長距離頂管機電氣系統(tǒng)總體設計分析

毛 成

（中國鐵建重工集團股份有限公司，湖南長沙 410100）

0 引言

非開挖管道施工技術在管道施工工程中的應用越來越多，其中頂管施工以其施工精度高、適用土質廣、使用管徑范圍大、綜合成本低、環(huán)境污染小等優(yōu)點被廣泛應用。絕大多數(shù)頂管機還是應用在短距離，其配電及控制系統(tǒng)較簡單，自動化程度較低。長距離頂管機掘進距離遠（>500 m），配電和控制更為復雜，在施工過程可能會經(jīng)常發(fā)生電氣故障導致元器件損壞或誤動作，通信不穩(wěn)定以及危及人員安全的情況，造成設備和人員損害，同時也對施工工期產(chǎn)生較大影響。究其原因，多數(shù)是電氣系統(tǒng)設計不合理或可靠性較差。因此在對長距離頂管機的電氣系統(tǒng)設計時，首先要保證電氣系統(tǒng)的合理性、可靠性。頂管機的電氣系統(tǒng)主要包括供配電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)，從上述3 個方面對長距離頂管機電氣系統(tǒng)的合理性和可靠性進行設計分析。

1 頂管機供配電系統(tǒng)

根據(jù)頂管機的施工方式，供配電系統(tǒng)分2 路：①隧道內主機負載供配電；②地面控制室及地面其他功率負載供配電。

1.1 主機負載供配電

長距離頂管機掘進距離遠，主機刀盤系統(tǒng)、排漿系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等功率較大，若采用傳統(tǒng)的低壓供配電方式，一是壓降很大，電氣設備無法工作，二是所需電纜數(shù)量大大增加，增加成本以及拆裝電纜時間長，極大地影響工程進度，故采用高壓配電方式。

1.1.1 設計供配電框架

負載容量是供配電設計的基礎。頂管機主機設備負載主要以電機為主，占供配電系統(tǒng)總容量的90%以上。另外還有照明插座、PLC 控制、傳感器及電磁閥等。

（1）根據(jù)電機功率及功能要求確定電機啟動方式。交流電機對電源電壓的波動較為敏感，應減小電機啟動對電網(wǎng)的影響。小功率電機可采用直接啟動。大功率電機啟動應采用降壓啟動，常用的方式有星三角啟動、軟啟動和變頻啟動。刀盤排漿系統(tǒng)功率較大且有調速需求，采用變頻啟動。輔助液壓泵、空壓機不頻繁啟動，綜合成本考慮，采用星三角啟動。

（2）根據(jù)各系統(tǒng)的負載容量，設計供配電系統(tǒng)的框架如圖1所示，負載容量較大的負載，如刀盤變頻系統(tǒng)、排漿變頻系統(tǒng)直接從變壓器低壓側銅排供電，其他負載從低壓配電柜供電。

圖1 主機負載供配電框架示意

（3）根據(jù)負載，選擇不同的電壓等級。插座、接觸器控制電源AC 230 V，由變壓器將進線電壓AC 400 V 降壓為AC 230 V；PLC 模塊、電磁閥、傳感器等控制電源為DC 24 V，由開關電源整流得到；照明電壓選擇安全電壓AC 24 V，由變壓器將進線電壓AC 400 V 降壓為AC 24 V。

（4）根據(jù)上述負載容量、啟動方式和電壓等級對回路元器件進行選型，主要依據(jù)回路電壓等級、最大載流量匹配，開關保護級別匹配，上下級漏電保護相互配合等。

1.1.2 主要電氣元件功能

（1）箱式變壓器。箱式變壓器將10 kV 降壓變成AC 400 V，高壓開關柜采用SF6絕緣全密封全絕緣環(huán)網(wǎng)柜做變壓器保護，具有超溫保護、速斷保護、過電流保護等自動保護功能以及帶電指示燈和測量儀表等顯示功能元件。變壓器低壓側保護開關具備過流、短路、欠壓、漏電等功能，并配備多功能電計量表、相序檢測儀、溫濕度控制器等監(jiān)測器。多功能電計量表帶通信接口，PLC 可以采集這些信息到上位機顯示并存儲，并具有相序故障顯示和溫濕度檢測及自動降溫除濕等功能，對變壓器實現(xiàn)多方面的保護，保護系統(tǒng)正常運行。

（2）變頻器。主機負載共用一個變壓器，由于刀盤與排漿泵是變頻驅動，其余非變頻負載功率較小，為盡量減少變頻負載對電網(wǎng)的諧波干擾進而可能會對非變頻負載產(chǎn)生影響，在變頻器輸入端需增加輸入電抗器。

1.1.3 快速轉接

隨著頂管機掘進距離的增加，需延伸高壓電纜。拼裝管節(jié)時，需將穿管節(jié)的管線拆除，高壓電纜拆除，主機變壓器需先斷電，管節(jié)拼裝完成后，高壓電纜連接后，主機變壓器需合閘。頂管機主機內一般無故障情況基本沒有操作人員，每次換管節(jié)都需要工作人員進洞對變壓器進行分合閘，增加了人員的工作量，影響掘進效率?？焖俎D接對工程進度的影響較為關鍵，快速轉接由高壓電纜快速拆裝及變壓器遠程分合閘配合實現(xiàn)。

（1）高壓電纜快速拆裝：高壓電纜常見拆裝有兩種：端子箱和插拔式電纜接頭。插拔式電纜接頭造價貴，制作工藝復雜，操作人員技能要求高。而端子箱造價低，結構簡單，操作較為簡單，綜合討論后采用端子箱進行高壓電纜拆裝。為減少拆裝時間，滿足結構強度的情況下，減少端子箱上固定螺釘?shù)臄?shù)量，同時端子箱處需頻繁拆卸電纜，安全性必須考慮，在端子箱柜門上做帶電指示，方便操作人員判斷是否帶電。

高壓電纜延伸配電如圖2 所示，從地面高壓開關柜接一段高壓電纜到始發(fā)井下，始發(fā)井處布置一中壓端子箱，管節(jié)拼裝時，只需從中壓端子箱出線端拆除即可。從中壓端子箱再連接100 m（因延伸高壓電纜需八字盤在管節(jié)內，實際需根據(jù)管節(jié)直徑調整長度）延伸高壓電纜到拖車上的中壓端子箱和變壓器。掘進100 m 后，從始發(fā)井中壓端子箱處新增一段100 m 高壓電纜，延伸高壓電纜兩段之間采用中間接頭連接。

圖2 高壓延伸配電

（2）變壓器遠程分合閘操作流程如圖3 所示：在地面控制室操作臺設置變壓器遠程分合閘按鈕及指示燈，變壓器分閘、合閘按鈕各并接一個繼電器觸點。經(jīng)過遠程通信、PLC 運算，實現(xiàn)變壓器遠程分合閘及復位功能。若拼裝管節(jié)前直接將地面開關柜分閘斷電，變壓器在通電的情況下被切斷電源，失壓線圈斷電動作，一個工程需要頻繁拆接高壓電纜上百次，長期頻繁操作可能損害變壓器框架斷路器壽命，同時增加安全風險，所以應嚴格按照流程規(guī)范操作。

圖3 遠程分合閘操作流程

1.2 地面設備供配電

地面功率部分主要有推進系統(tǒng)、進排漿系統(tǒng)和膨潤土系統(tǒng)。因這部分功率較小，從工地客戶變壓器供電。參考主機配電依據(jù)設計地面負載供配電框架如圖4 所示：控制室內低壓配電柜設置獨立框架斷路器，配置漏電保護器，框架下分各級開關，頂管設備負載與工地其他輔機負載隔離，互不影響。采用集裝箱式控制室，地面變頻柜、配電柜及操作臺都布置在集裝箱內，吊運轉場防護以及集中控制排查故障較為方便。

圖4 地面負載供配電框架示意

2 頂管機控制系統(tǒng)

頂管機分系統(tǒng)較多，如何有效串聯(lián)各分系統(tǒng)，實現(xiàn)設備的數(shù)據(jù)采集、控制算法、人機接口等功能，提高設備自動化水平和操作便捷性，保障控制系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性是需解決的問題。

2.1 控制系統(tǒng)

頂管機電氣控制系統(tǒng)原理如圖5 所示：采用主從方式，上下位機結構。上位機由兩臺工控機組成，兩臺工控機的數(shù)據(jù)同步顯示，并具有互換性，可防止因工控機故障而造成設備停機，形成“熱備”，增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性；下位機主要由控制室西門子S7-1500 系列可編程控制器（PLC）與主機配電柜ET200SP 子站以光纖方式實現(xiàn)通信，主機配電柜ET200SP 子站對頂管機內調向系統(tǒng)、油脂潤滑系統(tǒng)、泥漿循環(huán)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集等進行控制；盾體信號相對集中，設立獨立子站，減少大量控制電纜的接線；刀盤變頻系統(tǒng)配置獨立S7-1512CPU，實現(xiàn)變頻器同步控制，精度更高。

圖5 控制通信系統(tǒng)拓撲

2.2 人機界面（HMI）

人機界面（HMI）應功能齊全、界面優(yōu)美、操作簡單。頂管機界面包含掘進、輔助系統(tǒng)、參數(shù)控制、報警、數(shù)據(jù)查詢等畫面，掘進界面可以詳細地看到各系統(tǒng)、電機和泵的具體工作狀態(tài)；輔助系統(tǒng)可以查看輔助系統(tǒng)數(shù)據(jù)、有害氣體濃度、各子系統(tǒng)工作累計時間等；參數(shù)控制界面對一些重要的數(shù)據(jù)參數(shù)設置初始值、上下限值，起到預警作用，還對部分系統(tǒng)設置旁通權限，允許短時間旁通運行；報警界面可以查詢到當前及歷史報警信息，供施工人員快速排故障；數(shù)據(jù)查詢界面可以按時間或管節(jié)號來查詢掘進參數(shù)。地面工控機還預留發(fā)布了WebService 數(shù)據(jù)接口，方便客戶將頂管機各類數(shù)據(jù)同步到項目部或指揮中心。

2.3 急停控制

由于頂管機主機在洞內往前掘進，主機內一般無操作人員，如遇到出現(xiàn)爆管、涌水或爆炸起火等突發(fā)情況時應安全可靠地切斷電源。若采用傳統(tǒng)安全繼電器，需將控制室急停按鈕用電纜連接到主機安全繼電器，電纜長度大且穿過管節(jié)，每次拼裝管節(jié)電纜需拆接，線路過長中間使用接插件，電纜延伸過程增加誤動作的風險。為提高系統(tǒng)安全性，急停采用西門子故障安全型PLC，安全等級可達SIL3，通過程序編程實現(xiàn)對主機變壓器的急?？刂啤?/p>

控制臺急停按鈕權限最高，按下急?？梢詫⒍磧戎鳈C變壓器框架斷路器和控制室配電柜框架斷路器同時斷電。由于在換管節(jié)時需要推進油缸伸縮動作來調整管節(jié)姿態(tài)，地面配電不能斷電，盾體急停、變壓器急停只能停洞內主機變壓器框架斷路器，而不能?？刂剖遗潆姽窨蚣軘嗦菲鳎刂剖疽馊鐖D6 所示。PLC 程序如圖7 所示：I0.0 為控制臺急停按鈕輸入，I0.1 為盾體急停按鈕輸入，I0.2 為變壓器急停按鈕輸入，Q0.0為主機配電柜F-RQ 輸出，Q0.1 為控制室配電柜F-RQ 輸出。正常急停按鈕未按下時，I0.0、I0.1、I0.2 輸入狀態(tài)都為1，Q0.0、Q0.1 輸出狀態(tài)也為1，控制臺急停按鈕按下，I0.0 輸入狀態(tài)變?yōu)?，Q0.0、Q0.1 輸出狀態(tài)變?yōu)?，執(zhí)行接觸器斷電，帶動2 個框架斷路器跳閘。同理，盾體急停、變壓器急停按鈕按下，只讓主機變壓器框架斷路器跳閘。

圖7 急停系統(tǒng)PLC 程序

3 頂管機監(jiān)控系統(tǒng)

長距離頂管機各分系統(tǒng)較多，有些分系統(tǒng)之間控制需協(xié)作運行，如何高效協(xié)作，除了程序控制的邏輯配合外，合理便捷的通信監(jiān)控系統(tǒng)顯得尤為關鍵。

3.1 監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)由攝像頭、電話、硬盤錄像機及屏幕等組成（圖5）。主機各攝像頭監(jiān)控人艙、主機內設備及人員情況，始發(fā)井攝像頭監(jiān)控管節(jié)推進拼裝情況。攝像頭信號通過硬盤錄像機對畫面進行管理，可以4 畫面、6 畫面等制式在監(jiān)視器上顯示。硬盤錄像機具備存儲功能，可以記錄一周內的視頻信息，通過回看功能進行視頻查詢。在人艙內外、中繼間配置多部電話，由電話交換機分配號碼，可以撥打控制室電話，實現(xiàn)地上司機與地下工作人員的快速聯(lián)絡。

3.2 長距離通信

長距離帶來的信號衰減不穩(wěn)定問題需要考慮?？刂葡到y(tǒng)通信主要是分布式I/O 子站和其他與CPU 直接進行數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)控制功能，特點是數(shù)據(jù)量小，但實時性要求很高（毫秒級）；監(jiān)控系統(tǒng)通信主要是視頻和電話信號，特點是數(shù)據(jù)量大，但實時性要求不高。由于2種通信對安全性、傳輸速率、傳輸質量的容忍度不一樣，因此采用獨立的2 條網(wǎng)絡。Profinet 通信由主機通信箱光交換機經(jīng)光纖連接到通信中繼箱光交換機，再經(jīng)網(wǎng)線連接到控制室；視頻電話通信由主機通信箱光端接收機經(jīng)光纖連接到通信中繼箱光端發(fā)射機，再經(jīng)網(wǎng)線連接到控制室。通信中繼箱放置于尾部管節(jié)內，箱子上配置3 個工業(yè)級網(wǎng)線插頭，換管節(jié)時可實現(xiàn)快速拆接通信電纜。

4 結語

就長距離頂管機電氣系統(tǒng)中供配電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)3 個方面進行了設計分析，重點詳細分析電氣系統(tǒng)設計的合理性和可靠性，對設計與施工中應注意的安全問題進行探討，同時運用一些新的技術理念，提高了頂管機的性能。本電氣系統(tǒng)設計合理，安全性和穩(wěn)定性高，可以為同類型長距離頂管機電氣系統(tǒng)設計提供借鑒。