蔡智林， 張立勛， 林福龍， 孫偉

(中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司， 河南 鄭州 450000)

0 引言

目前盾構(gòu)法開(kāi)采具有高效、安全、精度等多種優(yōu)點(diǎn)，但其應(yīng)用大多集中在軌道交通領(lǐng)域。盾構(gòu)機(jī)以主控操作臺(tái)作為中心控制單元，控制著整機(jī)的部分電氣設(shè)備，盾構(gòu)機(jī)若要應(yīng)用在礦井工作，電氣設(shè)備必須設(shè)計(jì)成防爆型，我國(guó)的《煤礦安全規(guī)程》(2016)第四百三十五條規(guī)定：“煤礦地面、井下這種電氣設(shè)備和電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、選型、安裝、驗(yàn)收、運(yùn)行、檢修、試驗(yàn)等，必須按本規(guī)程執(zhí)行”。

盾構(gòu)機(jī)在煤礦開(kāi)采領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景和使用價(jià)值[1-2]，使用傳統(tǒng)的鉆爆法，不僅工序復(fù)雜，效率低，而且安全隱患多，這會(huì)嚴(yán)重制約煤礦的開(kāi)采與生產(chǎn)[3]。因此盾構(gòu)機(jī)要適用于在煤礦使用，其電氣設(shè)備的防爆是急需解決的關(guān)鍵問(wèn)題[4]。

本文設(shè)計(jì)了一種適用于礦井施工且具有防爆性能的盾構(gòu)機(jī)操作臺(tái)，取得了良好的應(yīng)用效果。

1 操作臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 方案選型

按GB 3836—2010的規(guī)定，礦用防爆電氣設(shè)備的設(shè)計(jì)中，通常的形式主要有3種：

1) 隔爆型電氣設(shè)備d。它具有隔爆外殼的防爆電氣設(shè)備，該外殼既能承受其內(nèi)部爆炸性氣體混合物引爆產(chǎn)生的爆炸壓力，又能防止爆炸產(chǎn)物穿出隔爆間隙點(diǎn)燃外殼周圍的爆炸性混合物。

2) 增安型電氣設(shè)備e。對(duì)于正常運(yùn)行條件下不會(huì)產(chǎn)生電弧、火花或可能點(diǎn)燃爆炸性混合物的高效設(shè)備結(jié)構(gòu)，只要采取措施提高安全程度，如通過(guò)提高防護(hù)等級(jí)、增加爬電性能等，就可以避免在正常和認(rèn)可的過(guò)載條件下出現(xiàn)這些現(xiàn)象。

3) 隔爆本質(zhì)安全型電氣設(shè)備di。除隔爆型要求外，全部電路均為本質(zhì)安全型電路的電氣設(shè)備。所謂本質(zhì)安全電路，是指在規(guī)定的試驗(yàn)條件下，在正常工作或規(guī)定的故障狀態(tài)下產(chǎn)生的電火花均不能點(diǎn)燃規(guī)定的操作性混合物的電路。

通過(guò)分析研究，操作臺(tái)設(shè)計(jì)為隔爆本質(zhì)安全型。

1.2 防爆操作臺(tái)設(shè)計(jì)

本操作臺(tái)通常放置在盾構(gòu)機(jī)的主控室，由專人實(shí)施具體操作，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)的各種動(dòng)作功能。操作臺(tái)由上層柜體、中層柜體、下層柜體、琴臺(tái)控制區(qū)及位于下層柜體中的器件安裝柜構(gòu)成。各柜體均通過(guò)螺栓連接，每個(gè)柜體單獨(dú)進(jìn)行隔爆型設(shè)計(jì)。

圖1為操作臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)的正視圖及側(cè)視圖。其中上層隔爆腔體包括2臺(tái)工控機(jī)，用于顯示盾構(gòu)機(jī)的工作數(shù)據(jù)。因中層隔爆腔體與上層隔爆腔體的功能相同，則作為一種冗余設(shè)計(jì)。在只需要2臺(tái)工控機(jī)的情況下，可將中層的隔爆腔體移除，只安裝上層的隔爆腔體。琴臺(tái)控制區(qū)鑲嵌在下層的隔爆腔體上。工控機(jī)主要實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中的實(shí)時(shí)操作、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)記錄、視頻監(jiān)視等功能。此外，利用無(wú)線傳輸技術(shù)，還可將監(jiān)視界面?zhèn)魉椭恋孛婵刂剖摇?/p>

圖1 防爆操作臺(tái)正視和側(cè)視圖

圖2為防爆操作臺(tái)的俯視和背視圖。下層隔爆腔體主要包括電氣元件腔、接線腔、接線孔(喇叭口)。琴臺(tái)控制區(qū)設(shè)有可拖拉的鍵盤托盤，用于放置本質(zhì)安全型鍵盤。鍵盤與工控機(jī)之間采用無(wú)線連接，可分別控制4臺(tái)工控機(jī)。

操作琴臺(tái)上裝有按鍵，通過(guò)各個(gè)按鍵控制防爆電磁閥和本質(zhì)安全型傳感器，并將各種數(shù)據(jù)信息顯示在工控機(jī)上，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)電動(dòng)機(jī)泵站的啟停控制、護(hù)盾控制、刀盤控制、帶式輸送機(jī)控制、撐靴控制、推進(jìn)控制等各種功能。

2 操作臺(tái)工作原理及電氣設(shè)計(jì)

2.1 工作原理

防爆操作臺(tái)為整機(jī)的主控設(shè)備，主要用來(lái)發(fā)送指令信號(hào)和接收傳感器信號(hào),也可直接驅(qū)動(dòng)電磁閥、接觸器線圈、指示燈、高音喇叭等小功率設(shè)備，它不直接控制電動(dòng)機(jī)，其主要功能是作為一個(gè)PLC主站向各個(gè)PLC從站發(fā)送指令，并通過(guò)各從站控制相應(yīng)的隔爆啟動(dòng)柜，控制電動(dòng)機(jī)泵站執(zhí)行相關(guān)功能，以實(shí)現(xiàn)對(duì)盾構(gòu)機(jī)的控制。

圖2 防爆操作臺(tái)俯視圖和背視圖

2.2 供電系統(tǒng)

防爆操作臺(tái)采用127 V供電，內(nèi)部共設(shè)置2個(gè)直流電源，其中一個(gè)為127VAC/12VDC本質(zhì)安全電源，用于給電位器供電；另一個(gè)為127VAC/24VDC普通電源，用于驅(qū)動(dòng)操作臺(tái)的各部分元器件。系統(tǒng)主要包括工控機(jī)、PLC、琴臺(tái)、繼電器、安全柵、電磁閥等，如圖3所示。

2.3 安全柵選型

圖4為操作臺(tái)內(nèi)部的電氣結(jié)構(gòu)圖，PLC主站采用西門子1500系列，通過(guò)以太網(wǎng)連接4臺(tái)工控機(jī)、PLC從站、安全柵和繼電器，通過(guò)安全柵連接琴臺(tái)按鈕和外圍的本質(zhì)安全型傳感器，通過(guò)繼電器連接隔爆型電磁閥，故對(duì)于PLC的數(shù)字量輸入模塊，即按鈕的信號(hào)需經(jīng)安全柵進(jìn)行隔離后接入PLC，本文選用優(yōu)倍NPEXA-C5D111型安全柵。

對(duì)于PLC的數(shù)字量輸出模塊，輸出信號(hào)外接繼電器或指示燈，由于繼電器在隔爆腔體內(nèi)，通過(guò)繼電器驅(qū)動(dòng)隔爆電磁閥，故外接繼電器無(wú)需配置安全柵。若指示燈在按鈕上，則需配置安全柵，選用優(yōu)倍NPEXB-C5D12L型安全柵。

對(duì)于模擬量輸入模塊，輸入為本質(zhì)安全型傳感器的電流或電壓信號(hào)，需配置安全柵，并選用了優(yōu)倍NPEXA-CM3D11型安全柵。

對(duì)于模擬量輸出模塊，輸出對(duì)象為放大器，放大器在隔爆腔體內(nèi)，通過(guò)放大器連接隔爆電磁閥，無(wú)需配置安全柵。

2.4 安全柵的電氣接線圖

防爆操作臺(tái)的上層、中層、下層為隔爆型腔體，內(nèi)部均為安全區(qū)，各電氣元件采用普通元器件即可。圖5中，I100.0和I100.1為PLC的數(shù)字量輸入點(diǎn)，S1與S2為琴臺(tái)按鈕，通過(guò)穿墻端子與安全柵連接，經(jīng)安全柵電氣隔離后，將信號(hào)輸入PLC。若操作琴臺(tái)暴露在危險(xiǎn)區(qū)，則操作琴臺(tái)上的控制按鈕必須通過(guò)安全電氣隔離才可將控制信號(hào)傳送至PLC，而且電氣隔離采用了連接安全柵的形式，以燈測(cè)試和過(guò)濾循環(huán)泵A控制按鈕為例，其接線方式見(jiàn)圖6。

圖3 供電系統(tǒng)圖

圖4 電氣原理圖

圖5 琴臺(tái)按鈕電氣圖

圖6 按鈕指示燈電氣圖

圖6中，SS1與SS2分別為按鈕S1與S2的指示燈，用于提示按鈕的操作狀態(tài)。按下按鈕后，數(shù)字量輸出點(diǎn)Q100.0與Q100.1通過(guò)安全柵將對(duì)應(yīng)的指示燈點(diǎn)亮[6]。

防爆操作臺(tái)的外圍連接有實(shí)現(xiàn)各種測(cè)量功能的傳感器，例如壓力、溫度、流量等，其信號(hào)類型有電流型、電壓型、開(kāi)關(guān)型，其中電流型傳感器較多。以電流型傳感器為例，圖7為操作臺(tái)傳感器的電氣接線圖。傳感器經(jīng)過(guò)穿墻式接線端子引入下層的隔爆腔體內(nèi)部，電流信號(hào)通過(guò)安全柵處理后接入PLC的模擬量輸入模塊。

2.5 工控機(jī)控制系統(tǒng)

操作臺(tái)共配置了4臺(tái)工控機(jī)，用于顯示各種數(shù)據(jù)，為便于操作，設(shè)計(jì)了一套鍵盤鼠標(biāo)。鍵盤鼠標(biāo)為本質(zhì)安全型，鍵盤上設(shè)置有觸摸板代替鼠標(biāo)，內(nèi)部設(shè)置有無(wú)線收發(fā)裝置，各工控機(jī)通過(guò)USB插孔共同連接于同步器，同步器設(shè)有接受裝置，用于接收鍵盤鼠標(biāo)的指令。工控機(jī)控制原理如圖8所示，當(dāng)需要操作其中一臺(tái)工控機(jī)時(shí)，只需按鍵盤上的快捷鍵，即可實(shí)現(xiàn)切換操作。

圖7 傳感器電氣圖

圖8 工控機(jī)控制原理

此外，工控機(jī)的監(jiān)視界面還可以通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組建大數(shù)據(jù)，構(gòu)成盾構(gòu)云系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控多臺(tái)盾構(gòu)機(jī)的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)運(yùn)行監(jiān)控、報(bào)警管理、健康診斷、掘進(jìn)進(jìn)度與安全風(fēng)險(xiǎn)管控、部件維護(hù)及智能掘進(jìn)等應(yīng)用功能，使工程施工技術(shù)更簡(jiǎn)單、更安全、更高效。

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種可用于礦井的盾構(gòu)機(jī)防爆操作臺(tái)，介紹了其外形結(jié)構(gòu)，分析了其內(nèi)部的電氣隔爆原理。該操作臺(tái)可彌補(bǔ)傳統(tǒng)盾構(gòu)操作臺(tái)無(wú)法應(yīng)用于煤礦開(kāi)采的不足，具有良好的應(yīng)用前景。該操作臺(tái)已通過(guò)了防爆檢驗(yàn)驗(yàn)證，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。