直径6.14m复合式土压平衡盾构电气系统设计研究-佳工网




直径6.14m复合式土压平衡盾构电气系统设计研究


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摘要：结合工程实践，研究复合式盾构电气系统，从供配电、盾构控制、检测仪器、数据采集等方面分析系统特点。关键词：复合式盾构电气监控特点 Abstract: Incorporating engineering practices, this paper studies electrical system from analyses of system characteristics of power supply and distribution, shield control, testing instrumentation, data acquisition on Compound Shield EPBM. Keywords:Compound Shield, shield, electrical monitoring features. 1 概述 φ6.14m复合式土压平衡盾构(简称复合式盾构)是隧道股份为广州市地铁总公司建造地铁2号线新研制开发的。盾构需穿越软土、硬土(岩土)及复合土等多种土层，并穿越珠江，掘进距离约1.7km。原用于1号线施工的进口泥水平衡盾构已不能满足施工需要；而另一台进口土压平衡盾构，在1号线施工结束时已损坏，为适应2号线的施工，必须对该泥水平衡盾构作彻底的改造。复合式盾构既要适用于软土土层的施工工况，又要适应硬土、复合土(软、硬土混合)土层的掘进工况。它采用全断面切削布置的滚刀和割刀组合的互交型刀盘来开挖岩土，当工作面岩土稳定时，可以在土压不平衡状态下进行掘进；当遇软土和复杂地层时，则在土压平衡状态下进行掘进，以确保工程安全和质量。复合式盾构在软土层施工，其平衡机理是与一般土压平衡盾构一致的，均使充满切削土的密封舱土压保持在设定值上，求得盾构开挖面的稳定；而显著不同的是复合式盾构具有更大的切削岩土能力和更复杂的控制功能，因而刀盘的动力要大大增加，并具有多种控制模式。然而泥水平衡盾构的掘进机理是与土压平衡盾构完全不同的，它是靠泥水动态平衡来达到开挖面的稳定，以泥水输送和泥水处理来排土；其构造和设备配置也完全不同，以盾构的设备配置为例，土压平衡盾构要增加螺旋机、皮带机及其它辅助设备，故将泥水平衡盾构改制成土压平衡盾构是有一定难度的，要改制成复合式土压平衡盾构就更难。 2 原泥水平衡盾构概况在广州现场勘查到盾构已解体成刀盘、切口环、支承环、拼装机、整圆器等部件(散件)堆放在露天仓库。盾构一共有7节台车，控制室设在1号台车，动力设备分布在2号～6号台车，低压配电柜安装在7号台车。盾构本体主要电气设备有：控制台、高压柜、低压柜、电容器柜、仪表柜；电动机14台；传感器14只(套)；遥控装置1套；电磁阀80余只；1套PLC(主机A3NCPU，输入/输出模块30块)；现场的按钮盒、限位若干(遗失和损坏较多)。独立的泥水输送系统由日本大平洋公司设计制作，在盾构中有切换阀、EV阀、排泥泵、控制柜(箱)、泥泵流量计和密度计等。PLC自成系统，有1个主站和4个从站，主站和从站靠ME信号传送器进行通信。 3 计研究的难点（1）开发复合式盾构需从研究盾构工作机理出发，在深入研究控制模式和施工管理方式后，再进行电气系统的设计研究。（2）改制旧泥水盾构，设计时缺乏原盾构完整的技术资料。在缺少所需的系统原理图、传感器、仪表、PLC等技术资料的情况下，必需对原进口电气设备作深入的消化和研究，掌握基本的技术性能和参数，为改制设计提供必需的资料。（3）改制盾构因受原设备(元件)技术参数的限制，必需协调新旧设备的各种技术参数和元件的匹配，使系统能可靠、合理地运行。（4）根据盾构总体控制要求和目前施工操作习惯，并遵循安全、可靠、实用的原则，设计有中国特色的电气监控系统。 4 设计研究的重点复合式土压平衡盾构在国内尚是空白，又要对进口旧的泥水盾构作转型改制设计，其需要研究的内容更多、更复杂，设计研究的重点主要有： 4.1 供配电 (1) 由于采用10kV高压直接供电，因此要解决原6kV高压设备能否继续使用的问题。 (2) 复合式盾构的动力配置比原盾构成倍增加，且单台容量差异大，如何利用原低压配电设备，使各动力回路控制和保护功能优于原盾构。 (3) 原供配电配置较简单，如何提高盾构供配电系统的安全性和可靠性。 (4) 原设备布置不合理。在利用旧台车(1号～7号)以及设备增多的情况下，如何合理布置设备，既节约电缆又方便安装和维修。 (5) 原PLC、仪表、电磁阀、照明以及控制共用一个电源(1台7.5kVA、400V/100V变压器)，如何提高可靠性，并解决容量增加的矛盾。 4.2 盾构机械的工艺流程复合式盾构机械工艺流程比软土盾构复杂，复合式盾构的操作分成硬土、软土、复合土三种不同模式，不同模式有不同的工艺流程；再则，各设备也有特殊的工艺流程，如刀盘润滑泵、双液注浆等。应根据盾构机械的功能和要求，去摸索和研究复合式盾构总的工艺流程和相应各设备的工艺流程。 4.3 盾构的控制 (1) 原盾构控制系统的配置不能适应复合式盾构的控制要求，必须另建一个新的控制系统满足施工要求。 (2) 研究三种不同模式以及刀盘、铰接、推进、润滑油脂、整圆器等的控制。 (3) 提高PLC硬件的抗干扰能力和软件的可靠性。 (4) 从系统出发，研究供配电、传感器、仪器仪表、控制器、计算机之间的电量信号传送关系，系统地协调软件和硬件之间的相互关系。 (5) 拼装机遥控装置的接线复杂又无资料，必须恢复其功能并继续使用。 4.4 检测仪器 (1) 复合式盾构的检测对象远远多于原盾构，必须用可靠和实用的检测元件和方法，以满足检测内容增多的需求。 (2) 充分利用原传感器、显示仪等检测仪器，组成一个齐全的检测显示系统。 4.5 计算机数据采集原数据采集系统已不存在。从电气线路分析，该系统不能直接同PLC系统通信，由原仪表柜提供的模拟量信号，其接口已远不能满足复合式盾构监控系统的需求。必需重建一个计算机数据采集系统，以符合复合式盾构的实时数据采集和历史数据管理的要求，同时提供良好的人机界面和数据采集。 5 复合式盾构电气系统特点由于原电力变压器线圈耐压等级低，无法改制，且原电力变压器柜体偏长，无法利用。故只能利用低压电器、PLC、检测仪器等一些元器件，以及控制台、仪表柜的柜体，按复合式盾构的控制要求重新设计盾构各系统。 5.1 供配电系统复合式盾构采用10kV高压供电方式，设备总容量约1360kW，采用2台10/0.4kV的电力变压器(1000kVA和800kVA)分别配电，其供配电系统见图1。（图片） 5.1.1 高压供电地面通过UG矿用橡套电缆向盾构高压开关柜供电。高压开关柜有1台高压进线柜和2台变压器保护柜组成，高压开关柜内设负荷开关，变压器保护柜内设高压熔断器和负荷开关。因选用ALSTHOM的开关柜为户内型设备，故另设计高压柜，以提高防护等级。选用ABB的干式电力变压器，并设计变压器柜，柜内设置温度控制器和排风装置，可监测电力变压器的各相温度和控制排风。 5.1.2 低压配电电力变压器分别对2台低压配电柜(1C和2C柜)供电，形成2个独立的配电系统。各低压配电柜内均设总漏电断路器，具有短路、过载、漏电等保护。1C柜对盾构内和1号～4号台车上各设备供电，额定使用电流为1450A；2C柜对5号～7号台车上各设备配电，额定使用电流为1150A。动力设备配置见表1，表中*所示设备由PLC控制，另设断相、反相、过电流、紧停等保护。（图片）各动力回路均设短路、过压、过载和漏电保护。控制(包括电磁阀)和PLC(包括仪表)分别通过各自的变压器供电。设低压功率补偿设备，配置2台功率因数补偿柜，分别配有230kVar和190kVar电容器，采用PLC控制自动投切补偿电容器，以改善功率因素。 5.1.3 盾构照明原照明采用100V供电，且每节台车只有一套灯具，不能满足盾构施工所需要的照度。现单独设1台照明柜，由3台5kVA变压器将400V降至220V电压作为照明电源。盾构只设固定照明，采用防水型灯具，分成12个支路，各支路均配置两级漏电保护；盾构和各节台车均配置3套荧光灯具，并包括一套应急荧光灯具；拼装区和台车首尾各增加投光灯具，以加强盾构作业面的照明。 5.2 监控系统复合式盾构监控系统由PLC控制系统和计算机数据采集系统两部分组成。PLC控制系统设1个主站和3个从站。PLC主站和计算机(打印机)设在盾构控制室内。1号和2号从站分别设在两台低压配电柜内，3号从站设在盾构内(E柜)，其监控系统框图见图2。盾构各设备的状态信号(控制信号)和施工参数信号就近接入相应PLC。（图片） 5.2.1 硬件配置 PLC采用日本三菱公司的A系列模块，主站为A3A系列，从站为A1S系列。基本利用原泥水系统的PLC，取消ME信号传送器，采用MELSECNET/B型通信方式，通信介质为同轴电缆，相应增加几块通信模块。选用1台威达公司的AMB-562TT工业控制计算机(带触摸屏)和1台EPSONLQ-300K打印机，组成数据采集系统。 5.2.2 操作和控制利用原控制台，柜内通过全面的改制可满足新系统的操作要求，它由操作板、显示板和报警板三部分组成。显示板上增加1台控制土压平衡的单回路控制器，取消泥水压、油温度、搅拌器油压等参数显示，改为土压、刀盘和螺旋机转速、比例阀开度等施工参数显示(用原仪表改制刻度)；操作板和报警板上的操作钮和指示灯重新定义，既能方便地操作，又有齐全的参数和状态显示。盾构的控制分软土、硬土和复合土三种控制模式。对于不同的模式，则对刀盘控制、土压平衡控制、铰接控制、推进速度控制等控制要求、限值和报警设置都有所不同。如复合土模式，刀盘限于低速旋转，在开始转动的若干时间内，转速逐步升至低速的限值，且盾构只能低速推进；铰接控制只能在推进前进行，分上、下、左、右几种控制，铰接完成后，在一段时间内也只能低速推进，然后再恢复到各模式的速度限值推进；润滑油脂由内外两环分别控制，环管中油脂压力低时，为连续工作，至高设定值后转为间断工作，最后至极高值时停止工作。内外环的设定值和间隔时间是不同的，当润滑泵工作后，若检测到环管堵塞后报警，延时后尚没排除故障，则停止刀盘运行，并具有刀盘轴承温度保护等控制。 5.2.3 数据采集根据复合式盾构的施工需要，设计掘进、测量、报警、铰接、集中润滑、动态曲线、历史曲线和环报表等8幅画面，实现全屏幕中文显示，以便捷的人机对话功能和美观实用的动态画面来显示盾构的实时和历史数据。 5.2.4 检测根据盾构的检测要求，仍可使用原油压、行程、倾斜仪等传感器，以及放大器和变送器；取消泥水压力、油温度、刀盘位置等传感器；增加土压、测速、刀盘轴承温度传感器和电压、电流变送器(表2)。同时，增加状态检测元件，如油箱液位控制器和温度表(带电接点)、油压力继电器、闸门限位等，从而组成一个新的检测系统，以取得比较齐全的设备状态和施工参数。（图片） 5.3 应用软件的开发根据研制的工艺流程和控制要求，编制和优化控制框图，开发控制软件，着重于铰接控制、整圆器控制、润滑油脂控制的应用软件开发，对刀盘控制、推进控制等应用软件进行优化，采用模块化结构编程方式。计算机软件在原来基础上增加可靠性措施，并在软件编制后，经试验室、总装厂和现场的反复调试，对应用软件进行改进和优化，使控制更切合施工要求，使画面更切合管理要求。 6 对复合式盾构电气系统的评价 (1) 供电采用了3台高压开关柜，低压配电增设总漏电断路器，基本保护功能齐全，增加了盾构供配电系统的安全性和可靠性。 (2) 对变压器柜、照明柜的结构设计进行创新，增加了防护措施，也改善了通风效果。该新型的箱柜结构能满足盾构施工所处恶劣环境的需求。 (3) 低压配电分成两个独立系统，并调整设备布置，采用就近配电，使配电系统更合理，且大大方便了盾构的装拆、转接工作。 (4) 对PLC、仪表、控制、照明采用多电源供电，提高了弱电系统的可靠性。 (5) 在设计中，原电气设备(元件)利用率高达70%以上。 (6) 采用原A3A和A1S系列PLC，设1个主站和3个从站。取消ME信号传送器，采用MELSECNET/B通信方式，系统合理、简单、可靠。 (7) 根据复合式盾构控制的特殊要求，着重控制效果，对PLC应用程序有较大的改进和优化。 (8) 整圆器装置在国产盾构中首次应用，开发了符合施工需要的控制软件。 (9) 拼装机遥控器在无资料的情况下，经技术消化和改变接线，使其得以应用。 (10) 运用简单、实用的方法检测盾构施工参数，如刀盘测速采用接近开关，用状态信号输入PLC，由PLC运算得到运转速度。 (11) 数据采集的显示画面和数据采集量均优于上海外滩观光隧道7650mm盾构，环报表更适合施工管理。 11/25/2005


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