采用CC-Link解決隧道掘進設備自動控制系統的設計問題

飛機、導彈、宇宙飛船等“上天”裝備對自動控制系統的要求是眾所周知的，而隧道掘進設備對自動控制系統的要求大家還比較陌生，俗話說“上天入地”，隧道掘進設備就是一種特殊的“入地”裝備，隧道掘進設備的自動化控制與其他行業的自動化控制相比具有技術難度高、工作環境惡劣、PLC應用歷史短、系統故障引起的危害可能波及地面建筑等特點，許多工程實例說明隧道掘進設備自動控制系統的任何小故障都有可能放大為大事故，由此可見隧道掘進設備對自動控制系統要求有多高。

隧道掘進設備是一種存在振動的移動設備，它工作時會產生高溫、高濕、高塵、高電磁干擾，幾乎所有對自動控制系統不利的工作條件在隧道掘進設備中都存在，許多廠商的自動化元件在隧道掘進設備中應用時都或多或少發生過誤動作，三菱電機的CC-Link通信網絡和Q系列PLC在隧道掘進設備應用時還沒有發現誤動作，最近的一次實例是用于地鐵二號線古北路站至中山公園站區間隧道施工的隧道掘進設備。該隧道掘進設備自動控制系統具有如下二個特點：

①PLC輸入輸出點數多，開關量近1000點、模擬量100點以上。

②PLC站間通信采用通信網絡，PLC系統一次設計、分步實施，主PLC、1#PLC、2#PLC、3#PLC為基本PLC，4#PLC、5#PLC、6#PLC為擴展PLC，根據工程需要選用。

1、CC-Link通信網絡的結構

CC-Link通信網絡的結構如下圖所示：主PLC為CC-Link網絡控制PLC、1#PLC、2#PLC、3#PLC掛在CC-Link上組成隧道掘進設備分區域集散控制系統，承擔隧道掘進設備的基本控制任務；4#PLC、5#PLC、6#PLC是隧道掘進設備自動控制系統的擴展部分，承擔可以獨立運行的單體設備的控制任務，它們根據需要掛上CC-Link通信網絡。

1#PLC接受主PLC的操作指令，接受主PLC、2#PLC、3#PLC送到CC-Link通信網絡上的開關量信號和模擬量信號，控制隧道掘進設備2#臺車與3#臺車的設備，向CC-Link通信網絡上傳2#臺車與3#臺車的開關量信號和模擬量信號。共有DI128點、DO64點、AI8點，采用三菱電機的Q系列PLC。

2#PLC接受主PLC的操作指令，接受主PLC、1#PLC、3#PLC送到CC-Link通信網絡上的開關量信號和模擬量信號，控制隧道掘進設備4#臺車與5#臺車的設備，向CC-Link通信網絡上傳4#臺車與5#臺車的開關量信號和模擬量信號。共有DI64點、DO32點、AI8點，采用三菱電機的Q系列PLC。

3#PLC接受主PLC的操作指令，接受主PLC、1#PLC、2#PLC送到CC-Link通信網絡上的開關量信號和模擬量信號，控制隧道掘進設備本體和拼裝區域的設備，向CC-Link通信網絡上傳設備本體和拼裝區域的開關量信號和模擬量信號。共有DI128點、DO128點、AI24點、AO8點，采用三菱電機的Q系列PLC。

4#PLC有二種控制模式，在就地控制模式下可以獨立運行，在遠程控制模式下接受主PLC的操作指令，向CC-Link通信網絡上傳4#PLC采集到的開關量信號和模擬量信號。共有DI24點、DO16點、AI16點，采用三菱電機的FX系列PLC。［page］

5#PLC有DI24點、DO16點、AI8點，采用三菱電機的FX系列PLC，本次區間隧道施工未用。

6#PLC有DI24點、DO16點，采用三菱電機的FX系列PLC，本次區間隧道施工未用。

主PLC接受來自HMI和指令元件的操作指令，直接控制隧道掘進設備1#臺車的設備，接受1#PLC、2#PLC、3#PLC、4#PLC送到CC-Link通信網絡上的開關量信號和模擬量信號，向CC-Link通信網絡下傳1#臺車的開關量信號和模擬量信號，向1#PLC、2#PLC、3#PLC、4#PLC發出操作指令，與上位計算機進行通信。共有DI160點、DO96點、AI16點、AO40點，采用三菱電機的Q系列PLC。

2、CC-Link應用時解決的主要技術問題

CC-Link應用時解決了二大技術難題，一是抗高電磁干擾，二是遠程通信。下面我們分別敘述。

2.1、解決高電磁干擾，提高PLC系統可靠性。

高溫、高濕、高塵及振動等不利條件影響PLC系統可靠性比較容易解決，而高電磁干擾影響PLC系統可靠性很難解決，可以毫不夸張地認為抗電磁干擾水平的高低決定了隧道掘進設備PLC應用水平的高低，決定了PLC系統可靠性的高低。對于電磁干擾三菱電機通常推薦強電回路的接地點與弱電回路的接地點分開，雙絞電纜的屏蔽層接地，可是隧道掘進設備無法像工廠和樓宇那樣將強電回路接地點與弱電回路接地點分開，三菱電機推薦的雙絞電纜屏蔽層接地抗電磁干擾方法不僅不能抗電磁干擾，與此相反還引入了電磁干擾，這是隧道掘進設備的特點所決定的。

大多數隧道掘進設備通常在直徑5～6米、長20～30米的狹窄空間內分布著功率數百千瓦的用電裝置，這些用電裝置產生的電磁干擾通過傳導、輻射、感應三種途徑干擾CC-Link通信網絡的傳輸媒介——雙絞電纜，我們采用三種不同的方法解決。隧道掘進設備的傳導騷擾主要通過共地阻抗耦合，我們采用屏蔽層不接地的方法切斷傳導騷擾；至于輻射騷擾我們采取了二條措施切斷騷擾：一是加強輻射源的屏蔽工作，大功率的用電裝置用單獨的接地線與主接地點連接，二是增加間隔距離，雙絞電纜盡可能遠離輻射源；隧道掘進設備的感應騷擾主要通過磁場耦合，質量優良的雙絞電纜能夠切斷感應騷擾。由于分析清楚了隧道掘進設備電磁干擾的傳播途徑及騷擾類型，對癥下藥采取與三菱電機推薦不同的方法，很好地解決了高電磁干擾問題，保證CC-Link正常通信，保證了PLC系統的正常工作。

2.2、解決遠程通信，提高PLC系統的可用性和可維護性。

記得三菱電機推出CC-Link時是用于A系列PLC和QnA系列PLC，不知什么原因其網內通信和遠程通信總不能滿足使用需求，我們曾經長期排斥使用CC-Link，但是這種情況到了三菱電機推出Q系列PLC發生了180 改變，我們現在準備在隧道掘進設備上逐漸采用CC-Link，新設計的隧道掘進設備一般全部使用CC-Link。

用于地鐵二號線古北路站至中山公園站區間隧道施工的隧道掘進設備硬件使用Q系列PLC、站間通信使用CC-Link，軟件使用GPPW，實現了異地計算機對CC-Link網絡內任意一臺PLC進行程序遠程修改、遠程監視、遠程調試，使我們能夠在異地遠程進行設備調試、設備控制、故障診斷，極大地提高PLC系統的可用性和可維護性。

3、隧道掘進設備應用CC-Link的主要優點

① CC-Link通信網絡抗電磁干擾能力強，電磁兼容性好，適合在高電磁干擾的隧道掘進設備中使用。

② CC-Link通信網絡擴展性好，適合隧道掘進設備柔性配置的需要。

③ CC-Link通信網絡通信速度快，滿足隧道掘進設備的實時性需求。

④ CC-Link通信數據量大，無需編程就能將16個字、128位上傳至通信網絡，基本滿足隧道掘進設備站間通信的需求。同時對于個別通信量特別大的站，使用CC-Link的瞬間傳送功能解決，保證大容量數據通信。

⑤ CC-Link通信網絡使用方便，可以在網絡內任意一臺Q系列PLC上連接計算機調試、監視、修改網絡內其它Q系列PLC的程序。

⑥ CC-Link通信網絡遠程通信能力強，可以不用任何特殊通信軟件在異地計算機上與網絡內任意一臺Q系列PLC進行通信（調試、監視、修改程序）。

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