CN218917959U - 一种基于profinet网络的分布式io的盾构机控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及盾构机电气控制技术领域，且公开了基于PROFINET网络的分布式IO的盾构机控制系统，包括操作台、CPU柜、膨润土柜、动力柜、拼装平台箱、泡沫箱、注浆柜、拼装机箱、盾体中继箱、皮带机柜、交换机、接口模块、监控计算机、PLC控制器及变频器，所述交换机分别设于CPU柜、动力柜及拼装平台箱内。本实用新型PROF I NET网络在100Mb/s的通信速率下传输距离最大可以达到100m，理论上在一个网段内最多可以连接256个设备，即可以有一个主站及255个分站，每个分站最多可连接32个IO模块,通过标准的、统一的PROFINET网络接口，可以快速实现盾构机控制系统模块的集成，同时方便控制系统后期使用和维护，促进盾构机设备标准化、统一化。

Description

一种基于PROFINET网络的分布式IO的盾构机控制系统

技术领域

本实用新型涉及盾构机电气控制技术领域，尤其是涉及一种基于PROFINET网络的分布式IO的盾构机控制系统。

背景技术

从目前掌握的数据看，国内现有盾构机大部分都是采用的集中式控制系统。集中控制即所有输入输出信号都集中到一个控制器下的输入输出模块，统一采集信号，由一个处理器计算处理后，统一发出信号。这种控制方式的特点是所有的信息都流入控制室，由控制室集中处理后，全部指令由此控制室下达。在这样的控制方式下，控制室可以收集和控制所有控制对象的信息和被控点，保证信息的完整性和控制的可靠性，不容易出现偏差、遗漏和错误。然而采用这种控制方式时，控制室应包括控制模块、输入信号隔离、输出信号隔离及控制配电等，控制室会过于庞大。一方面，控制室所需要的电控箱柜也会比较大，在空间紧凑的盾构很难合理布置；另一方面，控制室电控箱柜的电缆过多，从而导致电缆成本增加、信号不稳定等问题，更给盾构机的拆解、组装及维护等带来不便。另有一小部分盾构机采用的分布式IO控制系统，采用的是PROFIBUS现场总线的网络构架，而PROFIBUS现场总线网络具有传输带宽小、循环周期长、传输效率低及通信不稳定及抗干扰能力差等缺点。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于PROFINET网络的分布式IO的盾构机控制系统。本控制系统根据各电气元件分布情况适当分为若干子系统，各子系统各行其是，互不干涉，其特点是各子系统将采集的数据通过各自的接口模块传输至PLC控制器，经过CPU处理后将执行结果通过接口模块传输至各子系统进行执行，本实用新型采用基于PROFINET网络的分布式IO构架，组网灵活便捷、通信稳定高效、抗干扰能力强；整机电控箱柜分散布置，电气配盘及安装方便，空间利用率高；各电控箱柜的电缆大量减少，降低成本的同时可以大大提高盾构机的组装、拆解及维护的效率。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于PROFINET网络的分布式IO的盾构机控制系统，包括操作台、CPU柜、膨润土柜、动力柜、拼装平台箱、泡沫箱、注浆柜、拼装机箱、盾体中继箱、皮带机柜、交换机、接口模块、监控计算机、PLC控制器及变频器，所述交换机分别设于CPU柜、动力柜及拼装平台箱内，所述动力柜及拼装平台箱内的交换机通过PROFINET网络分别与CPU柜内的交换机进行连接，所述接口模块及监控计算机均设于操作台内并通过PROFINET网络连接后再与CPU柜内的交换机进行连接，所述接口模块及PLC控制器均设于CPU柜内并通过PROFINET网络连接后再与CPU柜内的交换机进行连接，所述变频器分别设于膨润土柜、注浆柜及皮带机柜内，所述膨润土柜内的两台变频器通过PROFINET网络连接后再与CPU柜内的交换机进行连接，所述皮带机柜内的一台变频器和注浆柜内的两台变频器通过PROFINET网络连接后再与动力柜内的交换机进行连接，所述拼装平台箱、泡沫箱、拼装机箱及盾体中继箱内的接口模块通过PROFINET网络均与拼装平台箱内的交换机进行连接。

作为本实用新型的一种优选技术方案，采用了PROFINET网络的分布式IO系统。

作为本实用新型的一种优选技术方案，还包括控制柜体或箱体，所述交换机、接口模块、监控计算机、PLC控制器和变频器均设于控制柜体或箱体内。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述交换机及变频器均有三个，所述接口模块共有七个。

作为本实用新型的一种优选技术方案，七个所述接口模块分别为操作台接口、CPU柜接口、动力柜接口、拼装平台接口、泡沫箱接口、拼装机箱接口及盾体中继接口。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述接口模块的型号为IM 155-6 PN ST。

作为本实用新型的一种优选技术方案，还包括监控计算机，所述监控计算机通过PROFINET网络连接至系统。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述操作台、CPU柜、动力柜及盾体中继箱的侧面开设有散热孔及安装有风扇，所述柜体的底面设有防震动的缓冲垫。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

1、本实用新型建立一个基于PROFINET网络的分布式IO的系统构架，组网灵活快捷，接口模块使用PROFINET接口连接可以构建大规模、大容量、分散控制、集中管理的电气控制系统，PROFINET网络在100Mb/s的通信速率下传输距离最大可以达到100m，理论上在一个网段内最多可以连接256个设备，即可以有一个主站及255个分站，每个分站最多可连接32个IO模块,通过标准的、统一的PROFINET网络接口，可以快速实现盾构机控制系统模块的集成，同时方便控制系统后期使用和维护，促进盾构机设备标准化、统一化。

2、本实用新型采用基于PROFIBET网络的分布式IO的系统构架，通信稳定高效、抗干扰能力强，PROFINET网络数据传输速率远高于传统现场总线，可在不影响I/O数据传输的情况下实现大数据量的无故障传输，PROFINET支持光纤，尤其是在对电磁干扰非常敏感的区域使用。

3、本实用新型在系统设计时，各子系统都预留信号通道，可以很方便地对各子系统信号进行扩展。PROFINET网络具有很好的扩展性，可以很方便地在既有网络拓扑的任何位置增加接口模块而既有网络的信号不会受影响。这样可以通过增加子系统和信号通道等来满足盾构机增加部分功能的改造要求，缩短系统设计和安装周期，提高设备改造的效率。

4、本实用新型采用基于PROFIBET网络的分布式IO网络构架，各子系统通过接口模块分散安装至现场适当位置，中间通过PROFINET网络连接，可以显著减少配电和控制电缆的使用量，从而节约电缆成本，大大减少布线和维护工作的工作量。

5、本实用新型各子系统均集成在控制柜体或箱体中，控制柜体或箱体都具有良好的散热和防震等功能，确保整个系统能够长时间稳定可靠运行。本实用新型结构简单、性能稳定、通用性强、扩展性好，易于在盾构机工程使用中推广应用。

附图说明

图1为本实用新型箱柜安装布置图；

图2为PROFINET网络拓扑图；

图3为运行步骤示意图。

图中：1、操作台，2、CPU柜，3、膨润土柜，4、动力柜，5、拼装平台箱，6、泡沫箱，7、注浆柜，8、拼装机箱，9、盾体中继箱，10、皮带机柜，11、交换机，12、接口模块，13、监控计算机，14、PLC控制器，15、变频器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。本实施例以本实用新型技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

如图1至图3所示，一种基于PROFINET网络的分布式IO的盾构机控制系统包括操作台1、CPU柜2、膨润土柜3、动力柜4、拼装平台箱5、泡沫箱6、注浆柜7、拼装机箱8、盾体中继箱9、皮带机柜10、交换机11、接口模块12、监控计算机13、PLC控制器14及变频器15，交换机11分别设于CPU柜2、动力柜4及拼装平台箱5内，动力柜4及拼装平台箱5内的交换机11通过PROFINET网络分别与CPU柜2内的交换机11进行连接，接口模块12及监控计算机13均设于1操作台内并通过PROFINET网络连接后再与CPU柜2内的交换机11进行连接，接口模块12及PLC控制器14均设于CPU柜2内并通过PROFINET网络连接后再与CPU柜2内的交换机11进行连接，变频器15分别设于膨润土柜3、注浆柜7及皮带机柜10内，膨润土柜3内的两台变频器15通过PROFINET网络连接后再与CPU柜2内的交换机11进行连接，皮带机柜10内的一台变频器15和注浆柜7内的两台变频器15通过PROFINET网络连接后再与动力柜4内的交换机11进行连接，拼装平台箱5、泡沫箱6、拼装机箱8及盾体中继箱9内的接口模块12通过PROFINET网络均与拼装平台箱5内的交换机11进行连接。

交换机11及变频器15均有三个,接口模块12共有七个，配合使用可实现盾构机控制系统中多个分布式子系统的集成，便于设备使用人员统一接线管理；图2中的网络拓扑图说明了本系统网络连接情况，实线表示各PROFINET接口之间的网络连接；图3中的连接示意图说明了盾构机运行步骤的示意图。

本实施例中，七个分布式接口模块12配合PLC控制器，实现盾构机控制系统各PROFINET接口的标准化连接，PROFINET网络是一种大容量、高速、性能优良的网络，速度可达100Mb/s，可使用以太网电缆或光纤连接，传输距离最大可以达到100m，因此可以快速实现电气控制信号的传输，从而控制盾构机上的各种阀门等电气执行元件动作，主要包括盾构机的各种液压泵、马达及油缸等。

七个接口模块12分别为操作台接口、CPU柜接口、动力柜接口、拼装平台接口、泡沫箱接口、拼装机箱接口及盾体中继接口，接口模块12的型号为IM 155-6 PN ST，利用交换机11组成PROFINET网络可以对盾构机整个控制系统各电气元件进行监控。

本实施例中，PLC控制器14及接口模块12可采用西门子1500系列PLC，包括CPU模块CPU 1516-3 PN/DP，接口模块IM 155-6 PN ST。

使用时，将盾构机各子系统内部对应电气元件的电缆连接至对应的标准化、模块化的接口模块12，各子系统通过一根电源线和一根网线进行连接后与对应交换机11进行连接即可，利用西门子博图编程软件，连接至系统PROFINET网络，分别设置CPU模块及接口模块12的名称及IP地址，即可建立连接并下载监控程序到PLC控制器内。通过监控计算机上的监控软件可以显示盾构机运行的实时数据，历史曲线及报警信息等内容，发出操作指令，实时监控盾构机运行情况。

本实用新型构建一种基于PROFINET网络的分布式IO控制系统，同时设置了分布式、模块化的接口，利用分布式、模块化的接口可以方便、快捷地组成盾构机控制系统，后期还可以根据使用需求，快速增加或减少接口的连接。本实用新型工作性能良好、系统运行稳定，较之以前的盾构机控制系统在集成、使用及维护等方面都有显著的提高。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种基于PROFINET网络的分布式IO的盾构机控制系统，其特征在于：所述控制系统包括操作台(1)、CPU柜(2)、膨润土柜(3)、动力柜(4)、拼装平台箱(5)、泡沫箱(6)、注浆柜(7)、拼装机箱(8)、盾体中继箱(9)、皮带机柜(10)、接口模块(12)、监控计算机(13)、PLC控制器(14)及多个交换机(11)和变频器(15)，多个交换机(11)分别设于CPU柜(2)、动力柜(4)及拼装平台箱(5)内，所述动力柜(4)及拼装平台箱(5)内的交换机(11)通过PROFINET网络分别与CPU柜(2)内的交换机(11)进行连接，所述接口模块(12)及监控计算机(13)均设于操作台(1)内并通过PROFINET网络连接后再与CPU柜(2)内的交换机(11)进行连接，所述接口模块(12)及PLC控制器(14)均设于CPU柜(2)内并通过PROFINET网络连接后再与CPU柜(2)内的交换机(11)进行连接；多个变频器(15)分别设于膨润土柜(3)、注浆柜(7)及皮带机柜(10)内，所述膨润土柜(3)内设有两台变频器(15)，且通过PROFINET网络连接后再与CPU柜(2)内的交换机(11)进行连接，所述皮带机柜(10)内的一台变频器(15)和注浆柜(7)内的两台变频器(15)通过PROFINET网络连接后再与动力柜(4)内的交换机(11)进行连接，所述拼装平台箱(5)、泡沫箱(6)、拼装机箱(8)及盾体中继箱(9)内的接口模块(12)通过PROFINET网络均与拼装平台箱(5)内的交换机(11)进行连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于PROFINET网络的分布式IO的盾构机控制系统，其特征在于：采用了PROFINET网络的分布式IO系统。

3.根据权利要求1所述的一种基于PROFINET网络的分布式IO的盾构机控制系统，其特征在于：所述控制系统还包括控制柜体或箱体，所述交换机(11)、接口模块(12)、监控计算机(13)、PLC控制器(14)和变频器(15)均设于控制柜体或箱体内。

4.根据权利要求1所述的一种基于PROFINET网络的分布式IO的盾构机控制系统，其特征在于：所述交换机(11)及变频器(15)均有三个,所述接口模块(12)共有七个。

5.根据权利要求1所述的一种基于PROFINET网络的分布式IO的盾构机控制系统，其特征在于：所述接口模块(12)的型号为IM 155-6PN ST。

6.根据权利要求1所述的一种基于PROFINET网络的分布式IO的盾构机控制系统，其特征在于：所述控制系统还包括监控计算机(13)，所述监控计算机通过PROFINET网络连接至系统。

7.根据权利要求3所述的一种基于PROFINET网络的分布式IO的盾构机控制系统，其特征在于：所述操作台(1)、CPU柜(2)、动力柜(4)及盾体中继箱(9)的侧面开设有散热孔及安装有风扇，所述柜体的底面设有防震动的缓冲垫。

8.根据权利要求4所述的一种基于PROFINET网络的分布式IO的盾构机控制系统，其特征在于：七个所述接口模块(12)分别为操作台接口、CPU柜接口、动力柜接口、拼装平台接口、泡沫箱接口、拼装机箱接口及盾体中继接口。

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