钱江隧道盾构泥水处理电气系统

1 概述
钱江隧道北接沪杭高速公路，南与杭甬高速相通，是杭州与嘉兴、绍兴之间相互连接的重要通道之一。钱江隧道施工所用的泥水处理系统是将法国“MS”系统设备、德国“莎堡”系统设备，以及自主设计的泥水辅助配套系统进行整合的泥水处理综合系统；是根据泥水处理机械总体设计提供的系统参数、设备配置、控制模式和要求进行电气设计的。
泥水盾构推进时所排放的高浓度泥水，通过3种方式处理后进入调整槽：①通过沉淀池的初级沉淀处理后进入调整槽；②由MS泥水处理系统的除砂筛一级处理或除泥泵二级处理，除去部分砂土后进入调整槽；③送入莎堡泥水处理系统处理后进入调整槽。3种方式处理后的泥浆汇集至调整槽，根据需要再加入新浆和水进行搅拌，可配制成隧道施工所需比重及黏度的泥水。
2 供配电设计
　　泥水处理电气系统分为清水分系统、处理分系统（MS处理、莎堡处理、沉淀池处理）、新浆分系统、弃浆分系统等。
2.1 动力设备

　　泥水处理系统动力设备共有60余台，主要设备的现场布置见图1，其详细功率见表1。

　　2.2 电气设备
根据各分系统的操作、控制特点、处理设备的分布状况，共设集控柜A1～A3区、B区及9个（F、C、N1、N2、N3、N4、N5、莎堡控制柜）电气箱柜。清水分系统设备由F柜配电；处理分系统（MS处理、莎堡处理、沉淀池处理）由A区、B区及莎堡控制柜配电；新浆分系统设备由C柜配电；弃浆分系统设备分别由N1、N2、N3、N4、N5柜配电。

　　2.3 供电方式
系统采用低压供电方式，电源由现场6台箱式变压器提供，现场箱变由供电局供电。设备配电系统详见图2。


　　2.4 供电容量
设备总功率约为3300kW；同时使用的最大功率约2500kW；该供电系统的特点是:系统规模较大、总体用电负荷较高，电气系统中采用了较多的大功率配电保护器件，以确保整个系统正常、安全地运行。
　2.5 电压等级和用途（见表2）



　2.6 动力设备的保护
各控制箱柜内均设总断路器，具有短路、过流、漏电等保护功能，各动力回路中45kW及以上电动机采用Y/△启动方式，其他电动机采用直接启动方式。
2.7 电气设备的接地
系统采用三相五线制供电（电源来自箱式变电站）。降压变压器低压侧为中性点直接接地系统，所有用电设备的金属外壳可导电部分（如配电柜，电动机等）采用接零保护，零线来自箱式变电站，系统不再另设接地系统。
3 控制系统
泥水处理控制系统采用中央集中控制和就地控制2种模式，控制方法灵活，适合现场复杂的施工环境要求。系统控制程序安装于中央控制台上的中央处理器中，现场控制柜中安装远程模块，实现中央集中控制。
　3.1 控制系统的设计
采用日本三菱公司的PLC，CPU型号为Q02HCPU，现场控制网络采用CC-Link开放式现场总线，除能实现丰富的网络信息传送之外，亦能大大节省线缆的费用，还能充分利用其实时性、分散控制、网络通信可靠等优点。
PLC对分系统各设备的控制达到如下功能：
1）能可靠、灵活地对各分系统的设备进行相应的控制；
2）能及时控制各断路器、接触器、限位开关和传感器等设备信号；
3）能可靠控制各接触器、继电器等执行器件的动作（即设备的运行）；
4）主要以时序控制、逻辑控制来实现各设备的联锁保护。
3.2 控制系统的组成
控制主站设在泥水处理控制室的控制台内，下设20多个控制远程站。主站设在泥水处理控制室的控制站内。在主站上配置了1个图型操作终端（GOT），用于系统设备的操作和监视。远程站分别安装在现场的各控制柜中，PLC模块配置详见表3，PLC通信网络见图3。




图中，主站与从站之间采用CC-LINK现场总线，通过带屏蔽的多芯专用通讯线缆连接，为防止通信信号的衰减，在链形末端（F柜）加装终端电阻。
3.3 检测传感器
系统需要检测调整槽、储浆槽浆液的密度、除砂泵的总流量等，可通过在设定模式下安全运作的传感器信号系统提供的信息中获取；这些高性能的检测元件（传感器）是自动控制闭环系统中的重要组成部分。检测传感器的配置情况见表4。


4 监控系统
监控系统采用与PLC配套的HMI开发平台，选用三菱电机的工业级人机界面触摸屏作为操作控制屏，通过人机界面操作形式，监控画面提供操作界面及设备管理的相关信息，设备的运行数据也可被实时采集并记录。监控信息来源于PLC系统，通过QBUS总线接口获取。
1）画面设计以显示清晰、简洁明了、数据全面、操作方便为原则，分为“主页”、“弃浆一”、“弃浆二”、“旋流处理”、“液位/取水”、“清水”、“莎堡”、“新浆”和“系统”9个画面。
2）“弃浆一”、“弃浆二”、“旋流处理”、“清水”、“莎堡”、“新浆”画面绘制各处理步骤的工作流程，提供各设备的操作并显示各设备的运行状态；
3）“液位/取水”画面集中显示系统中各槽体内浆液的液位及取水系统电机操作及运行情况。
4）“系统”画面以变色指示钮的形式显示各设备的状态信息，任何设备发生故障时设备的故障信息将以文字形式显示在指示钮上，同时指示钮的背景颜色也会由正常状态下的绿色变为红色。
5）“测量数据”画面显示密度计和流量计的实时测量值。
简洁明了的操作界面，能完整显示所有关键的数据信息，提供盾构操作者一个友好的工作界面。不仅提供操作人员在操作上的便利，更简化了设备维护团队进行故障处理的过程。所有的故障和运行信息都储存在管理计算机内，提供给施工管理人员对施工过程进行监控。
5 结语
泥水处理系统是泥水平衡盾构施工中的重要组成部分，由于所设计的泥水处理电气系统操作方便，使设备运行安全可靠、自动化程度高、泥水处理效率高，确保钱江隧道工程单线隧道的施工顺利完成，同时还节省了人力、物力；而且在施工进度和施工质量上均优于预期。从而说明泥水处理电气系统达到了设计的要求，取得了良好效果。