本發(fā)明涉及盾構隧道掘進機自動化控制領域中的一種復合式盾構機刀盤驅動變頻控制裝置。

背景技術：

目前，盾構隧道掘進機(盾構機)是一種隧道掘進的專用工程機械。現(xiàn)代盾構掘進機集光、機、電、液、傳感、信息技術于一體,具有開挖切削土體、輸送土渣、拼裝隧道襯砌、測量導向糾偏等功能,盾構掘進機已廣泛用于地鐵、鐵路、公路、市政、水電等隧道工程。傳統(tǒng)的盾構機刀盤是由液壓驅動的,近幾年出現(xiàn)了由變頻器控制三相交流異步電機驅動的刀盤。顯然,與液壓驅動相比,電機驅動具有機械設計簡單、安裝維護容易、控制靈活方便、成本低廉等諸多優(yōu)點。因此,電驅動在盾構應用中有著廣闊的前景。

由于盾構刀盤驅動中采用多電機（一般多于6臺）通過各自的減速器共同驅動刀盤大齒圈的形式，要求各電機具有一定的同步性，同時還要具有冗余性，當幾臺電機發(fā)生故障時可繼續(xù)正常運行，因此通常采用閉環(huán)主從控制方案或滑差補償控制兩種方案。這兩種方案都有各自的優(yōu)缺點，閉環(huán)主從控制方式具有低頻大扭矩，動態(tài)響應好及調速精度高等優(yōu)點，但是結構復雜、成本高、調試困難等缺點，當主電機出線故障時必須停機處理等缺點。滑差補償控制具有結構簡單、設備成本低，調試容易，任意一臺電機出線故障后，可以不停機等優(yōu)點。缺點是速度精度沒有主從控制精度高。因此，研制開發(fā)一種復合式盾構機刀盤驅動變頻控制裝置是急待解決的新課題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種復合式盾構機刀盤驅動變頻控制裝置，該發(fā)明通過PLC作為主控制器，通過通信網(wǎng)絡連接到盾構機刀盤驅動變頻器，采用編程方法實現(xiàn)盾構機刀盤具備主從控制與滑差兩種控制方式切換，提高盾構機刀盤的地質適應性、減少調試、檢修及維護時間。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：一種復合式盾構機刀盤驅動變頻控制裝置，包括人機操作界面、以太網(wǎng)交換機、施耐德PLC、以太網(wǎng)通訊模板ETY、profibus-dp網(wǎng)絡通信模板-PBY、profibus-dp網(wǎng)絡通信電纜、ABB變頻器VFD1-VFD6、光纖鏈路、刀盤變頻電機M1-M6，所述的人機操作界面是整個裝置的控制、顯示及操作界面，操作者通過該人機操作界面操作刀盤運轉，查看運行狀態(tài)；

所述的以太網(wǎng)交換機是用來連接人機操作界面、施耐德PLC和變頻器的網(wǎng)絡通訊設備；

所述的以太網(wǎng)通訊模板ETY是施耐德PLC的通信接口，連接人機操作界面和施耐德PLC；

所述的施耐德PLC，是控制裝置的核心部件，內部存有控制程序，根據(jù)人機操作界面?zhèn)鱽淼闹噶?，進行運算后，發(fā)出給6臺ABB變頻器VFD1-VFD6的控制命令，主從/滑差控制模式選擇，啟動，停止，正傳，反轉，速度給定，轉矩給定等命令；施耐德PLC接受6臺ABB變頻器VFD1-VFD6的反饋信號，轉速、轉矩、運行狀態(tài)數(shù)據(jù)通過程序進行運算后，把結果傳遞給人機界面進行顯示；

所述的profibus-dp網(wǎng)絡通信模板-PBY和profibus-dp網(wǎng)絡通信電纜把的施耐德PLC控制命令以profibus-dp通訊協(xié)議的格式傳遞給6臺ABB變頻器VFD1-VFD6，同時也把6臺ABB變頻器VFD1-VFD6的反饋信號傳遞給施耐德PLC；

所述的ABB變頻器VFD1-VFD6，通過電纜連接到6臺刀盤變頻電機M1-M6，通過profibus-dp網(wǎng)絡通信模板-PBY連接到施耐德PLC；ABB變頻器VFD1-VFD6內部存儲單元存有電機的相關電氣參數(shù)值，接受到施耐德PLC發(fā)出的控制命令，經(jīng)過ABB變頻器VFD1-VFD6內部控制器進行運算，驅動功率單元輸出相應的電壓、電流和頻率信號，驅動變頻電機運轉；

所述的光纖鏈路，當ABB變頻器VFD1-VFD6工作在主從控制模式時，在6臺變頻器中，設置ABB變頻器VFD1作為主變頻器，通過光纖鏈路把轉矩值傳遞給從ABB變頻器VFD2-VFD6，實現(xiàn)從ABB變頻器VFD2-VFD6的轉矩輸出值跟隨主變頻器的轉矩輸出值實現(xiàn)轉矩同步。

所述的M1-M6變頻電機刀盤變頻電機M1-M6是盾構機刀盤驅動的動力單元，六臺刀盤變頻電機M1-M6通過減速機連接到刀盤驅動大齒輪上，通過機械結構剛性連接在一起，為盾構機刀盤旋轉提供動力；

所述的一種復合式盾構機刀盤驅動變頻控制裝置可以實現(xiàn)主從控制和滑差控制兩種控制方式在一臺盾構機上同時存在，可以根據(jù)不同地質情況選擇不同得控制方式，提高盾構機刀盤驅動的地質適應性，縮短調試、檢修及維護時間；

所述的一種復合式盾構機刀盤驅動變頻控制裝置的工作原理是，

（1）主從控制模式工作原理是，對要求刀盤調速范圍廣，低速扭矩特性好時，通過人機界面選擇變頻電機控制模式為主從控制模式；變頻器VFD1作為主變頻器，變頻器VFD2-VFD6作為從變頻器；主變頻器為速度控制，從變頻器采用轉矩控制；主變頻器轉矩控制器輸出的轉矩輸出信號除了給本變頻器的作為轉矩給定外，同時還輸出給VFD2-VFD6從變頻器的轉矩控制器作為其轉矩給定；由于從變頻器和主變頻器接受的轉矩給定信號來自同一個源，他們的輸出轉矩也因此相等，實現(xiàn)負荷分配的目的；

（2）滑差控制模式工作原理是，在盾構機調試階段、檢修階段、主從模式無法工作時或者當土質較軟時，采用滑差控制模式；利用變頻器的負滑差補償功能，將電機的自然機械特性變軟，即可使得在6臺變頻電機轉速剛性一致的前提下，力矩也幾乎保持一致；其不一致性主要取決于6變頻臺電機的電氣、機械參數(shù)；而同一批次的電機機械參數(shù)不一致性非常小，因此6臺變頻電機的負荷基本一致，能保證同步運行；

所述的以太網(wǎng)交換機、以太網(wǎng)通訊模板ETY、profibus-dp網(wǎng)絡通信模板PBY和profibus-dp網(wǎng)絡通信電纜組成通訊網(wǎng)絡，負責在施耐德PLC、人機操作界面和ABB變頻器VFD1-VFD6之間傳遞數(shù)據(jù)；所述的profibus-dp網(wǎng)絡通信電纜連接ABB變頻器VFD1-VFD6和刀盤變頻電機M1-M6，減少ABB變頻器VFD1-VFD6輸出諧波信號對其他設備的電磁干擾。

本發(fā)明的要點在于它的結構及工作原理。

一種復合式盾構機刀盤驅動變頻控制裝置與現(xiàn)有技術相比，具有通過PLC作為主控制器，通過通信網(wǎng)絡連接到盾構機刀盤驅動變頻器，采用編程方法實現(xiàn)盾構機刀盤具備主從控制與滑差兩種控制方式切換，提高盾構機刀盤的地質適應性、減少調試、檢修及維護時間，結構簡單，造價低廉，減少設備維護成本，提高設備的使用壽命等優(yōu)點，將廣泛的應用于盾構隧道掘進機自動化控制領域中。

附圖說明

下面結合附圖及實施例對本發(fā)明進行詳細說明。

圖1是本發(fā)明的結構示意圖。

圖2是本發(fā)明的主從控制模式原理圖。

圖3是本發(fā)明的滑差控制模式原理圖。

具體實施方式

參照附圖，一種復合式盾構機刀盤驅動變頻控制裝置，包括人機操作界面、以太網(wǎng)交換機、施耐德PLC、以太網(wǎng)通訊模板ETY、profibus-dp網(wǎng)絡通信模板-PBY、profibus-dp網(wǎng)絡通信電纜、ABB變頻器VFD1-VFD6、光纖鏈路、刀盤變頻電機M1-M6，所述的人機操作界面是整個裝置的控制、顯示及操作界面，操作者通過該人機操作界面操作刀盤運轉，查看運行狀態(tài)；

所述的以太網(wǎng)交換機是用來連接人機操作界面、施耐德PLC和變頻器的網(wǎng)絡通訊設備；

所述的以太網(wǎng)通訊模板ETY是施耐德PLC的通信接口，連接人機操作界面和施耐德PLC；

所述的施耐德PLC，是控制裝置的核心部件，內部存有控制程序，根據(jù)人機操作界面?zhèn)鱽淼闹噶睿M行運算后，發(fā)出給6臺ABB變頻器VFD1-VFD6的控制命令，主從/滑差控制模式選擇，啟動，停止，正傳，反轉，速度給定，轉矩給定等命令；施耐德PLC接受6臺ABB變頻器VFD1-VFD6的反饋信號，轉速、轉矩、運行狀態(tài)數(shù)據(jù)通過程序進行運算后，把結果傳遞給人機界面進行顯示；

所述的profibus-dp網(wǎng)絡通信模板-PBY和profibus-dp網(wǎng)絡通信電纜把的施耐德PLC控制命令以profibus-dp通訊協(xié)議的格式傳遞給6臺ABB變頻器VFD1-VFD6，同時也把6臺ABB變頻器VFD1-VFD6的反饋信號傳遞給施耐德PLC；

所述的ABB變頻器VFD1-VFD6，通過電纜連接到6臺刀盤變頻電機M1-M6，通過profibus-dp網(wǎng)絡通信模板-PBY連接到施耐德PLC；ABB變頻器VFD1-VFD6內部存儲單元存有電機的相關電氣參數(shù)值，接受到施耐德PLC發(fā)出的控制命令，經(jīng)過ABB變頻器VFD1-VFD6內部控制器進行運算，驅動功率單元輸出相應的電壓、電流和頻率信號，驅動變頻電機運轉；

所述的光纖鏈路，當ABB變頻器VFD1-VFD6工作在主從控制模式時，在6臺變頻器中，設置ABB變頻器VFD1作為主變頻器，通過光纖鏈路把轉矩值傳遞給從ABB變頻器VFD2-VFD6，實現(xiàn)從ABB變頻器VFD2-VFD6的轉矩輸出值跟隨主變頻器（ABB變頻器VFD1）的轉矩輸出值實現(xiàn)轉矩同步。

所述的M1-M6變頻電機刀盤變頻電機M1-M6是盾構機刀盤驅動的動力單元，六臺刀盤變頻電機M1-M6通過減速機連接到刀盤驅動大齒輪上，通過機械結構剛性連接在一起，為盾構機刀盤旋轉提供動力。

所述的一種復合式盾構機刀盤驅動變頻控制裝置可以實現(xiàn)主從控制和滑差控制兩種控制方式在一臺盾構機上同時存在，可以根據(jù)不同地質情況選擇不同得控制方式，提高盾構機刀盤驅動的地質適應性，縮短調試、檢修及維護時間。

所述的一種復合式盾構機刀盤驅動變頻控制裝置的工作原理是

（1）主從控制模式工作原理是，對要求刀盤調速范圍廣，低速扭矩特性好時，通過人機界面選擇變頻電機控制模式為主從控制模式；變頻器VFD1作為主變頻器，變頻器VFD2-VFD6作為從變頻器；主變頻器為速度控制，從變頻器采用轉矩控制；主變頻器轉矩控制器輸出的轉矩輸出信號除了給本變頻器的作為轉矩給定外，同時還輸出給VFD2-VFD6從變頻器的轉矩控制器作為其轉矩給定；由于從變頻器和主變頻器接受的轉矩給定信號來自同一個源，他們的輸出轉矩也因此相等，實現(xiàn)負荷分配的目的；

（2）滑差控制模式工作原理是，在盾構機調試階段、檢修階段、主從模式無法工作時或者當土質較軟時，采用滑差控制模式；利用變頻器的負滑差補償功能，將電機的自然機械特性變軟（也可以變硬），即可使得在6臺變頻電機轉速剛性一致的前提下，力矩也幾乎保持一致；其不一致性主要取決于6變頻臺電機的電氣、機械參數(shù)；而同一批次的電機機械參數(shù)不一致性非常小，因此6臺變頻電機的負荷基本一致，能保證同步運行。

所述的以太網(wǎng)交換機、以太網(wǎng)通訊模板ETY、profibus-dp網(wǎng)絡通信模板PBY和profibus-dp網(wǎng)絡通信電纜組成通訊網(wǎng)絡，負責在施耐德PLC、人機操作界面和ABB變頻器VFD1-VFD6之間傳遞數(shù)據(jù)；所述的profibus-dp網(wǎng)絡通信電纜連接ABB變頻器VFD1-VFD6和刀盤變頻電機M1-M6，減少ABB變頻器VFD1-VFD6輸出諧波信號對其他設備的電磁干擾。