大型機(jī)電設(shè)備電氣控制系統(tǒng)

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大型機(jī)電設(shè)備電氣控制系統(tǒng),第一章 概述,大型的施工機(jī)械設(shè)備的電氣控制系統(tǒng)是整個(gè)設(shè)備的控制核心，作用非常關(guān)鍵，其電氣控制系統(tǒng)也隨著技術(shù)水平的不斷進(jìn)步而不斷改進(jìn)，當(dāng)前，諸如TBM、盾構(gòu)這樣的典型大型機(jī)電設(shè)備的電氣控制系統(tǒng)均采用最先進(jìn)、可靠的技術(shù)與設(shè)備以保證性能的充分發(fā)揮。,系統(tǒng)可靠性與先進(jìn)性,1.1 大型機(jī)電設(shè)備電氣控制系統(tǒng)的基本要求與特點(diǎn),電氣控制系統(tǒng)是整個(gè)盾構(gòu)系統(tǒng)的控制與操作核心，盾構(gòu)工作環(huán)境惡劣、條件復(fù)雜、維護(hù)維修條件及保障能力差，所以作為整個(gè)設(shè)備核心的電氣控制系統(tǒng)的可靠性對(duì)于保證盾構(gòu)穩(wěn)定高效可靠地工作是至關(guān)重要的。 因此，盾構(gòu)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一原則便是在保證盾構(gòu)系統(tǒng)整體可靠性與性?xún)r(jià)比的前提下，采用當(dāng)代最先進(jìn)的自動(dòng)控制與計(jì)算機(jī)控制技術(shù)。,計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在PLC控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)施工數(shù)據(jù)的采集、顯示、匯總、統(tǒng)計(jì)甚至分析，為施工管理人員科學(xué)管理、科學(xué)施工創(chuàng)造很好的條件。,繼電—接觸器控制系統(tǒng),1.2 機(jī)械設(shè)備電氣控制系統(tǒng)基本形式,繼電—接觸器控制系統(tǒng)以硬接線的方式保證順序動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)，直觀、形象，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜。廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械設(shè)備。 但也存在很多缺點(diǎn)： 通用性和靈活性差、修改、調(diào)試不便； 不能實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備模擬量參數(shù)的測(cè)試與自動(dòng)控制； 經(jīng)常產(chǎn)生電弧，容易燒損觸點(diǎn)，從而造成開(kāi)關(guān)動(dòng)作不可靠、維修不便。 可靠性較低,雖然繼電—接觸器控制系統(tǒng)存在上述不足，但是仍能滿足很多中小型機(jī)械設(shè)備的自動(dòng)控制要求，仍是最基本的電氣控制系統(tǒng)之一，同時(shí)也是盾構(gòu)等大型機(jī)械設(shè)備電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),無(wú)觸點(diǎn)邏輯控制,1.2 機(jī)械設(shè)備電氣控制系統(tǒng)基本形式,無(wú)觸點(diǎn)邏輯控制系統(tǒng)與繼電邏輯控制系統(tǒng)本質(zhì)上是相同的，只是使用三極管、可控硅、數(shù)字集成電路等半導(dǎo)體元件替代繼電器、接觸器等有觸點(diǎn)控制與執(zhí)行電器。 因此，與繼電—接觸器控制系統(tǒng)相比較，具有體積小、可靠性好、反應(yīng)速度快、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。,計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),1.2 機(jī)械設(shè)備電氣控制系統(tǒng)基本形式,隨著微電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)械設(shè)備的電氣控制系統(tǒng)普遍采用了計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)以其強(qiáng)大的功能和靈活性為機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)與應(yīng)用帶來(lái)了前所未有的進(jìn)步與發(fā)展，尤其是盾構(gòu)這樣的大型、超大型機(jī)械設(shè)備必須采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)才能滿足其工藝與控制要求。 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是功能強(qiáng)大、性能優(yōu)異、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、壽命長(zhǎng)，缺點(diǎn)是系統(tǒng)組成不直觀，，故障判斷與處理較困難等，因此對(duì)系統(tǒng)使用與維護(hù)人員要求高，要求使用與維護(hù)人員具有較全面較扎實(shí)的計(jì)算機(jī)與自動(dòng)控制方面的理論知識(shí)與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。 。,目前機(jī)械設(shè)備的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)主要包括以下幾類(lèi)：,1.2 機(jī)械設(shè)備電氣控制系統(tǒng)基本形式,嵌入式微控制器 。 工業(yè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 可編程控制器（PLC）控制系統(tǒng) 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng),嵌入式微控制器,1.2 機(jī)械設(shè)備電氣控制系統(tǒng)基本形式,嵌入式微控制器具有體積小、功能強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械設(shè)備的控制系統(tǒng)中，但一般應(yīng)用于控制要求較簡(jiǎn)單的中小型機(jī)械設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程控制,工業(yè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),1.2 機(jī)械設(shè)備電氣控制系統(tǒng)基本形式,工業(yè)計(jì)算機(jī)—IPC是采用PC架構(gòu)并采取多種有效技術(shù)措施以適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)惡劣環(huán)境的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，因此，以工業(yè)計(jì)算機(jī)IPC為核心構(gòu)建的控制系統(tǒng)具有系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方便，可以充分利用PC機(jī)的強(qiáng)大軟件資源的優(yōu)點(diǎn)，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理能力，功能強(qiáng)大、性能優(yōu)異。可以比較容易的開(kāi)發(fā)較復(fù)雜的控制程序，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理與圖形顯示功能，所以比較適用于控制算法比較復(fù)雜的過(guò)程控制系統(tǒng)。,可編程控制器（PLC）控制系統(tǒng),1.2 機(jī)械設(shè)備電氣控制系統(tǒng)基本形式,可編程控制器是微型計(jì)算機(jī)技術(shù)與繼電—接觸器控制等常規(guī)控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是在繼電—接觸器控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新型控制器。所以以PLC(可編程控制器)為核心組成的控制系統(tǒng)計(jì)既具有繼電—接觸器控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單易懂易于理解的優(yōu)點(diǎn)，也具有計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的靈活方便、柔性強(qiáng)的特點(diǎn)，同時(shí)比一般的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)具有可靠性強(qiáng)的優(yōu)良特性。自1969年誕生世界上第一臺(tái)PLC以來(lái)，很快被世界上機(jī)械設(shè)備控制系統(tǒng)及生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)廣泛采用，PLC一直是工業(yè)控制產(chǎn)品中市場(chǎng)占有率最高的產(chǎn)品。目前，諸如盾構(gòu)這樣的大型機(jī)械設(shè)備全部采用PLC控制系統(tǒng)。,現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng),1.2 機(jī)械設(shè)備電氣控制系統(tǒng)基本形式,現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)是采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)形成的控制系統(tǒng)，本質(zhì)上是一種計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。它是依靠具有檢測(cè)、控制、通信能力的嵌入式控制器，數(shù)字化儀表（設(shè)備）在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)徹底分散控制，并以這些現(xiàn)場(chǎng)分散的測(cè)量、控制設(shè)備單個(gè)點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，將這些點(diǎn)以總線形式連接起來(lái)，形成一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。所以，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)是一種全數(shù)字、全分散的控制系統(tǒng)。,第二章 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),§2.1 現(xiàn)場(chǎng)總線的產(chǎn)生,現(xiàn)場(chǎng)總線（Fieldbus）是用于現(xiàn)場(chǎng)儀表、控制系統(tǒng)、控制室之間的一種全分散、全數(shù)字化、智能、雙向、互聯(lián)、多變量、多點(diǎn)、多站的智能設(shè)備互連通訊網(wǎng)絡(luò)。,現(xiàn)場(chǎng)總線作為工廠數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，溝通了生產(chǎn)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)及控制設(shè)備之間及其與更高控制管理層次之間的聯(lián)系。,它不僅是一個(gè)基層網(wǎng)絡(luò)，而且還是一種開(kāi)放式、新型全分布控制系統(tǒng)，是以智能傳感、控制、計(jì)算機(jī)、數(shù)字通訊等技術(shù)為主要內(nèi)容的綜合技術(shù) ；,一、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)產(chǎn)生的背景,現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)產(chǎn)生于二十世紀(jì)八十年代 是為滿足日益急迫的企業(yè)綜合自動(dòng)化的需求 開(kāi)放性 通用性 可靠性 智能儀表為現(xiàn)場(chǎng)總線的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ),二、傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)與車(chē)間級(jí)自動(dòng)化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng),傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)與車(chē)間級(jí)自動(dòng)化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)（包括：基于PC、PLC、DCS產(chǎn)品的分布式控制系統(tǒng)），如圖所示：,,傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)與車(chē)間級(jí)自動(dòng)化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng),其主要特點(diǎn)： 現(xiàn)場(chǎng)層設(shè)備與控制器之間的連接是一對(duì)一（一個(gè)I/O點(diǎn)對(duì)設(shè)備的一個(gè)測(cè)控點(diǎn)）所謂I/O接線方式，信號(hào)傳遞4-20mA（傳送模擬量信息）或24VDC（傳送開(kāi)關(guān)量信息）信號(hào)。,主要缺點(diǎn),信息集成能力不強(qiáng)：,控制器與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間靠I/O連線連接，傳送4-20mA模擬量信號(hào)或24VDC等開(kāi)關(guān)量信號(hào)，并以此監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。這樣，控制器獲取信息量有限，大量的數(shù)據(jù)如設(shè)備參數(shù)、故障及故障紀(jì)錄等數(shù)據(jù)很難得到。底層數(shù)據(jù)不全、信息集成能力不強(qiáng)，不能完全滿足企業(yè)信息化系統(tǒng)對(duì)底層數(shù)據(jù)的要求。,系統(tǒng)不開(kāi)放、可集成性差、專(zhuān)業(yè)性不強(qiáng)：,除現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備均靠標(biāo)準(zhǔn)4-20mA/24VDC連接，系統(tǒng)其它軟、硬件通常只能使用一家產(chǎn)品。不同廠家產(chǎn)品之間缺乏互操作性、互換性，因此可集成性差。這種系統(tǒng)很少留出接口，允許其它廠商將自己專(zhuān)長(zhǎng)的控制技術(shù)，如控制算法、工藝流程、配方等集成到通用系統(tǒng)中去。,可靠性不易保證 ：,對(duì)于大范圍的分布式系統(tǒng)，大量的I/O電纜及敷設(shè)施工，不僅增加成本，也增加了系統(tǒng)的不可靠性。,由于現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備信息不全，現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備的在線故障診斷、報(bào)警、記錄功能不強(qiáng)。另一方面也很難完成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定、修改等參數(shù)化功能，影響了系統(tǒng)的可維護(hù)性。,可維護(hù)性不高 ：,三、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的串行通信接口是現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的原形,由于大規(guī)模集成電路的發(fā)展，許多傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能化，即內(nèi)置CPU控制器，完成諸如線性化、量程轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波甚至回路調(diào)節(jié)等功能。,對(duì)于這些智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備增加一個(gè)串行數(shù)據(jù)接口（如RS-232/485）是非常方便的。,有了這樣的接口，控制器就可以按其規(guī)定協(xié)議，通過(guò)串行通信方式（而不是I/O方式）完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)控。,如果設(shè)想全部或大部分現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備都具有串行通信接口并具有統(tǒng)一的通信協(xié)議，控制器只需一根通信電纜就可將分散的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接，完成對(duì)所有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)控。,這就是現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的初始想法。,基于以上初始想法，使用一根通信電纜，將所有具有統(tǒng)一的通信協(xié)議通信接口的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接，這樣，在設(shè)備層傳遞的不再是I/O（4-20mA/24VDC）信號(hào)，而是基于數(shù)字信息，由數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)級(jí)與車(chē)間級(jí)自動(dòng)化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)。,§2.2 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)概念,一、現(xiàn)場(chǎng)總線定義,★ ISA SP50（美國(guó)儀表協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)）中對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線的定義       — 現(xiàn)場(chǎng)總線是一種串行的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信鏈路，它溝通了過(guò)程控制領(lǐng)域的基本控制設(shè)備（即場(chǎng)地級(jí)設(shè)備）之間以及與更高層次自動(dòng)控制領(lǐng)域的自動(dòng)化控制設(shè)備（即車(chē)間級(jí)設(shè)備）之間的聯(lián)系        ★ 國(guó)際電工委員會(huì)IEC標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)FF的定義       — 現(xiàn)場(chǎng)總線是連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò),因此，可以進(jìn)一步理解為：,現(xiàn)場(chǎng)總線是安裝在生產(chǎn)過(guò)程區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備/儀表與控制室內(nèi)的自動(dòng)控制裝置/系統(tǒng)之間的一種串行、數(shù)字式、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線。其中，“生產(chǎn)過(guò)程”包括斷續(xù)生產(chǎn)過(guò)程和連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程兩類(lèi)。,現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System, FCS）是由以單個(gè)分散的、數(shù)字化、智能化的測(cè)量和控制設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、用現(xiàn)場(chǎng)總線相連接組成的控制系統(tǒng)。這是繼電式氣動(dòng)儀表控制系統(tǒng)、電動(dòng)單元組合式模擬儀表控制系統(tǒng)、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)DCS后的新一代控制系統(tǒng)。,基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)與車(chē)間級(jí)自動(dòng)化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)如圖所示：,二、現(xiàn)場(chǎng)總線本質(zhì),1.現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò) ： 用于過(guò)程控制及制造自動(dòng)化的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)儀表之間互連的通信網(wǎng)絡(luò)。,2.現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備互連 ： 傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)儀表通過(guò)一對(duì)傳輸線實(shí)現(xiàn)互連。傳輸線可以使用雙絞線、同軸電纜、光纖等，并可根據(jù)需要選擇。,2.互操作性 ： 不同制造商的產(chǎn)品互聯(lián)互通即互操作性。,4.分散功能塊 ： FCS系統(tǒng)將控制站的功能分散分配給現(xiàn)場(chǎng)儀表，構(gòu)成虛擬控制站，實(shí)現(xiàn)了徹底的分散控制。,5.使用通信線供電 ：,6.開(kāi)放式互連網(wǎng)絡(luò) ： FCS系統(tǒng)將控制站的功能分散分配給現(xiàn)場(chǎng)儀表，構(gòu)成虛擬控制站，實(shí)現(xiàn)了徹底的分散控制。,三、現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),由于剛開(kāi)始沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，各企業(yè)和企業(yè)集團(tuán)相繼開(kāi)發(fā)自己的總線產(chǎn)品，制定現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，形成了百花齊放的現(xiàn)狀 據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前市場(chǎng)上形形式式的現(xiàn)場(chǎng)總線有200多種 號(hào)稱(chēng)為開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)的也有二、三十種 現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158包含了八種類(lèi)型，,1.IEC61158國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) ： 1999年底IEC TC65（負(fù)責(zé)工業(yè)測(cè)量與控制的第65標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)）通過(guò)以下8種類(lèi)型的現(xiàn)場(chǎng)總線作為IEC61158國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)：,IEC技術(shù)報(bào)告（即FF的H1) Control Net(美國(guó)Rockwell公司支持） Profibus(德國(guó)西門(mén)子公司支持） P-Net（丹麥Process Data公司支持） FF HSE（原FF到H2） Swift Net（美國(guó)波音公司支持） World FIP（法國(guó)Alston公司支持） Interbus（德國(guó)PhoenixContact公司支持）,2.IEC TC17B通過(guò)以下3種類(lèi)型的現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)：,SDS（Smart Ditributed System) ASI(Actuator Sensor Interface） DeviveNet,2.ISO 11898 CAN（Control Area Network）,共12種,現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)開(kāi)發(fā)之熱是近年之舉 信息時(shí)代各項(xiàng)技術(shù)發(fā)展對(duì)測(cè)控系統(tǒng)提出的要求 計(jì)算機(jī)技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù) 自動(dòng)控制技術(shù) 信息（IT）技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)化、信息化給自控技術(shù)的發(fā)展提供的機(jī)遇 各國(guó)投入巨額資金與人力在開(kāi)發(fā)這一技術(shù)，形成了企業(yè)、國(guó)家、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) 歐洲、北美、亞洲、中國(guó),§2.3  現(xiàn)場(chǎng)總線現(xiàn)狀與發(fā)展,1.多總線共存,2.每種總線都力圖擴(kuò)展自己的應(yīng)用領(lǐng)域,2.多數(shù)總線都成立了相應(yīng)的國(guó)際組織,目前，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)存在以下特點(diǎn)：,4.多數(shù)總線都成為所在國(guó)或地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，以加強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)地位，P-net成為丹麥標(biāo)準(zhǔn)，Profibus成為德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，WorldFIP成為法國(guó)標(biāo)致，并于1994年成為并列的歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170，此標(biāo)準(zhǔn)后來(lái)又吸收了Control Net和FF。,5.以太網(wǎng)成為新技術(shù)熱點(diǎn),現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展中充滿了競(jìng)爭(zhēng),現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展過(guò)程中充滿了競(jìng)爭(zhēng) 經(jīng)濟(jì)因素：每種總線都有一個(gè)或多個(gè)公司且多是大型跨國(guó)公司為背景，公司的利益與總線的發(fā)展息息相關(guān) 原先投入較大的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)不甘輕言放棄 政治因素：總線之間的競(jìng)爭(zhēng)還涉及國(guó)家、地區(qū)間的競(jìng)爭(zhēng) 1998年前，現(xiàn)場(chǎng)總線以制定單一國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)為目的 FF成為最有可能成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的總線 FF成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的努力受到多方阻力 最后通過(guò)妥協(xié)，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)出現(xiàn)了協(xié)調(diào)共存、共同發(fā)展的局面,現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)特點(diǎn),1.增強(qiáng)了現(xiàn)場(chǎng)級(jí)信息集成能力 ： 現(xiàn)場(chǎng)總線可從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備獲取大量豐富信息，能夠更好的滿足工廠自動(dòng)化及CIMS系統(tǒng)的信息集成要求?，F(xiàn)場(chǎng)總線是數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò)，它不單純?nèi)〈?-20mA信號(hào)，還可實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)、故障、參數(shù)信息傳送。系統(tǒng)除完成遠(yuǎn)程控制，還可完成遠(yuǎn)程參數(shù)化工作。,2.開(kāi)放式、互操作性、互換性、可集成性 ： 不同廠家產(chǎn)品只要使用同一總線標(biāo)準(zhǔn)，就具有互操作性、互換性，因此設(shè)備具有很好的可集成性。系統(tǒng)為開(kāi)放式，允許其它廠商將自己專(zhuān)長(zhǎng)的控制技術(shù)，如控制算法、工藝流程、配方等集成到通用系統(tǒng)中去，因此，市場(chǎng)上將有許多面向行業(yè)特點(diǎn)的監(jiān)控系統(tǒng)。,2.系統(tǒng)可靠性高、可維護(hù)性好 ： 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)采用總線連接方式替代一對(duì)一的I/O連線，對(duì)于大規(guī)模I/O系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，減少了由接線點(diǎn)造成的不可靠因素。同時(shí)，系統(tǒng)具有現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備的在線故障診斷、報(bào)警、記錄功能，可完成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定、修改等參數(shù)化工作，也增強(qiáng)了系統(tǒng)的可維護(hù)性。,4.降低了系統(tǒng)及工程成本 ： 對(duì)大范圍、大規(guī)模I/O的分布式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，省去了大量的電纜、I/O模塊及電纜敷設(shè)工程費(fèi)用，降低了系統(tǒng)及工程成本 。,市場(chǎng)上主要的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn),P-Net Profibus WorldFIP Foundation Fieldbus（包括HSE） ControlNet Interbus SwiftNet AS-I CC-Link 還有CAN、HART、LonWorks、Modbus….,主要的現(xiàn)場(chǎng)總線比較,開(kāi)關(guān)量信號(hào),各種現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用領(lǐng)域,數(shù)據(jù)來(lái)自美國(guó)VDC公司所作調(diào)查,各類(lèi)現(xiàn)場(chǎng)總線的市場(chǎng)占有情況,第三章 CAN總線及應(yīng)用,§3.1 CAN總線概念及相關(guān)協(xié)議,§3.1.1 CAN總線概念,什么是CAN ?,CAN，全稱(chēng)為“Controller Area Network”，即控制器局域網(wǎng)，是目前國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。,最初，CAN被設(shè)計(jì)作為汽車(chē)環(huán)境中的微控制器通訊，在車(chē)載各電子控制裝置ECU之間交換信息，形成汽車(chē)電子控制網(wǎng)絡(luò)。比如：發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)、變速箱控制器、儀表裝備、電子主干系統(tǒng)中，均嵌入CAN控制裝置。,CAN 總線應(yīng)用范圍已不再局限于汽車(chē)行業(yè)，而向過(guò)程工業(yè)、機(jī)械工業(yè)、紡織工業(yè)、農(nóng)用機(jī)械、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、醫(yī)療器械等領(lǐng)域發(fā)展。,CAN已成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)病被公認(rèn)為是最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。,§3.1.1 CAN總線概念,CAN的產(chǎn)生與發(fā)展,1986年2月，Robert Bosch 公司在SAE（汽車(chē)工程協(xié)會(huì)）大會(huì)上介紹了一種新型的串行總線——CAN控制器局域網(wǎng),那是CAN誕生的時(shí)刻。,今天，在歐洲幾乎每一輛新客車(chē)均裝配有CAN局域網(wǎng)。同樣，CAN也用于其他類(lèi)型的交通工具，從火車(chē)到輪船或者用于工業(yè)控制。,在1999年，接近6千萬(wàn)個(gè)CAN控制器投入應(yīng)用；2000年，市場(chǎng)銷(xiāo)售超過(guò)1億個(gè)CAN器件。,§3.1.1 CAN總線概念,CAN的一致性問(wèn)題,目前，CAN 以?xún)煞N形式存在：,一種是具有11 位ID 標(biāo)識(shí)符的BasicCAN 另一種是帶有擴(kuò)展成29 位ID 標(biāo)識(shí)符的高級(jí)形式PeliCAN， Philips Intel Siemens 均支持BasicCAN 和PeliCAN 。,內(nèi)部的驗(yàn)收濾波器屏蔽濾波器可通過(guò)標(biāo)識(shí)符ID 來(lái)接收需要的報(bào)文、屏蔽不相關(guān)的報(bào)文，即只向CPU 提交合適的報(bào)文。,§3.1.1 CAN總線概念,CAN的一致性問(wèn)題,PeliCAN 協(xié)議允許兩段長(zhǎng)度的標(biāo)識(shí)符：,A 部分使用11 位報(bào)文標(biāo)識(shí)符能夠識(shí)別出2032 個(gè)不同的標(biāo)識(shí)符（保留十六位）此部分兼容BasicCAN 。,B 部分有29 位能夠產(chǎn)生536870912 個(gè)不同的標(biāo)識(shí),§3.1.2 CAN的一些基本概念,報(bào)文,節(jié)點(diǎn)單元在總線開(kāi)放時(shí)發(fā)送到總線上的具有一定長(zhǎng)度及確定意義的不同格式的數(shù)據(jù)信息。,§3.1.2 CAN的一些基本概念,信息路由問(wèn)題,CAN系統(tǒng)中，一個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)不使用有關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的任何信息（如站地址等）。,一個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)可以在所有節(jié)點(diǎn)及其應(yīng)用層的軟件或硬件不做任何改變的情況下接入CAN網(wǎng)絡(luò),具有極好的系統(tǒng)靈活性,§3.1.2 CAN的一些基本概念,報(bào)文通信,CAN系統(tǒng)中，一個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)發(fā)送的報(bào)文內(nèi)容由其標(biāo)識(shí)符ID命名。,但標(biāo)識(shí)符ID并不指出報(bào)文的目的，而是描述數(shù)據(jù)的含義,,因此，CAN網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都可以通過(guò)報(bào)文濾波決定該報(bào)文數(shù)據(jù)是否使其激活。,§3.1.2 CAN的一些基本概念,成組,由于采用報(bào)文濾波方式，所有節(jié)點(diǎn)均可接收?qǐng)?bào)文并可被同一報(bào)文激活,,§3.1.2 CAN的一些基本概念,位速率 —— 數(shù)據(jù)傳輸率,CAN的數(shù)據(jù)傳輸率在不同的系統(tǒng)是不同的，但在一個(gè)給定的系統(tǒng)中，是唯一且固定的。,§3.1.2 CAN的一些基本概念,優(yōu)先權(quán),標(biāo)識(shí)符定義了一個(gè)報(bào)文的優(yōu)先權(quán)。,遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請(qǐng)求,需要數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)通過(guò)發(fā)送一個(gè)遠(yuǎn)程幀請(qǐng)求另一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀。,遠(yuǎn)程幀與相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀以相同的 標(biāo)識(shí)符ID命名。,§3.1.2 CAN的一些基本概念,多主站,總線開(kāi)放時(shí)，任何節(jié)點(diǎn)均可發(fā)送報(bào)文，具有最高優(yōu)先權(quán)報(bào)文的節(jié)點(diǎn)將贏得總線訪問(wèn)權(quán) 。,§3.1.9  CAN的位仲裁技術(shù),位仲裁技術(shù)及其原理,CAN總線使用“載波檢測(cè)多路訪問(wèn)/沖突避免”（CSMA/CA)通信方式控制數(shù)據(jù)的發(fā)送。,CSMA:Carrier Sense Multiple Access 載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn),CA：Collision Avoidance  沖突避免,允許總線上的任一設(shè)備有機(jī)會(huì)取得總線的控制權(quán)以發(fā)送信息。,如果同一時(shí)刻有兩個(gè)以上的設(shè)備欲發(fā)送信息，將發(fā)生沖突，此時(shí)CAN總線能夠?qū)崟r(shí)地檢測(cè)這些沖突并作出相應(yīng)的仲裁，從而是的獲得仲裁通過(guò)的信息幀能夠不受任何損壞地繼續(xù)傳送。,§3.1.9  CAN的位仲裁技術(shù),位仲裁技術(shù)及其原理,當(dāng)總線空閑時(shí)呈隱性電平，此時(shí)任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以想總線發(fā)送一個(gè)顯性電平——幀開(kāi)始，作為一個(gè)信息幀的開(kāi)始。,如果有兩個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送，就會(huì)產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)。,CAN總線按位對(duì)標(biāo)識(shí)符進(jìn)行仲裁；,各發(fā)送節(jié)點(diǎn)在向總線發(fā)送數(shù)據(jù)電平的同時(shí)，也對(duì)總線上的數(shù)據(jù)電平進(jìn)行讀取，并與自己發(fā)送的電平進(jìn)行比較；。,如果電平相同則繼續(xù)發(fā)送下一位，不同則停止發(fā)送從而退出總線競(jìng)爭(zhēng)；,而剩余的節(jié)點(diǎn)將繼續(xù)上述過(guò)程，知道總線上只剩下一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的電平，此時(shí)總線競(jìng)爭(zhēng)結(jié)束，優(yōu)先級(jí)最高的節(jié)點(diǎn)獲得總線的使用權(quán)；,§3.1.9  CAN的位仲裁技術(shù),位仲裁技術(shù)及其原理,CAN 總線以報(bào)文為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，其標(biāo)識(shí)符規(guī)定了此報(bào)文的優(yōu)先權(quán)。,具有最低二進(jìn)制數(shù)的標(biāo)識(shí)符具有最高的優(yōu)先級(jí)。,這種優(yōu)先級(jí)一旦在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)被確定就不能更改；,總線沖突通過(guò)位仲裁解決。,§3.1.9  CAN的位仲裁技術(shù),位仲裁技術(shù)及其原理,下圖標(biāo)識(shí)了3個(gè)節(jié)點(diǎn)的CAN信息幀在總線上的競(jìng)爭(zhēng)仲裁情況：,§3.1.9  CAN的位仲裁技術(shù),位仲裁技術(shù)及其原理,在第6位（ID5) 節(jié)點(diǎn)2發(fā)送一個(gè)1（隱性位），但是從總線上接收到的卻是0，說(shuō)明有優(yōu)先級(jí)比它高的信息幀在發(fā)送。,只有節(jié)點(diǎn)3成功地發(fā)送完全部的仲裁場(chǎng)各位，從而獲得總線控制權(quán)，繼續(xù)發(fā)送完其全部信息。,所以，節(jié)點(diǎn)2 立即退出發(fā)送，變?yōu)橹宦?tīng)模式，余下的2個(gè)節(jié)點(diǎn)繼續(xù)發(fā)送；,在第9位（ID2) 節(jié)點(diǎn)1發(fā)送一個(gè)1（隱性位），但是從總線上接收到的卻是0，也退出發(fā)送，變?yōu)橹宦?tīng)模式。,在前5位（ID10-ID6)都相同，所以3個(gè)節(jié)點(diǎn)偵聽(tīng)到的信息和它們發(fā)出的相同,§3.1.9  CAN的位仲裁技術(shù),位仲裁技術(shù)及其原理,這種仲裁方式是非破壞性的位仲裁方式,在最終確定哪個(gè)節(jié)點(diǎn)的報(bào)文被傳送之前，報(bào)文的起始部分已經(jīng)在總線上傳送了；,未獲得總線控制權(quán)的節(jié)點(diǎn)都成為具有最高優(yōu)先級(jí)報(bào)文的接收站，并且不會(huì)在總線再次空閑以前發(fā)送報(bào)文。,由上述分析可以看出：,§3.1.9  CAN的位仲裁技術(shù),不足與局限性,由于采用固定優(yōu)先級(jí)，當(dāng)高優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)以較高頻率發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，低優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)就很難將數(shù)據(jù)傳送到總線，甚至一個(gè)數(shù)據(jù)都發(fā)送不出來(lái)，至少導(dǎo)致較大的延時(shí)，不利于實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集與控制,§3.2  CAN總線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理,§3.2.1  CAN總線系統(tǒng)的構(gòu)成,CAN總線時(shí)現(xiàn)場(chǎng)總線的一種，是一種有效支持分布式、實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。,從原理和實(shí)現(xiàn)的角度，只要有兩個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)和將他們連接成一體的通信介質(zhì)就可以構(gòu)成一個(gè)CAN總線系統(tǒng)，這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)通信媒介交換信息。,§3.2.1  CAN總線系統(tǒng)的構(gòu)成,一方面，可以由控制器節(jié)點(diǎn)、傳感器節(jié)點(diǎn)、執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)以及其他的監(jiān)控節(jié)點(diǎn)（如人機(jī)界面等）構(gòu)成一個(gè)CAN 總線系統(tǒng)。,另一方面，CAN 總線系統(tǒng)作為控制局域網(wǎng)還可以通過(guò)網(wǎng)關(guān)和其他網(wǎng)絡(luò)(如以太網(wǎng)等）互聯(lián)構(gòu)成大型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。,§3.2.1  CAN總線系統(tǒng)的構(gòu)成,CAN 總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下圖所示：,§3.2.1  CAN總線系統(tǒng)的構(gòu)成,由控制系統(tǒng)的角度看，最小的控制系統(tǒng)是一個(gè)單回路的閉環(huán)控制系統(tǒng),即由一個(gè)控制器、一個(gè)傳感器和一個(gè)執(zhí)行起組成,另外，以CAN 總線為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)也可以由多個(gè)互不相關(guān)的控制回路組成，但共享一個(gè)控制網(wǎng)絡(luò) —— CAN總線。,從現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS的概念來(lái)講，傳感器節(jié)點(diǎn)、執(zhí)行起節(jié)點(diǎn)都可以集成控制器，即所謂的智能節(jié)點(diǎn)；,這樣就形成了真正分布式（主要是算法分散）的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)；,§3.2.2  CAN總線系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn),CAN 總線的節(jié)點(diǎn)一般是指掛在CAN 總線上的傳感部件、執(zhí)行部件或控制器單元等,CAN總線是通過(guò)允許節(jié)點(diǎn)間的對(duì)等傳播數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的。,§3.2.2  CAN總線系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)組成,CAN 總線的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成多種多樣，一般的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如下圖所示：,§3.2.2  CAN總線系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)組成,關(guān)鍵部分是總線控制器和總線收發(fā)器，由它們來(lái)實(shí)現(xiàn)CAN 總線的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。,如果嵌入了控制算法，則此節(jié)點(diǎn)即為控制器節(jié)點(diǎn)；,如果帶有傳感器接口，則此節(jié)點(diǎn)即為智能傳感器節(jié)點(diǎn)；,如果帶有執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)接口，則此節(jié)點(diǎn)即為執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)；,一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以具有多種功能，例如可以具有I/O接口即控制算法，便成為一個(gè)完整的控制節(jié)點(diǎn)；,第四章 大型機(jī)電設(shè)備電氣控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)分析,,1.單PLC電氣控制系統(tǒng),目前多數(shù)大型機(jī)電設(shè)備的控制系統(tǒng)采用以一臺(tái)中、大型PLC為核心組成控制系統(tǒng)的單PLC電氣控制系統(tǒng)， 由圖可知，電氣控制系統(tǒng)由一臺(tái)大型PLC為控制核心，完成數(shù)據(jù)采集與控制任務(wù)。PLC通過(guò)串行通信接口與控制室內(nèi)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)計(jì)算機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與儲(chǔ)存、顯示、統(tǒng)計(jì)、打印，并通過(guò)調(diào)制解調(diào)器將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳至洞外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)系統(tǒng)。,,單PLC電氣控制系統(tǒng),此種方式是一種完全集中式的控制系統(tǒng)，所有的輸入、輸出信號(hào)都需連接至PLC。大型機(jī)電設(shè)備非常龐大，控制所需的輸入信號(hào)與輸出信號(hào)也很多且分布于設(shè)備各個(gè)位置，所以，這種集中式電氣控制系統(tǒng)所需的電纜數(shù)量將非常多且長(zhǎng)度很大，成本很高且安裝維護(hù)不便，同時(shí)也會(huì)對(duì)系統(tǒng)的可靠性造成很大影響。 另外，此種方式的控制系統(tǒng)由于功能全部集中于單臺(tái)PLC，其控制程序的開(kāi)發(fā)工作也很復(fù)雜。,2.多PLC電氣控制系統(tǒng),如圖所示為多PLC方式電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，系統(tǒng)使用多臺(tái)中型或大型PLC為核心完成電氣控制任務(wù),,,此種方式，通過(guò)對(duì)整機(jī)控制需求進(jìn)行分析，按照控制功能、安裝位置等將控制任務(wù)分解為若干部分并分別由不同的PLC承擔(dān)，PLC之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信接口建立通訊聯(lián)系，從而構(gòu)建為一完整的電氣控制系統(tǒng)。 因此，這種控制系統(tǒng)將功能進(jìn)行了適當(dāng)分散，與單PLC方式的控制系統(tǒng)相比，很多輸入、輸出信號(hào)的接入距離可以大大縮短。安裝及維護(hù)工作也相對(duì)得到很大改善。,2.遠(yuǎn)程I/O方式構(gòu)建電氣控制系統(tǒng),如圖所示為遠(yuǎn)程I/O方式電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，系統(tǒng)一臺(tái)中型/大型PLC為核心，并采用智能遠(yuǎn)程I/O模塊完成整機(jī)的電氣控制任務(wù),,,,智能遠(yuǎn)程I/O模塊是一種可以遠(yuǎn)端放置完成相應(yīng)的I/O控制任務(wù)，并可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信接口與主PLC進(jìn)行通信的智能輸入、輸出接口模塊。使用智能遠(yuǎn)程I/O模塊就可以將模塊就近安裝于被控對(duì)象臨近，從而避免長(zhǎng)距離連接控制電纜的弊端。 所以采用這種方式可以大大地減少控制電纜的使用量，同時(shí)也為安裝、維護(hù)及系統(tǒng)可靠性帶來(lái)了很大益處。,4.現(xiàn)場(chǎng)總線方式電氣控制系統(tǒng),如圖所示為現(xiàn)場(chǎng)總線方式電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)完成TBM整機(jī)的電氣控制任務(wù),,,,,由圖可知，系統(tǒng)可以包括多臺(tái)PLC、多臺(tái)完成監(jiān)控/操作任務(wù)的計(jì)算機(jī)、以及多臺(tái)完成具體測(cè)控任務(wù)的現(xiàn)場(chǎng)總線智能節(jié)點(diǎn)單元，它們之間通過(guò)各自的現(xiàn)場(chǎng)總線接口通信，從而構(gòu)建成為全分散全數(shù)字化的現(xiàn)場(chǎng)總線方式的TBM電氣控制系統(tǒng),第五章 TBM電氣控制系統(tǒng),,如前所述，TBM技術(shù)先進(jìn)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。在國(guó)外經(jīng)過(guò)五十多年的研究與發(fā)展，已成為長(zhǎng)大隧道最有效的施工手段之一。TBM 是大型的隧道施工機(jī)械設(shè)備，工作環(huán)境非常惡劣，其電氣及控制系統(tǒng)的作用非常關(guān)鍵，并且其電氣及控制系統(tǒng)也隨著技術(shù)水平的不斷進(jìn)步而不斷改進(jìn)，當(dāng)前TBM電器及控制系統(tǒng)均采用最先進(jìn)、可靠的技術(shù)與設(shè)備以保證TBM性能的充分發(fā)揮。 目前，TBM電氣控制系統(tǒng)均采用PLC作為其電氣控制系統(tǒng)的控制核心。但是，不同的TBM從總體結(jié)構(gòu)形式有所不同。,5.1 WIRTH TB880E電氣控制系統(tǒng),TBM 880E采用多臺(tái)PLC組成一功能強(qiáng)大的電氣及自動(dòng)控制系統(tǒng)，主控制系統(tǒng)組成如圖7－21所示,由系統(tǒng)框圖可知，主機(jī)系統(tǒng)與后配套系統(tǒng)分別使用一臺(tái)大型PLC為控制核心，完成數(shù)據(jù)采集與控制任務(wù)，兩臺(tái)PLC之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信接口板建立實(shí)時(shí)通信。 主機(jī)PLC通過(guò)串行接口與控制室內(nèi)WDAS系統(tǒng)計(jì)算機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與儲(chǔ)存、顯示、統(tǒng)計(jì)、打印。 后配套PLC通過(guò)調(diào)制解調(diào)器將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳至隧道外WDAS系統(tǒng)。 其他相對(duì)獨(dú)立的配套設(shè)備如錨桿鉆機(jī)、翻車(chē)機(jī)等也都使用小型PLC構(gòu)建控制系統(tǒng),5.2 ROBBINS MB264-311掘進(jìn)機(jī)電氣控制系統(tǒng),圖所示為ROBBINS MB264-311TBM掘進(jìn)機(jī)電氣控制系統(tǒng)框圖,,由圖可知，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)采用PLC加智能遠(yuǎn)程I/O模塊方式構(gòu)成。系統(tǒng)使用PLC基本模塊與部分輸入、輸出信號(hào)連接，另外，通過(guò)擴(kuò)展模塊接口板擴(kuò)展了一擴(kuò)展模塊,擴(kuò)展模塊包括：擴(kuò)展模塊接口板、DEVICENET總線接口板、RS232串行通信接口板、CC—LINK遠(yuǎn)程I/O接口板，下面具體說(shuō)明其作用。,擴(kuò)展模塊包括：擴(kuò)展模塊接口板、DEVICENET總線接口板、RS232串行通信接口板、CC—LINK遠(yuǎn)程I/O接口板，下面具體說(shuō)明其作用。,擴(kuò)展模塊接口：與基本模塊通信； DEVICENET總線接口板：ROBBINS MB264-311 TBM的8臺(tái)刀盤(pán)電機(jī)分別由2臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)，變頻器的控制由PLC程序?qū)崿F(xiàn)，變頻器與PLC的通信接口即為DEVICENET總線接口； RS232串行通信接口板：PLC與觸摸屏通過(guò)此接口板通信； CC—LINK遠(yuǎn)程I/O接口板：PLC主機(jī)部分與分布于全機(jī)的15臺(tái)智能遠(yuǎn)程I/O模塊通過(guò)CC—LINK接口通信；,PLC基本模塊通過(guò)USB接口與編程終端連接，同時(shí)，編程終端與觸摸屏通過(guò)以太網(wǎng)接口連接為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，另外觸摸屏的另一以太網(wǎng)口通過(guò)一網(wǎng)絡(luò)MODEM經(jīng)電話線路連至地面數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)計(jì)算機(jī)，使得地面的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)計(jì)算機(jī)可以實(shí)時(shí)的得到TBM掘進(jìn)機(jī)的各項(xiàng)工況參數(shù)。,5.3 TBM自動(dòng)控制方式及實(shí)現(xiàn),TBM電氣控制系統(tǒng)提供了三種工作模式：自動(dòng)扭矩控制、自動(dòng)推力控制和手動(dòng)控制模式。自動(dòng)扭矩控制只適用于均質(zhì)軟巖，自動(dòng)推力控制只適用于均質(zhì)硬巖，手動(dòng)控制模式操作方便、反應(yīng)靈活，適用于各種地質(zhì)情況,5.2.1自動(dòng)推力控制方式,自動(dòng)扭矩和自動(dòng)推力控制模式是通過(guò)改變自動(dòng)檔設(shè)定值電位器阻值的大小，由PLC系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)機(jī)器相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。以自動(dòng)推力控制模式為例，其閉環(huán)控制回路如圖所示,5.2.2自動(dòng)扭矩控制方式,自動(dòng)扭矩控制模式原理與此相似，只是控制參量為刀盤(pán)主電機(jī)扭矩。其閉環(huán)控制回路 如圖所示,由上述兩種自動(dòng)控制模式的原理分析可以看出，為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值的反應(yīng)不會(huì)也不允許太靈敏，允許實(shí)際值的波動(dòng)范圍較大，并且只能對(duì)整個(gè)刀盤(pán)的平均值作出反應(yīng)，而不能對(duì)實(shí)際掘進(jìn)中多變的巖石情況作出靈活迅速的反應(yīng)。因此在實(shí)踐操作過(guò)程中最常用的還是采用手動(dòng)控制模式，其實(shí)質(zhì)是以主司機(jī)替代PLC系統(tǒng)，根據(jù)掘進(jìn)情況，手動(dòng)改變推進(jìn)速度電位器的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。,§5 盾構(gòu)PLC電氣控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)形式,,單PLC電氣控制系統(tǒng),盾構(gòu)電氣控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)形式,目前多數(shù)盾構(gòu)控制系統(tǒng)采用以一臺(tái)中、大型PLC為核心組成控制系統(tǒng)的單PLC電氣控制系統(tǒng)，如德國(guó)海瑞克公司的盾構(gòu)系統(tǒng)，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)形式如圖所示。 由圖可知，電氣控制系統(tǒng)由一臺(tái)大型PLC為控制核心，完成數(shù)據(jù)采集與控制任務(wù)。PLC通過(guò)串行通信接口與控制室內(nèi)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)計(jì)算機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與儲(chǔ)存、顯示、統(tǒng)計(jì)、打印，并通過(guò)調(diào)制解調(diào)器將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳至洞外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)系統(tǒng)。,盾構(gòu)電氣控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)形式,,單PLC電氣控制系統(tǒng),盾構(gòu)電氣控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)形式,由圖可知，電氣控制系統(tǒng)由一臺(tái)大型PLC為控制核心，完成數(shù)據(jù)采集與控制任務(wù)。PLC通過(guò)串行通信接口與控制室內(nèi)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)計(jì)算機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與儲(chǔ)存、顯示、統(tǒng)計(jì)、打印，并通過(guò)調(diào)制解調(diào)器將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳至洞外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)系統(tǒng)。,盾構(gòu)控制及數(shù)據(jù)采集、顯示有關(guān)的各種數(shù)字量（如開(kāi)關(guān)、按鈕狀態(tài)及各種數(shù)字量傳感器狀態(tài)等）、模擬量（如油溫、油壓、液位等）均通過(guò)各種傳感器經(jīng)數(shù)字量輸入接口（DI）與模擬量輸入接口（AI）接入PLC。同時(shí)，根據(jù)各種控制策略經(jīng)PLC內(nèi)部控制程序運(yùn)算分析后形成各種控制決策，經(jīng)數(shù)字量輸出接口（DO）控制各指示燈、接觸器、繼電器、電磁閥等執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作或經(jīng)模擬量輸出接口（AO）控制相應(yīng)的伺服電機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。,土壓平衡式盾構(gòu)系統(tǒng)常用的各種數(shù)字量、模擬量及檢測(cè)元件/傳感器參見(jiàn)下表,現(xiàn)場(chǎng)總線電氣控制系統(tǒng),盾構(gòu)電氣控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)形式,由于盾構(gòu)控制系統(tǒng)被控對(duì)象分布范圍大，數(shù)量相對(duì)較多，約有一千多個(gè)測(cè)控點(diǎn)，屬于大型PLC控制系統(tǒng)。因此采用主從式、分布式結(jié)構(gòu)有利于提高系統(tǒng)的可維護(hù)性、可靠性，有利于控制軟件的編制。而現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)是一個(gè)很好的選擇。 采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的PLC電氣控制系統(tǒng)如圖所示：,,,由圖可知，這種以可編程控制器為主站，遠(yuǎn)端PLC、智能遠(yuǎn)程I／O模塊為從站的基于現(xiàn)場(chǎng)總線的盾構(gòu)電氣控制系統(tǒng)主要包括控制室內(nèi)主PLC、若干遠(yuǎn)端PLC分站、若干智能遠(yuǎn)程I/O模塊以及控制室內(nèi)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與洞外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 盾構(gòu)PLC采用現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)，在主控制室設(shè)置PLC主站，再根據(jù)設(shè)備的分布情況，在電氣設(shè)備相對(duì)集中的盾體和低壓配電柜處設(shè)置PLC分站，按照就近接線的原則，將分站附近的設(shè)備就近接入分站，這樣就可以減少大量接線，節(jié)約大量電纜，主站與分站之間通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線組成一個(gè)通信控制網(wǎng)絡(luò)。,這樣的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案可以最大限度地減小布線工作量。PLC程序采用結(jié)構(gòu)化編程，將程序按功能分成不同的功能組分別編程。這樣容易發(fā)現(xiàn)和檢查錯(cuò)誤，特別適合像盾構(gòu)這樣控制點(diǎn)多且分散，沿線狀分布的場(chǎng)合，還具有檢修維護(hù)方便，擴(kuò)充靈活，降低造價(jià)的優(yōu)點(diǎn)。,§ 6 盾構(gòu)PLC電氣控制系統(tǒng)常見(jiàn)結(jié)構(gòu)及主要控制程序模塊,,可編程控制器的主要控制程序模塊,包括：控制時(shí)序產(chǎn)生、模擬量采集、過(guò)濾與冷卻回路控制、潤(rùn)滑與齒輪油控制、刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)控制、推進(jìn)控制、管片機(jī)控制、盾尾油脂控制、輔助液壓系統(tǒng)、膨潤(rùn)土系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)、泡沫系統(tǒng)、故障處理、超挖刀控制、變頻器控制、電機(jī)啟?？刂?、給定值處理、給定值轉(zhuǎn)換、故障記錄、系統(tǒng)保護(hù)、鉸接控制、螺旋輸送機(jī)控制、控制量處理、脈沖時(shí)間處理、脈沖計(jì)數(shù)、偏差值處理、推進(jìn)缸壓力計(jì)算、鉸接油缸位移測(cè)量、盾尾油脂控制、推進(jìn)油缸MTS位移傳感器測(cè)量、位移控制、壓力調(diào)節(jié)、壓力給定處理、電源故障處理、再觸發(fā)時(shí)間監(jiān)控、系統(tǒng)復(fù)位、重新啟動(dòng)控制等。,§7 盾構(gòu)主要?jiǎng)幼骺刂圃砼c控制策略,,土壓平衡的實(shí)現(xiàn),盾構(gòu)主要?jiǎng)幼骺刂圃砼c控制策略,土壓平衡控制是土壓平衡盾構(gòu)控制技術(shù)的關(guān)鍵。對(duì)土壓平衡的控制主要依賴(lài)于操作人員的手動(dòng)調(diào)節(jié)，屬于開(kāi)環(huán)控制。在操作面板上分別顯示刀盤(pán)工作區(qū)(分為若干個(gè)分區(qū))的推進(jìn)位移、壓力，以及土倉(cāng)內(nèi)的土壓值。操作人員根據(jù)顯示數(shù)值是否正常來(lái)調(diào)節(jié)推進(jìn)壓力或推進(jìn)速度或螺旋輸送機(jī)速度。有2種方式來(lái)保證土壓平衡：,土壓平衡控制因素如下圖所示：,土壓平衡控制,影響土倉(cāng)內(nèi)壓力平衡的因素包括：掘進(jìn)面土壓及環(huán)境地下水壓力、刀盤(pán)推進(jìn)速度、螺旋輸送機(jī)排土速度等。因此，保持土倉(cāng)內(nèi)土壓力平衡的控制策略包括：,控制進(jìn)土量：通過(guò)調(diào)整盾構(gòu)推進(jìn)液壓缸的推進(jìn)速度控制進(jìn)土量，,控制排土量：通過(guò)調(diào)整螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速控制排土量,同時(shí)控制進(jìn)土、排土量：,其中控制排土量模式簡(jiǎn)單方便，應(yīng)用最為廣泛，盾構(gòu)土壓平衡控制的特性直接影響盾構(gòu)施工穩(wěn)定性和施工效率。,土壓平衡控制系統(tǒng)組成框圖如下圖所示：,由圖可知，土壓平衡控制系統(tǒng)主要由以下部分組成：,1. 參數(shù)設(shè)定：,控制參數(shù)設(shè)定：經(jīng)人機(jī)交互設(shè)備設(shè)定輸入,調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)定：主要包括螺旋輸送機(jī)速度設(shè)定、推進(jìn)液壓缸速度設(shè)定、推進(jìn)液壓缸壓力設(shè)定、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速設(shè)定，均通過(guò)相應(yīng)的設(shè)定電位器設(shè)定后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后輸入PLC,土倉(cāng)壓力設(shè)定：一般可以有兩種設(shè)定方式，一是由土倉(cāng)壓力設(shè)定電位器設(shè)定后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后輸入PLC，另外一種是直接由觸摸屏/上位機(jī)等人機(jī)交互設(shè)備設(shè)定輸入,2. 控制輸出：,刀盤(pán)轉(zhuǎn)速：通過(guò)比例變量泵進(jìn)行控制，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)，調(diào)整控制面板上的刀盤(pán)轉(zhuǎn)速設(shè)定電位器，通過(guò)A／D轉(zhuǎn)換輸入到PLC，PLC根據(jù)設(shè)定值經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換輸出到比例變量泵，通過(guò)控制變量泵的排量來(lái)實(shí)現(xiàn)刀盤(pán)轉(zhuǎn)速的連續(xù)調(diào)節(jié)，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速的控制屬開(kāi)環(huán)控制。,推進(jìn)液壓缸速度與壓力控制：盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)系統(tǒng)一般由多個(gè)左右對(duì)稱(chēng)的推進(jìn)液壓缸組成，推進(jìn)液壓缸可分別進(jìn)行調(diào)壓和調(diào)速控制，調(diào)壓值和調(diào)速值分別通過(guò)速度設(shè)定電位器和壓力設(shè)定電位器給定。,推進(jìn)液壓缸的速度、壓力控制可以是開(kāi)環(huán)控制，也可以是閉環(huán)控制，這要根據(jù)實(shí)際掘進(jìn)情況而定。,對(duì)于開(kāi)環(huán)控制，設(shè)定值通過(guò)A／D轉(zhuǎn)換模塊輸入到PLC，PLC根據(jù)設(shè)定值再經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換輸出到相應(yīng)的推進(jìn)液壓缸的比例溢流閥和比例調(diào)速閥，對(duì)推進(jìn)液壓缸進(jìn)行速度和壓力控制。,對(duì)于閉環(huán)控制，PLC根據(jù)控制策略與控制算法計(jì)算出控制輸出量，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后輸出到相應(yīng)的推進(jìn)液壓缸的比例溢流閥和比例調(diào)速閥，對(duì)推進(jìn)液壓缸進(jìn)行速度和壓力控制。,螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速控制：與推進(jìn)液壓缸速度與壓力控制類(lèi)似，可以是開(kāi)環(huán)控制，也可以是閉環(huán)控制。,對(duì)于開(kāi)環(huán)控制，設(shè)定值通過(guò)A／D轉(zhuǎn)換模塊輸入到PLC，PLC根據(jù)設(shè)定值再經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換后得到控制電流信號(hào)，放大后通過(guò)電磁比例閥控制變量泵排量的變化，從而控制螺旋輸送機(jī)的液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速作對(duì)應(yīng)的變化，使得螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速(即泥土排出量)也隨之增大或減少。,對(duì)于閉環(huán)控制， PLC根據(jù)控制策略與控制算法計(jì)算出控制輸出量，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后得到控制電流信號(hào)，放大后通過(guò)電磁比例閥控制變量泵排量的變化，從而控制螺旋輸送機(jī)的液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速作對(duì)應(yīng)的變化，使得螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速(即泥土排出量)也隨之增大或減少。,土壓平衡控制原理：,下面以控制排土量模式為例說(shuō)明土壓平衡的控制原理。,排土量控制實(shí)際上是根據(jù)土艙內(nèi)的土壓控制螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)際掘進(jìn)時(shí)即可采用開(kāi)環(huán)控制也可采用閉環(huán)控制，閉環(huán)控制框圖如圖：,控制器一般使用簡(jiǎn)單實(shí)用的PID控制，土倉(cāng)中的土壓經(jīng)土壓計(jì)測(cè)量后通過(guò)A／D轉(zhuǎn)換送到PLC，并將土壓測(cè)量值與土壓設(shè)定值進(jìn)行比較，計(jì)算出測(cè)量值與設(shè)定值之間的差值e， PLC根據(jù)偏差e進(jìn)行PID運(yùn)算，得到控制輸出量u，通過(guò)PID控制，自動(dòng)調(diào)整螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速，使e值趨向于零，當(dāng)e值大于零時(shí)，PLC發(fā)出指令，增加螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速，提高出土量直至土倉(cāng)內(nèi)土壓重新達(dá)到新的平衡狀態(tài)，反之當(dāng)e值小于零時(shí)，PLC 會(huì)降低螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速，以減少偏差。從而實(shí)現(xiàn)了土倉(cāng)內(nèi)土壓平衡、盾構(gòu)機(jī)正常掘進(jìn)。,PID控制器控制參數(shù)選取是否合適非常關(guān)鍵，必須通過(guò)參數(shù)整定獲得符合控制要求的P、I、D等各項(xiàng)參數(shù)，盾構(gòu)控制參數(shù)整定可分為兩階段，第一階段在設(shè)備組裝完畢，無(wú)負(fù)荷調(diào)試運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行預(yù)整定，第二階段在掘進(jìn)開(kāi)始，土層穩(wěn)定后，根據(jù)土層狀況和操作習(xí)慣進(jìn)行整定，最終確定控制參數(shù)。,(1)以一定掘進(jìn)速度推進(jìn)，通過(guò)調(diào)節(jié)螺旋輸送機(jī) 各壓力區(qū)中的最大值(最大值加1O％)。的排土量達(dá)到土倉(cāng)的土壓平衡。螺旋輸送機(jī)速度加快，則土倉(cāng)內(nèi)的土壓將下降，反之則上升。 (2)螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速保持一定值，調(diào)節(jié)推進(jìn)速度實(shí)現(xiàn)土壓平衡。推進(jìn)速度加快，則土倉(cāng)內(nèi)的土壓上升，反之則下降。,姿態(tài)控制的實(shí)現(xiàn) ·,盾構(gòu)主要?jiǎng)幼骺刂圃砼c控制策略,姿態(tài)控制是通過(guò)導(dǎo)向系統(tǒng)給操作人員指示隧道實(shí)際軌跡與設(shè)計(jì)軌跡的偏差，由操作人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)推進(jìn)系統(tǒng)各工作分區(qū)不同的給定壓力，從而使盾構(gòu)轉(zhuǎn)向。,推進(jìn)速度與推進(jìn)壓力的協(xié)調(diào) ·,6.5.2盾構(gòu)主要?jiǎng)幼骺刂圃砼c控制策略,盾構(gòu)控制的另一個(gè)重要問(wèn)題就是推進(jìn)缸的壓力和速度的協(xié)調(diào)控制問(wèn)題?？刹捎玫牟呗园ǎ?手動(dòng)狀態(tài),各分區(qū)分別處于壓力閉環(huán)控制，也就是說(shuō)，各區(qū)的推進(jìn)缸的推進(jìn)壓力分別由面板上的給定電位器決定，比例流量閥處于比較大的開(kāi)口，推進(jìn)缸主要由比例溢流閥來(lái)控制。這種工況一般出現(xiàn)在姿態(tài)調(diào)整時(shí)。,自動(dòng)狀態(tài),工作分區(qū)中的若干個(gè)(如：A、C、E)處于流量控制狀態(tài)，比例流量閥的給定由面板上的速度給定電位器決定。而另外兩個(gè)區(qū)(如：B、D)處于壓力閉環(huán)控制狀態(tài)，壓力給定來(lái)自于各自的壓力給定電位器。這種工況一般出現(xiàn)在正常直線掘進(jìn)時(shí)。,§ 8盾構(gòu)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),,計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)主要用于數(shù)據(jù)采集分析，它由盾構(gòu)控制室的工控機(jī)和洞外辦公室的PC機(jī)組成，由現(xiàn)場(chǎng)操作人員使用，用于人機(jī)對(duì)話、顯示數(shù)據(jù)、設(shè)置和修改系統(tǒng)控制參數(shù)等。一般采用組態(tài)軟件編制，通常包括下列組態(tài)界面，分別通過(guò)功能鍵切換。：,主要完成參數(shù)設(shè)定、監(jiān)控、管理功能 采用組態(tài)軟件，西門(mén)子WinCC，施耐德的Factrylink 現(xiàn)場(chǎng)工控機(jī)與辦公室的管理計(jì)算機(jī)組成局域網(wǎng)，將洞內(nèi)盾構(gòu)機(jī)的信息傳輸?shù)降孛孓k公室，并儲(chǔ)存起來(lái)。 操作畫(huà)面 設(shè)定界面：設(shè)定盾構(gòu)對(duì)象和控制參數(shù) 測(cè)量界面：顯示盾構(gòu)中各類(lèi)檢測(cè)儀器的測(cè)量值 掘進(jìn)界面：施工時(shí)主畫(huà)面，掘進(jìn)參數(shù)、設(shè)備狀態(tài) 歷史曲線畫(huà)面：以曲線形式顯示歷史施工數(shù)據(jù)，可按環(huán)號(hào)查詢(xún) 報(bào)警畫(huà)面：及時(shí)顯示盾構(gòu)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況和故障報(bào)警 報(bào)表 動(dòng)態(tài)曲線 鉸接畫(huà)面：用于鉸接操作和控制，并顯示盾構(gòu)姿態(tài),泡沫系統(tǒng)監(jiān)視界面； 土壓力、螺旋輸送機(jī)、仿形刀監(jiān)視控制界面； 油溫度、盾尾密封、鉸接油缸、推進(jìn)油缸監(jiān)視界面； 泡沫系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面； 油箱報(bào)警溫度、注漿壓力參數(shù)設(shè)置界面； 掘進(jìn)參數(shù)設(shè)置界面； 盾尾密封控制參數(shù)設(shè)置界面； 故障、報(bào)警監(jiān)視界面；,華隧通盾構(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡(jiǎn)介,,系統(tǒng)組成：,華隧通盾構(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為日本演算工坊(ENZAN)產(chǎn)品；,系統(tǒng)基本組成如下圖所示：,系統(tǒng)基本功能,1．信號(hào)收集與處理,2．?dāng)?shù)據(jù)形成,3．?dāng)?shù)據(jù)記錄及保存,4．系統(tǒng)的工作狀態(tài),5．環(huán)片掘進(jìn)過(guò)程,6．采集數(shù)據(jù)顯示與應(yīng)用,7．已收集數(shù)據(jù)的管理,10．?dāng)?shù)據(jù)的有效利用,9．報(bào)表制作及打印存檔,8．保存數(shù)據(jù)的表示：可以用數(shù)值或圖表來(lái)表示已存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。,１．信號(hào)收集,信號(hào)收集與處理工作由分別部署于盾構(gòu)前端與后配套臺(tái)車(chē)上的信號(hào)收集處理計(jì)算機(jī)完成；,盾構(gòu)前端的信號(hào)收集處理計(jì)算機(jī)信號(hào)來(lái)源包括：,盾構(gòu)PLC：土壓、所有運(yùn)行的有關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù)等；,其他設(shè)備傳感器信號(hào)：,陀螺儀：前部方位角；,注漿注入數(shù)據(jù)：注入量、注入壓、注入量累積等,排土量計(jì)測(cè)數(shù)據(jù)：體積、重量等,盾構(gòu)前端的信號(hào)收集處理計(jì)算機(jī)收集信號(hào)并經(jīng)數(shù)字化處理后，通過(guò)數(shù)據(jù)通信總線傳送至位于后配套臺(tái)車(chē)上的信號(hào)收集處理計(jì)算機(jī)，并送入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主機(jī)；,信號(hào)采樣周期：3s左右；,信號(hào)采樣點(diǎn)數(shù)：最大512點(diǎn)；,2．?dāng)?shù)據(jù)處理,信號(hào)收集處理計(jì)算機(jī)將相關(guān)信號(hào)收集并數(shù)字化后送入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主機(jī)進(jìn)行的數(shù)據(jù)處理主要包括：,1）顯示數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)更新周期大約為3秒,瞬時(shí)值：掘進(jìn)過(guò)程、準(zhǔn)備過(guò)程、安裝過(guò)程中各信號(hào)的瞬時(shí)值；,最大值：流量、壓力、速度、土壓、上下振動(dòng)、左右振動(dòng)等,最小值：壓力和土壓、脫落、上下振動(dòng)、左右振動(dòng)等,累計(jì)值：填沖土注入量及加泥注入量、刀具轉(zhuǎn)動(dòng)、螺旋漿轉(zhuǎn)動(dòng)等，累計(jì)中還有每天合計(jì)、累計(jì)計(jì)算等,2）保存數(shù)據(jù)：挖掘結(jié)束時(shí)、根據(jù)保存種類(lèi)、最終值或是平均值生成存儲(chǔ)數(shù)據(jù),3．?dāng)?shù)據(jù)記錄與保存,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主機(jī)按以下規(guī)則記錄與保存數(shù)據(jù)：,1）按時(shí)間：掘進(jìn)、裝配過(guò)程均有效,每隔5s記錄一次所有顯示數(shù)據(jù)；,記錄的數(shù)據(jù)以小時(shí)為單位保存到文件中；,2）掘進(jìn)中數(shù)據(jù)：,每環(huán)進(jìn)給一定量就記錄一次顯示數(shù)據(jù)；,以環(huán)為單位將記錄的數(shù)據(jù)保存到文件中；,3）掘進(jìn)后數(shù)據(jù)：,掘進(jìn)結(jié)束后記錄保存數(shù)據(jù)，是以每環(huán)代表數(shù)據(jù)為單位；,被記錄的數(shù)據(jù)以環(huán)片圖表的形式保存，；,4．系統(tǒng)的工作狀態(tài),配合現(xiàn)場(chǎng)的施工狀況系統(tǒng)將進(jìn)入以下工作狀態(tài)：,1）掘進(jìn)中：盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)正在掘進(jìn)中,2）準(zhǔn)備中：環(huán)片掘進(jìn)開(kāi)始后、由于運(yùn)土車(chē)的裝卸等原因機(jī)器中斷掘進(jìn)。,3）組裝中：正在組裝環(huán)片、或者組裝結(jié)束后、進(jìn)入下次掘進(jìn)的準(zhǔn)備。,5．環(huán)片掘進(jìn)過(guò)程,系統(tǒng)可自動(dòng)判斷掘進(jìn)的開(kāi)始和結(jié)束。判斷使用以下的信號(hào)：,1）實(shí)際行程：,2）掘進(jìn)中：表示盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)實(shí)際運(yùn)行的狀態(tài)。一般利用“刀具轉(zhuǎn)動(dòng) ” ＋ “千斤頂?shù)耐七M(jìn)” 等來(lái)進(jìn)行判斷。,3）掘進(jìn)模式：千斤頂操作在操作盤(pán)側(cè)時(shí)的狀態(tài)（挖掘可能的狀態(tài)）。,使用左右千斤頂?shù)男谐痰臏y(cè)量平均值；,左右兩側(cè)的千斤頂中如果有的沒(méi)有測(cè)量行程值、則利用有測(cè)量值的千斤頂?shù)男谐?4）環(huán)片模式：千斤頂操作機(jī)器內(nèi)側(cè)的狀態(tài)（可用操縱桿操作的狀態(tài)）,通過(guò)這些信號(hào)和開(kāi)始及結(jié)束條件的組合來(lái)自動(dòng)判斷環(huán)狀掘進(jìn)的開(kāi)始和結(jié)束。,6．采集數(shù)據(jù)顯示與應(yīng)用,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主機(jī)以多種方式顯示采集的數(shù)據(jù),1）數(shù)據(jù)采集畫(huà)面：,在每頁(yè)的各個(gè)項(xiàng)目中、數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)值、柱狀統(tǒng)計(jì)表、折線統(tǒng)計(jì)圖進(jìn)行表示。曲線表是環(huán)狀片的詳細(xì)數(shù)據(jù)。此畫(huà)面主要便于把握掘進(jìn)狀況。 共可記錄5頁(yè)的柱狀統(tǒng)計(jì)表、折線統(tǒng)計(jì)表 。,2）管理用綜合數(shù)據(jù)表示畫(huà)面：,適合于管理者、能夠綜合管理全部數(shù)值情報(bào)。而且可表示盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的位置情報(bào)和偏差情報(bào),例如、可以表示沖程差等在操作盤(pán)上沒(méi)有的數(shù)值、累計(jì)值以及最大、最小值等以往操作者在實(shí)際操作中得不到的數(shù)據(jù)。,3）操作監(jiān)視功能：輸入到主機(jī)中的數(shù)據(jù)不僅可以在地面管理、還可以在駕駛室看到。,此外、通過(guò)把偏差和姿態(tài)數(shù)據(jù)圖表化、操作者可確認(rèn)挖掘流程中的狀況。,7．已收集數(shù)據(jù)的管理：土壓／注漿／排出土量各數(shù)據(jù)可在前面的N個(gè)環(huán)狀片的代表環(huán)狀片基礎(chǔ)上以統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算管理。,10．?dāng)?shù)據(jù)的有效利用：主機(jī)上的數(shù)據(jù)可以在其它應(yīng)用程序中使用。,9．報(bào)表制作及打印存檔：報(bào)表以電腦中各個(gè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)自動(dòng)做成。,8．保存數(shù)據(jù)的表示：可以用數(shù)值或圖表來(lái)表示已存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。,盾構(gòu)PLC控制系統(tǒng)常用傳感器,電感感應(yīng)式接近開(kāi)關(guān)。（有常閉和常開(kāi)兩種接線方式） 壓力傳感器、壓力開(kāi)關(guān)。（壓力開(kāi)關(guān)也有常閉和常開(kāi)兩種接線方式） 電容式流量傳感器、流量開(kāi)關(guān)。 溫度傳感器、溫度開(kāi)關(guān)。 位移傳感器（拉線式、磁滯式） 傾角傳感器 旋轉(zhuǎn)編碼器,§ 8 盾構(gòu)PLC電氣控制系統(tǒng)維護(hù)與保養(yǎng),,由于振動(dòng)較大，要定期緊固接線端子。特別是電機(jī)接線端子。 防水、防潮，絕緣檢查。 除塵，降溫 傳感器加防護(hù) 接地良好 焊接作業(yè)時(shí)要注意一定要焊接哪里接地線就接在哪里。特別是在PLC附近和主軸承內(nèi)外側(cè)焊接作業(yè),盾構(gòu)機(jī)常見(jiàn)電氣故障判斷和處理,處理故障的原則： 先簡(jiǎn)后繁，由外而內(nèi)。 先檢查電源，在檢查外部線路。 絕大多數(shù)故障是線路故障，斷線、短路、接地和接觸不良等。 PLC程序一般不會(huì)出問(wèn)題。 對(duì)于電氣故障要先從簡(jiǎn)單的地方查起，開(kāi)始不要考慮的太復(fù)雜。,