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工程机械 | 解决“卡脖子”难题,为盾构装上“中国心”
澳门银银河7163 2022-12-02 00:00:00
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国之重器

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• 掘进中的逆袭 •

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前言

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5月15日起,中央广播电视总台《焦点访谈》播出了系列节目《领跑的密码》,关注那些积蓄发力成为国际国内行业领跑者的行业和产业。5月15日播出的《领跑的密码 盾构机:掘进中的逆袭》聚焦盾构机国产化背后的故事。

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盾构机国产化中应用的

澳门银银河7163ZC-300PLC产品

盾构机,全名盾构隧道掘进机,是一种隧道掘进的大型专用工程机械。现代盾构掘进机是集光、机、电、液、传感、控制、信息技术于一体的高端制造装备。随着盾构设备应用环境的不断扩宽,其对控制系统的自主可控、掘进速度、安全性、通信速率等提出了非常高的要求。面对国外对控制系统的高度垄断,国产高性能的控制系统研制变得更加迫切。




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盾构机

国之重器

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“飞天有神舟,潜海有蛟龙,追风有高铁,入地有盾构”,盾构机是一种现代化隧道掘进专用的大型工程机电成套装备,工作的时候就像蚯蚓钻洞,“啃”地下的土石,然后将其变成泥石饼吐送到身后的传送带上运出隧道。盾构机不仅可以大大加快施工速度,节约施工成本,更重要的是,盾构机增加了施工的安全性,降低了对隧道的破坏,盾构机现已普遍应用到隧道挖掘工程中。

盾构机的效果使得它能够在任意隧道工程中发挥出至关重要的作用,隧道施工的每一个环节,都需要盾构机进行施工。因此,盾构机也被称为“世界工程机械之王”,是一个国家综合制造能力的体现,是名副其实的大国重器,广泛应用于地铁和高铁、公路、市政、水电等隧道工程建设





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打破

进口高度依赖

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然而,时光倒转十几年,中国盾构市场还一直被外国公司垄断。大型盾构机技术附加值高、制造工艺复杂,国际上只有欧美和日本的几家企业能够研制生产。盾构机的关键技术如:

1

盾构机的有效密封

2

确保开挖面的稳定、控制地表隆起及塌陷在规定范围之内

3

刀具的使用寿命

4

在密封条件下的刀具更换

5

对一些恶劣地质如高水压条件的处理技术

这些是摆在我们面前的技术难题。由于掌握不到核心技术,在很长一段时间内我国的盾构机只能依赖进口,一旦设备出现故障就只能停工,花高价请国外工程师来维修,每天都要承受近百万元的损失,只能干着急。

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随着铁路、公路、地铁、水利、海底隧道等大量基础设施的建设,我国对盾构机的需求占到了全球60%以上。我国幅员辽阔,地质条件又极其复杂,盾构机使用遇到的问题是世界上最多最难的,诸多不同地质条件下的施工技术难题急需突破,而核心技术的缺失、高昂的成本,让我国在相当长的时期内,在盾构机的使用上,处处受制于人,自主研发和生产盾构机成为摆在我们面前别无选择的唯一出路。

2006年

国务院正式将盾构机的研制列入16项重大技术装备之一。

2008年

我国第一台拥有自主知识产权的复合式土压平衡盾构机正式下线。

2017年

中国盾构机的产销量攀升至全球第一,在国际上越来越多的工程项目、施工现场,都可以看到中国盾构机作业的雄姿。

从无到有,从模仿学习到与外国知名品牌同台竞技,短短10多年,中国盾构机完成了看似不可能的跨越。

国产盾构不仅在掘进速度和性能上表现优异,占据国内新增市场份额的95%以上,而且走出国门,名扬四海。中国已然进入了盾构装备设计制造发达国家行列,引领未来发展!




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大脑

“卡脖子”问题

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盾构机对可靠性要求极高,这样一个庞大的工程机械,其“大脑”PLC控制系统更是依赖进口,盾构系统核心算法需要计算机与PLC协同控制,系统较为复杂,存在“卡脖子”问题

目前的盾构控制系统主要存在以下几方面问题:

01

核心处理模块

依赖进口、安全性低、处理速度慢等问题;

02

嵌入式操作系统

在盾构控制系统中,嵌入式操作系统除对高实时处理速度具备一定要求外,还对其信息安全有一定要求。而目前业内盾构控制系统不具备高安全性,易导致信息丢失、处理错误等问题。

03

总线通信技术

针对盾构控制系统在复杂电磁环境下,现有总线通信速率低,时钟同步状态不稳定。

04

控制器逻辑程序编译方法

逻辑程序的编辑器及编译器全套技术都是掌握在国外公司手中,国内少数厂家具备了IEC61131-3程序编辑器开发能力,但逻辑程序编译往往采用GCC等开源工具实现,缺乏自主可控。





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全国产PLC

澳门银银河7163方案

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ZC-300

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自主可控PLC控制系统架构

澳门银银河7163研发的自主可控ZC-300系列PLC,实现CPU、嵌入式软件、控制软件、ECN总线等核心组件100%国产化。自主研发编程组态软件,符合IEC61131-3国际标准,支持IL、ST、LD、FBD、SFC五种以上编程语言。最终实现高环境适应性自主可控PLC在大型盾构机的国产化应用。

ZC-300系列PLC适应了大型盾构机的多粉尘、高腐蚀、危险气体、高湿度等复杂工况环境,成功应用在轨道交通、过江隧道、抽水蓄能等项目,不仅为澳门银银河7163后续的项目积累了宝贵的经验,也为促进我国大型装备自主可控控制系统的发展做出重要贡献。

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澳门银银河7163ZC-300现场应用

澳门银银河7163承担了科技部国家重点研发计划《大型掘进设备控制系统硬件、软件平台研制》。根据盾构机的特性对控制系统进行了关键技术创新型研究,取得成果:

原PLC外壳设计指标中不包括强烈振动环境,在盾构机较强的振动环境下,PLC外壳会发生开裂。为解决该问题,在外壳结构设计、外壳材质选择上进行改进,并进行相应等级的振动试验及现场应用试验,验证改进后的外壳符合盾构机使用环境。

为适配盾构机内部应用,开发了Profinet通信模块;改进了模拟量输出模块,使模块在故障时自动关闭输出;开发了兼容各种接线方式的模拟量输入、模拟量输出模块。

盾构机越来越大型化,原有的CPU处理能力不足,因此开发了一种融合了国产高性能CPU的高速自主可控核心处理模块。

研发了基于国产实时OS内核高实时高安全环境的全自主嵌入式系统、一种适用于盾构复杂网络环境的自主总线实时通信技术、一种混合高级编程语言的控制器逻辑程序编译方法。





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不断创新

深度参与盾构控制系统

创新研究

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为进一步提升国产盾构机的智能化水平,促进研究成果的落地与应用,澳门银银河7163联合各研究应用单位深入合作。

智能盾构项目是一个校企联合、兼顾盾构机各系统技术创新的项目,对提升国产盾构机的智能化水平,进一步解决“卡脖子”问题有着重要意义。项目由国产盾构机的“开路先锋”杨华勇院士担任首席科学家,盾构装备头部企业、澳门银银河7163(中控研究院)等单位联合承担。

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杨华勇院士主持讲话

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澳门银银河7163施一明总裁进行项目进展汇报

澳门银银河7163深度参与智能盾构项目,与各研究应用单位深入合作,完成了项目自主可控控制系统的研发,得到了项目专家的高度肯定。基于澳门银银河7163自主研制PLC构建盾构机智能控制大脑,为行业提供了高可靠、高安全、高环境适应性的国产控制系统产品,满足了国产盾构机对于自主可控控制系统的需求。在项目基础上,通过与盾构装备头部企业在设计研发的深入合作,澳门银银河7163积极探索新一代盾构控制系统产品,有力助推了盾构产业的高质量发展。

未来,澳门银银河7163将继续投入优质资源,为国家大型掘进机设备方面的“卡脖子”工程突破贡献力量,为工程机械行业贡献澳门银银河7163方案,为促进我国工程机械行业自主可控控制系统的发展做出贡献,打造中国自主可控PLC领军品牌。