摘 要：北京地下鐵路直徑線(xiàn)是國(guó)內(nèi)首次在城市中心區(qū)域使用大直徑泥水盾構(gòu)機(jī)施工，盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)的液壓油缸承受巨大的反作用力，液壓油缸一旦損壞不僅更換困難而且維修費(fèi)用高昂，如何確保關(guān)鍵液壓設(shè)備的安全是PLC及電氣控制系統(tǒng)必須考慮的。

關(guān)鍵詞：PLC故障；油缸損壞原因；解決方法

1 PLC故障后推進(jìn)油缸損壞及判斷

北京直徑線(xiàn)盾構(gòu)機(jī)的PLC程序中含有許多自動(dòng)控制模塊，需要進(jìn)行完善，在廠(chǎng)家技術(shù)人員對(duì)程序更新后，某天夜里在正常掘進(jìn)時(shí)突然停機(jī)，不得不手動(dòng)重啟PLC，恢復(fù)后重新掘進(jìn)時(shí)盾構(gòu)無(wú)法前進(jìn)，故障現(xiàn)象是在按下推進(jìn)按鈕后，盾構(gòu)機(jī)4個(gè)推進(jìn)油缸區(qū)域壓力不能提高，在140-180bar左右，推進(jìn)泵出口壓力190bar，盾構(gòu)推力顯示7000T左右，且盾構(gòu)機(jī)有后退現(xiàn)象，最大后退量達(dá)到30cm。因該故障是在PLC死機(jī)后出現(xiàn)，懷疑是電氣方面的原因并聯(lián)系廠(chǎng)家要求派工程師協(xié)助排查故障，廠(chǎng)家技術(shù)人員到達(dá)后檢查確認(rèn)沒(méi)有故障。我們懷疑液壓系統(tǒng)有問(wèn)題，在管片拼裝模式下依次測(cè)試各組油缸的大腔壓力，發(fā)現(xiàn)有3組油缸大腔壓力明顯低于其它油缸，只有20-30bar，正常情況下應(yīng)為90bar，且這三組油缸的進(jìn)油管震動(dòng)幅度大、噪音大，停止油缸動(dòng)作后大腔壓力很快降低，據(jù)此判斷這三組油缸有內(nèi)泄，通過(guò)操作屏幕將這三組油缸屏蔽不用，盾構(gòu)實(shí)現(xiàn)正常推進(jìn)。

2 液壓、電氣故障分析

該盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)由4組共25對(duì)油缸組成，每組油缸由一套液壓閥組控制，控制電磁閥的PLC數(shù)字量模塊也位于不同的控制柜內(nèi)。單根油缸最大推力280T，掘進(jìn)時(shí)同時(shí)出力，推力最大可達(dá)到10000T。掘進(jìn)時(shí)掌子面壓力頂部3bar，中心壓力3.6bar，計(jì)算出開(kāi)挖倉(cāng)內(nèi)泥水壓力對(duì)盾構(gòu)機(jī)的反作用力在4000T左右，而盾殼與地層之間的摩擦力遠(yuǎn)小于該值，停機(jī)狀態(tài)下，所有油缸大腔被關(guān)閉，25組油缸同時(shí)受力保證盾構(gòu)機(jī)不會(huì)后退。

以單組推進(jìn)閥組及推進(jìn)油缸為例，如圖1所示，掘進(jìn)時(shí)，比例閥zv2209調(diào)節(jié)進(jìn)入推進(jìn)閥組的總流量，每組油缸的先導(dǎo)控制閥（cv2201-cv2205）開(kāi)啟，實(shí)際上所有油缸大腔都是相通的，如果有油缸內(nèi)泄，就會(huì)導(dǎo)致其它油缸的大腔進(jìn)油量減少甚至不進(jìn)油。壓力傳感器pf2210用于推進(jìn)壓力控制，同時(shí)盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)力也是根據(jù)壓力值計(jì)算得到的，所以操作屏上顯示的推力7000t，但實(shí)際推力小于泥水倉(cāng)壓力對(duì)盾構(gòu)的反作用力，引起盾構(gòu)機(jī)后退。

此次故障是PLC死機(jī)后引起的，對(duì)電氣控制部分進(jìn)行分析如下：該盾構(gòu)機(jī)使用的是施耐德控制系統(tǒng)，PLC帶有watchdog（看門(mén)狗）輸出端子，用于在PLC故障或死機(jī)時(shí)的動(dòng)作控制。PLC程序的大小決定了程序執(zhí)行掃描周期時(shí)間，watchdog時(shí)間設(shè)置比正常掃描周期長(zhǎng)一些，當(dāng)PLC執(zhí)行程序周期超過(guò)watchdog時(shí)間，則watchdog啟動(dòng)，跳出正在執(zhí)行的程序，并從頭開(kāi)始執(zhí)行PLC程序，但嚴(yán)重的PLC故障可能導(dǎo)致PLC死機(jī)，此時(shí)watchdog接出的引線(xiàn)就要通過(guò)電氣線(xiàn)路來(lái)控制設(shè)備停止以保護(hù)重要的電氣設(shè)備。

而急停回路則控制安全繼電器確保整套設(shè)備緊急情況下的斷電，目前一般電氣設(shè)計(jì)都是斷強(qiáng)電，如斷開(kāi)電機(jī)電源，但未考慮弱電部分控制，如電磁閥等。此次故障原因判斷就是PLC程序復(fù)雜、中斷程序較多或相當(dāng)多的卡件掉電，cpu運(yùn)行時(shí)間被硬件中斷占用，觸發(fā)watchdog引起急停，電機(jī)失電，推進(jìn)泵失去動(dòng)力源，但控制推進(jìn)的閥組上電磁閥未同時(shí)斷電或斷電時(shí)間有間隔，導(dǎo)致先斷電的電磁閥所控制的油缸進(jìn)油關(guān)閉，進(jìn)油關(guān)閉的油缸將獨(dú)自承受盾構(gòu)開(kāi)挖倉(cāng)巨大的反作用力，加上盾構(gòu)機(jī)使用時(shí)間較長(zhǎng)，油缸內(nèi)的密封老化，密封被沖破致使油缸內(nèi)泄。

3 解決思路

（1）加強(qiáng)對(duì)盾構(gòu)機(jī)控制系統(tǒng)模塊的檢查，緊固接線(xiàn)端子，確保連接可靠，降低硬件中斷發(fā)生概率。

（2）加強(qiáng)對(duì)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)的整理分析，油缸內(nèi)泄很可能已經(jīng)存在，只是不嚴(yán)重，當(dāng)一根油缸內(nèi)泄后，為了達(dá)到相應(yīng)的推進(jìn)力，勢(shì)必要增加推進(jìn)泵壓力，增加其它油缸負(fù)擔(dān)，使其損壞概率加大，同時(shí)內(nèi)泄的液壓油也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)熱，增加能耗及設(shè)備磨損。

（3）合理編制盾構(gòu)機(jī)控制程序，對(duì)控制程序進(jìn)行簡(jiǎn)化、優(yōu)化，避免程序過(guò)于冗繁復(fù)雜引起不可預(yù)知的故障。

（4）在進(jìn)行控制系統(tǒng)急停功能設(shè)計(jì)時(shí)，將關(guān)鍵的弱電控制功能適當(dāng)集中布置，控制模塊或電磁閥電源由安全繼電器引出，發(fā)生急停故障后，可以保證所有的電磁閥同時(shí)關(guān)閉。如此雖然會(huì)增加元器件及布線(xiàn)成本，但可以從根本上避免因電氣系統(tǒng)問(wèn)題導(dǎo)致機(jī)械、液壓設(shè)備的損壞。

4 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)代盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)集光、機(jī)、電、液、傳感、信息技術(shù)于一體，但其工作時(shí)位于幾十米深的地下，環(huán)境惡劣，施工風(fēng)險(xiǎn)大。在施工過(guò)程中重要設(shè)備的維修、更換非常不方便，如果因設(shè)備故障導(dǎo)致施工事故，其后果將不堪設(shè)想，因此在進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)設(shè)備、器件的可靠性要求很高。成套大型設(shè)備的精髓在于電氣控制，這就要求我們?cè)谶M(jìn)行電氣系統(tǒng)、PLC控制設(shè)計(jì)時(shí)要考慮各種可能遇到的情況，尤其是緊急情況下的處置，盡可能降低施工風(fēng)險(xiǎn)，確保人員、設(shè)備、工程項(xiàng)目的安全。

參考文獻(xiàn)

[1]Φ11.97m膨潤(rùn)土—?dú)鈮|式泥水平衡盾構(gòu)機(jī)技術(shù)操作規(guī)程[S].

[2]Φ11.97m膨潤(rùn)土—?dú)鈮|式泥水平衡盾構(gòu)機(jī)圖紙及PLC程序技術(shù)資料[Z].

[3]鄭阿奇.施耐德PLC應(yīng)用技術(shù)[M].電子工業(yè)出版社，2011.

[4]儲(chǔ)云峰.施耐德電氣可編程序控制器原理及應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[5]王百泉，等.復(fù)雜條件下的大直徑泥水盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制[J].中國(guó)工程科學(xué)，2010，12：65-68.

作者簡(jiǎn)介：任勇，男，2004年畢業(yè)于華北水利水電學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，本科，助理工程師，曾從事直徑線(xiàn)盾構(gòu)操作及設(shè)備物資管理工作，現(xiàn)就職于中鐵隧道二處有限公司制造公司，從事盾構(gòu)機(jī)維修改造及產(chǎn)品研發(fā)工作。