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大型機電設(shè)備電氣控制系統(tǒng),第一章 概述,大型的施工機械設(shè)備的電氣控制系統(tǒng)是整個設(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 大型機電設(shè)備電氣控制系統(tǒng)的基本要求與特點,電氣控制系統(tǒng)是整個盾構(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，所以作為整個設(shè)備核心的電氣控制系統(tǒng)的可靠性對于保證盾構(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)計的第一原則便是在保證盾構(gòu)系統(tǒng)整體可靠性與性價比的前提下，采用當(dāng)代最先進(jìn)的自動控制與計算機控制技術(shù)。,計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在PLC控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上可以同時實現(xiàn)施工數(shù)據(jù)的采集、顯示、匯總、統(tǒng)計甚至分析，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作的實現(xiàn)，直觀、形象，結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜。廣泛應(yīng)用于各種機械設(shè)備。 但也存在很多缺點： 通用性和靈活性差、修改、調(diào)試不便； 不能實現(xiàn)機械設(shè)備模擬量參數(shù)的測試與自動控制； 經(jīng)常產(chǎn)生電弧，容易燒損觸點，從而造成開關(guān)動作不可靠、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械設(shè)備的自動控制要求，仍是最基本的電氣控制系統(tǒng)之一，同時也是盾構(gòu)等大型機械設(shè)備電氣控制系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ),無觸點邏輯控制,1.2 機械設(shè)備電氣控制系統(tǒng)基本形式,無觸點邏輯控制系統(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、壽命長等優(yōu)點。,計算機控制系統(tǒng),1.2 機械設(shè)備電氣控制系統(tǒng)基本形式,隨著微電子技術(shù)及計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，機械設(shè)備的電氣控制系統(tǒng)普遍采用了計算機，計算機以其強大的功能和靈活性為機械設(shè)備的設(shè)計與應(yīng)用帶來了前所未有的進(jìn)步與發(fā)展，尤其是盾構(gòu)這樣的大型、超大型機械設(shè)備必須采用計算機控制系統(tǒng)才能滿足其工藝與控制要求。 計算機控制系統(tǒng)的優(yōu)點是功能強大、性能優(yōu)異、可靠性高、抗干擾能力強、壽命長，缺點是系統(tǒng)組成不直觀，，故障判斷與處理較困難等，因此對系統(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的計算機與自動控制方面的理論知識與實踐經(jīng)驗。 。,目前機械設(shè)備的計算機控制系統(tǒng)主要包括以下幾類：,1.2 機械設(shè)備電氣控制系統(tǒng)基本形式,嵌入式微控制器 。 工業(yè)計算機控制系統(tǒng) 可編程控制器（PLC）控制系統(tǒng) 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng),嵌入式微控制器,1.2 機械設(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、抗干擾能力強、價格低廉等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于各種機械設(shè)備的控制系統(tǒng)中，但一般應(yīng)用于控制要求較簡單的中小型機械設(shè)備或生產(chǎn)過程控制,工業(yè)計算機控制系統(tǒng),1.2 機械設(shè)備電氣控制系統(tǒng)基本形式,工業(yè)計算機—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)場惡劣環(huán)境的計算機系統(tǒng)，因此，以工業(yè)計算機IPC為核心構(gòu)建的控制系統(tǒng)具有系統(tǒng)開發(fā)方便，可以充分利用PC機的強大軟件資源的優(yōu)點，具有強大的數(shù)據(jù)運算和處理能力，功能強大、性能優(yōu)異?？梢员容^容易的開發(fā)較復(fù)雜的控制程序，具有強大的數(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)雜的過程控制系統(tǒng)。,可編程控制器（PLC）控制系統(tǒng),1.2 機械設(shè)備電氣控制系統(tǒng)基本形式,可編程控制器是微型計算機技術(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)和計算機控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型控制器。所以以PLC(可編程控制器)為核心組成的控制系統(tǒng)計既具有繼電—接觸器控制系統(tǒng)簡單易懂易于理解的優(yōu)點，也具有計算機控制系統(tǒng)的靈活方便、柔性強的特點，同時比一般的計算機系統(tǒng)具有可靠性強的優(yōu)良特性。自1969年誕生世界上第一臺PLC以來，很快被世界上機械設(shè)備控制系統(tǒng)及生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)廣泛采用，PLC一直是工業(yè)控制產(chǎn)品中市場占有率最高的產(chǎn)品。目前，諸如盾構(gòu)這樣的大型機械設(shè)備全部采用PLC控制系統(tǒng)。,現(xiàn)場總線控制系統(tǒng),1.2 機械設(shè)備電氣控制系統(tǒng)基本形式,現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是采用現(xiàn)場總線技術(shù)形成的控制系統(tǒng)，本質(zhì)上是一種計算機局域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。它是依靠具有檢測、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)場實現(xiàn)徹底分散控制，并以這些現(xiàn)場分散的測量、控制設(shè)備單個點作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，將這些點以總線形式連接起來，形成一個現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。所以，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是一種全數(shù)字、全分散的控制系統(tǒng)。,第二章 現(xiàn)場總線技術(shù),§2.1 現(xiàn)場總線的產(chǎn)生,現(xiàn)場總線（Fieldbus）是用于現(xiàn)場儀表、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、多站的智能設(shè)備互連通訊網(wǎng)絡(luò)。,現(xiàn)場總線作為工廠數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，溝通了生產(chǎn)過程現(xiàn)場及控制設(shè)備之間及其與更高控制管理層次之間的聯(lián)系。,它不僅是一個基層網(wǎng)絡(luò)，而且還是一種開放式、新型全分布控制系統(tǒng)，是以智能傳感、控制、計算機、數(shù)字通訊等技術(shù)為主要內(nèi)容的綜合技術(shù) ；,一、現(xiàn)場總線技術(shù)產(chǎn)生的背景,現(xiàn)場總線技術(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)綜合自動化的需求 開放性 通用性 可靠性 智能儀表為現(xiàn)場總線的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ),二、傳統(tǒng)的現(xiàn)場級與車間級自動化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng),傳統(tǒng)的現(xiàn)場級與車間級自動化監(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)場級與車間級自動化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng),其主要特點： 現(xiàn)場層設(shè)備與控制器之間的連接是一對一（一個I/O點對設(shè)備的一個測控點）所謂I/O接線方式，信號傳遞4-20mA（傳送模擬量信息）或24VDC（傳送開關(guān)量信息）信號。,主要缺點,信息集成能力不強：,控制器與現(xiàn)場設(shè)備之間靠I/O連線連接，傳送4-20mA模擬量信號或24VDC等開關(guān)量信號，并以此監(jiān)控現(xiàn)場設(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，不能完全滿足企業(yè)信息化系統(tǒng)對底層數(shù)據(jù)的要求。,系統(tǒng)不開放、可集成性差、專業(yè)性不強：,除現(xiàn)場設(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長的控制技術(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)場級設(shè)備信息不全，現(xiàn)場級設(shè)備的在線故障診斷、報警、記錄功能不強。另一方面也很難完成現(xiàn)場設(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)場設(shè)備的串行通信接口是現(xiàn)場總線技術(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)行機構(gòu)、驅(qū)動裝置等現(xiàn)場設(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。,對于這些智能現(xiàn)場設(shè)備增加一個串行數(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，通過串行通信方式（而不是I/O方式）完成對現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控。,如果設(shè)想全部或大部分現(xiàn)場設(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)場設(shè)備連接，完成對所有現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控。,這就是現(xiàn)場總線技術(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，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)場級與車間級自動化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)。,§2.2 現(xiàn)場總線技術(shù)概念,一、現(xiàn)場總線定義,★ ISA SP50（美國儀表協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)）中對現(xiàn)場總線的定義       — 現(xiàn)場總線是一種串行的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信鏈路，它溝通了過程控制領(lǐng)域的基本控制設(shè)備（即場地級設(shè)備）之間以及與更高層次自動控制領(lǐng)域的自動化控制設(shè)備（即車間級設(shè)備）之間的聯(lián)系        ★ 國際電工委員會IEC標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)場總線基金會FF的定義       — 現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(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)場總線是安裝在生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場設(shè)備/儀表與控制室內(nèi)的自動控制裝置/系統(tǒng)之間的一種串行、數(shù)字式、多點通信的數(shù)據(jù)總線。其中，“生產(chǎn)過程”包括斷續(xù)生產(chǎn)過程和連續(xù)生產(chǎn)過程兩類。,現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System, FCS）是由以單個分散的、數(shù)字化、智能化的測量和控制設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、用現(xiàn)場總線相連接組成的控制系統(tǒng)。這是繼電式氣動儀表控制系統(tǒng)、電動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)場總線技術(shù)的現(xiàn)場級與車間級自動化監(jiān)控及信息集成系統(tǒng)如圖所示：,二、現(xiàn)場總線本質(zhì),1.現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò) ： 用于過程控制及制造自動化的現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表之間互連的通信網(wǎng)絡(luò)。,2.現(xiàn)場設(shè)備互連 ： 傳感器、變送器、執(zhí)行機構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備、現(xiàn)場儀表通過一對傳輸線實現(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)場儀表，構(gòu)成虛擬控制站，實現(xiàn)了徹底的分散控制。,5.使用通信線供電 ：,6.開放式互連網(wǎng)絡(luò) ： FCS系統(tǒng)將控制站的功能分散分配給現(xiàn)場儀表，構(gòu)成虛擬控制站，實現(xiàn)了徹底的分散控制。,三、現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn),由于剛開始沒有一個統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)，各企業(yè)和企業(yè)集團(tuán)相繼開發(fā)自己的總線產(chǎn)品，制定現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，形成了百花齊放的現(xiàn)狀 據(jù)不完全統(tǒng)計，目前市場上形形式式的現(xiàn)場總線有200多種 號稱為開放標(biāo)準(zhǔn)的也有二、三十種 現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158包含了八種類型，,1.IEC61158國際標(biāo)準(zhǔn) ： 1999年底IEC TC65（負(fù)責(zé)工業(yè)測量與控制的第65標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會）通過以下8種類型的現(xiàn)場總線作為IEC61158國際標(biāo)準(zhǔn)：,IEC技術(shù)報告（即FF的H1) Control Net(美國Rockwell公司支持） Profibus(德國西門子公司支持） P-Net（丹麥Process Data公司支持） FF HSE（原FF到H2） Swift Net（美國波音公司支持） World FIP（法國Alston公司支持） Interbus（德國PhoenixContact公司支持）,2.IEC TC17B通過以下3種類型的現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)：,SDS（Smart Ditributed System) ASI(Actuator Sensor Interface） DeviveNet,2.ISO 11898 CAN（Control Area Network）,共12種,現(xiàn)場總線技術(shù)開發(fā)之熱是近年之舉 信息時代各項技術(shù)發(fā)展對測控系統(tǒng)提出的要求 計算機技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù) 自動控制技術(shù) 信息（IT）技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)化、信息化給自控技術(shù)的發(fā)展提供的機遇 各國投入巨額資金與人力在開發(fā)這一技術(shù)，形成了企業(yè)、國家、國際標(biāo)準(zhǔn) 歐洲、北美、亞洲、中國,§2.3  現(xiàn)場總線現(xiàn)狀與發(fā)展,1.多總線共存,2.每種總線都力圖擴展自己的應(yīng)用領(lǐng)域,2.多數(shù)總線都成立了相應(yīng)的國際組織,目前，現(xiàn)場總線技術(shù)存在以下特點：,4.多數(shù)總線都成為所在國或地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，以加強競爭地位，P-net成為丹麥標(biāo)準(zhǔn)，Profibus成為德國標(biāo)準(zhǔn)，WorldFIP成為法國標(biāo)致，并于1994年成為并列的歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170，此標(biāo)準(zhǔn)后來又吸收了Control Net和FF。,5.以太網(wǎng)成為新技術(shù)熱點,現(xiàn)場總線的發(fā)展中充滿了競爭,現(xiàn)場總線的發(fā)展過程中充滿了競爭 經(jīng)濟因素：每種總線都有一個或多個公司且多是大型跨國公司為背景，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)場總線技術(shù)不甘輕言放棄 政治因素：總線之間的競爭還涉及國家、地區(qū)間的競爭 1998年前，現(xiàn)場總線以制定單一國際標(biāo)準(zhǔn)為目的 FF成為最有可能成為國際標(biāo)準(zhǔn)的總線 FF成為國際標(biāo)準(zhǔn)的努力受到多方阻力 最后通過妥協(xié)，現(xiàn)場總線技術(shù)出現(xiàn)了協(xié)調(diào)共存、共同發(fā)展的局面,現(xiàn)場總線技術(shù)特點,1.增強了現(xiàn)場級信息集成能力 ： 現(xiàn)場總線可從現(xiàn)場設(shè)備獲取大量豐富信息，能夠更好的滿足工廠自動化及CIMS系統(tǒng)的信息集成要求?，F(xiàn)場總線是數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò)，它不單純?nèi)〈?-20mA信號，還可實現(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)為開放式，允許其它廠商將自己專長的控制技術(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，市場上將有許多面向行業(yè)特點的監(jiān)控系統(tǒng)。,2.系統(tǒng)可靠性高、可維護(hù)性好 ： 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)采用總線連接方式替代一對一的I/O連線，對于大規(guī)模I/O系統(tǒng)來說，減少了由接線點造成的不可靠因素。同時，系統(tǒng)具有現(xiàn)場級設(shè)備的在線故障診斷、報警、記錄功能，可完成現(xiàn)場設(shè)備的遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定、修改等參數(shù)化工作，也增強了系統(tǒng)的可維護(hù)性。,4.降低了系統(tǒng)及工程成本 ： 對大范圍、大規(guī)模I/O的分布式系統(tǒng)來說，省去了大量的電纜、I/O模塊及電纜敷設(shè)工程費用，降低了系統(tǒng)及工程成本 。,市場上主要的現(xiàn)場總線標(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)場總線比較,開關(guān)量信號,各種現(xiàn)場總線的應(yīng)用領(lǐng)域,數(shù)據(jù)來自美國VDC公司所作調(diào)查,各類現(xiàn)場總線的市場占有情況,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，全稱為“Controller Area Network”，即控制器局域網(wǎng)，是目前國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。,最初，CAN被設(shè)計作為汽車環(huán)境中的微控制器通訊，在車載各電子控制裝置ECU之間交換信息，形成汽車電子控制網(wǎng)絡(luò)。比如：發(fā)動機管理系統(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行業(yè)，而向過程工業(yè)、機械工業(yè)、紡織工業(yè)、農(nóng)用機械、機器人、數(shù)控機床、醫(yī)療器械等領(lǐng)域發(fā)展。,CAN已成為國際標(biāo)準(zhǔn)病被公認(rèn)為是最有前途的現(xiàn)場總線之一。,§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（汽車工程協(xié)會）大會上介紹了一種新型的串行總線——CAN控制器局域網(wǎng),那是CAN誕生的時刻。,今天，在歐洲幾乎每一輛新客車均裝配有CAN局域網(wǎng)。同樣，CAN也用于其他類型的交通工具，從火車到輪船或者用于工業(yè)控制。,在1999年，接近6千萬個CAN控制器投入應(yīng)用；2000年，市場銷售超過1億個CAN器件。,§3.1.1 CAN總線概念,CAN的一致性問題,目前，CAN 以兩種形式存在：,一種是具有11 位ID 標(biāo)識符的BasicCAN 另一種是帶有擴展成29 位ID 標(biāo)識符的高級形式PeliCAN， Philips Intel Siemens 均支持BasicCAN 和PeliCAN 。,內(nèi)部的驗收濾波器屏蔽濾波器可通過標(biāo)識符ID 來接收需要的報文、屏蔽不相關(guān)的報文，即只向CPU 提交合適的報文。,§3.1.1 CAN總線概念,CAN的一致性問題,PeliCAN 協(xié)議允許兩段長度的標(biāo)識符：,A 部分使用11 位報文標(biāo)識符能夠識別出2032 個不同的標(biāo)識符（保留十六位）此部分兼容BasicCAN 。,B 部分有29 位能夠產(chǎn)生536870912 個不同的標(biāo)識,§3.1.2 CAN的一些基本概念,報文,節(jié)點單元在總線開放時發(fā)送到總線上的具有一定長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,信息路由問題,CAN系統(tǒng)中，一個CAN節(jié)點不使用有關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的任何信息（如站地址等）。,一個CAN節(jié)點可以在所有節(jié)點及其應(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,報文通信,CAN系統(tǒng)中，一個CAN節(jié)點發(fā)送的報文內(nèi)容由其標(biāo)識符ID命名。,但標(biāo)識符ID并不指出報文的目的，而是描述數(shù)據(jù)的含義,,因此，CAN網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點都可以通過報文濾波決定該報文數(shù)據(jù)是否使其激活。,§3.1.2 CAN的一些基本概念,成組,由于采用報文濾波方式，所有節(jié)點均可接收報文并可被同一報文激活,,§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)識符定義了一個報文的優(yōu)先權(quán)。,遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請求,需要數(shù)據(jù)的節(jié)點通過發(fā)送一個遠(yuǎn)程幀請求另一個節(jié)點發(fā)送一個相應(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)識符ID命名。,§3.1.2 CAN的一些基本概念,多主站,總線開放時，任何節(jié)點均可發(fā)送報文，具有最高優(yōu)先權(quán)報文的節(jié)點將贏得總線訪問權(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“載波檢測多路訪問/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 載波偵聽多路訪問,CA：Collision Avoidance  沖突避免,允許總線上的任一設(shè)備有機會取得總線的控制權(quán)以發(fā)送信息。,如果同一時刻有兩個以上的設(shè)備欲發(fā)送信息，將發(fā)生沖突，此時CAN總線能夠?qū)崟r地檢測這些沖突并作出相應(yīng)的仲裁，從而是的獲得仲裁通過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)總線空閑時呈隱性電平，此時任何一個節(jié)點都可以想總線發(fā)送一個顯性電平——幀開始，作為一個信息幀的開始。,如果有兩個以上的節(jié)點同時發(fā)送，就會產(chǎn)生競爭。,CAN總線按位對標(biāo)識符進(jìn)行仲裁；,各發(fā)送節(jié)點在向總線發(fā)送數(shù)據(jù)電平的同時，也對總線上的數(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)送從而退出總線競爭；,而剩余的節(jié)點將繼續(xù)上述過程，知道總線上只剩下一個節(jié)點發(fā)送的電平，此時總線競爭結(jié)束，優(yōu)先級最高的節(jié)點獲得總線的使用權(quán)；,§3.1.9  CAN的位仲裁技術(shù),位仲裁技術(shù)及其原理,CAN 總線以報文為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，其標(biāo)識符規(guī)定了此報文的優(yōu)先權(quán)。,具有最低二進(jìn)制數(shù)的標(biāo)識符具有最高的優(yōu)先級。,這種優(yōu)先級一旦在系統(tǒng)設(shè)計時被確定就不能更改；,總線沖突通過位仲裁解決。,§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)識了3個節(jié)點的CAN信息幀在總線上的競爭仲裁情況：,§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2發(fā)送一個1（隱性位），但是從總線上接收到的卻是0，說明有優(yōu)先級比它高的信息幀在發(fā)送。,只有節(jié)點3成功地發(fā)送完全部的仲裁場各位，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2 立即退出發(fā)送，變?yōu)橹宦犇Ｊ?，余下?個節(jié)點繼續(xù)發(fā)送；,在第9位（ID2) 節(jié)點1發(fā)送一個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)橹宦犇Ｊ健?在前5位（ID10-ID6)都相同，所以3個節(jié)點偵聽到的信息和它們發(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,在最終確定哪個節(jié)點的報文被傳送之前，報文的起始部分已經(jīng)在總線上傳送了；,未獲得總線控制權(quán)的節(jié)點都成為具有最高優(yōu)先級報文的接收站，并且不會在總線再次空閑以前發(fā)送報文。,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，當(dāng)高優(yōu)先級的節(jié)點以較高頻率發(fā)送數(shù)據(jù)時，低優(yōu)先級的節(jié)點就很難將數(shù)據(jù)傳送到總線，甚至一個數(shù)據(jù)都發(fā)送不出來，至少導(dǎo)致較大的延時，不利于實時的數(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總線時現(xiàn)場總線的一種，是一種有效支持分布式、實時控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。,從原理和實現(xiàn)的角度，只要有兩個CAN節(jié)點和將他們連接成一體的通信介質(zhì)就可以構(gòu)成一個CAN總線系統(tǒng)，這兩個節(jié)點通過通信媒介交換信息。,§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、傳感器節(jié)點、執(zhí)行器節(jié)點以及其他的監(jiān)控節(jié)點（如人機界面等）構(gòu)成一個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)是一個單回路的閉環(huán)控制系統(tǒng),即由一個控制器、一個傳感器和一個執(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)也可以由多個互不相關(guān)的控制回路組成，但共享一個控制網(wǎng)絡(luò) —— CAN總線。,從現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS的概念來講，傳感器節(jié)點、執(zhí)行起節(jié)點都可以集成控制器，即所謂的智能節(jié)點；,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,節(jié)點,CAN 總線的節(jié)點一般是指掛在CAN 總線上的傳感部件、執(zhí)行部件或控制器單元等,CAN總線是通過允許節(jié)點間的對等傳播數(shù)據(jù)來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的。,§3.2.2  CAN總線系統(tǒng)的節(jié)點,節(jié)點組成,CAN 總線的節(jié)點構(gòu)成多種多樣，一般的節(jié)點結(jié)構(gòu)如下圖所示：,§3.2.2  CAN總線系統(tǒng)的節(jié)點,節(jié)點組成,關(guān)鍵部分是總線控制器和總線收發(fā)器，由它們來實現(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)點即為控制器節(jié)點；,如果帶有傳感器接口，則此節(jié)點即為智能傳感器節(jié)點；,如果帶有執(zhí)行器驅(qū)動接口，則此節(jié)點即為執(zhí)行器節(jié)點；,一個節(jié)點可以具有多種功能，例如可以具有I/O接口即控制算法，便成為一個完整的控制節(jié)點；,第四章 大型機電設(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)大型機電設(shè)備的控制系統(tǒng)采用以一臺中、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通過串行通信接口與控制室內(nèi)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)計算機通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與儲存、顯示、統(tǒng)計、打印，并通過調(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、輸出信號都需連接至PLC。大型機電設(shè)備非常龐大，控制所需的輸入信號與輸出信號也很多且分布于設(shè)備各個位置，所以，這種集中式電氣控制系統(tǒng)所需的電纜數(shù)量將非常多且長度很大，成本很高且安裝維護(hù)不便，同時也會對系統(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PLC，其控制程序的開發(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)使用多臺中型或大型PLC為核心完成電氣控制任務(wù),,,此種方式，通過對整機控制需求進(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、輸出信號的接入距離可以大大縮短。安裝及維護(hù)工作也相對得到很大改善。,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)一臺中型/大型PLC為核心，并采用智能遠(yuǎn)程I/O模塊完成整機的電氣控制任務(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象臨近，從而避免長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，同時也為安裝、維護(hù)及系統(tǒng)可靠性帶來了很大益處。,4.現(xiàn)場總線方式電氣控制系統(tǒng),如圖所示為現(xiàn)場總線方式電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線技術(shù)構(gòu)成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)完成TBM整機的電氣控制任務(wù),,,,,由圖可知，系統(tǒng)可以包括多臺PLC、多臺完成監(jiān)控/操作任務(wù)的計算機、以及多臺完成具體測控任務(wù)的現(xiàn)場總線智能節(jié)點單元，它們之間通過各自的現(xiàn)場總線接口通信，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。在國外經(jīng)過五十多年的研究與發(fā)展，已成為長大隧道最有效的施工手段之一。TBM 是大型的隧道施工機械設(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PLC組成一功能強大的電氣及自動控制系統(tǒng)，主控制系統(tǒng)組成如圖7－21所示,由系統(tǒng)框圖可知，主機系統(tǒng)與后配套系統(tǒng)分別使用一臺大型PLC為控制核心，完成數(shù)據(jù)采集與控制任務(wù)，兩臺PLC之間通過網(wǎng)絡(luò)通信接口板建立實時通信。 主機PLC通過串行接口與控制室內(nèi)WDAS系統(tǒng)計算機通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與儲存、顯示、統(tǒng)計、打印。 后配套PLC通過調(diào)制解調(diào)器將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳至隧道外WDAS系統(tǒng)。 其他相對獨立的配套設(shè)備如錨桿鉆機、翻車機等也都使用小型PLC構(gòu)建控制系統(tǒng),5.2 ROBBINS MB264-311掘進(jìn)機電氣控制系統(tǒng),圖所示為ROBBINS MB264-311TBM掘進(jìn)機電氣控制系統(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、輸出信號連接，另外，通過擴展模塊接口板擴展了一擴展模塊,擴展模塊包括：擴展模塊接口板、DEVICENET總線接口板、RS232串行通信接口板、CC—LINK遠(yuǎn)程I/O接口板，下面具體說明其作用。,擴展模塊包括：擴展模塊接口板、DEVICENET總線接口板、RS232串行通信接口板、CC—LINK遠(yuǎn)程I/O接口板，下面具體說明其作用。,擴展模塊接口：與基本模塊通信； DEVICENET總線接口板：ROBBINS MB264-311 TBM的8臺刀盤電機分別由2臺變頻器驅(qū)動，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與觸摸屏通過此接口板通信； CC—LINK遠(yuǎn)程I/O接口板：PLC主機部分與分布于全機的15臺智能遠(yuǎn)程I/O模塊通過CC—LINK接口通信；,PLC基本模塊通過USB接口與編程終端連接，同時，編程終端與觸摸屏通過以太網(wǎng)接口連接為計算機網(wǎng)絡(luò)，另外觸摸屏的另一以太網(wǎng)口通過一網(wǎng)絡(luò)MODEM經(jīng)電話線路連至地面數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)計算機，使得地面的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)計算機可以實時的得到TBM掘進(jìn)機的各項工況參數(shù)。,5.3 TBM自動控制方式及實現(xiàn),TBM電氣控制系統(tǒng)提供了三種工作模式：自動扭矩控制、自動推力控制和手動控制模式。自動扭矩控制只適用于均質(zhì)軟巖，自動推力控制只適用于均質(zhì)硬巖，手動控制模式操作方便、反應(yīng)靈活，適用于各種地質(zhì)情況,5.2.1自動推力控制方式,自動扭矩和自動推力控制模式是通過改變自動檔設(shè)定值電位器阻值的大小，由PLC系統(tǒng)自動根據(jù)機器相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整來實現(xiàn)自動控制。以自動推力控制模式為例，其閉環(huán)控制回路如圖所示,5.2.2自動扭矩控制方式,自動扭矩控制模式原理與此相似，只是控制參量為刀盤主電機扭矩。其閉環(huán)控制回路 如圖所示,由上述兩種自動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)對設(shè)定值的反應(yīng)不會也不允許太靈敏，允許實際值的波動范圍較大，并且只能對整個刀盤的平均值作出反應(yīng)，而不能對實際掘進(jìn)中多變的巖石情況作出靈活迅速的反應(yīng)。因此在實踐操作過程中最常用的還是采用手動控制模式，其實質(zhì)是以主司機替代PLC系統(tǒng)，根據(jù)掘進(jìn)情況，手動改變推進(jìn)速度電位器的開環(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通過串行通信接口與控制室內(nèi)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)計算機通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與儲存、顯示、統(tǒng)計、打印，并通過調(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通過串行通信接口與控制室內(nèi)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)計算機通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與儲存、顯示、統(tǒng)計、打印，并通過調(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，根據(jù)各種控制策略經(jīng)PLC內(nèi)部控制程序運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)動作或經(jīng)模擬量輸出接口（AO）控制相應(yīng)的伺服電機等執(zhí)行機構(gòu)動作。,土壓平衡式盾構(gòu)系統(tǒng)常用的各種數(shù)字量、模擬量及檢測元件/傳感器參見下表,現(xiàn)場總線電氣控制系統(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)被控對象分布范圍大，數(shù)量相對較多，約有一千多個測控點，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)場總線控制系統(tǒng)是一個很好的選擇。 采用現(xiàn)場總線技術(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現(xiàn)場總線組成一個通信控制網(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)和檢查錯誤，特別適合像盾構(gòu)這樣控制點多且分散，沿線狀分布的場合，還具有檢修維護(hù)方便，擴充靈活，降低造價的優(yōu)點。,§ 6 盾構(gòu)PLC電氣控制系統(tǒng)常見結(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：控制時序產(chǎn)生、模擬量采集、過濾與冷卻回路控制、潤滑與齒輪油控制、刀盤驅(qū)動控制、推進(jìn)控制、管片機控制、盾尾油脂控制、輔助液壓系統(tǒng)、膨潤土系統(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、電機啟停控制、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、螺旋輸送機控制、控制量處理、脈沖時間處理、脈沖計數(shù)、偏差值處理、推進(jìn)缸壓力計算、鉸接油缸位移測量、盾尾油脂控制、推進(jìn)油缸MTS位移傳感器測量、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)時間監(jiān)控、系統(tǒng)復(fù)位、重新啟動控制等。,§7 盾構(gòu)主要動作控制原理與控制策略,,土壓平衡的實現(xiàn),盾構(gòu)主要動作控制原理與控制策略,土壓平衡控制是土壓平衡盾構(gòu)控制技術(shù)的關(guān)鍵。對土壓平衡的控制主要依賴于操作人員的手動調(diào)節(jié)，屬于開環(huán)控制。在操作面板上分別顯示刀盤工作區(qū)(分為若干個分區(qū))的推進(jìn)位移、壓力，以及土倉內(nèi)的土壓值。操作人員根據(jù)顯示數(shù)值是否正常來調(diào)節(jié)推進(jìn)壓力或推進(jìn)速度或螺旋輸送機速度。有2種方式來保證土壓平衡：,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、刀盤推進(jìn)速度、螺旋輸送機排土速度等。因此，保持土倉內(nèi)土壓力平衡的控制策略包括：,控制進(jìn)土量：通過調(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：通過調(diào)整螺旋輸送機的轉(zhuǎn)速控制排土量,同時控制進(jìn)土、排土量：,其中控制排土量模式簡單方便，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、刀盤轉(zhuǎn)速設(shè)定，均通過相應(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,土倉壓力設(shè)定：一般可以有兩種設(shè)定方式，一是由土倉壓力設(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/上位機等人機交互設(shè)備設(shè)定輸入,2. 控制輸出：,刀盤轉(zhuǎn)速：通過比例變量泵進(jìn)行控制，盾構(gòu)機掘進(jìn)時，調(diào)整控制面板上的刀盤轉(zhuǎn)速設(shè)定電位器，通過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，通過控制變量泵的排量來實現(xiàn)刀盤轉(zhuǎn)速的連續(xù)調(diào)節(jié)，刀盤轉(zhuǎn)速的控制屬開環(huán)控制。,推進(jìn)液壓缸速度與壓力控制：盾構(gòu)機的推進(jìn)系統(tǒng)一般由多個左右對稱的推進(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、壓力控制可以是開環(huán)控制，也可以是閉環(huán)控制，這要根據(jù)實際掘進(jìn)情況而定。,對于開環(huán)控制，設(shè)定值通過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，對推進(jìn)液壓缸進(jìn)行速度和壓力控制。,對于閉環(huán)控制，PLC根據(jù)控制策略與控制算法計算出控制輸出量，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，對推進(jìn)液壓缸進(jìn)行速度和壓力控制。,螺旋輸送機轉(zhuǎn)速控制：與推進(jìn)液壓缸速度與壓力控制類似，可以是開環(huán)控制，也可以是閉環(huán)控制。,對于開環(huán)控制，設(shè)定值通過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，放大后通過電磁比例閥控制變量泵排量的變化，從而控制螺旋輸送機的液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速作對應(yīng)的變化，使得螺旋輸送機的轉(zhuǎn)速(即泥土排出量)也隨之增大或減少。,對于閉環(huán)控制， PLC根據(jù)控制策略與控制算法計算出控制輸出量，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后得到控制電流信號，放大后通過電磁比例閥控制變量泵排量的變化，從而控制螺旋輸送機的液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速作對應(yīng)的變化，使得螺旋輸送機的轉(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明土壓平衡的控制原理。,排土量控制實際上是根據(jù)土艙內(nèi)的土壓控制螺旋輸送機的轉(zhuǎn)速，實際掘進(jìn)時即可采用開環(huán)控制也可采用閉環(huán)控制，閉環(huán)控制框圖如圖：,控制器一般使用簡單實用的PID控制，土倉中的土壓經(jīng)土壓計測量后通過A／D轉(zhuǎn)換送到PLC，并將土壓測量值與土壓設(shè)定值進(jìn)行比較，計算出測量值與設(shè)定值之間的差值e， PLC根據(jù)偏差e進(jìn)行PID運算，得到控制輸出量u，通過PID控制，自動調(diào)整螺旋機轉(zhuǎn)速，使e值趨向于零，當(dāng)e值大于零時，PLC發(fā)出指令，增加螺旋機轉(zhuǎn)速，提高出土量直至土倉內(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，PLC 會降低螺旋機轉(zhuǎn)速，以減少偏差。從而實現(xiàn)了土倉內(nèi)土壓平衡、盾構(gòu)機正常掘進(jìn)。,PID控制器控制參數(shù)選取是否合適非常關(guān)鍵，必須通過參數(shù)整定獲得符合控制要求的P、I、D等各項參數(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，無負(fù)荷調(diào)試運行狀態(tài)下進(jìn)行預(yù)整定，第二階段在掘進(jìn)開始，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)，通過調(diào)節(jié)螺旋輸送機 各壓力區(qū)中的最大值(最大值加1O％)。的排土量達(dá)到土倉的土壓平衡。螺旋輸送機速度加快，則土倉內(nèi)的土壓將下降，反之則上升。 (2)螺旋輸送機轉(zhuǎn)速保持一定值，調(diào)節(jié)推進(jìn)速度實現(xiàn)土壓平衡。推進(jìn)速度加快，則土倉內(nèi)的土壓上升，反之則下降。,姿態(tài)控制的實現(xiàn) ·,盾構(gòu)主要動作控制原理與控制策略,姿態(tài)控制是通過導(dǎo)向系統(tǒng)給操作人員指示隧道實際軌跡與設(shè)計軌跡的偏差，由操作人員根據(jù)經(jīng)驗調(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)主要動作控制原理與控制策略,盾構(gòu)控制的另一個重要問題就是推進(jìn)缸的壓力和速度的協(xié)調(diào)控制問題?？刹捎玫牟呗园ǎ?手動狀態(tài),各分區(qū)分別處于壓力閉環(huán)控制，也就是說，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口，推進(jìn)缸主要由比例溢流閥來控制。這種工況一般出現(xiàn)在姿態(tài)調(diào)整時。,自動狀態(tài),工作分區(qū)中的若干個(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。而另外兩個區(qū)(如：B、D)處于壓力閉環(huán)控制狀態(tài)，壓力給定來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。,§ 8盾構(gòu)計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),,計算機數(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)控制室的工控機和洞外辦公室的PC機組成，由現(xiàn)場操作人員使用，用于人機對話、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，西門子WinCC，施耐德的Factrylink 現(xiàn)場工控機與辦公室的管理計算機組成局域網(wǎng)，將洞內(nèi)盾構(gòu)機的信息傳輸?shù)降孛孓k公室，并儲存起來。 操作畫面 設(shè)定界面：設(shè)定盾構(gòu)對象和控制參數(shù) 測量界面：顯示盾構(gòu)中各類檢測儀器的測量值 掘進(jìn)界面：施工時主畫面，掘進(jìn)參數(shù)、設(shè)備狀態(tài) 歷史曲線畫面：以曲線形式顯示歷史施工數(shù)據(jù)，可按環(huán)號查詢 報警畫面：及時顯示盾構(gòu)設(shè)備運轉(zhuǎn)情況和故障報警 報表 動態(tài)曲線 鉸接畫面：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、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、報警監(jiān)視界面；,華隧通盾構(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡介,,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)值或圖表來表示已存儲的數(shù)據(jù)。,１．信號收集,信號收集與處理工作由分別部署于盾構(gòu)前端與后配套臺車上的信號收集處理計算機完成；,盾構(gòu)前端的信號收集處理計算機信號來源包括：,盾構(gòu)PLC：土壓、所有運行的有關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù)等；,其他設(shè)備傳感器信號：,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,排土量計測數(shù)據(jù)：體積、重量等,盾構(gòu)前端的信號收集處理計算機收集信號并經(jīng)數(shù)字化處理后，通過數(shù)據(jù)通信總線傳送至位于后配套臺車上的信號收集處理計算機，并送入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主機；,信號采樣周期：3s左右；,信號采樣點數(shù)：最大512點；,2．?dāng)?shù)據(jù)處理,信號收集處理計算機將相關(guān)信號收集并數(shù)字化后送入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主機進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主機進(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,瞬時值：掘進(jìn)過程、準(zhǔn)備過程、安裝過程中各信號的瞬時值；,最大值：流量、壓力、速度、土壓、上下振動、左右振動等,最小值：壓力和土壓、脫落、上下振動、左右振動等,累計值：填沖土注入量及加泥注入量、刀具轉(zhuǎn)動、螺旋漿轉(zhuǎn)動等，累計中還有每天合計、累計計算等,2）保存數(shù)據(jù)：挖掘結(jié)束時、根據(jù)保存種類、最終值或是平均值生成存儲數(shù)據(jù),3．?dāng)?shù)據(jù)記錄與保存,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主機按以下規(guī)則記錄與保存數(shù)據(jù)：,1）按時間：掘進(jìn)、裝配過程均有效,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)機正在掘進(jìn)中,2）準(zhǔn)備中：環(huán)片掘進(jìn)開始后、由于運土車的裝卸等原因機器中斷掘進(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)過程,系統(tǒng)可自動判斷掘進(jìn)的開始和結(jié)束。判斷使用以下的信號：,1）實際行程：,2）掘進(jìn)中：表示盾構(gòu)掘進(jìn)機實際運行的狀態(tài)。一般利用“刀具轉(zhuǎn)動 ” ＋ “千斤頂?shù)耐七M(jìn)” 等來進(jìn)行判斷。,3）掘進(jìn)模式：千斤頂操作在操作盤側(cè)時的狀態(tài)（挖掘可能的狀態(tài)）。,使用左右千斤頂?shù)男谐痰臏y量平均值；,左右兩側(cè)的千斤頂中如果有的沒有測量行程值、則利用有測量值的千斤頂?shù)男谐?4）環(huán)片模式：千斤頂操作機器內(nèi)側(cè)的狀態(tài)（可用操縱桿操作的狀態(tài)）,通過這些信號和開始及結(jié)束條件的組合來自動判斷環(huán)狀掘進(jìn)的開始和結(jié)束。,6．采集數(shù)據(jù)顯示與應(yīng)用,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主機以多種方式顯示采集的數(shù)據(jù),1）數(shù)據(jù)采集畫面：,在每頁的各個項目中、數(shù)據(jù)通過數(shù)值、柱狀統(tǒng)計表、折線統(tǒng)計圖進(jìn)行表示。曲線表是環(huán)狀片的詳細(xì)數(shù)據(jù)。此畫面主要便于把握掘進(jìn)狀況。 共可記錄5頁的柱狀統(tǒng)計表、折線統(tǒng)計表 。,2）管理用綜合數(shù)據(jù)表示畫面：,適合于管理者、能夠綜合管理全部數(shù)值情報。而且可表示盾構(gòu)掘進(jìn)機的位置情報和偏差情報,例如、可以表示沖程差等在操作盤上沒有的數(shù)值、累計值以及最大、最小值等以往操作者在實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個環(huán)狀片的代表環(huán)狀片基礎(chǔ)上以統(tǒng)計方法計算管理。,10．?dāng)?shù)據(jù)的有效利用：主機上的數(shù)據(jù)可以在其它應(yīng)用程序中使用。,9．報表制作及打印存檔：報表以電腦中各個數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)自動做成。,8．保存數(shù)據(jù)的表示：可以用數(shù)值或圖表來表示已存儲的數(shù)據(jù)。,盾構(gòu)PLC控制系統(tǒng)常用傳感器,電感感應(yīng)式接近開關(guān)。（有常閉和常開兩種接線方式） 壓力傳感器、壓力開關(guān)。（壓力開關(guān)也有常閉和常開兩種接線方式） 電容式流量傳感器、流量開關(guān)。 溫度傳感器、溫度開關(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),,由于振動較大，要定期緊固接線端子。特別是電機接線端子。 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)機常見電氣故障判斷和處理,處理故障的原則： 先簡后繁，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程序一般不會出問題。 對于電氣故障要先從簡單的地方查起，開始不要考慮的太復(fù)雜。,