张可威+张兴元+王帅+栾国宇+徐逸达

摘 要：简单分析急停，描述系统性能等级划分分类级别以及标准，针对盾构机复杂特殊的工作环境和现有电气控制系统整体方案，进行适当的急停功能设计，保证盾构机的安全运行。基于该急停控制方案的盾构机电液控制系统已应用于某现场，取得了良好的效果。

关键词：盾构机；系统性能等级；急停设计方案

中图分类号：U455.43 文献标志码：A 文章编号：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

为了更好地提高隧道掘进效率，缓解国内交通运输的问题，国内各大城市纷纷引进高效的全断面掘进机，也称盾构机。其中电液控制系统是盾构机自动化的关键组成部分，承担着控制盾构机完成各项动作的艰巨任务。

整个盾构机由几百个甚至上千个电气液压部件组成。在地面掘进的过程中，所有部件根据盾构机的位置以及掘进过程执行相应的动作，从而保证了盾构机挖掘工作的正常运行。

然而，随着自动化程度越来越高，施工要求越来越大，再加上其恶劣工作环境环境、磁场强度高、空气湿度大、粉尘含量高，以及机器重复使用次数多等特点，会对现有的盾构机电液控制系统的软硬件运行造成干扰，可能导致盾构机的误动作，导致盾构机挖掘过程中的安全事故。

盾构机在正常运行时，无论盾构机上面的电液部件在执行什么动作，一旦出现紧急情况，都要求整个盾构机所有电液部件立即停止动作，防止发生意外事故。这就要求盾构机的电液控制系统具有控制整个盾构机所有部件立即停止动作的功能。

然而，目前国内外的盾构机的急停控制系统各不相同。鉴此，本文提出了一种盾构机在工作中出现紧急情况时使用的急停控制方案，即在盾构机工作中出现紧急情况时，操作急停按钮使整个盾构机上面的电液部件都立即停止动作，并不再响应任何后续操作指令。在危险情况排除后，复原急停按钮，对系统复位之后就可以使盾构机恢复正常工作。

1 盾构机电液控制系统整体方案

盾构机电液系统由CPU，基站和电液驱动部分组成，其中一台盾构机一般包括多个含有模块的基站以及上百个电液驱动部件。CPU和输出模块之间可以通过Tcp/Ip通信方式相互通信。

盾构机在工作的时候，不仅可以操作各个电液驱动部件，还可以实时巡检整个盾构机上面的电液部件的运行状态。

不过虽然程序上面可以做出急停，但是由于井下工作环境恶劣、磁场强度高、空气湿度大、粉尘含量高，很容易出现信号干扰，不能及时急停，造成不必要的损失。

2 系统性能等级划分

不论是我国最早的标准EN954-1还是升级的ISO13849-1：2006，都对安全级别进行了划分，新标准进一步对于装置的安全级别进行一些细致的修改，可以看出长期以来对于安全级别的重视。

根据所使用的安全保护装置的不同，可以有不同的安全停止功能。在正常运行中使用的停止功能，必须要能够避免机器设备、产品和加工过程被破坏，同时要能够防止机器设备的重新启动，这就是对安全停止功能的要求。[1]

安全定义的是一种状态，以将损坏风险降至可接受的水平，或视为无风险。根据该定义，功能性安全主要涉及的是人、机器以及环境，安全控制系统是为确保机械在出现故障时，仍处于安全状态的系统。

安全控制系统可以保证机器可靠并且安全地停机，可以避免事故扩大化和二次伤害。

安全功能由安全控制系统执行。通常包括三个子系统：检测装置，评估单元和执行装置。

目前，根据系统实现的性能等级PLr，新标准中采用了5个新的表示不同性能等级，即a，b，c，d和e，分别代表了系统安全等级从低到高，对应的危险也是从低到高，对应于过去安全控制类别B，1，2，3，4。如图1所示。

通过图1、图2可知，两个监测装置的安全回路要比一个监测装置的更安全，系统性能等级也越高。

两路评估单元的安全回路要比一路评估单元的更安全，系统性能等级也越高。

两路执行装置的安全回路要比一路执行装置的更安全，系统性能等级也越高。

总的来说，结构越合理，使用的硬件越多，回路越多的，越容易规避由于硬件出现问题所导致的危险，系统性能等级也越高。

3 盾构机电液控制系统急停功能的设计方案

基于以上盾构机电液控制系统现有方案，本着简单易用，使用灵活，经济实用的原则，提出了以下急停系统性能等级介于c与d之间的急停功能设计方案。

如图3所示，以急停按钮为监测装置，安全继电器作为评估单元，以继电器作为执行装置构建一个安全控制系统。

通过电缆将急停按钮串联起来，形成一个急停回路，并与急停继电器相连接，然后将急停继电器的状态触点串联进入一个继电器控制回路当中，用小电流的继电器控制大电流的电机控制电路。

发生紧急情况的时候，按下任意一个急停按钮，信号都会传到安全继电器当中，将其触发，进而将所有的电机控制回路切断，这样就可以用急停按钮操控电液部件的停止。

其中所有的连接都直接连接，不走通讯，可以保证急停系统不受外界信号的干扰，更加稳定可靠。

系统将所有的急停控制集成起来，使设计、工程安装和调试变得更加容易、成本更低。统一的总线和工程系统减少了各项费用的支出。

除此之外，系统的急停继电器信号也会在触发之后进入到PLC当中，通过程序，在操作面板上面显示，帮助操作者发现并查找问题，并且在排查故障，手动恢复急停按钮的状态之后，只能通过程序对安全继电器复位，恢复盾构机的正常运行。

集成了安全功能的系统，配合着PLC，提高了生产效率，可以实现更快的故障诊断，从而减少了停机时间，提高了生产效率。

综上所述，这样就搭建成功了一个操作方便，安全可靠，经济实用的急停功能设计方案。

4 结束语

盾构机急停控制方案实现了当紧急情况出现之时，快速急停，但紧急情况出现，及时停止，满足了生产以及施工需求。该急停控制方案中采用集成方式，减少了冗余装置，有效地减少了成本，减轻了工作人员强度，提高了生产效率。基于该急停控制方案的盾构机电液控制系统已应用于某现场，取得了良好的效果。

参考文献：

[1]郭海濤，阳宪惠.安全系统的安全完整性水平及其选择[J].化工自动化及仪表，2006，33（2）：71-75.endprint