PLC在盾构施工中的探索

PLC在盾构施工中的探索

【内容提要】PLC是盾构机的大脑和心脏，控制整个盾构系统的工作。本文主要分析了PLC的基本结构以及扫描工作原理，进而以盾构机推进系统的工作过程的为例进一步分析了PLC的工作原理。

【关 键 词】 PLC  盾构

1.PLC的基本概念

随着微处理器、计算机和数字通信技术的飞速发展，可编程序控制器（Programmable Logic Controller）简称PLC已经广泛地应用在几乎所有的工业领域。它的应用面广、功能强大、使用方便已经成为当代工业自动化的主要支柱之一，广泛地应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中。

国际电工委员会（IEC）在1985年的PLC标准草案第3稿中，对PLC作了如下定义：“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”

在盾构系统中，如果说机械是它的骨骼，电和液压是它的血液，那么，PLC系统就是它的大脑和心脏，控制和指挥整个盾构机系统得以运转。

2.PLC的基本结构

本文以西门子公司的S7-400大型可编程控制器为主要探讨对象，西门子的PLC以其较高的性能价格比，在国内占有很大的市场分额，成都地铁1号线一期工程盾构施工2标所使用的两台海瑞克盾构机均采用Siemens S7-400。

S7-400属于模块式PLC，主要由机架、CPU模块、信号模块、功能模块、接口模块、通信处理器、电源模块和编程设备组成，（见图1）各种模块安装在机架上。通过CPU模块或通信模块上的通信接口，PLC被连接到通信网络上，可以与计算机、其他PLC或其他设备通信，实现盾构施工的地面监控。

图 1  PLC控制系统示意图

2.1CPU模块（CPU）

CPU模块主要由微处理器（CPU芯片）和存储器组成。在PLC控制系统中，CPU模块相当于人的大脑和心脏，它不断的采集输入信号，执行用户程序，刷新系统的输出；存储器用来存储程序和数据。CPU内的元件封装在一个牢固而紧凑的塑料机壳内，面板上有状态和故障指示LED、方式选择钥匙开关和通信接口。方式选择开关是一种钥匙开关，操作时需要插入钥匙，用来设置CPU当前的运行方式。CPU有四种运行模式，分别是STOP模式、RUN模式、HOLD模式、STARTUP模式。钥匙拔出后，就不能改变操作方式，这样可以防止未经授权的人员非法删除或改写程序。S7-400将CPU模块简称CPU。

成都地铁1号线一期工程盾构施工2标所使用的S365盾构机的CPU的型号是CPU 414-2DP。该CPU适用于对程序规模、指令处理速度及通信要求较高的场合，集成有DP/MPI通信接口，具有256KB的集成式RAM用来存储程序和数据，最小位操作指令执行时间为0.06μS等功能。

2.2信号模块（SM）

信号模块是模拟量输入/输出模块（AI/AO）和数字量输入/输出模块（DI/DO）的总称。数字量信号又称为开关量模块。在盾构系统中，信号模块是它的眼、耳、手、脚，是联系外部现场设备和CPU模块的桥梁。

输入模块用来接受和采集输入信号，模拟量输入模块用来接收电位器、测速发电机和各种变送器提供的连续变化的模拟量电流电压信号；开关量输入模块用来接收从按钮、选择开关、限位开关、压力继电器等来的开关量输入信号。

模拟量输出模块用来控制电动调节阀、变频器等执行器；开关量输出模块用来控制接触器、电磁阀、指示灯、数字显示装置和报警装置等输出设备。

S365的PLC模拟量输入（SM431）共有10个，模拟量输出（SM432）共有3个，数字量输入（SM421）共有17个，数字量输出（SM422）共有13个。

2.3功能模块（FM）

为了增强PLC的功能，扩大其应用领域，减轻CPU的负担，PLC厂家开发了各种各样的功能模块。它主要用于完成某些对实时性和存储容量要求很高的控制任务。

在盾构系统中，它可以控制伺服电动机或步进电动机，以一定频率控制机械运动。

2.4接口模块（IM）

CPU所在的机架称为中央机架，如果一个机架不能容纳全部模块，可以增设一个或多个机架。用来实现中央机架与扩展机架之间的通信，有的接口模块还可以为扩展机架供电。

S365的接口模块为IM460-3和IM161-3分别是配合使用的发送接口模块和接收接口模块，属于集中式扩展，最大距离100m，传输C总线和P总线。IM460-3有两个接口，每个接口可以最多扩展4个机架，模块最多可扩展8个机架，S365的PLC系统扩展了2个机架。

2.5通信处理器（CP）

通信处理器用于PLC之间、PLC与远程I/O之间、PLC与计算机和其他智能设备之间的通信，可以将PLC接入MPI、PROFIBUS-DP、AS-I和工业以太网。

2.6电源模块（PS）

PLC一般使用AC220V电源或DC24V电源，电源模块用于将输入电压转换为DC24V电压和背板总线上的5V电压，供其他模块使用。

S365的PLC系统使用的是PS407。另外还有一块蜂鸣器电池，该电池用来在突然断电的情况下给PLC系统供电，防止程序的丢失。

2.7编程设备

S7-400使用安装了编程软件STEP7的个人计算机作为编程设备，在计算机屏幕上直接生成和编辑各种文本程序或图形程序，可以实现不同编程语言之间的相互转换。程序被编译后下载到PLC，也可以将PLC中的程序上传到计算机。程序可以存盘或打印，通过网络，可以实现远程编程和传送。

3.PLC的工作原理

3.1.扫描工作原理

当PLC运行时，是通过执行用户程序来完成任务的。CPU需要执行众多的操作，但CPU不可能同时去执行这么多操作。它只能按分时（串行）操作方式来工作，因为CPU的工作速度非常快，所以从宏观上来看，所有的结果几乎是同时完成的。

扫描从第一条程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按程序存储顺序的先后逐条执行用户程序，直到程序结束。然后再从头扫描，如此从复执行。

3.2程序的执行过程

a 输入采样阶段

PLC以扫描工作方式按顺序读取所有的输入模块的输入信号的状态，并将它们存入过程映像输入表（Process Image Input,PII）中，此时过程映像输入表被刷新。当用户程序去访问PLC的输入地址区时，不是去读输入模块中的信号状态，而是去访问过程映像输入表。

b程序执行阶段

在程序的执行阶段，PLC对程序按顺序进行扫描执行。若程序用梯形图来表示，则总是按先上后下、先左后右的顺序进行。

c输出处理阶段

PLC将输出映像寄存器中与输出有关的状态转存到过程映像输出表（Process Image Onput,PIQ）中，并通过一定的方式输出，驱动外部负载。同样，PLC在输出时将输出信号传送到过程映像输出表，而不是直接去写输出端子。

整个程序的执行过程采用的是集中采样。所谓集中采样即当CPU从过程映像输入表中读出数据开始执行程序时，输入端子的状态即便发生变化，过程映像表中的信号状态依然保持不变，直到下一个循环被刷新。

同样，整个程序的执行过程采用的是集中输出。在一个扫描周期内，只在输出刷新阶段才将输出状态从过程映像输出表中输出，对输出端子进行刷新，在其他阶段输出状态一直保存在过程映像输出表中。

4.推进系统PLC执行过程

现以推进系统的PLC执行过程进一步说明PLC的执行过程。当盾构机司机按下操作控制台上的掘进按钮，一个电信号就被输入到PLC控制系统的输入端子，输入端子会把信号传送到过程映像输入表中，CPU会循环扫描过程映像输入表，从输入端子提取数据。此过程即为输入采样阶段。当接收到该信号时，控制系统首先分析推进的条件是否具备，如推进油缸液压油泵是否打开，刀盘的转数是否大于最小转数，刀盘的压力是否小于额定最大压力，电缆卷筒和软管卷筒是否准备好，每一个铰接油缸的行程是否小于最大额定值，润滑脂系统是否工作正常等，如果推进的条件不具备，就不能推进，CPU会向输出映像寄存器输出一个低电平信号，同时在屏幕上会将不满足条件的那条指令变成红色，用来提示盾构机司机该设备不满足条件；如果条件具备，则CPU会向输出映像寄存器输出一个高电平的电信号。此分析过程为程序执行阶段。当输出端子会得到该信号，会驱动推进按钮指示灯变亮，同时也会给推进油缸控制阀的电磁阀供电，电磁阀通电打开推进油缸控制阀，盾构机开始向前推进。此过程为输出处理阶段。

5.总结

海瑞克土压平衡盾构机的PLC系统是由德国西门子公司研制，学习PLC技术需要有一定的外文基础（英文和德文）、计算机基础知识，电气基础知识，同时还要有一定的现场施工经验，并且对盾构的机械原理，液压原理和它的整个施工过程原理要有一定程度的掌握，才可能结合计算机的专业知识看懂PLC的程序，进而可以及时通过程序来查找和解决盾构施工中的所遇到的故障，保证盾构施工的顺畅进行。