盾構機電液控制系統的急停功能設計

張可威+張興元+王帥+欒國宇+徐逸達

摘 要：簡單分析急停，描述系統性能等級劃分分類級別以及標準，針對盾構機復雜特殊的工作環境和現有電氣控制系統整體方案，進行適當的急停功能設計，保證盾構機的安全運行。基于該急停控制方案的盾構機電液控制系統已應用于某現場，取得了良好的效果。

關鍵詞：盾構機；系統性能等級；急停設計方案

中圖分類號：U455.43 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）02-0122-02

Abstract： It simply analyzes the sudden stop， describes the classification and classification of the system performance， and designs the proper stop function according to the complex and special working environment of shield machine and the overall scheme of the existing electrical control system， ensuring the safe operation of shield machine. The electrohydraulic control system of shield machine based on the control scheme has been applied to a certain field， and good results have been obtained.

Keywords： shield machine； system performance grade； emergency stop design scheme

引言

為了更好地提高隧道掘進效率，緩解國內交通運輸的問題，國內各大城市紛紛引進高效的全斷面掘進機，也稱盾構機。其中電液控制系統是盾構機自動化的關鍵組成部分，承擔著控制盾構機完成各項動作的艱巨任務。

整個盾構機由幾百個甚至上千個電氣液壓部件組成。在地面掘進的過程中，所有部件根據盾構機的位置以及掘進過程執行相應的動作，從而保證了盾構機挖掘工作的正常運行。

然而，隨著自動化程度越來越高，施工要求越來越大，再加上其惡劣工作環境環境、磁場強度高、空氣濕度大、粉塵含量高，以及機器重復使用次數多等特點，會對現有的盾構機電液控制系統的軟硬件運行造成干擾，可能導致盾構機的誤動作，導致盾構機挖掘過程中的安全事故。

盾構機在正常運行時，無論盾構機上面的電液部件在執行什么動作，一旦出現緊急情況，都要求整個盾構機所有電液部件立即停止動作，防止發生意外事故。這就要求盾構機的電液控制系統具有控制整個盾構機所有部件立即停止動作的功能。

然而，目前國內外的盾構機的急停控制系統各不相同。鑒此，本文提出了一種盾構機在工作中出現緊急情況時使用的急停控制方案，即在盾構機工作中出現緊急情況時，操作急停按鈕使整個盾構機上面的電液部件都立即停止動作，并不再響應任何后續操作指令。在危險情況排除后，復原急停按鈕，對系統復位之后就可以使盾構機恢復正常工作。

1 盾構機電液控制系統整體方案

盾構機電液系統由CPU，基站和電液驅動部分組成，其中一臺盾構機一般包括多個含有模塊的基站以及上百個電液驅動部件。CPU和輸出模塊之間可以通過Tcp/Ip通信方式相互通信。

盾構機在工作的時候，不僅可以操作各個電液驅動部件，還可以實時巡檢整個盾構機上面的電液部件的運行狀態。

不過雖然程序上面可以做出急停，但是由于井下工作環境惡劣、磁場強度高、空氣濕度大、粉塵含量高，很容易出現信號干擾，不能及時急停，造成不必要的損失。

2 系統性能等級劃分

不論是我國最早的標準EN954-1還是升級的ISO13849-1：2006，都對安全級別進行了劃分，新標準進一步對于裝置的安全級別進行一些細致的修改，可以看出長期以來對于安全級別的重視。

根據所使用的安全保護裝置的不同，可以有不同的安全停止功能。在正常運行中使用的停止功能，必須要能夠避免機器設備、產品和加工過程被破壞，同時要能夠防止機器設備的重新啟動，這就是對安全停止功能的要求。[1]

安全定義的是一種狀態，以將損壞風險降至可接受的水平，或視為無風險。根據該定義，功能性安全主要涉及的是人、機器以及環境，安全控制系統是為確保機械在出現故障時，仍處于安全狀態的系統。

安全控制系統可以保證機器可靠并且安全地停機，可以避免事故擴大化和二次傷害。

安全功能由安全控制系統執行。通常包括三個子系統：檢測裝置，評估單元和執行裝置。

目前，根據系統實現的性能等級PLr，新標準中采用了5個新的表示不同性能等級，即a，b，c，d和e，分別代表了系統安全等級從低到高，對應的危險也是從低到高，對應于過去安全控制類別B，1，2，3，4。如圖1所示。

通過圖1、圖2可知，兩個監測裝置的安全回路要比一個監測裝置的更安全，系統性能等級也越高。

兩路評估單元的安全回路要比一路評估單元的更安全，系統性能等級也越高。

兩路執行裝置的安全回路要比一路執行裝置的更安全，系統性能等級也越高。

總的來說，結構越合理，使用的硬件越多，回路越多的，越容易規避由于硬件出現問題所導致的危險，系統性能等級也越高。

3 盾構機電液控制系統急停功能的設計方案

基于以上盾構機電液控制系統現有方案，本著簡單易用，使用靈活，經濟實用的原則，提出了以下急停系統性能等級介于c與d之間的急停功能設計方案。

如圖3所示，以急停按鈕為監測裝置，安全繼電器作為評估單元，以繼電器作為執行裝置構建一個安全控制系統。

通過電纜將急停按鈕串聯起來，形成一個急停回路，并與急停繼電器相連接，然后將急停繼電器的狀態觸點串聯進入一個繼電器控制回路當中，用小電流的繼電器控制大電流的電機控制電路。

發生緊急情況的時候，按下任意一個急停按鈕，信號都會傳到安全繼電器當中，將其觸發，進而將所有的電機控制回路切斷，這樣就可以用急停按鈕操控電液部件的停止。

其中所有的連接都直接連接，不走通訊，可以保證急停系統不受外界信號的干擾，更加穩定可靠。

系統將所有的急停控制集成起來，使設計、工程安裝和調試變得更加容易、成本更低。統一的總線和工程系統減少了各項費用的支出。

除此之外，系統的急停繼電器信號也會在觸發之后進入到PLC當中，通過程序，在操作面板上面顯示，幫助操作者發現并查找問題，并且在排查故障，手動恢復急停按鈕的狀態之后，只能通過程序對安全繼電器復位，恢復盾構機的正常運行。

集成了安全功能的系統，配合著PLC，提高了生產效率，可以實現更快的故障診斷，從而減少了停機時間，提高了生產效率。

綜上所述，這樣就搭建成功了一個操作方便，安全可靠，經濟實用的急停功能設計方案。

4 結束語

盾構機急停控制方案實現了當緊急情況出現之時，快速急停，但緊急情況出現，及時停止，滿足了生產以及施工需求。該急停控制方案中采用集成方式，減少了冗余裝置，有效地減少了成本，減輕了工作人員強度，提高了生產效率。基于該急停控制方案的盾構機電液控制系統已應用于某現場，取得了良好的效果。

參考文獻：

[1]郭海濤，陽憲惠.安全系統的安全完整性水平及其選擇[J].化工自動化及儀表，2006，33（2）：71-75.endprint