礦用隧道掘進機防爆操作臺設計

蔡智林， 張立勛， 林福龍， 孫偉

(中鐵工程裝備集團有限公司， 河南 鄭州 450000)

0 引言

目前盾構法開采具有高效、安全、精度等多種優點，但其應用大多集中在軌道交通領域。盾構機以主控操作臺作為中心控制單元，控制著整機的部分電氣設備，盾構機若要應用在礦井工作，電氣設備必須設計成防爆型，我國的《煤礦安全規程》(2016)第四百三十五條規定：“煤礦地面、井下這種電氣設備和電力系統的設計、選型、安裝、驗收、運行、檢修、試驗等，必須按本規程執行”。

盾構機在煤礦開采領域有著廣闊的應用前景和使用價值[1-2]，使用傳統的鉆爆法，不僅工序復雜，效率低，而且安全隱患多，這會嚴重制約煤礦的開采與生產[3]。因此盾構機要適用于在煤礦使用，其電氣設備的防爆是急需解決的關鍵問題[4]。

本文設計了一種適用于礦井施工且具有防爆性能的盾構機操作臺，取得了良好的應用效果。

1 操作臺的結構設計

1.1 方案選型

按GB 3836—2010的規定，礦用防爆電氣設備的設計中，通常的形式主要有3種：

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

2) 增安型電氣設備e。對于正常運行條件下不會產生電弧、火花或可能點燃爆炸性混合物的高效設備結構，只要采取措施提高安全程度，如通過提高防護等級、增加爬電性能等，就可以避免在正常和認可的過載條件下出現這些現象。

3) 隔爆本質安全型電氣設備di。除隔爆型要求外，全部電路均為本質安全型電路的電氣設備。所謂本質安全電路，是指在規定的試驗條件下，在正常工作或規定的故障狀態下產生的電火花均不能點燃規定的操作性混合物的電路。

通過分析研究，操作臺設計為隔爆本質安全型。

1.2 防爆操作臺設計

本操作臺通常放置在盾構機的主控室，由專人實施具體操作，實現盾構機的各種動作功能。操作臺由上層柜體、中層柜體、下層柜體、琴臺控制區及位于下層柜體中的器件安裝柜構成。各柜體均通過螺栓連接，每個柜體單獨進行隔爆型設計。

圖1為操作臺的整體結構的正視圖及側視圖。其中上層隔爆腔體包括2臺工控機，用于顯示盾構機的工作數據。因中層隔爆腔體與上層隔爆腔體的功能相同，則作為一種冗余設計。在只需要2臺工控機的情況下，可將中層的隔爆腔體移除，只安裝上層的隔爆腔體。琴臺控制區鑲嵌在下層的隔爆腔體上。工控機主要實現盾構機整個運行過程中的實時操作、數據顯示、數據記錄、視頻監視等功能。此外，利用無線傳輸技術，還可將監視界面傳送至地面控制室。

圖1 防爆操作臺正視和側視圖

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

操作琴臺上裝有按鍵，通過各個按鍵控制防爆電磁閥和本質安全型傳感器，并將各種數據信息顯示在工控機上，實現盾構機電動機泵站的啟停控制、護盾控制、刀盤控制、帶式輸送機控制、撐靴控制、推進控制等各種功能。

2 操作臺工作原理及電氣設計

2.1 工作原理

防爆操作臺為整機的主控設備，主要用來發送指令信號和接收傳感器信號,也可直接驅動電磁閥、接觸器線圈、指示燈、高音喇叭等小功率設備，它不直接控制電動機，其主要功能是作為一個PLC主站向各個PLC從站發送指令，并通過各從站控制相應的隔爆啟動柜，控制電動機泵站執行相關功能，以實現對盾構機的控制。

圖2 防爆操作臺俯視圖和背視圖

2.2 供電系統

防爆操作臺采用127 V供電，內部共設置2個直流電源，其中一個為127VAC/12VDC本質安全電源，用于給電位器供電；另一個為127VAC/24VDC普通電源，用于驅動操作臺的各部分元器件。系統主要包括工控機、PLC、琴臺、繼電器、安全柵、電磁閥等，如圖3所示。

2.3 安全柵選型

圖4為操作臺內部的電氣結構圖，PLC主站采用西門子1500系列，通過以太網連接4臺工控機、PLC從站、安全柵和繼電器，通過安全柵連接琴臺按鈕和外圍的本質安全型傳感器，通過繼電器連接隔爆型電磁閥，故對于PLC的數字量輸入模塊，即按鈕的信號需經安全柵進行隔離后接入PLC，本文選用優倍NPEXA-C5D111型安全柵。

對于PLC的數字量輸出模塊，輸出信號外接繼電器或指示燈，由于繼電器在隔爆腔體內，通過繼電器驅動隔爆電磁閥，故外接繼電器無需配置安全柵。若指示燈在按鈕上，則需配置安全柵，選用優倍NPEXB-C5D12L型安全柵。

對于模擬量輸入模塊，輸入為本質安全型傳感器的電流或電壓信號，需配置安全柵，并選用了優倍NPEXA-CM3D11型安全柵。

對于模擬量輸出模塊，輸出對象為放大器，放大器在隔爆腔體內，通過放大器連接隔爆電磁閥，無需配置安全柵。

2.4 安全柵的電氣接線圖

防爆操作臺的上層、中層、下層為隔爆型腔體，內部均為安全區，各電氣元件采用普通元器件即可。圖5中，I100.0和I100.1為PLC的數字量輸入點，S1與S2為琴臺按鈕，通過穿墻端子與安全柵連接，經安全柵電氣隔離后，將信號輸入PLC。若操作琴臺暴露在危險區，則操作琴臺上的控制按鈕必須通過安全電氣隔離才可將控制信號傳送至PLC，而且電氣隔離采用了連接安全柵的形式，以燈測試和過濾循環泵A控制按鈕為例，其接線方式見圖6。

圖3 供電系統圖

圖4 電氣原理圖

圖5 琴臺按鈕電氣圖

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。按下按鈕后，數字量輸出點Q100.0與Q100.1通過安全柵將對應的指示燈點亮[6]。

防爆操作臺的外圍連接有實現各種測量功能的傳感器，例如壓力、溫度、流量等，其信號類型有電流型、電壓型、開關型，其中電流型傳感器較多。以電流型傳感器為例，圖7為操作臺傳感器的電氣接線圖。傳感器經過穿墻式接線端子引入下層的隔爆腔體內部，電流信號通過安全柵處理后接入PLC的模擬量輸入模塊。

2.5 工控機控制系統

操作臺共配置了4臺工控機，用于顯示各種數據，為便于操作，設計了一套鍵盤鼠標。鍵盤鼠標為本質安全型，鍵盤上設置有觸摸板代替鼠標，內部設置有無線收發裝置，各工控機通過USB插孔共同連接于同步器，同步器設有接受裝置，用于接收鍵盤鼠標的指令。工控機控制原理如圖8所示，當需要操作其中一臺工控機時，只需按鍵盤上的快捷鍵，即可實現切換操作。

圖7 傳感器電氣圖

圖8 工控機控制原理

此外，工控機的監視界面還可以通過無線網絡組建大數據，構成盾構云系統，實現遠程監控多臺盾構機的工作狀態，實現盾構機運行監控、報警管理、健康診斷、掘進進度與安全風險管控、部件維護及智能掘進等應用功能，使工程施工技術更簡單、更安全、更高效。

3 結論

設計了一種可用于礦井的盾構機防爆操作臺，介紹了其外形結構，分析了其內部的電氣隔爆原理。該操作臺可彌補傳統盾構操作臺無法應用于煤礦開采的不足，具有良好的應用前景。該操作臺已通過了防爆檢驗驗證，在實際應用中取得了良好的效果。