本發(fā)明涉及盾構(gòu)隧道自動(dòng)化控制技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種盾構(gòu)隧道遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制裝置。

背景技術(shù)：

目前在國(guó)內(nèi)對(duì)盾構(gòu)的控制主要靠人工操作，盾構(gòu)的控制受到操作者的能力、身體狀況、情緒等個(gè)人因素的影響，控制質(zhì)量很難保證。隨著盾構(gòu)法向大深度、大斷面、長(zhǎng)距離發(fā)展，再加上改善施工環(huán)境及勞動(dòng)條件，提高施工質(zhì)量，避免施工危險(xiǎn)及熟練工人不足等原因，使得自動(dòng)化技術(shù)的開(kāi)發(fā)成為必需。

申請(qǐng)?zhí)枮閏n201611182388.7，申請(qǐng)日為20161220的發(fā)明公開(kāi)了一種復(fù)合式盾構(gòu)機(jī)刀盤驅(qū)動(dòng)變頻控制裝置，包括人機(jī)操作界面、以太網(wǎng)交換機(jī)、施耐德plc、以太網(wǎng)通訊模板e(cuò)ty、profibus-dp網(wǎng)絡(luò)通信模板、pby、profibus-dp網(wǎng)絡(luò)通信電纜、abb變頻器vfd1、vfd6、光纖鏈路、刀盤變頻電機(jī)m1-m6，人機(jī)操作界面是整個(gè)裝置的控制、顯示及操作界面，以太網(wǎng)交換機(jī)是用來(lái)連接人機(jī)操作界面、施耐德plc和變頻器的網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備，該方案通過(guò)plc作為主控制器，通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)連接到盾構(gòu)機(jī)刀盤驅(qū)動(dòng)變頻器，采用編程方法實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)刀盤具備主從控制與滑差兩種控制方式切換，提高設(shè)備的使用壽命，應(yīng)用于盾構(gòu)隧道掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)化控制領(lǐng)域中。

授權(quán)公告號(hào)為cn203430525u，申請(qǐng)日為20130819的實(shí)用新型公開(kāi)了一種基于控制器的盾構(gòu)分布式plc控制系統(tǒng)，包括通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)與plc分別連接的上位機(jī)和遠(yuǎn)程監(jiān)控器，所述的plc通過(guò)profibusdp總線分別連接分布式i/0、變頻器、智能儀表和dp/can網(wǎng)關(guān)，dp/can網(wǎng)關(guān)通過(guò)can總線連接控制器，該方案通過(guò)dp/can網(wǎng)關(guān)將can總線通訊的控制器與plc的dp網(wǎng)絡(luò)連接，從而實(shí)現(xiàn)主plc與控制器的通訊，將控制器引入盾構(gòu)的分布式控制網(wǎng)絡(luò)。

然而上述兩個(gè)方案仍存在以下問(wèn)題:plc要控制多臺(tái)變頻器的場(chǎng)合，如果大量使用plc的d/a模塊來(lái)控制變頻器，則會(huì)使系統(tǒng)成本增加且抗干擾能力差；工作時(shí)變頻器對(duì)刀盤電機(jī)會(huì)產(chǎn)生干擾。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種盾構(gòu)隧道遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制裝置，以解決上述背景技術(shù)中提出的問(wèn)題。所述盾構(gòu)隧道遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制裝置具有可遠(yuǎn)程操作，控制方式簡(jiǎn)單可靠、最大限度的開(kāi)放性和靈活性的特點(diǎn)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種盾構(gòu)隧道遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制裝置，包括人機(jī)界面、plc、以太網(wǎng)、變頻器、刀盤電機(jī)，所述人機(jī)界面通過(guò)以太網(wǎng)連接plc，所述六臺(tái)變頻器通過(guò)電纜連接到六臺(tái)刀盤電機(jī)，所述刀盤電機(jī)通過(guò)減速機(jī)連接到刀盤驅(qū)動(dòng)大齒輪上，所述plc包括控制站plc、工作站plc，所述控制站plc安裝在操作室內(nèi)，所述控制站plc通過(guò)neth/h網(wǎng)絡(luò)連接工作站plc，所述工作站plc通過(guò)r485總線連接變頻器，所述六臺(tái)變頻器連接脈沖分配器，所述脈沖分配器通過(guò)trd100s編碼器連接工作站plc。

優(yōu)選的，所述每臺(tái)變頻器入口端設(shè)有進(jìn)線交流電抗器、漏電斷路器，所述變頻器輸入及輸出端還設(shè)置有第一濾波器、第二濾波器，所述變頻器通過(guò)熱繼電器連接刀盤電機(jī)。

優(yōu)選的，所述以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接入模塊為qj71e71，所述以太網(wǎng)支持tcp/ip和udp/ip通信協(xié)議。

優(yōu)選的，所述控制站plc、工作站plc均為k120splc，所述控制站plc的cpu模塊選用q06hcpu，所述工作站plc的cpu模塊選用q02hcpu。

優(yōu)選的，變頻器為022ig54變頻器，采用三相380v交流輸入，功率為2.2kw。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本裝置的控制站plc為盾構(gòu)機(jī)的控制中心，控制站plc與工作站plc通過(guò)net/h網(wǎng)絡(luò)直接通訊，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、可靠，使plc和操作站具有最大限度的開(kāi)放性和靈活性，具有管理的集中性和控制的分散性，采用rs485總線通信接口的變頻器，使plc和變頻器構(gòu)成rs485通信網(wǎng)絡(luò)，利用各種通信協(xié)議來(lái)對(duì)變頻器進(jìn)行控制，使操作者能方便靈活地利用plc和變頻器的強(qiáng)大功能，在每臺(tái)變頻器的入口端設(shè)置漏電斷路器，以防止交直流線路過(guò)載、短路、欠壓，每臺(tái)變頻器設(shè)有濾波器、熱繼電器，從而保護(hù)刀盤電機(jī)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為變頻器與刀盤電機(jī)連接結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：人機(jī)界面1、控制站plc2、工作站plc3、以太網(wǎng)4、neth/h網(wǎng)絡(luò)5、r485總線6、脈沖分配器7、變頻器8、第一變頻器81、第二變頻器82、第三變頻器83、第四變頻器84、第五變頻器85、第六變頻器86、刀盤電機(jī)9、第一刀盤電機(jī)91、第二刀盤電機(jī)92、第三刀盤電機(jī)93、第四刀盤電機(jī)94、第五刀盤電機(jī)95、第六刀盤電機(jī)96、編碼器10、漏電斷電器11、交流電抗器12、熱繼電器13、第一濾波器14、第二濾波器15。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

請(qǐng)參閱圖1～2，本發(fā)明提供一種技術(shù)方案：

一種盾構(gòu)隧道遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制裝置，包括人機(jī)界面1、plc、以太網(wǎng)4、變頻器8、刀盤電機(jī)9，所述人機(jī)界面1通過(guò)以太網(wǎng)4連接plc，所述六臺(tái)變頻器8通過(guò)電纜連接到六臺(tái)刀盤電機(jī)9，所述刀盤電機(jī)9通過(guò)減速機(jī)連接到刀盤驅(qū)動(dòng)大齒輪上，所述plc包括控制站plc2、工作站plc3，所述控制站plc2安裝在操作室內(nèi)，所述控制站plc2通過(guò)neth/h網(wǎng)絡(luò)5連接工作站plc3，所述工作站plc3通過(guò)r485總線6連接變頻器8，所述六臺(tái)變頻器8連接脈沖分配器7，所述脈沖分配器7通過(guò)trd100s編碼器10連接工作站plc3；所述每臺(tái)變頻器8入口端設(shè)有進(jìn)線交流電抗器12、漏電斷路器11，所述變頻器8輸入及輸出端還設(shè)置有第一濾波器14、第二濾波器15，所述變頻器8通過(guò)熱繼電器13連接刀盤電機(jī)9；所述以太網(wǎng)4網(wǎng)絡(luò)接入模塊為qj71e71，所述以太網(wǎng)4支持tcp/ip和udp/ip通信協(xié)議；所述控制站plc2、工作站plc3均為k120splc，所述控制站plc2的cpu模塊選用q06hcpu，所述工作站plc3的cpu模塊選用q02hcpu；所述變頻器8為022ig54變頻器，采用三相380v交流輸入，功率為2.2kw。

控制站plc2安裝在操作室內(nèi)，完成盾構(gòu)機(jī)的主要控制任務(wù)，利用neth/h網(wǎng)絡(luò)5采集工作站plc3的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，組織控制流程和完成控制算法，實(shí)施對(duì)目標(biāo)的控制，工作站plc3接受控制站plc2的命令實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集和對(duì)象控制。本裝置采用通用高性能的plc和冗余分散控制設(shè)計(jì)，通用性好，可靠性高，易于系統(tǒng)擴(kuò)展和維護(hù)，具有管理的集中性和控制的分散性，控制站plc2與工作站plc3通過(guò)net/h網(wǎng)絡(luò)直接通訊，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、可靠，從而使plc和操作站具有最大限度的開(kāi)放性和靈活性。

通常一臺(tái)plc要控制多臺(tái)變頻器8，如果大量使用plc的d/a模塊來(lái)控制變頻器8，則會(huì)使系統(tǒng)成本增加且抗干擾能力差，本裝置采用rs485總線6通信接口的變頻器8，使plc和變頻器8構(gòu)成rs485通信網(wǎng)絡(luò)，利用各種通信協(xié)議來(lái)對(duì)變頻器8進(jìn)行控制，使操作者能方便靈活地利用plc和變頻器8的強(qiáng)大功能來(lái)設(shè)計(jì)工業(yè)控制系統(tǒng)。

工作站plc3通過(guò)rs485網(wǎng)絡(luò)可控制六臺(tái)變頻器8，分別驅(qū)動(dòng)六臺(tái)刀盤電機(jī)9，經(jīng)過(guò)減速機(jī)構(gòu)減速后帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行，每一臺(tái)變頻器8由操作面板設(shè)定一個(gè)站號(hào)，plc通過(guò)rs485網(wǎng)絡(luò)發(fā)給每一個(gè)變頻器8頻率參數(shù)，以便進(jìn)行準(zhǔn)確地調(diào)速，使每一時(shí)刻各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置誤差最小，其trd100s增量型編碼器10作為反饋部件，由變頻器8控制的刀盤電機(jī)9通過(guò)減速機(jī)構(gòu)減速后帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)編碼器10產(chǎn)生一系列脈沖信號(hào)反饋給工作站plc3進(jìn)行計(jì)數(shù)，由于采用帶有編碼器10的矢量控制，對(duì)電機(jī)系統(tǒng)配置速度反饋信號(hào)，以利用工作站plc3的pid計(jì)算，計(jì)算機(jī)作為用于遠(yuǎn)程監(jiān)控的設(shè)備，通過(guò)公用電話網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控。

在每臺(tái)變頻器8的入口端設(shè)置漏電斷路器11，以防止交直流線路過(guò)載、短路、欠壓，同時(shí)也可以對(duì)人身觸電進(jìn)行有效保護(hù)，在每臺(tái)變頻器8輸入側(cè)設(shè)置進(jìn)線交流電抗器12，以改善變頻器8電源側(cè)的功率因數(shù)，減低諧波同時(shí)抑制外來(lái)浪涌，同時(shí)在每臺(tái)變頻器8的輸入輸出端設(shè)置無(wú)線電噪音第一濾波器14、第二濾波器15，降低變頻器8輸入側(cè)和輸出側(cè)的噪音，減小變頻器8對(duì)刀盤電機(jī)9的干擾。在每臺(tái)刀盤電機(jī)9的輸入端設(shè)置熱繼電器13，工作站plc3向開(kāi)關(guān)量輸出口發(fā)出高/低電平信號(hào)，經(jīng)中間熱繼電器13控制變頻器8來(lái)開(kāi)啟關(guān)閉刀盤電機(jī)9和調(diào)節(jié)變頻器8的檔位，從而控制刀盤電機(jī)9速度、方向，防止刀盤電機(jī)9過(guò)熱，對(duì)刀盤電機(jī)9進(jìn)行保護(hù)。

由于盾構(gòu)機(jī)刀盤結(jié)構(gòu)及使用方式的特殊要求無(wú)法采用單電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式，多采用多電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)，一般的電機(jī)數(shù)量在4～12臺(tái)之間，本裝置采用了6臺(tái)刀盤電機(jī)9對(duì)刀盤進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，刀盤電機(jī)9通過(guò)減速機(jī)和主齒輪驅(qū)動(dòng)盾構(gòu)機(jī)刀盤，各電機(jī)軸通過(guò)減速器和主齒輪耦合在一起，每臺(tái)刀盤電機(jī)9的功率為430kw，額定扭矩為2964n·m，額定轉(zhuǎn)速為1450r/min，最高轉(zhuǎn)速2320r/min。

控制站plc2是盾構(gòu)機(jī)的控制中心，它處理在網(wǎng)上傳輸?shù)耐七M(jìn)系統(tǒng)、刀盤系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)、拼裝系統(tǒng)等數(shù)據(jù)，并發(fā)送指令至工作站plc3，工作站plc3接收控制站plc2的指令后，發(fā)送指令給變頻器8，同時(shí)變頻器8的數(shù)據(jù)傳輸至工作站plc3，工作站plc3對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和計(jì)算，部分信息傳送至控制站plc2進(jìn)行處理。轉(zhuǎn)矩、電壓等值在觸摸屏上顯示，同時(shí)操作者可以通過(guò)觸摸屏對(duì)變頻器8進(jìn)行控制，進(jìn)而達(dá)到控制刀盤電機(jī)9。工作站plc3讀取傳送至控制站plc2的變頻器8參數(shù)包括頻率、電壓、電流、轉(zhuǎn)矩等，控制站plc2發(fā)送指令至刀盤plc包括電機(jī)轉(zhuǎn)向、速度給定、轉(zhuǎn)矩限制、自動(dòng)調(diào)諧功能等。人機(jī)界面的觸摸屏顯示頻率、電壓、電流、扭矩等參數(shù)，同時(shí)通過(guò)觸摸屏設(shè)置刀盤電機(jī)9的轉(zhuǎn)矩限制等。

控制站plc2被控對(duì)象分布范圍大、數(shù)量較多，因此，cpu模塊選用q系列中的高性能q06hcpu。q06hcpu程序容量為60k，主機(jī)控制最大i/o點(diǎn)數(shù)為4096點(diǎn)、最大i/o點(diǎn)數(shù)為8192點(diǎn)，滿足盾構(gòu)機(jī)主站運(yùn)行程序較大、控制點(diǎn)數(shù)較多和較復(fù)雜算法的要求；工作站plc3分別對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制對(duì)象實(shí)施控制和模擬量的采集等，程序相對(duì)較小且不涉及復(fù)雜的算法，因此工作站plc3的cpu模塊選用程序容量相對(duì)較小的q02hcpu。

本裝置采用主從控制系統(tǒng)，該控制方式簡(jiǎn)單可靠。由于盾構(gòu)機(jī)控制系統(tǒng)被控對(duì)象分布范圍大、數(shù)量較多，屬于大型plc控制系統(tǒng)，因此采用主從式、分布式結(jié)構(gòu)以提高系統(tǒng)的可維護(hù)性、可靠性、有利于控制軟件的編制，采用網(wǎng)絡(luò)控制方式以簡(jiǎn)化系統(tǒng)布線，節(jié)省成本，便于系統(tǒng)維修，實(shí)施對(duì)智能設(shè)備的管理，從而達(dá)到提高控制系統(tǒng)可維護(hù)性和可靠性的目的。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同物限定。