摘要：本文分析了盾构机的工作原理与PLC的组成和系统运行情况，介绍了解决盾构机电气故障的处理方法。
关键词：PLC,盾构机,故障诊断,处理方法
一、前言
随着城市地铁建设的不断加块，盾构法施工以其优质、高速，安全的优势被广泛应用。盾构机是一种集机械、液压、电气和自动化控制于一体、专用于地下隧道工程开挖的技术密集型重大工程装备。它具有开挖速度快、质量高、人员劳动强度小、安全性高、对地表沉降和环境影响小等优点。但是其体积庞大、系统复杂，内部管路和线路纵横交错，自动化控制系统先进强大。因此，解决盾构机故障是盾构施工中一个比较棘手的问题。如何快速、准确地找到并解决盾构机的故障是我们一直探索和研究的问题。本文根据公司施工的南京地铁三号线某标段采用的两台德国海瑞克S-673型土压平衡盾构机(EBP盾构)分析了盾构机的通用工作原理与PLC的组成和系统运行情况、介绍了解决盾构机电气故障的处理方法。
二、盾构机原理
盾构机是一种综合性很强的机器，仅电气部分就包括电力、电子、电力电子、电机、可编程控制、计算机通信、传感与检测等多方面的技术。盾构机采用电力作为动力来源，通过PLC、触摸屏、变频器、气动、液压来实现隧道掘进中各个环节的自动化。高自动化控制是盾构机的主要特点，盾构施工过程包括挖掘、推进、导向、渣土的改良、渣土的传送、注浆、管片的拼装等;这些过程采用PLC、触摸屏及一些主令开关来实现人机对话。但是，高自动化也为盾构机的安装、调试、维修带来了更大的困难。PLC和触摸屏是盾构机实现自动化的途径，在盾构机维修和调试当中如果能够将图纸、PLC程序和实际情况有机的结合起来，将大大缩短维修、调试时间，提高故障判断的准确性，减少很多可以避免的麻烦。
三、PLC系统的组成
PLC系统有工控机、两台调制解调器、PLC运行及储存器、各类传感器等输入部分及各类电继电器等输出部分(见图1)。SIMATIC Man-ager是S7-PLC自动控制程序的管理程序，安装在地面监控室的工控机(上位机)内，通过一台在监控室的调制解调器和一台安装在盾构机调制解调器相互译制，与盾构机的PLC串口相连，从而监控和控制PLC运行，同时上位机也起着掘进参数数据保存作用，方便操作人员使用和维护。
PLC系统的软件主要有地面监控室电脑上的操作系统，SIMATIC Manager程序，Netpro程序及监控程序PDV，以及安装在盾构机PLC上的控制程序。
四、PLC系统运行
以盾构机中心回转体EP2润滑脂加注系统为例，说明S7-PLC自动控制程序在盾构机上的应用。
在盾构机中，EP2润滑加注系统属于较复杂且很重要的部分，包含螺旋机密封、球轴承密封、中心回转体密封等部位的自动密封。本系统的正常运行与否不仅关系到盾构机能否顺利运行，同时对延长设备使用寿命起着很重要的作用。EP2加注系统是压缩空气通过由PLC控制的电磁阀为气动泵提供动能来源，输入气压和输出油脂压力的比值是1∶50，即1bar的气压能产生50bar的油脂压力。通常将压缩空气的压力调节为1.5～2.0bar，即油脂压力为75～100bar，足以克服油脂在一级输送管内的压力损耗。油脂经过一级输送管到达电动油脂输送泵，由电动油脂输送泵增压输送至各个分配阀，保证输送到盾构机上的多个油脂分配阀时有足够的压力，再由油脂分配阀非均匀的将油脂输送到需要被润滑的部位，达到自动润滑效果，见图2。
图2 EP2润滑系统原理图
油脂输送泵在润滑系统中起着重要作用，其工作过程：当设备启动时，PLC发出指令为二位二通电磁阀通电，具有压力的油脂进入油脂输向油脂输送泵，开始向各个油脂分配阀;在此种情况下，分配阀所分配的油脂量可以通过控制阀芯的冲程数进行计算，阀芯的冲程数通过脉冲传感器输入到PLC，当累积到一定量的冲程数时，PLC发出指令，停止向电磁阀通电，油脂分配阀的进口关闭，油脂分配结束。当下一个指令发出时，照此重复进行，原理如图3。
图3 PLC控制原理图
五、故障排除实例分析
PLC是根据事先设定的程序，在某些必要条件满足时，才能进行下一步工作，否则，程序就不能往下运行，设备停止运行，同时会将错误信息显示在操作室的电脑上。我们按照显示的错误信息及代码去查找故障原因，即PLC是否正常输入、PLC是否正常输出、前后输入/输出设备是否正常、连接线路是否良好。这样分段分析、仔细排查，故障会很容易得到解决。
(1) 故障实例分析1
运转的刀盘突然停止，复位后又能再启动并能正常运转，但是运行一分钟又会出现此类现象，并且很频繁。造成无法正常旋转刀盘掘进。工业电脑上的信息：monitoring grease-labyrinth 12-38.3。根据工业电脑上的信息判断，出现该故障的原因可能是主轴密封油脂没有输出或输出频率少于设置频率导致刀盘保护频繁跳闸。通过PLC程序得知该传感器是通过监视油脂泵油脂的输出频率来实现保护刀盘的。打开程序在线监视可发现油脂泵设置的参数是每一分钟油脂的输出次数少于8次刀盘就会跳闸，而通过在线监视可发现实际油脂输出只有四次，适当调节主轴承密封油脂泵的输出频率后再监视传感器反馈回来的次数等于8次后再试着运转刀盘发现这类故障消除。
(2) 故障实例分析2
润滑油泵电机和齿轮油泵电机均无法启动。无故障信息，启动润滑油泵电机和齿轮油泵是启动按钮指示灯闪烁，应该是允许启动润滑油泵的条件不满足，检查程序发现与其相关联的条件均显示正常。排除启动条件后找到这两个泵的相同点就是这两个电机的控制回路是同一个开关8-11F6，通过检查发现：润滑油泵和齿轮油泵中的24V控制电源失电，其他一切正常。找到8-11F6电控制电源开关，合上该开关后一切正常。以后其他电机出现该此现象照这个方法都能迅速排除故障。
(3)故障实例分析3
一次，在盾构机操作室的电脑上，显示中心回转体油脂润滑系统故障，通过利用PLC程序和显示的错误信息，查得是油脂分配阀的输出无信号。将冲程传感器拆除，将一直径与传感器内径相差不多的金属棒体插入其中，作活塞式往复运动，可以从PLC输入指示灯看出，传感器能正常工作，随后将其中的一条输出油脂管拆除，手动进行注脂，油脂还是不能注出;后将分配阀整体拆下，在机修房拆开检查、清洁，最后在清理阀板时，从阀板孔中取出一颗细小砂子(直径约1mm)，再次安装到盾构机上，试机正常，原来是机修工在更换油脂桶时，操作不慎，有杂物掉入油脂桶，导致了此故障的发生。
通过上面的案例我们可以看到：①我们对于盾构机的维修和日常维护，首先要熟悉它的工作原理和电气、液压、机械之间的关联情况，以及设备各系统中各个零部件所起的作用，只有这样才能快速准确地解决问题。②维修设备应遵循先“看”后“想”再“动手”的原则，机器出现故障时首先要看清楚是什么故障，是否是因为机械、液压或其他部分原因造成的，不要盲目动手，以免影响维修速度甚至将问题扩大化，找到问题根源后再动手。这样往往可以达到是事半功倍的效果。③维修设备时应先外后内，首先检查电线是否破皮、断裂、脱落等明显问题，往往简单明显的问题最容易被忽视。④设备问题解决后最好做个详细记录：什么问题，维修过程及结果。以后再遇到同样问题看一看记录，可以节约时间提高效率。也可以使其他维修技术人员单独排除故障时有据可依，少走弯路。⑤另外设备的日常维护、保养也相当重要，正确到位的保养可以降低设备的故障率、提高设备使用寿命进而增产增效。所以，要想准确、快速地解决盾构机故障，平时就要做到“四勤”：勤学，勤记，勤看，勤保养。只有把这“四勤”做到位了，出现故障时才不会手忙脚乱，一般的常规问题就会迎刃而解，而比较复杂的疑难问题也会在正规的分析中找到答案。
六、结论
总之，作为盾构机使用单位，通过对盾构机核心的控制部分进行不断的学习和实践，不断掌握盾构机PLC、变频器等技术，在熟练掌握了电气图纸和PLC程序的基础上，利用周密的思维方式准确、快捷的判断故障所在是解决盾构机电气故障的关键。
