大型機(jī)電設(shè)備電氣控制系統(tǒng)

<p>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,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(jī)控制技術(shù)。,計算機(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(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(jī)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(jī)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?？煽啃暂^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(jī)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(jī)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(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)普遍采用了計算機(jī)，計算機(jī)以其強大的功能和靈活性為機(jī)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(jī)械設(shè)備必須采用計算機(jī)控制系統(tǒng)才能滿足其工藝與控制要求。計算機(jī)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(jī)與自動控制方面的理論知識與實踐經(jīng)驗。 。,目前機(jī)械設(shè)備的計算機(jī)控制系統(tǒng)主要包括以下幾類：,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)計算機(jī)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(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、抗干擾能力強、價格低廉等優(yōu)點，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)用于控制要求較簡單的中小型機(jī)械設(shè)備或生產(chǎn)過程控制,工業(yè)計算機(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)場惡劣環(huán)境的計算機(jī)系統(tǒng)，因此，以工業(yè)計算機(jī)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(jī)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(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)和計算機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(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(jī)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 &nbsp; &nbsp; &nbsp; 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 &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; 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 &nbsp; &nbsp; &nbsp; 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(jī)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(jī)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(jī)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 &nbsp;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(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(jì)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-NetProfibus WorldFIP Foundation Fieldbus（包括HSE） ControlNet InterbusSwiftNetAS-ICC-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(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行業(yè)，而向過程工業(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(kuò)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 &nbsp;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 &nbsp;沖突避免,允許總線上的任一設(shè)備有機(jī)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 &nbsp;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 &nbsp;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 &nbsp;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 &nbsp;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 &nbsp;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 &nbsp;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 &nbsp;CAN總線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理,§3.2.1 &nbsp;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 &nbsp;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(jī)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 &nbsp;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 &nbsp;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 &nbsp;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 &nbsp;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 &nbsp;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(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(jī)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(jī)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(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(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(jī)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(jī)、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(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721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(jī)PLC通過串行接口與控制室內(nèi)WDAS系統(tǒng)計算機(jī)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(jī)、翻車機(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、輸出信號連接，另外，通過擴(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、CCLINK遠(yuǎn)程I/O接口板，下面具體說明其作用。,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、CCLINK遠(yuǎn)程I/O接口板，下面具體說明其作用。,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臺刀盤電機(jī)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；CCLINK遠(yuǎn)程I/O接口板：PLC主機(jī)部分與分布于全機(jī)的15臺智能遠(yuǎn)程I/O模塊通過CCLINK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(jī)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(jī)，使得地面的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)計算機(jī)可以實時的得到TBM掘進(jìn)機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)等執(zhí)行機(jī)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IO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(kuò)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(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(jī)等人機(jī)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(jī)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AD轉(zhuǎn)換輸入到PLC，PLC根據(jù)設(shè)定值經(jīng)DA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(jī)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AD轉(zhuǎn)換模塊輸入到PLC，PLC根據(jù)設(shè)定值再經(jīng)DA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(jī)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AD轉(zhuǎn)換模塊輸入到PLC，PLC根據(jù)設(shè)定值再經(jīng)DA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(jī)的液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速作對應(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(jī)的液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速作對應(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(jī)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AD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(jī)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(jī)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(jī)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(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(jī) 各壓力區(qū)中的最大值(最大值加1O)。的排土量達(dá)到土倉的土壓平衡。螺旋輸送機(jī)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(jī)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(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),計算機(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)場操作人員使用，用于人機(jī)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(jī)與辦公室的管理計算機(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(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數(shù)據(jù)形成,3數(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數(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)。,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(jī)完成；,盾構(gòu)前端的信號收集處理計算機(jī)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(jī)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(jī)，并送入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主機(jī)；,信號采樣周期：3s左右；,信號采樣點數(shù)：最大512點；,2數(shù)據(jù)處理,信號收集處理計算機(jī)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(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數(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(jī)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(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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(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數(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(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。,</p>