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盾构机控制系统绿色改造

发表时间：2020/1/8 来源：《科技新时代》2019年11期作者：徐华良秦倩云马俊江

[导读] 项目通过WAGO 750IO系统和三菱A800变频器的应用，成功对老旧型号盾构机增加泡沫系统，满足了地铁隧道掘进需求，提高了掘进效率和质量,加速了改造周期，减少了材料成本、增加了企业效益。

徐华良秦倩云马俊江
        秦皇岛天工重工有限公司

        摘要   项目通过WAGO 750IO系统和三菱A800变频器的应用，成功对老旧型号盾构机增加泡沫系统，满足了地铁隧道掘进需求，提高了掘进效率和质量,加速了改造周期，减少了材料成本、增加了企业效益。本文详细介绍了运用绿色制造理念，对老旧盾构机的绿色改造过程。
        关键词   盾构机     绿色制造     总线控制
        1．前言
        绿色制造也称为环境意识制造(Environmentally Conscious Manufacturing）、面向环境的制造（Manufacturing For Environment）等，是一个综合考虑环境影响和资源效益的现代化制造模式。其目标是使产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个产品全寿命周期中，对环境的影响（负作用）最小，资源利用率最高，并使企业经济效益和社会效益协调并优化。
        改革开放以来，随着我国经济飞速发展，城镇化进程日益扩大，城市人口增加迅猛，交通压力逐年加大，地铁成为各大城市解决公共交通的优选建设目标。近年来，智慧城市、海绵城市的规划已成为国家战略，地铁、电力管线、给排水隧道投资需求日益增多，我国盾构机产业也从无到有、蓬勃发展起来，如何响应国家青山绿水的基本国策，保护环境，应用绿色制造理念，对大量老旧盾构机
        进行绿色改造、再利用，成为各企业面临的课题。
        2．系统改造需求分析
        2．1 原控制系统分析
        该盾构机刀盘、盾壳、螺旋机、拼装机、推进、铰接、后配套各台车等整体结构保持较好，机械、液压、电气进行了部分零部件的检修和更换，整机采用FDS总线控制，中心选用施耐德P340高性能CPU，配备4路工业以太网现场总线，使得整个控制系统人机交互、驱动、逻辑、算法从分布式安装到集中控制有机结合，安全、稳定、可靠。
        2．2 改造需求和实现
        整机需要增加泡沫系统一套，作为主机辅助系统之一,需要采集原主机系统的许多开关量和模拟量信号，并将泡沫参数反馈回主机系统，还要进行人机显示和操控。
        最简单实用的办法是泡沫控制系统独立成套，采用PLC、触摸屏和变频及低压系统的方式实现，并增加IO点数和原主机控制系统交互。如此一来，泡沫系统虽然独立成套，能够实现预设功能，但是独立于原主机控制系统，破坏了整个盾构机控制系统的完整性、系统性、统一性，而且操控和检修不便，造成资源浪费和成本提升。我们分析了原控制系统的硬件、网络、软件配置，依据绿色制造理念，在原系统中增加一个工业以太网现场总线的IO站点，实现泡沫系统的集中控制、现场分布式安装，完美契合整个盾构控制系统的一致性，可靠解决了泡沫子系统和主机系统的数据交换，并使用原系统的上位工控机实现人机交互，大大减少了企业生产成本，符合国家绿色制造政策。系统控制原理和网络结构如图1所示。

   图1 控制网络结构图
        3．控制系统的硬件设计
        3．1 IO站点选型
        德国WAGO公司的远程IO系列产品，网络模式多、IO规格齐全、抗干扰性强，行业内应用广泛。本次改造选用原机采用的750系列模块化产品，延续了整机控制系统的一致性，搭配灵活可靠、占用空间小、系统稳定可靠。具体配置如下：
        以太网模块               750-352            1台
        开关量输入模块           750-1415           2台
        开关量输出模块           750-1515           1台
        模拟量输入模块           750-455            5台
        模拟量输出模块           750-555            4台
        3．2 变频器选型选型
        本机增加泡沫系统，原液泵1台，混合液泵4台，调速范围宽，拟采用三菱A800系列变频器，该系列变频器调速精度高、操控简易、成本低，而且体积小，易于安装和集成。
            2.2KW变频器       FR-840-00083        4台
            1.1KW变频器       FR-840-00052        1台
        4．控制系统软件设计
           软件设计和硬件设计的思路一致，采用模块化的结构组织和编写。盾构机原始PLC程序不做任何改变，另外增加泡沫控制的程序段，泡沫控制逻辑在本程序段内部独立完成，设置独立的内存区段，完成和主机程序的数据交换。上位机操控方面，沿用原有的PCVUE系统，在工控机上新增泡沫系统画面，保持了上位机操控的一致性，并完成和PLC的数据交换。
        5．结束语
        项目的成功实施，为国内大量的老旧型号盾构机、乃至相关装备如何进行绿色升级改造、增加企业利润率，产生了良好的示范作用，随着地铁、水、电等地下管网的建设日益发展，也必将产生积极的社会效益。