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（1.北方重工集團有限公司，遼寧 沈陽 110141；2.全斷面掘進機國家重點實驗室，遼寧 沈陽 110141）

1 引言

隨著我國城市地下交通設施建設進程的加快，用盾構機進行施工已經(jīng)達成共識。早期的盾構機刀盤驅(qū)動系統(tǒng)多數(shù)是液壓驅(qū)動的，隨著電力電子技術、微電子技術和現(xiàn)代控制理論在交流調(diào)速系統(tǒng)中的應用，交流變頻調(diào)速技術成為現(xiàn)代電力傳動技術的重要發(fā)展方向。目前，盾構機刀盤的變頻驅(qū)動應用越來越廣泛，并逐漸成為市場的主流控制方式，這也是盾構機電氣控制的發(fā)展趨勢。盾構機的驅(qū)動系統(tǒng)是盾構機控制的核心系統(tǒng)，刀盤的電氣控制更是決定設備性能的重要因素，對整個工程的進度和質(zhì)量影響巨大。在盾構施工中，盾構機掘進始發(fā)后，掘進中途的停機時間越長對工程質(zhì)量的影響越大、施工成本就越高。為了減少設備的故障停機時間，我們在3m盾構機上對前期的主從控制方案進行了改進，設置了兩套主從控制分組，并將從驅(qū)動器的轉(zhuǎn)矩控制，改為速度矢量控制，相應地又增加了兩套控制分組的切換功能，通過優(yōu)化設備工藝配置，將兩套控制分組一用一備，不僅很好地實現(xiàn)了多臺電機負荷的平衡分配，也提高了設備的生產(chǎn)效率。

2 控制系統(tǒng)的構成

2.1 設備的工藝性能

盾構機刀盤主驅(qū)動部分的圓周分布著多臺刀盤驅(qū)動電機，電機的具體數(shù)量與盾構機的開挖直徑、地質(zhì)構造以及盾構機的類型有關。這些刀盤電機通過減速機以及安裝在軸上的小齒輪與回轉(zhuǎn)大齒輪嚙合，剛性的連接成一個整體，驅(qū)動方式為多電機共同驅(qū)動同一個負載。設備的工藝性能，要求多臺刀盤驅(qū)動電機同步運行，需要多臺刀盤驅(qū)動電機的負荷平衡分配，這就對控制系統(tǒng)的構成和性能提出較高的控制要求。

2.2 控制系統(tǒng)的構成

Profibus是一個功能強大、開放、實時的現(xiàn)場總線系統(tǒng)，它可以確保自動化系統(tǒng)解決方案中各組件之間的強大、無縫的通訊。西門子公司的驅(qū)動控制器S120，是集V／f控制、矢量控制為一體的驅(qū)動系統(tǒng)，具有高度的靈活性和可組性。通過Profibus總線實現(xiàn)以S7－300為控制器，以S120為執(zhí)行器的盾構機刀盤的控制系統(tǒng)。3m盾構機S120各主要單元的選用清單如下。

進線電抗器：6SL3000－0EE36－2AA0；電源模塊：6SL3330－6TE35－5AA0；電機模塊：6SL3120－1TE31－3AA3；控制單元：6SL3040－0MA00－0AA0；6SL3040－1MA00－0AA0；CF卡：6SL3054－0CG01－1BA0；6SL3054－0ED01－1BA0（帶擴展性能）；操作面板：6SL3055－0AA00－4CA3；6SL3055－0AA00－4BA0；DRIVE－CLiQ 電纜：6FX2002－1DC00－1AC0；總線電纜接頭：6ES7972－0BB60－0XA0。

3m盾構機的刀盤由4臺電機驅(qū)動，由于S120帶擴展性能卡的CU320－2DP，最多可以帶6個矢量軸，所以4個驅(qū)動單元共同由1個CU320－2DP來控制，控制系統(tǒng)的組成及連接見圖1。

圖1 系統(tǒng)架構Fig.1 System architecture

工控機用來對驅(qū)動裝置進行給定值的設定、以及狀態(tài)參數(shù)值的顯示。

3 盾構機驅(qū)動系統(tǒng)的設計應用

3.1 常規(guī)的主從控制方案

常規(guī)的主從控制方案是：主驅(qū)動器以速度控制方式運行，速度環(huán)的輸出信號，作為轉(zhuǎn)矩環(huán)的給定信號，其余的驅(qū)動器作為從驅(qū)動器，運行在轉(zhuǎn)矩控制方式，轉(zhuǎn)矩的給定信號來自主驅(qū)動器速度環(huán)的輸出信號，因此各電機的負荷平衡得以實現(xiàn)。這種控制方案的缺點是一旦作為主機的主驅(qū)動器出現(xiàn)故障，將帶來整個驅(qū)動系統(tǒng)的停機，嚴重地影響了生產(chǎn)效率和施工進程。

3.2 驅(qū)動裝置的主從控制分組

為解決上述問題，在3m盾構機刀盤的4臺驅(qū)動器中，我們設計了兩組控制數(shù)據(jù)。1組：Drive1做為主驅(qū)動器，其余為從驅(qū)動器。2組：Drive2做為主驅(qū)動器，其余為從驅(qū)動器。通過程序控制，可以實現(xiàn)兩組驅(qū)動數(shù)據(jù)的自動切換，即完成盾構機刀盤主從控制的自動切換。

實際上每個驅(qū)動裝置都可以既做主驅(qū)動器又做從驅(qū)動器，主從控制分組并不只局限為兩組，S120的CDS允許最多4組數(shù)據(jù)，為不使系統(tǒng)太復雜，而2個分組已能滿足要求，故本項目不進行過多分組。

3.3 S120的驅(qū)動組態(tài)

首先，在S7和STARTER軟件里建立項目并做好硬件組態(tài)，通過DP通訊與S120的各個驅(qū)動裝置建立在線連接，在調(diào)試軟件STARTER里自動讀取驅(qū)動裝置，并對所有驅(qū)動全部選用“Vector”方式，驅(qū)動裝置的電機數(shù)據(jù)被自動讀取，S120的基本組態(tài)完畢后，接下來可以進行參數(shù)設置。

在Profibus報文配置頁面為每個驅(qū)動設置通訊報文，在此選擇通過BICO自由互聯(lián)報文：Free telegram configuration with BICO，通訊字的數(shù)量及各字的含義可自由設定。在輸入／輸出區(qū)設定輸入字長為2，輸出字長為4，輸入字為各驅(qū)動裝置的STW1即啟動／停止等命令，且第10位必須為1，STW2為速度給定值；輸出字為各驅(qū)動裝置的4個狀態(tài)字ZSW1、ZSW2、ZSW3和ZSW4，用來發(fā)送給PLC，進行程序控制和狀態(tài)顯示。通過Set up addresses確認，使S120的配置和S7的硬件組態(tài)保持一致，報文的選擇也可以通過P0922進行設置和修改。設置的報文見表1。

表1 Profibus報文Tab.1 Profibus message frame

S7－300PLC通過Profibus周期性的發(fā)送和接收過程數(shù)據(jù)PZD，發(fā)送和接收參數(shù)時需要調(diào)用S7的系統(tǒng)功能塊SFC14和SFC15。

3.4 驅(qū)動方式及控制框圖

驅(qū)動方式可以選擇無速度傳感器的矢量控制（SLVC），或帶速度傳感器的矢量控制（VC）。采用SLVC控制方式時，在低轉(zhuǎn)速0～5Hz范圍，不能實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩特性，其后完全滿足電機的機械特性控制要求；采用VC控制方式時，在轉(zhuǎn)速1Hz以上即可完全滿足電機的機械特性控制要求，即額定轉(zhuǎn)速以下恒轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)；額定轉(zhuǎn)速以上恒功率調(diào)節(jié)。

由于盾構機刀盤的減速比很大，基本上不需要驅(qū)動裝置在較低速段運行，而且各驅(qū)動裝置又是通過大小齒圈剛性地耦合在一起，各驅(qū)動裝置的實際轉(zhuǎn)速幾乎是相同的。在盾構機狹小的地下作業(yè)空間里和惡劣的施工環(huán)境下，速度傳感器（編碼器）也非常容易損壞，無疑又給盾構機增加了一個故障點，所以在一般情況下，驅(qū)動裝置不帶編碼器，可以選擇無速度傳感器的矢量控制方式，驅(qū)動控制系統(tǒng)框圖見圖2。

圖2 控制系統(tǒng)框圖Fig.2 Control systems block diagram

工控機的速度給定值，通過Profibus－dp發(fā)送到CU320－DP，然后經(jīng)DRIVE－CLI Q同時傳送到4個驅(qū)動器，驅(qū)動器的給定是同步的。如果采用VC控制方式，只需在項目組態(tài)時，把編碼器的數(shù)據(jù)添加到相應的驅(qū)動硬件組態(tài)和報文中即可。

3.5 驅(qū)動的主要參數(shù)設置

S120的每一個DO都有自己的參數(shù)表，如CU，Infeed，Vector axis，999報文靈活開放的結構為參數(shù)的設置分配提供了便利條件，3m盾構機S120多電機驅(qū)動的主要參數(shù)設置如下。

驅(qū)動對象類型設置（在矢量軸的CU參數(shù)表）：P107［0］＝SINAMICS S；P107［1］＝vector；P107［2］＝vector；P107［3］＝vector；P107［4］＝vector。

電機參數(shù)設置（在4個矢量軸參數(shù)表）：P205＝0；P304＝380；P305＝56；P307＝30；P308＝0.9；P310＝50；P311＝1 480；P500＝0；P604＝130；P605＝145；P640＝84。

CDS數(shù)據(jù)組切換（在矢量軸Drive2參數(shù)表）：P810＝CU＿S＿003：r722.0，r722.0為 CU320－2DP上的開關量輸入端子DI0，用來選擇CDS數(shù)據(jù)組。

控制命令設置（在4個矢量軸參數(shù)表）：P840＝r2 090.0；P844＝r2 090.1；P848＝r2 090.2；P852＝r2 090.3；P854＝r2 090.10。

總線地址設置（在矢量軸的CU參數(shù)表）：P918＝3。

設定值通道（在4個矢量軸參數(shù)表）：P1035＝r2 090.13；P1036＝r2 090.14；P1037＝1 500；P1038＝－1 500；P1070＝r2 050［1］（主設定值的信號源），r2 050［1］為來自于工控機的速度給定值，即控制字STW2；P1082＝1 500；P1113＝r2 090.11；P1135＝3；P1140＝r2 090.4；P1141＝r2 090.5；P1142＝r2 090.6；P1300＝ ［20］speed control（encoderless）。

作為從驅(qū)動器的附加扭矩設置：P1513［0］＝VECTOR＿01：r1482，Drive1為主驅(qū)動器，參數(shù)在Drive2、Drive3、Drive4參數(shù)表設置。

P1513［1］＝VECTOR＿02：r1 482，Drive2為主驅(qū)動器，參數(shù)在Drive3、Drive4參數(shù)表設置。r1482為速度調(diào)節(jié)器的積分轉(zhuǎn)矩輸出。

轉(zhuǎn)矩限幅（在4個矢量軸參數(shù)表）：P1520＝296；P1521＝－296。

發(fā)送狀態(tài)字（在4個矢量軸參數(shù)表）：P2051［0］＝r2089［0］；P2051［1］＝r63［0］；P2051［2］＝r080；P2051［3］＝r030。

故障應答（在4個矢量軸參數(shù)表）。P2103＝r2 090.7。

由于Infeed單元采用的是PROFIdrive的標準報文SIEMENS telegram 370，故不再贅述。

3.6 主從控制自動切換功能的實現(xiàn)

為完成切換功能，將兩組控制數(shù)據(jù)實行一用一備，主從控制切換框圖見圖3。

圖3 主從控制切換框圖Fig.3 Master－slave control commutation block diagram

由于所有驅(qū)動控制器的速度給定都是來自于工控機的同一個值，各驅(qū)動裝置速度控制器前的控制完全一致。第1組數(shù)據(jù)的工作情況如圖3a所示，Drive1的速度調(diào)節(jié)器積分轉(zhuǎn)矩輸出I（參數(shù)r1 482）連接到各從驅(qū)動器的轉(zhuǎn)矩給定端，作為各從驅(qū)動器的附加轉(zhuǎn)矩給定。當Drive1出現(xiàn)問題時，通過程序控制和參數(shù)設置，使Drive1停機，并且斷開其積分輸出I到各從驅(qū)動器的連接，此時切換成第2組數(shù)據(jù)工作，工作情況如圖3b所示，此時Drive2被切換為主驅(qū)動器，Drive2的速度調(diào)節(jié)器積分轉(zhuǎn)矩輸出I（參數(shù)r1 482）連接到其余從驅(qū)動器的附加轉(zhuǎn)矩給定端，從而完成主從控制的自動切換。

4 結論

采用速度矢量控制方式的主從控制，當速度發(fā)生變化時，各驅(qū)動器的速度環(huán)起主要的調(diào)節(jié)作用；當速度沒有變化時，主驅(qū)動器的轉(zhuǎn)矩積分量起主要的調(diào)節(jié)作用，起到和轉(zhuǎn)矩控制一樣的作用。采用速度矢量控制方式的主從控制，較常規(guī)的主從控制的突出優(yōu)點是：當負載轉(zhuǎn)矩發(fā)生異常突變時，還有速度環(huán)起調(diào)節(jié)作用，不會產(chǎn)生所謂的“飛車”危險。

在兩組控制數(shù)據(jù)切換時，由于加到各驅(qū)動器的速度給定是同一個值，所有的驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速都是相同的；又因為各驅(qū)動器的轉(zhuǎn)矩也是相同的，當兩組控制數(shù)據(jù)進行切換時，只是控制源發(fā)生了變化，切換時的控制數(shù)據(jù)并沒有發(fā)生變化。所以，上述主從控制的自動切換幾乎是無擾動的切換。

我們開發(fā)設計的盾構機刀盤控制系統(tǒng)的主要特點是：所有的刀盤電機由SINAMICS驅(qū)動，通過Profibus總線和PLC聯(lián)成一個現(xiàn)場網(wǎng)絡，極大地提高了機器現(xiàn)場的靈活性，可以很方便地進行刀盤電機的切換和控制。采用速度矢量控制方式的主從控制，實現(xiàn)了所有驅(qū)動電機負荷的均衡匹配，保證了機械受力的均勻性和一致性。本系統(tǒng)投入運行后，實現(xiàn)了盾構機刀盤主從控制的自動切換，通過實際的參數(shù)測量和對驅(qū)動器的過程數(shù)據(jù)觀察，控制效果良好，證明上述方法能很好地滿足盾構機應用的要求。

［1］陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)－運動控制系統(tǒng)［M］.第3版.北京：機械工業(yè)出版社，2003.

［2］西門子有限公司.SINAMICS S120參數(shù)手冊［Z］.2007.

［3］西門子有限公司.SINAMICS S120調(diào)試手冊［Z］.2010.