基于CC－Link的隧道掘进自动控制系统

飞机、导弹、宇宙飞船等“上天”装备对自动控制系统的要求是众所周知的，而隧道掘进设备对自动控制系统的要求大家还比较陌生，俗话说“上天入地”，隧道掘进设备就是一种特殊的“入地”装备，隧道掘进设备的自动化控制与其他行业的自动化控制相比具有技术难度高、工作环境恶劣、PLC 应用历史短、系统故障引起的危害可能波及地面建筑等特点，许多工程实例说明隧道掘进设备自动控制系统的任何小故障都有可能放大为大事故，由此可见隧道掘进设备对自动控制系统要求有多高。

隧道掘进设备是一种存在振动的移动设备，它工作时会产生高温、高湿、高尘、高电磁干扰，几乎所有对自动控制系统不利的工作条件在隧道掘进设备中都存在，许多厂商的自动化元件在隧道掘进设备中应用时都或多或少发生过误动作，三菱电机的 CC-Link 通信网络和 Q 系列 PLC 在隧道掘进设备应用时还没有发现误动作，最近的一次实例是用于地铁二号线古北路站至中山公园站区间隧道施工的隧道掘进设备。该隧道掘进设备自动控制系统具有如下二个特点：

①PLC 输入输出点数多，开关量近 1000 点、模拟量 100 点以上。

②PLC 站间通信采用通信网络，PLC 系统一次设计、分步实施，主 PLC、1#PLC、2#PLC、3#PLC 为基本 PLC，4#PLC、5#PLC、6#PLC 为扩展 PLC，根据工程需要选用。

1、CC-Link 通信网络的结构

CC-Link 通信网络的结构如下图所示：主 PLC 为 CC-Link 网络控制 PLC、1#PLC、2#PLC、3#PLC 挂在 CC-Link 上组成隧道掘进设备分区域集散控制系统，承担隧道掘进设备的基本控制任务；4#PLC、5#PLC、6#PLC 是隧道掘进设备自动控制系统的扩展部分，承担可以独立运行的单体设备的控制任务，它们根据需要挂上 CC-Link 通信网络。

1PLC 接受主 PLC 的操作指令，接受主 PLC、2#PLC、3#PLC 送到 CC-Link 通信网络上的开关量信号和模拟量信号，控制隧道掘进设备 2#台车与 3#台车的设备，向 CC-Link 通信网络上传 2#台车与 3#台车的开关量信号和模拟量信号。共有 DI128 点、DO64 点、AI8 点，采用三菱电机的 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 通信网络上的开关量信号和模拟量信号，控制隧道掘进设备 4#台车与 5#台车的设备，向 CC-Link 通信网络上传 4#台车与 5#台车的开关量信号和模拟量信号。共有 DI64 点、DO32 点、AI8 点，采用三菱电机的 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 通信网络上的开关量信号和模拟量信号，控制隧道掘进设备本体和拼装区域的设备，向 CC-Link 通信网络上传设备本体和拼装区域的开关量信号和模拟量信号。共有 DI128 点、DO128 点、AI24 点、AO8 点，采用三菱电机的 Q 系列 PLC。

4#PLC 有二种控制模式，在就地控制模式下可以独立运行，在远程控制模式下接受主 PLC 的操作指令，向 CC-Link 通信网络上传 4#PLC 采集到的开关量信号和模拟量信号。共有 DI24 点、DO16 点、AI16 点，采用三菱电机的 FX 系列 PLC。［page］

5#PLC 有 DI24 点、DO16 点、AI8 点，采用三菱电机的 FX 系列 PLC，本次区间隧道施工未用。

6#PLC 有 DI24 点、DO16 点，采用三菱电机的 FX 系列 PLC，本次区间隧道施工未用。

主 PLC 接受来自 HMI 和指令元件的操作指令，直接控制隧道掘进设备 1#台车的设备，接受 1#PLC、2#PLC、3#PLC、4#PLC 送到 CC-Link 通信网络上的开关量信号和模拟量信号，向 CC-Link 通信网络下传 1#台车的开关量信号和模拟量信号，向 1#PLC、2#PLC、3#PLC、4#PLC 发出操作指令，与上位计算机进行通信。共有 DI160 点、DO96 点、AI16 点、AO40 点，采用三菱电机的 Q 系列 PLC。

2、CC-Link 应用时解决的主要技术问题

CC-Link 应用时解决了二大技术难题，一是抗高电磁干扰，二是远程通信。下面我们分别叙述。

2.1、解决高电磁干扰，提高 PLC 系统可靠性。

高温、高湿、高尘及振动等不利条件影响 PLC 系统可靠性比较容易解决，而高电磁干扰影响 PLC 系统可靠性很难解决，可以毫不夸张地认为抗电磁干扰水平的高低决定了隧道掘进设备 PLC 应用水平的高低，决定了 PLC 系统可靠性的高低。对于电磁干扰三菱电机通常推荐强电回路的接地点与弱电回路的接地点分开，双绞电缆的屏蔽层接地，可是隧道掘进设备无法像工厂和楼宇那样将强电回路接地点与弱电回路接地点分开，三菱电机推荐的双绞电缆屏蔽层接地抗电磁干扰方法不仅不能抗电磁干扰，与此相反还引入了电磁干扰，这是隧道掘进设备的特点所决定的。

大多数隧道掘进设备通常在直径 5～6 米、长 20～30 米的狭窄空间内分布着功率数百千瓦的用电装置，这些用电装置产生的电磁干扰通过传导、辐射、感应三种途径干扰 CC-Link 通信网络的传输媒介——双绞电缆，我们采用三种不同的方法解决。隧道掘进设备的传导骚扰主要通过共地阻抗耦合，我们采用屏蔽层不接地的方法切断传导骚扰；至于辐射骚扰我们采取了二条措施切断骚扰：一是加强辐射源的屏蔽工作，大功率的用电装置用单独的接地线与主接地点连接，二是增加间隔距离，双绞电缆尽可能远离辐射源；隧道掘进设备的感应骚扰主要通过磁场耦合，质量优良的双绞电缆能够切断感应骚扰。由于分析清楚了隧道掘进设备电磁干扰的传播途径及骚扰类型，对症下药采取与三菱电机推荐不同的方法，很好地解决了高电磁干扰问题，保证 CC-Link 正常通信，保证了 PLC 系统的正常工作。

2.2、解决远程通信，提高 PLC 系统的可用性和可维护性。

记得三菱电机推出 CC-Link 时是用于 A 系列 PLC 和 QnA 系列 PLC，不知什么原因其网内通信和远程通信总不能满足使用需求，我们曾经长期排斥使用 CC-Link，但是这种情况到了三菱电机推出 Q 系列 PLC 发生了 180 改变，我们现在准备在隧道掘进设备上逐渐采用 CC-Link，新设计的隧道掘进设备一般全部使用 CC-Link。

用于地铁二号线古北路站至中山公园站区间隧道施工的隧道掘进设备硬件使用 Q 系列 PLC、站间通信使用 CC-Link，软件使用 GPPW，实现了异地计算机对 CC-Link 网络内任意一台 PLC 进行程序远程修改、远程监视、远程调试，使我们能够在异地远程进行设备调试、设备控制、故障诊断，极大地提高 PLC 系统的可用性和可维护性。

3、隧道掘进设备应用 CC-Link 的主要优点

① CC-Link 通信网络抗电磁干扰能力强，电磁兼容性好，适合在高电磁干扰的隧道掘进设备中使用。

② CC-Link 通信网络扩展性好，适合隧道掘进设备柔性配置的需要。

③ CC-Link 通信网络通信速度快，满足隧道掘进设备的实时性需求。

④ CC-Link 通信数据量大，无需编程就能将 16 个字、128 位上传至通信网络，基本满足隧道掘进设备站间通信的需求。同时对于个别通信量特别大的站，使用 CC-Link 的瞬间传送功能解决，保证大容量数据通信。

⑤ CC-Link 通信网络使用方便，可以在网络内任意一台 Q 系列 PLC 上连接计算机调试、监视、修改网络内其它 Q 系列 PLC 的程序。

⑥ CC-Link 通信网络远程通信能力强，可以不用任何特殊通信软件在异地计算机上与网络内任意一台 Q 系列 PLC 进行通信（调试、监视、修改程序）。