摘 要：介绍了盾构试验台液压系统的工作原理。阐述了PLC在盾构试验台液压控制系统中的应用。对控制系统的硬件结构、软件组成、控制过程等作了详细介绍，实现了对盾构机试验台液压系统的顺序控制，达到了预定的控制要求。

　　关键词：盾构机试验台 液压回路 控制系统 PLC

　　Abstract：A hydraulic system for shield machine test-bed was introduced. The application of PLC in hydraulic control system of shield machine test-bed was described. The structure of the hardware and software, controlling method were introduced. The sequence control of shield machine test-bed was achieved, which realized the designing control requirements.

　　Keywords: shield machine test-bed; hydraulic circuit; control system; PLC

　　盾构掘进机是一种隧道掘进的专用工程机械，现代盾构掘进机集机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖切削土体、输送土碴、拼装隧道、衬砌、测量导向、纠偏等功能。盾构掘进机已经广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电隧道工程。 [1]

　　而盾构机试验台，可以通过对盾构机控制系统的模拟试验，达到缩短盾构控制系统研发周期、检测盾构控制系统的正确性的目的，并为隧道施工提供技术支撑。

　　本文介绍了盾构试验台液压系统的工作原理，并应用西门子S7-200系列PLC等部件构成其电气控制系统，以达到控制要求。

　　1.盾构机液压系统的工作原理

　　1.1组成

　　盾构机液压系统由三部分组成：一个阀控液压缸回路(左部)，是盾构机的推进系统，为盾构机掘进提供动力;一个阀控双向马达回路(中部)，是盾构机的刀盘控制系统，为刀盘切削土体提供动力;一个单向阀控马达回路(右部)，是盾构机的螺旋输送机控制系统，为盾构机排土提供动力。

　　图1所示为盾构机液压控制系统原理图，液压系统在主油路上采用定量泵、伺服换向阀等实现压力自适应控制。

　　1.2工作过程

　　刀盘控制:刀盘采用液压驱动。掘进时,刀盘电机启动并正常运行后,选择正转(或反转),控制电液伺服阀的电压,使刀盘推进速度变化。当滤油器、油压力、油温度、轴承或密封温度、油位等异常时,发出报警信号,至极限时控制刀盘停止转动;当扭矩传感器测得的扭矩超出极限值时说明崩刀或刀具磨损严重，刀盘也停止转动。

　　推进控制:1个推进液压缸。推进动作分为工进和快进。当盾构机快进时，利用换向阀使系统快速前进。当接近工作位置时，启动手动按钮，液压缸转为掘进即工进状态;盾构掘进时,通过扭矩传感器形成闭环系统，将系统扭矩转换成电信号并与标准信号比较，通过调节伺服阀的开口量调节推进速度。当油压异常时发出报警信号,停止推进。[2]

　　螺旋输送机控制:单向液压马达控制。液压马达回路连接减速器，经减速器后连接螺旋输送机，驱动螺旋输送机进行土箱的排土动作，实现盾构机的排土过程。

　　图1 盾构机液压推进系统原理图

　　1 电磁溢流阀; 2 滤油器; 3 定量液压泵;4 压力表;

　　6 换向阀; 5、7、8 调速阀;9 电液伺服阀;10三位四通电磁换向阀;11 二位三通电磁换向阀;12 液压缸;13 双向液压马达; 14 单向液压马达; 15伺服放大器

　　顺序控制：盾构试验台的主要设备均为液压驱动,按顺序控制进行。首先启动刀盘正/ 反转，试验台开始切削土体;5s后螺旋机闸门开启，螺旋机正转;5s后液压缸开始推进。停止推进时则相反：推进缸先停止，5s后螺旋机停转，再5s后刀盘停转、液压缸后退。

　　1.3电磁铁动作顺序表 动作 1YA 2YA 3YA 4YA 5YA 6YA 7YA 液压缸快进 + + - + - - - 液压缸掘进 + - - + +/- -/+ + 液压缸后退 + +/- + - +/- -/+ + 双向马达正转 + - - +/- + - +/- 双向马达反转 + - - +/- - + +/- 单向马达旋转 + - - +/- +/- -/+ +

　　2控制系统硬件设计

　　盾构机控制面板：根据工艺过程及控制要求，设计控制面板如图2所示：

　　图2 盾构机试验台控制面板

　　PLC的选择

　　输入信号：输入信号是将盾构机的工作状态和操作的信息提供给PLC。对于盾构机试验台来说，控制面板上有6个按钮，需要6个开关量的输入点。同时，有两个报警装置：油温报警和扭矩报警，需要2个模拟量的输入点。因此，PLC的输入信号共有8个输入信号点，需占用8个输入端子。

　　输出信号：输出信号用来控制盾构机的快进、工进、后退、停止等动作;同时需要控制各状态指示灯。PLC的输出信号共有13个输出信号点，需占用13个输出端子。[3]

　　此外，功能上再无其他特殊要求，有多种型号的PLC可供选用，此处选用西门子S7—200 CPU226。型号为：6ES7216-2BD23-0XB0CPU226AC/DC/继电器24输入/16输出。

　　系统I/O端子分配如图3所示:

　　图3 PLC外部接线图

　　3系统软件设计

　　控制过程：

　　(1)按下电源开关，液压泵供油，电磁铁1YA动作，溢流阀开始工作;同时电源指示灯亮。

　　(2)按下快进按钮，电磁铁2YA和4YA动作，液压缸快进;快进指示灯亮。

　　(3)到达盾构位置，按下正向/反向启动按钮，液压缸停止快进;电磁铁5YA/7YA动作，双向液压马达正/反转，开始切削土体;延时5s后，电磁铁6YA动作，单向马达转动，螺旋排土机开始工作;再延时5s后，电磁铁4YA动作，液压缸工进，盾构机掘进。此过程正/反启动指示灯亮。

　　(4)按下后退按钮，盾构机停止掘进;延时5s后，单向马达停止旋转，螺旋排土机停止排土;再延时5s，双向马达停止，切削土体停止。同时电磁铁2YA和3YA动作，液压缸快速退回。

　　(5)按下停止按钮，电磁铁2YA和3YA失电，液压缸停止后退，同时电磁铁1YA失电，液压泵卸荷。

　　此外，设有油温报警和扭矩报警，当油温过高或扭矩过大时，油温报警灯和扭矩报警灯闪烁。此时可手动停止。也可自动运行到停止状态。

　　根据系统的控制要求及动作顺序，可先画出系统流程图如图4所示：

　　图4 盾构机试验台顺序动作流程图

　　系统采用并行分支控制，左边是系统正常运行周期;右边为出现油压报警或扭矩报警时系统的自动断电保护。I0.0—I0.5为控制面板上的各开关，而盾构机的顺序启动、顺序停止由T37—T40四个延时继电器控制，延时时间为5s。

　　4.结束语

　　本文较详细地介绍了盾构机试验台液压系统的工作原理及盾构、排土、推进顺序动作的控制原理。以西门子S7—200 PLC为试验台的控制器，可靠性高，通用性、灵活性和抗干扰能力强，使用简单，编程方便，针对顺序控制的要求设计了流程图，实现了对盾构机试验台液压系统的顺序控制，达到了预定的控制要求。

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