盾構(gòu)機(jī)電液控制系統(tǒng)的急停功能設(shè)計(jì)

張可威+張興元+王帥+欒國(guó)宇+徐逸達(dá)

摘 要：簡(jiǎn)單分析急停，描述系統(tǒng)性能等級(jí)劃分分類級(jí)別以及標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)盾構(gòu)機(jī)復(fù)雜特殊的工作環(huán)境和現(xiàn)有電氣控制系統(tǒng)整體方案，進(jìn)行適當(dāng)?shù)募蓖９δ茉O(shè)計(jì)，保證盾構(gòu)機(jī)的安全運(yùn)行。基于該急?？刂品桨傅亩軜?gòu)機(jī)電液控制系統(tǒng)已應(yīng)用于某現(xiàn)場(chǎng)，取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)機(jī)；系統(tǒng)性能等級(jí)；急停設(shè)計(jì)方案

中圖分類號(hào)：U455.43 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(jìn)效率，緩解國(guó)內(nèi)交通運(yùn)輸?shù)膯?wèn)題，國(guó)內(nèi)各大城市紛紛引進(jìn)高效的全斷面掘進(jìn)機(jī)，也稱盾構(gòu)機(jī)。其中電液控制系統(tǒng)是盾構(gòu)機(jī)自動(dòng)化的關(guān)鍵組成部分，承擔(dān)著控制盾構(gòu)機(jī)完成各項(xiàng)動(dòng)作的艱巨任務(wù)。

整個(gè)盾構(gòu)機(jī)由幾百個(gè)甚至上千個(gè)電氣液壓部件組成。在地面掘進(jìn)的過(guò)程中，所有部件根據(jù)盾構(gòu)機(jī)的位置以及掘進(jìn)過(guò)程執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，從而保證了盾構(gòu)機(jī)挖掘工作的正常運(yùn)行。

然而，隨著自動(dòng)化程度越來(lái)越高，施工要求越來(lái)越大，再加上其惡劣工作環(huán)境環(huán)境、磁場(chǎng)強(qiáng)度高、空氣濕度大、粉塵含量高，以及機(jī)器重復(fù)使用次數(shù)多等特點(diǎn)，會(huì)對(duì)現(xiàn)有的盾構(gòu)機(jī)電液控制系統(tǒng)的軟硬件運(yùn)行造成干擾，可能導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)的誤動(dòng)作，導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)挖掘過(guò)程中的安全事故。

盾構(gòu)機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)，無(wú)論盾構(gòu)機(jī)上面的電液部件在執(zhí)行什么動(dòng)作，一旦出現(xiàn)緊急情況，都要求整個(gè)盾構(gòu)機(jī)所有電液部件立即停止動(dòng)作，防止發(fā)生意外事故。這就要求盾構(gòu)機(jī)的電液控制系統(tǒng)具有控制整個(gè)盾構(gòu)機(jī)所有部件立即停止動(dòng)作的功能。

然而，目前國(guó)內(nèi)外的盾構(gòu)機(jī)的急停控制系統(tǒng)各不相同。鑒此，本文提出了一種盾構(gòu)機(jī)在工作中出現(xiàn)緊急情況時(shí)使用的急?？刂品桨福丛诙軜?gòu)機(jī)工作中出現(xiàn)緊急情況時(shí)，操作急停按鈕使整個(gè)盾構(gòu)機(jī)上面的電液部件都立即停止動(dòng)作，并不再響應(yīng)任何后續(xù)操作指令。在危險(xiǎn)情況排除后，復(fù)原急停按鈕，對(duì)系統(tǒng)復(fù)位之后就可以使盾構(gòu)機(jī)恢復(fù)正常工作。

1 盾構(gòu)機(jī)電液控制系統(tǒng)整體方案

盾構(gòu)機(jī)電液系統(tǒng)由CPU，基站和電液驅(qū)動(dòng)部分組成，其中一臺(tái)盾構(gòu)機(jī)一般包括多個(gè)含有模塊的基站以及上百個(gè)電液驅(qū)動(dòng)部件。CPU和輸出模塊之間可以通過(guò)Tcp/Ip通信方式相互通信。

盾構(gòu)機(jī)在工作的時(shí)候，不僅可以操作各個(gè)電液驅(qū)動(dòng)部件，還可以實(shí)時(shí)巡檢整個(gè)盾構(gòu)機(jī)上面的電液部件的運(yùn)行狀態(tài)。

不過(guò)雖然程序上面可以做出急停，但是由于井下工作環(huán)境惡劣、磁場(chǎng)強(qiáng)度高、空氣濕度大、粉塵含量高，很容易出現(xiàn)信號(hào)干擾，不能及時(shí)急停，造成不必要的損失。

2 系統(tǒng)性能等級(jí)劃分

不論是我國(guó)最早的標(biāo)準(zhǔn)EN954-1還是升級(jí)的ISO13849-1：2006，都對(duì)安全級(jí)別進(jìn)行了劃分，新標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步對(duì)于裝置的安全級(jí)別進(jìn)行一些細(xì)致的修改，可以看出長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)于安全級(jí)別的重視。

根據(jù)所使用的安全保護(hù)裝置的不同，可以有不同的安全停止功能。在正常運(yùn)行中使用的停止功能，必須要能夠避免機(jī)器設(shè)備、產(chǎn)品和加工過(guò)程被破壞，同時(shí)要能夠防止機(jī)器設(shè)備的重新啟動(dòng)，這就是對(duì)安全停止功能的要求。[1]

安全定義的是一種狀態(tài)，以將損壞風(fēng)險(xiǎn)降至可接受的水平，或視為無(wú)風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)該定義，功能性安全主要涉及的是人、機(jī)器以及環(huán)境，安全控制系統(tǒng)是為確保機(jī)械在出現(xiàn)故障時(shí)，仍處于安全狀態(tài)的系統(tǒng)。

安全控制系統(tǒng)可以保證機(jī)器可靠并且安全地停機(jī)，可以避免事故擴(kuò)大化和二次傷害。

安全功能由安全控制系統(tǒng)執(zhí)行。通常包括三個(gè)子系統(tǒng)：檢測(cè)裝置，評(píng)估單元和執(zhí)行裝置。

目前，根據(jù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的性能等級(jí)PLr，新標(biāo)準(zhǔn)中采用了5個(gè)新的表示不同性能等級(jí)，即a，b，c，d和e，分別代表了系統(tǒng)安全等級(jí)從低到高，對(duì)應(yīng)的危險(xiǎn)也是從低到高，對(duì)應(yīng)于過(guò)去安全控制類別B，1，2，3，4。如圖1所示。

通過(guò)圖1、圖2可知，兩個(gè)監(jiān)測(cè)裝置的安全回路要比一個(gè)監(jiān)測(cè)裝置的更安全，系統(tǒng)性能等級(jí)也越高。

兩路評(píng)估單元的安全回路要比一路評(píng)估單元的更安全，系統(tǒng)性能等級(jí)也越高。

兩路執(zhí)行裝置的安全回路要比一路執(zhí)行裝置的更安全，系統(tǒng)性能等級(jí)也越高。

總的來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)越合理，使用的硬件越多，回路越多的，越容易規(guī)避由于硬件出現(xiàn)問(wèn)題所導(dǎo)致的危險(xiǎn)，系統(tǒng)性能等級(jí)也越高。

3 盾構(gòu)機(jī)電液控制系統(tǒng)急停功能的設(shè)計(jì)方案

基于以上盾構(gòu)機(jī)電液控制系統(tǒng)現(xiàn)有方案，本著簡(jiǎn)單易用，使用靈活，經(jīng)濟(jì)實(shí)用的原則，提出了以下急停系統(tǒng)性能等級(jí)介于c與d之間的急停功能設(shè)計(jì)方案。

如圖3所示，以急停按鈕為監(jiān)測(cè)裝置，安全繼電器作為評(píng)估單元，以繼電器作為執(zhí)行裝置構(gòu)建一個(gè)安全控制系統(tǒng)。

通過(guò)電纜將急停按鈕串聯(lián)起來(lái)，形成一個(gè)急?；芈罚⑴c急停繼電器相連接，然后將急停繼電器的狀態(tài)觸點(diǎn)串聯(lián)進(jìn)入一個(gè)繼電器控制回路當(dāng)中，用小電流的繼電器控制大電流的電機(jī)控制電路。

發(fā)生緊急情況的時(shí)候，按下任意一個(gè)急停按鈕，信號(hào)都會(huì)傳到安全繼電器當(dāng)中，將其觸發(fā)，進(jìn)而將所有的電機(jī)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(tǒng)不受外界信號(hào)的干擾，更加穩(wěn)定可靠。

系統(tǒng)將所有的急停控制集成起來(lái)，使設(shè)計(jì)、工程安裝和調(diào)試變得更加容易、成本更低。統(tǒng)一的總線和工程系統(tǒng)減少了各項(xiàng)費(fèi)用的支出。

除此之外，系統(tǒng)的急停繼電器信號(hào)也會(huì)在觸發(fā)之后進(jìn)入到PLC當(dāng)中，通過(guò)程序，在操作面板上面顯示，幫助操作者發(fā)現(xiàn)并查找問(wèn)題，并且在排查故障，手動(dòng)恢復(fù)急停按鈕的狀態(tài)之后，只能通過(guò)程序?qū)Π踩^電器復(fù)位，恢復(fù)盾構(gòu)機(jī)的正常運(yùn)行。

集成了安全功能的系統(tǒng)，配合著PLC，提高了生產(chǎn)效率，可以實(shí)現(xiàn)更快的故障診斷，從而減少了停機(jī)時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。

綜上所述，這樣就搭建成功了一個(gè)操作方便，安全可靠，經(jīng)濟(jì)實(shí)用的急停功能設(shè)計(jì)方案。

4 結(jié)束語(yǔ)

盾構(gòu)機(jī)急?？刂品桨笇?shí)現(xiàn)了當(dāng)緊急情況出現(xiàn)之時(shí)，快速急停，但緊急情況出現(xiàn)，及時(shí)停止，滿足了生產(chǎn)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(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率?；谠摷蓖？刂品桨傅亩軜?gòu)機(jī)電液控制系統(tǒng)已應(yīng)用于某現(xiàn)場(chǎng)，取得了良好的效果。

參考文獻(xiàn)：

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