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(tǒng)性能等級劃分分類級別以及標準，針對盾構(gòu)機復雜特殊的工作環(huán)境和現(xiàn)有電氣控制系統(tǒng)整體方案，進行適當?shù)募蓖９δ茉O(shè)計，保證盾構(gòu)機的安全運行?；谠摷蓖？刂品桨傅亩軜?gòu)機電液控制系統(tǒng)已應用于某現(xiàn)場，取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)機；系統(tǒng)性能等級；急停設(shè)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(nèi)交通運輸?shù)膯栴}，國內(nèi)各大城市紛紛引進高效的全斷面掘進機，也稱盾構(gòu)機。其中電液控制系統(tǒng)是盾構(gòu)機自動化的關(guān)鍵組成部分，承擔著控制盾構(gòu)機完成各項動作的艱巨任務。

整個盾構(gòu)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(jù)盾構(gòu)機的位置以及掘進過程執(zhí)行相應的動作，從而保證了盾構(gòu)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(huán)境環(huán)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(shù)多等特點，會對現(xiàn)有的盾構(gòu)機電液控制系統(tǒng)的軟硬件運行造成干擾，可能導致盾構(gòu)機的誤動作，導致盾構(gòu)機挖掘過程中的安全事故。

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

然而，目前國內(nèi)外的盾構(gòu)機的急?？刂葡到y(tǒng)各不相同。鑒此，本文提出了一種盾構(gòu)機在工作中出現(xiàn)緊急情況時使用的急?？刂品桨福丛诙軜?gòu)機工作中出現(xiàn)緊急情況時，操作急停按鈕使整個盾構(gòu)機上面的電液部件都立即停止動作，并不再響應任何后續(xù)操作指令。在危險情況排除后，復原急停按鈕，對系統(tǒng)復位之后就可以使盾構(gòu)機恢復正常工作。

1 盾構(gòu)機電液控制系統(tǒng)整體方案

盾構(gòu)機電液系統(tǒng)由CPU，基站和電液驅(qū)動部分組成，其中一臺盾構(gòu)機一般包括多個含有模塊的基站以及上百個電液驅(qū)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(gòu)機在工作的時候，不僅可以操作各個電液驅(qū)動部件，還可以實時巡檢整個盾構(gòu)機上面的電液部件的運行狀態(tài)。

不過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、磁場強度高、空氣濕度大、粉塵含量高，很容易出現(xiàn)信號干擾，不能及時急停，造成不必要的損失。

2 系統(tǒng)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(jù)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(shè)備、產(chǎn)品和加工過程被破壞，同時要能夠防止機器設(shè)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(tài)，以將損壞風險降至可接受的水平，或視為無風險。根據(jù)該定義，功能性安全主要涉及的是人、機器以及環(huán)境，安全控制系統(tǒng)是為確保機械在出現(xiàn)故障時，仍處于安全狀態(tài)的系統(tǒng)。

安全控制系統(tǒng)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(tǒng)執(zhí)行。通常包括三個子系統(tǒng)：檢測裝置，評估單元和執(zhí)行裝置。

目前，根據(jù)系統(tǒng)實現(xiàn)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(tǒng)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(jiān)測裝置的安全回路要比一個監(jiān)測裝置的更安全，系統(tǒng)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(tǒng)性能等級也越高。

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)性能等級也越高。

總的來說，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)問題所導致的危險，系統(tǒng)性能等級也越高。

3 盾構(gòu)機電液控制系統(tǒng)急停功能的設(shè)計方案

基于以上盾構(gòu)機電液控制系統(tǒng)現(xiàn)有方案，本著簡單易用，使用靈活，經(jīng)濟實用的原則，提出了以下急停系統(tǒng)性能等級介于c與d之間的急停功能設(shè)計方案。

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

通過電纜將急停按鈕串聯(lián)起來，形成一個急?；芈?，并與急停繼電器相連接，然后將急停繼電器的狀態(tài)觸點串聯(lián)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(fā)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(fā)，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(tǒng)不受外界信號的干擾，更加穩(wěn)定可靠。

系統(tǒng)將所有的急?？刂萍善饋恚乖O(shè)計、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)減少了各項費用的支出。

除此之外，系統(tǒng)的急停繼電器信號也會在觸發(fā)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(fā)現(xiàn)并查找問題，并且在排查故障，手動恢復急停按鈕的狀態(tài)之后，只能通過程序?qū)Π踩^電器復位，恢復盾構(gòu)機的正常運行。

集成了安全功能的系統(tǒng)，配合著PLC，提高了生產(chǎn)效率，可以實現(xiàn)更快的故障診斷，從而減少了停機時間，提高了生產(chǎn)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(jīng)濟實用的急停功能設(shè)計方案。

4 結(jié)束語

盾構(gòu)機急?？刂品桨笇崿F(xiàn)了當緊急情況出現(xiàn)之時，快速急停，但緊急情況出現(xiàn)，及時停止，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，減輕了工作人員強度，提高了生產(chǎn)效率。基于該急?？刂品桨傅亩軜?gòu)機電液控制系統(tǒng)已應用于某現(xiàn)場，取得了良好的效果。

參考文獻：

[1]郭海濤，陽憲惠.安全系統(tǒng)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