第一滤波器14、第二滤波器15，降低变频器8输入侧和输出侧的噪音，减小变频器8对刀盘电机9的干扰。在每台刀盘电机9的输入端设置热继电器13，工作站plc3向开关量输出口发出高/低电平信号，经中间热继电器13控制变频器8来开启关闭刀盘电机9和调节变频器8的档位，从而控制刀盘电机9速度、方向，防止刀盘电机9过热，对刀盘电机9进行保护。

由于盾构机刀盘结构及使用方式的特殊要求无法采用单电机的驱动方式，多采用多电机同步驱动的方式实现，一般的电机数量在4～12台之间，本装置采用了6台刀盘电机9对刀盘进行驱动，刀盘电机9通过减速机和主齿轮驱动盾构机刀盘，各电机轴通过减速器和主齿轮耦合在一起，每台刀盘电机9的功率为430kw，额定扭矩为2964n·m，额定转速为1450r/min，最高转速2320r/min。

控制站plc2是盾构机的控制中心，它处理在网上传输的推进系统、刀盘系统、导向系统、拼装系统等数据，并发送指令至工作站plc3，工作站plc3接收控制站plc2的指令后，发送指令给变频器8，同时变频器8的数据传输至工作站plc3，工作站plc3对数据进行筛选和计算，部分信息传送至控制站plc2进行处理。转矩、电压等值在触摸屏上显示，同时操作者可以通过触摸屏对变频器8进行控制，进而达到控制刀盘电机9。工作站plc3读取传送至控制站plc2的变频器8参数包括频率、电压、电流、转矩等，控制站plc2发送指令至刀盘plc包括电机转向、速度给定、转矩限制、自动调谐功能等。人机界面的触摸屏显示频率、电压、电流、扭矩等参数，同时通过触摸屏设置刀盘电机9的转矩限制等。

控制站plc2被控对象分布范围大、数量较多，因此，cpu模块选用q系列中的高性能q06hcpu。q06hcpu程序容量为60k，主机控制最大i/o点数为4096点、最大i/o点数为8192点，满足盾构机主站运行程序较大、控制点数较多和较复杂算法的要求；工作站plc3分别对现场控制对象实施控制和模拟量的采集等，程序相对较小且不涉及复杂的算法，因此工作站plc3的cpu模块选用程序容量相对较小的q02hcpu。

本装置采用主从控制系统，该控制方式简单可靠。由于盾构机控制系统被控对象分布范围大、数量较多，属于大型plc控制系统，因此采用主从式、分布式结构以提高系统的可维护性、可靠性、有利于控制软件的编制，采用网络控制方式以简化系统布线，节省成本，便于系统维修，实施对智能设备的管理，从而达到提高控制系统可维护性和可靠性的目的。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。