盾构机刀盘驱动水冷变频柜的制作方法

本发明涉及隧道施工电力电子装备，具体涉及盾构机刀盘驱动水冷变频控制，特别适用于大直径隧道掘进盾构机多电机刀盘驱动系统的变频调速与水冷散热控制，具体的，是一种盾构机刀盘驱动水冷变频控制柜。

背景技术：

1、盾构机作为隧道施工的核心装备，其刀盘驱动系统需要巨大的转矩和功率输出。现代大直径盾构机（直径10米以上）的刀盘驱动总功率通常达到2000kw至3600kw级别。为满足超大功率输出的同时保证系统冗余可靠运行，当前主流的刀盘驱动方案多采用多电机同步驱动架构，即通过6至8台大功率异步或永磁同步电动机共同驱动刀盘旋转。

2、针对多电机驱动的变频控制需求，现有技术普遍存在以下问题：

3、1）主功率回路设计复杂、电气柜体积庞大。传统方案中，每台电机需配置独立的变频器及配套的断路器、电抗器、滤波器等外围器件，导致电气柜数量多、占地面积大，在盾构机狭窄的隧道空间内布置极为困难。以6台350kw电机驱动为例，若采用常规的独立变频柜方案，至少需要6面以上电气柜体，总宽度超过6米，对于直径10至12米级别的盾构机后配套台车空间而言，布置难度极大。

4、2）集中控制与通信可靠性问题。多台变频器需要与上位plc进行高速数据交换以实现精确的同步控制，传统的模拟量控制方式存在抗干扰能力差、接线复杂、控制精度低等问题。虽然profibus-dp和profinet等现场总线技术已在工业自动化中广泛应用，但在盾构机大功率变频驱动的特殊应用场景中，如何实现可靠的网络拓扑设计、保证在多变频器并联运行条件下的通信实时性及抗电磁干扰能力，仍是技术难点。

5、3）散热方式的局限性。大功率变频器在工作过程中产生大量热量，6台350kw级别的变频器总发热量可达数十千瓦。传统的强制风冷方式需要大量冷却空气，在盾构机地下封闭隧道环境中，一方面换气条件有限，另一方面风道设计复杂、风机噪音大。虽然液冷散热技术已应用于部分工业变频器产品，但将6台大功率液冷变频器集成于单面或多面柜体中的系统级水冷管路设计、漏水检测与保护、水冷状态监控等技术方案仍缺乏成熟的工程实践参考。

6、4）安全保护系统设计不足。盾构机工作环境恶劣，振动、高温、高湿、多尘等因素对电气设备的可靠性构成严峻考验。现有技术中对于变频柜的水冷系统漏水检测、冷凝水防护、紧急停机保护、断路器状态反馈等安全联锁控制缺乏系统化的设计；特别是漏水检测与断路器的联动保护机制，以及远程/本地双模式控制的可靠切换逻辑，在工程实践中常常出现设计缺陷导致误动作或保护失效。

7、5）控制电源系统的冗余与可靠性。变频柜内部的控制电路、plc、通信设备、传感器等均依赖24v直流控制电源供电。在盾构机持续数月的掘进施工中，控制电源一旦故障将导致全线停机。现有方案中控制电源的冗余设计和故障自诊断能力普遍不足。

8、因而，有必要提供有一种盾构机刀盘驱动水冷变频控制柜来解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种盾构机刀盘驱动水冷变频控制柜，将6台350kw大功率液冷变频器集成于紧凑柜体中，具备可靠的dp/profinet通信控制、完善的水冷及安全保护系统、高度集成化的刀盘驱动变频控制。

2、本发明通过如下技术方案实现上述目的：

3、一种盾构机刀盘驱动水冷变频控制柜，包括柜体，柜体内设置在有主电源回路、六组变频驱动单元、dp/profinet通信网络、水冷监控系统、plc控制系统和辅助电源系统；

4、主电源回路采用690vac/50hz三相交流it网络供电架构，经十二脉冲整流供电方式，通过断路器母排分配至六组变频驱动单元；

5、每组变频驱动单元包括依次连接的断路器、输入电抗器、变频器及输出端子；

6、变频器采用vaconnxp液冷型变频器，每台变频器配置有opt-a1基本i/o板、opt-a2继电器扩展板、opt-b8扩展i/o板和opt-cpprofinet通信选件板；dp/profinet通信网络包括16口工业以太网交换机、触摸屏人机界面、plc控制器和六台变频器的opt-cpprofinet选件板，通过profinet协议组建星型拓扑的实时工业以太网；

7、水冷监控系统包括水水换热器及其水冷完成信号接口、7路漏水检测器、补水泵控制电路、流量传感器接口和温度传感器接口；漏水检测器的信号通过继电器隔离后输入至变频器数字输入端及plc系统的模拟量输入模块；

8、plc控制系统采用siemenss7-1200系列cpu，配置数字量输入/输出和模拟量输入扩展模块，通过硬接线端子排接收手动/自动复位、水冷完成、冷凝检测、急停信号、断路器状态反馈、漏水报警等信号，并通过profinet网络实现与六台变频器opt-cp板的实时通信。

9、进一步的，六组变频驱动单元中断路器之间的电气联锁采用串行辅助触点链路方式，上一级断路器的辅助触点常开端子连接至下一级断路器的辅助触点输入端，形成逐级使能的级联逻辑；当任一级断路器故障脱扣时，其下游所有断路器接收不到闭合使能信号，实现故障的局部隔离。

10、进一步的，dp/profinet通信网络中，交换机的端口1至端口6分别连接六台变频器的opt-cpprofinet通信板，端口11连接plc控制器，端口12连接触摸屏人机界面；交换机采用24vdc冗余电源供电，两路电源通过二极管”或”逻辑并联输出。

11、进一步的，水冷监控系统中，7路漏水检测器kl1和ld1-ld6的常闭触点采用串联方式连接，任一路检测到漏水时串联回路断开；漏水检测器串联回路的输出端与水水换热器的水冷完成触点串联后，通过”与”逻辑接入变频器opt-a1板的数字输入端di4，作为水冷ok联锁信号。

12、进一步的，plc控制系统中，针对同一水冷回路上的3路冗余流量传感器，硬件电路中设计了”3取2”的表决逻辑——仅当三路传感器中至少有两路读数同时低于流量阈值时，才判定为流量不足故障并触发保护停机。

13、进一步的，柜体内部还包括由24vdc开关电源冗余供电系统、柜内照明电路、散热风扇控制电路、加热器控制电路、除湿机控制电路、温度传感器jwt6011r及加热电阻jrq100组成的柜内环境调节子系统。

14、进一步的，plc的急停处理逻辑为：急停按钮常闭触点断开→急停中间继电器k6线圈失电→k6的所有常开触点断开→所有变频器的opt-a1板di1启动信号失电→变频器进入惯性停机模式；同时plc检测到急停信号后经约200ms延时驱动所有断路器分励脱扣线圈mx分闸。

15、进一步的，冷凝传感器-tt的信号同时接入变频器opt-a1板的数字输入端dia、plc模拟量输入扩展模块和柜内加热除湿控制回路；当冷凝传感器检测到结露时，自动接通加热器和除湿机的供电回路，并在结露消除后延时30分钟自动停止。

16、进一步的，变频器opt-b8扩展i/o板采集水冷出水温度传感器和流量传感器的4-20ma信号，变频器内部在出水温度超过55℃或流量低于设定阈值时发出冷却故障报警并自动降低输出功率；故障持续超过30秒则触发保护停机。

17、进一步的，主电源回路的断路器选用nsx630h系列690v 630a 3p3d塑壳断路器，配置of辅助触点、sd脱扣指示触点和mx分励脱扣线圈；进线电抗器和emc滤波器串联于主进线端子与直流母排之间。

18、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

19、1）通过12脉冲整流供电母排架构与断路器级联联锁电路的设计，将6台350kw大功率变频器及其外围器件高度集成于紧凑柜体中，大幅减少了电气柜数量和占地面积，特别适合盾构机狭窄空间的应用需求；

20、2）基于16口工业交换机的profinet星型网络拓扑实现了plc与6台变频器之间小于2ms的实时同步通信，为多电机刀盘驱动的精确转矩分配和速度同步提供了通信保障；同时触摸屏与plc的独立接入设计使网络具备故障隔离能力，提高了系统可维护性；

21、3）基于opt-a1/a2/b8三块i/o板协同实现的水冷安全联锁电路，将温度、流量、漏水检测三重保护逻辑通过变频器内部i/o和plc外部逻辑相结合的方式，实现了从传感器采集→变频器本地判断→plc全局判断→保护动作的多层级安全保护体系，响应时间快且可靠性高；

22、4）基于s7-1200plc的”3取2”冗余传感器表决逻辑与集约化模拟量处理电路设计，在保证水冷系统关键参数监控精度的同时，有效避免了单传感器故障导致的保护误动作，显著提高了系统在恶劣施工环境下的运行可靠性。