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【摘 要】 随着城市轨道交通的发展，盾构机已广泛应用于地铁、铁路、公路、市政、水电等隧道工程。电气控制系统是实现盾构机功能的保障，通过CC-Link现场总线对盾构机实现的远程分布式控制，不仅减少了系统的线缆铺设，更增强了系统的可靠性和可控性，提高了控制效率和质量。
【关键词】 盾构机；控制系统；CC-Link
1.盾构机电气控制系统简介
盾构机是一种集机械、液压和电气控制于一体的、专用于地下隧道开挖的专用工程机械。如果把机械部分比喻成为人体的躯干，那么液压系统就是血液，则电气控制系统则为神经。因此安全、可靠的电气控制系统能保证机械、液压系统的正常运行，从而确保了盾构机系统的正常工作。
此次盾构是采用IHI的双圆盾构进行改制，改为两个单圆的盾构。它的电气控制系统包括刀盘控制系统、拼装机控制系统、螺旋机控制系统、推进控制系统、加泥加水控制系统、同步注浆控制系统、润滑控制系统等系组成（图1）。
图1 盾构机电气系统图
只有以上各个系统的电气控制相互配合，才能确保盾构机各项功能的有序实现。
2.盾构机PLC的简介
在整台盾构机中，PLC相当于整个电气控制系统的大脑。在这个改制项目中，我们采用三菱的Q系列PLC。具体原因有以下几方面：
（1）原来的盾构采用日本三菱的PLC，在这次改制项目中，尽量采用原来的系统，减少成本。
（2）在国内的盾构机中，大多采用日系的PLC，已有很多成功的盾构改制项目，可以从中借鉴经验。
（3）三菱等日系的PLC使用起来非常自然，符合东方人的思维方式，适合中国人的编程习惯。
（4）原系统采用三菱A系列的PLC，由于A系列已经停产，无论在性价比还是在实用性上Q系列都是很好的替代。
3.现场总线控制的简介
在整台盾构机中，电气控制网络就相当于整个电气控制系统的神经。在这个改制项目中，我们采用现场总线的方式。
3.1与传统控制系统比较
现场总线系统打破了传统控制系统的结构形式，其在技术上具有以下特点：
（1）用户可根据自己的需要，通过现场总线把来自不同厂商的产品组成大小随意的开放互连系统。
（2）具有很高的互操作性与互用性，可以实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通，同时不同生产厂家的性能類似的设备可实现相互替换。
（3）具有很高的现场设备的智能化与功能自治性，可以将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。
（4）现场总线构成一种新的全分散式控制系统的体系结构，从根本上简化了系统结构，提高了可靠性。
（5）现场总线是专为现场环境而设计的，支持各种通信介质，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。
3.2现场总线控制的优点
由于现场总线系统结构的简化，使控制系统从设计、安装、投运到正常生产运行及检修维护，都体现出优越性。现场总线的优点如下：
（1）由于分散在现场的智能设备能直接执行多种传感、测量、控制、报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的调节器、计算单元等，也不再需要DCS系统的信号调理、转换、隔离等功能单元及其复杂接线，还可以用工控PC机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资，并可减少控制室的占地面积。
（2）现场总线系统的接线十分简单，一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少。
（3）现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通信将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行，诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除，缩短了维护停工时间，同时由于系统结构简化，连线简单而减少了维护工作量。
（4）用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。避免因选择了某一品牌的产品而限制了使用设备的选择范围，不会为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展，使系统集成过程中的主动权牢牢掌握在用户手中。
（5）现场设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，从根本上提高了测量与控制的精确度，减少了传送误差。简化的系统结构，设备与连线减少，现场设备内部功能加强，减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。
此外，由于它的设备标准化，功能模块化，因而还具有设计简单，易于重构等优点。
4. CC-Link现场总线的简介
CC-Link是Control&Communication Link（控制与通信链路系统）的缩写，是一种用于工业现场控制的高速网络系统，它能够通过一条电缆同时对控制层的信息与I/O数据进行传输与处理，网络最高的传输速率可以达到10Mbit/s，网络可以通过中继器进行扩展，并支持高速循环通信与大容量数据的瞬时通讯。
4.1 CC-Link现场总线的优点
在这次盾构改制项目中，选用CC-Link现场总线，由于其具有如下原因：
（1）PLC采用三菱Q系列，CC-Link是由三菱电机为主导的多家公司推出，在亚洲占有较大应用，CC-Link是唯一起源于亚洲地区的总线系统，它的技术特点尤其适合亚洲人的思维习惯。
（2）CC-Link具有高速处理、连接简单、节约成本、开放性好和高确定性的输入/输出响应等优点，所以被广泛运用于工业现场的控制。
（3）CC-Link具有总线连接功能，系统可以通过简单的总线将各种工业设备连接成为统一的设备层网络（图2）。一般的工业控制领域的网络分为3-4个层次，分别是上位的管理层、控制层和部件层。部件层也可再分为设备层和传感器层，CC-link是一个设备层为主的网络，但也同时可以覆盖较高层次的控制层和较低层次的传感器层。 图2 CC-Link设备连接图
4.2 CC-Link通信方式
CC-Link具有2种通信的模式：循环通信和瞬时通信。循环通信时数据一直不停地在网络中传送，数据时按站的不同类型，可以共享的，由CC-Link核心芯片MFP自动完成；瞬时通信时在循环通信地数据量不够用，或需要传送比较大的数据（最大960字节），可以用专用指令实现一对一的通信。
通过CC-Link，可以简单实现将远程I/O站、远程设备站、本地站、备用主站或智能设备站连接到一个单独的主站。在这次改制项目中，我们采用PLC主站与远程设备站的连接方式，如图3所示。
在和远程设备站通信的时候，和远程设备站交换的信号（初始数据请求标志，出错复位请求标志等等）通过使用远程输入RX和远程输出RY进行通信。数字数据（平均处理规格，数字输出值等等）使用远程寄存器RWw和RWr进行通信。
5. 远程设备站的简介
在此次盾构改制项目中，选用了M-System的R3系列远程I/O作为远程设备站。与其他方式的通讯连接相比较，它在性价比、实用性方面有着自己的优势：
（1）PLC选用的是三菱的，M-System的远程I/O能够很好的与三菱PLC、CC-Link通讯模块进行连接通讯。并且与三菱的远程I/O相比，实现同一功能的同时，具有更便宜的价格。
（2）M-System的R3系列是多通道、自由组合型的远程I/O，可以根据实际设备的需要选择不同数量的开关量输入、开关量输出、模拟量输入、模拟量输出模块进行组合，构成远程的设备站。
（3）M-System的远程I/O可以很好地与三菱的产品兼容，可以非常方便地实现站的设定、不占用PLC资源，在组态设定好后，每个模块上的每个点都具有唯一的、透明的地址，方便程序的读写和模块的更换。
图3 PLC主站与远程设备站的连接
（4）它还具有可进行带电热插拔、可进行通讯冗余、隔离强度为1500V等特点。
一般而言，M-system的R3远程I/O包括：底板、电源模块、通讯模块、开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块和模拟量输出模块。如图4所示。
图4 M-System的R3系列
6. 盾構机的CC-Link网络设定
6.1 CC-Link网络
在盾构机电气控制中，采用了三菱的PLC通过QJ61BT11N通讯模块与M-system的R3-NC3组态连接后形成的CC-Link网络进行各个设备控制、监测，图5为盾构机CC-Link网络图，把盾构机的各个分区进行连接。包括：A环、B环2区、B环2区、B环3区、B环4区、平台左、平台右、操作台（主站）、液压泵站、动力柜和刀盘柜。通过CC-link连接后，可以将各个分区的的信号接收到主站，经过PLC运算后再发回各个分区，进行各个分区设备的控制。
通过CC-Link网络可以使各个设备以最短的距离与网络相连，进行控制，这种现场总线对盾构机实现了远程分布式控制，不仅减少了系统的线缆铺设，更提高了系统的可靠性和可控性，提高了控制效率和质量。
图5 CC-Link网络图
6.2 CC-Link组态设定
QJ61BT11N是三菱的专用CC-Link模块，通过旋钮可对其进行站号以及传送速度进行设定，作为主站，站号一般设为00，传送速度根据实际的现场情况从156kbps/625kbps/2.5Mbps/5Mbps/10Mbps中选择，在这个项目中设定为0。
R3-NC3是M-system的一款CC-LinkVer.2版本的通讯模块。可以通过旋钮进行站号和传送速度的定义（图6）SA1和SA2确定了设备站的站号，具体设置详见表1。Brate决定了传送速度，与主站相匹配，设定为0，侧面的DIP开关可以设定设定该通讯模块所在站各个模块的数据量分配。各个设备站的旋钮如表1所示
站名 *10*1设定值
A环 01
B环1区 05
B环2区 09
B环3区 13
B环4区 1 7
平台左 2 1
平台右 2 5
液压泵站 2 9
动力柜 3 3
刀盘柜 3 7
图6 R3-NC3正面图表1R3-NC3站号设定
通过三菱的专用软件，对该模块在PLC中的地址进行组态，即可以通过QJ61BT11N与m-system的R3-NC3组成CC-Link网络，并定义各个站的起始地址，每个模块的都有了唯一的地址，从而确保可以通过PLC对CC-Link中每个点的控制及数据读取。具体设定详见图7、图8。
图7 PLC的组态
图8 CC-Link远程站的组态
7.结束语
基于CC-Link现场总线的盾构控制系统在本次双改单盾构机改制中的应用，大大提高了盾构机控制的安全性和可靠性，减少了大量的现场线缆的铺设，提高了控制的效率和成本，并提高了控制的质量。该系统在盾构机电气控制中取得了良好的效果。
参考文献：
1.龚仲华，史建成，孙毅.三菱FX/Q系列PLC应用技术[M].北京：人民邮电出版社.
2.三菱电机.CC-Link系统主站模块使用手册
3. M-System.R3-NC3通讯模块规格书
4.三菱电机.GXDeveloperVer.8操作手册
【关键词】 盾构机；控制系统；CC-Link
1.盾构机电气控制系统简介
盾构机是一种集机械、液压和电气控制于一体的、专用于地下隧道开挖的专用工程机械。如果把机械部分比喻成为人体的躯干，那么液压系统就是血液，则电气控制系统则为神经。因此安全、可靠的电气控制系统能保证机械、液压系统的正常运行，从而确保了盾构机系统的正常工作。
此次盾构是采用IHI的双圆盾构进行改制，改为两个单圆的盾构。它的电气控制系统包括刀盘控制系统、拼装机控制系统、螺旋机控制系统、推进控制系统、加泥加水控制系统、同步注浆控制系统、润滑控制系统等系组成（图1）。
图1 盾构机电气系统图
只有以上各个系统的电气控制相互配合，才能确保盾构机各项功能的有序实现。
2.盾构机PLC的简介
在整台盾构机中，PLC相当于整个电气控制系统的大脑。在这个改制项目中，我们采用三菱的Q系列PLC。具体原因有以下几方面：
（1）原来的盾构采用日本三菱的PLC，在这次改制项目中，尽量采用原来的系统，减少成本。
（2）在国内的盾构机中，大多采用日系的PLC，已有很多成功的盾构改制项目，可以从中借鉴经验。
（3）三菱等日系的PLC使用起来非常自然，符合东方人的思维方式，适合中国人的编程习惯。
（4）原系统采用三菱A系列的PLC，由于A系列已经停产，无论在性价比还是在实用性上Q系列都是很好的替代。
3.现场总线控制的简介
在整台盾构机中，电气控制网络就相当于整个电气控制系统的神经。在这个改制项目中，我们采用现场总线的方式。
3.1与传统控制系统比较
现场总线系统打破了传统控制系统的结构形式，其在技术上具有以下特点：
（1）用户可根据自己的需要，通过现场总线把来自不同厂商的产品组成大小随意的开放互连系统。
（2）具有很高的互操作性与互用性，可以实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通，同时不同生产厂家的性能類似的设备可实现相互替换。
（3）具有很高的现场设备的智能化与功能自治性，可以将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。
（4）现场总线构成一种新的全分散式控制系统的体系结构，从根本上简化了系统结构，提高了可靠性。
（5）现场总线是专为现场环境而设计的，支持各种通信介质，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。
3.2现场总线控制的优点
由于现场总线系统结构的简化，使控制系统从设计、安装、投运到正常生产运行及检修维护，都体现出优越性。现场总线的优点如下：
（1）由于分散在现场的智能设备能直接执行多种传感、测量、控制、报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的调节器、计算单元等，也不再需要DCS系统的信号调理、转换、隔离等功能单元及其复杂接线，还可以用工控PC机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资，并可减少控制室的占地面积。
（2）现场总线系统的接线十分简单，一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少。
（3）现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通信将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行，诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除，缩短了维护停工时间，同时由于系统结构简化，连线简单而减少了维护工作量。
（4）用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。避免因选择了某一品牌的产品而限制了使用设备的选择范围，不会为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展，使系统集成过程中的主动权牢牢掌握在用户手中。
（5）现场设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，从根本上提高了测量与控制的精确度，减少了传送误差。简化的系统结构，设备与连线减少，现场设备内部功能加强，减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。
此外，由于它的设备标准化，功能模块化，因而还具有设计简单，易于重构等优点。
4. CC-Link现场总线的简介
CC-Link是Control&Communication Link（控制与通信链路系统）的缩写，是一种用于工业现场控制的高速网络系统，它能够通过一条电缆同时对控制层的信息与I/O数据进行传输与处理，网络最高的传输速率可以达到10Mbit/s，网络可以通过中继器进行扩展，并支持高速循环通信与大容量数据的瞬时通讯。
4.1 CC-Link现场总线的优点
在这次盾构改制项目中，选用CC-Link现场总线，由于其具有如下原因：
（1）PLC采用三菱Q系列，CC-Link是由三菱电机为主导的多家公司推出，在亚洲占有较大应用，CC-Link是唯一起源于亚洲地区的总线系统，它的技术特点尤其适合亚洲人的思维习惯。
（2）CC-Link具有高速处理、连接简单、节约成本、开放性好和高确定性的输入/输出响应等优点，所以被广泛运用于工业现场的控制。
（3）CC-Link具有总线连接功能，系统可以通过简单的总线将各种工业设备连接成为统一的设备层网络（图2）。一般的工业控制领域的网络分为3-4个层次，分别是上位的管理层、控制层和部件层。部件层也可再分为设备层和传感器层，CC-link是一个设备层为主的网络，但也同时可以覆盖较高层次的控制层和较低层次的传感器层。 图2 CC-Link设备连接图
4.2 CC-Link通信方式
CC-Link具有2种通信的模式：循环通信和瞬时通信。循环通信时数据一直不停地在网络中传送，数据时按站的不同类型，可以共享的，由CC-Link核心芯片MFP自动完成；瞬时通信时在循环通信地数据量不够用，或需要传送比较大的数据（最大960字节），可以用专用指令实现一对一的通信。
通过CC-Link，可以简单实现将远程I/O站、远程设备站、本地站、备用主站或智能设备站连接到一个单独的主站。在这次改制项目中，我们采用PLC主站与远程设备站的连接方式，如图3所示。
在和远程设备站通信的时候，和远程设备站交换的信号（初始数据请求标志，出错复位请求标志等等）通过使用远程输入RX和远程输出RY进行通信。数字数据（平均处理规格，数字输出值等等）使用远程寄存器RWw和RWr进行通信。
5. 远程设备站的简介
在此次盾构改制项目中，选用了M-System的R3系列远程I/O作为远程设备站。与其他方式的通讯连接相比较，它在性价比、实用性方面有着自己的优势：
（1）PLC选用的是三菱的，M-System的远程I/O能够很好的与三菱PLC、CC-Link通讯模块进行连接通讯。并且与三菱的远程I/O相比，实现同一功能的同时，具有更便宜的价格。
（2）M-System的R3系列是多通道、自由组合型的远程I/O，可以根据实际设备的需要选择不同数量的开关量输入、开关量输出、模拟量输入、模拟量输出模块进行组合，构成远程的设备站。
（3）M-System的远程I/O可以很好地与三菱的产品兼容，可以非常方便地实现站的设定、不占用PLC资源，在组态设定好后，每个模块上的每个点都具有唯一的、透明的地址，方便程序的读写和模块的更换。
图3 PLC主站与远程设备站的连接
（4）它还具有可进行带电热插拔、可进行通讯冗余、隔离强度为1500V等特点。
一般而言，M-system的R3远程I/O包括：底板、电源模块、通讯模块、开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块和模拟量输出模块。如图4所示。
图4 M-System的R3系列
6. 盾構机的CC-Link网络设定
6.1 CC-Link网络
在盾构机电气控制中，采用了三菱的PLC通过QJ61BT11N通讯模块与M-system的R3-NC3组态连接后形成的CC-Link网络进行各个设备控制、监测，图5为盾构机CC-Link网络图，把盾构机的各个分区进行连接。包括：A环、B环2区、B环2区、B环3区、B环4区、平台左、平台右、操作台（主站）、液压泵站、动力柜和刀盘柜。通过CC-link连接后，可以将各个分区的的信号接收到主站，经过PLC运算后再发回各个分区，进行各个分区设备的控制。
通过CC-Link网络可以使各个设备以最短的距离与网络相连，进行控制，这种现场总线对盾构机实现了远程分布式控制，不仅减少了系统的线缆铺设，更提高了系统的可靠性和可控性，提高了控制效率和质量。
图5 CC-Link网络图
6.2 CC-Link组态设定
QJ61BT11N是三菱的专用CC-Link模块，通过旋钮可对其进行站号以及传送速度进行设定，作为主站，站号一般设为00，传送速度根据实际的现场情况从156kbps/625kbps/2.5Mbps/5Mbps/10Mbps中选择，在这个项目中设定为0。
R3-NC3是M-system的一款CC-LinkVer.2版本的通讯模块。可以通过旋钮进行站号和传送速度的定义（图6）SA1和SA2确定了设备站的站号，具体设置详见表1。Brate决定了传送速度，与主站相匹配，设定为0，侧面的DIP开关可以设定设定该通讯模块所在站各个模块的数据量分配。各个设备站的旋钮如表1所示
站名 *10*1设定值
A环 01
B环1区 05
B环2区 09
B环3区 13
B环4区 1 7
平台左 2 1
平台右 2 5
液压泵站 2 9
动力柜 3 3
刀盘柜 3 7
图6 R3-NC3正面图表1R3-NC3站号设定
通过三菱的专用软件，对该模块在PLC中的地址进行组态，即可以通过QJ61BT11N与m-system的R3-NC3组成CC-Link网络，并定义各个站的起始地址，每个模块的都有了唯一的地址，从而确保可以通过PLC对CC-Link中每个点的控制及数据读取。具体设定详见图7、图8。
图7 PLC的组态
图8 CC-Link远程站的组态
7.结束语
基于CC-Link现场总线的盾构控制系统在本次双改单盾构机改制中的应用，大大提高了盾构机控制的安全性和可靠性，减少了大量的现场线缆的铺设，提高了控制的效率和成本，并提高了控制的质量。该系统在盾构机电气控制中取得了良好的效果。
参考文献：
1.龚仲华，史建成，孙毅.三菱FX/Q系列PLC应用技术[M].北京：人民邮电出版社.
2.三菱电机.CC-Link系统主站模块使用手册
3. M-System.R3-NC3通讯模块规格书
4.三菱电机.GXDeveloperVer.8操作手册