矿用隧道掘进机防爆操作台设计

蔡智林， 张立勋， 林福龙， 孙伟

(中铁工程装备集团有限公司， 河南 郑州 450000)

0 引言

目前盾构法开采具有高效、安全、精度等多种优点，但其应用大多集中在轨道交通领域。盾构机以主控操作台作为中心控制单元，控制着整机的部分电气设备，盾构机若要应用在矿井工作，电气设备必须设计成防爆型，我国的《煤矿安全规程》(2016)第四百三十五条规定：“煤矿地面、井下这种电气设备和电力系统的设计、选型、安装、验收、运行、检修、试验等，必须按本规程执行”。

盾构机在煤矿开采领域有着广阔的应用前景和使用价值[1-2]，使用传统的钻爆法，不仅工序复杂，效率低，而且安全隐患多，这会严重制约煤矿的开采与生产[3]。因此盾构机要适用于在煤矿使用，其电气设备的防爆是急需解决的关键问题[4]。

本文设计了一种适用于矿井施工且具有防爆性能的盾构机操作台，取得了良好的应用效果。

1 操作台的结构设计

1.1 方案选型

按GB 3836—2010的规定，矿用防爆电气设备的设计中，通常的形式主要有3种：

1) 隔爆型电气设备d。它具有隔爆外壳的防爆电气设备，该外壳既能承受其内部爆炸性气体混合物引爆产生的爆炸压力，又能防止爆炸产物穿出隔爆间隙点燃外壳周围的爆炸性混合物。

2) 增安型电气设备e。对于正常运行条件下不会产生电弧、火花或可能点燃爆炸性混合物的高效设备结构，只要采取措施提高安全程度，如通过提高防护等级、增加爬电性能等，就可以避免在正常和认可的过载条件下出现这些现象。

3) 隔爆本质安全型电气设备di。除隔爆型要求外，全部电路均为本质安全型电路的电气设备。所谓本质安全电路，是指在规定的试验条件下，在正常工作或规定的故障状态下产生的电火花均不能点燃规定的操作性混合物的电路。

通过分析研究，操作台设计为隔爆本质安全型。

1.2 防爆操作台设计

本操作台通常放置在盾构机的主控室，由专人实施具体操作，实现盾构机的各种动作功能。操作台由上层柜体、中层柜体、下层柜体、琴台控制区及位于下层柜体中的器件安装柜构成。各柜体均通过螺栓连接，每个柜体单独进行隔爆型设计。

图1为操作台的整体结构的正视图及侧视图。其中上层隔爆腔体包括2台工控机，用于显示盾构机的工作数据。因中层隔爆腔体与上层隔爆腔体的功能相同，则作为一种冗余设计。在只需要2台工控机的情况下，可将中层的隔爆腔体移除，只安装上层的隔爆腔体。琴台控制区镶嵌在下层的隔爆腔体上。工控机主要实现盾构机整个运行过程中的实时操作、数据显示、数据记录、视频监视等功能。此外，利用无线传输技术，还可将监视界面传送至地面控制室。

图1 防爆操作台正视和侧视图

图2为防爆操作台的俯视和背视图。下层隔爆腔体主要包括电气元件腔、接线腔、接线孔(喇叭口)。琴台控制区设有可拖拉的键盘托盘，用于放置本质安全型键盘。键盘与工控机之间采用无线连接，可分别控制4台工控机。

操作琴台上装有按键，通过各个按键控制防爆电磁阀和本质安全型传感器，并将各种数据信息显示在工控机上，实现盾构机电动机泵站的启停控制、护盾控制、刀盘控制、带式输送机控制、撑靴控制、推进控制等各种功能。

2 操作台工作原理及电气设计

2.1 工作原理

防爆操作台为整机的主控设备，主要用来发送指令信号和接收传感器信号,也可直接驱动电磁阀、接触器线圈、指示灯、高音喇叭等小功率设备，它不直接控制电动机，其主要功能是作为一个PLC主站向各个PLC从站发送指令，并通过各从站控制相应的隔爆启动柜，控制电动机泵站执行相关功能，以实现对盾构机的控制。

图2 防爆操作台俯视图和背视图

2.2 供电系统

防爆操作台采用127 V供电，内部共设置2个直流电源，其中一个为127VAC/12VDC本质安全电源，用于给电位器供电；另一个为127VAC/24VDC普通电源，用于驱动操作台的各部分元器件。系统主要包括工控机、PLC、琴台、继电器、安全栅、电磁阀等，如图3所示。

2.3 安全栅选型

图4为操作台内部的电气结构图，PLC主站采用西门子1500系列，通过以太网连接4台工控机、PLC从站、安全栅和继电器，通过安全栅连接琴台按钮和外围的本质安全型传感器，通过继电器连接隔爆型电磁阀，故对于PLC的数字量输入模块，即按钮的信号需经安全栅进行隔离后接入PLC，本文选用优倍NPEXA-C5D111型安全栅。

对于PLC的数字量输出模块，输出信号外接继电器或指示灯，由于继电器在隔爆腔体内，通过继电器驱动隔爆电磁阀，故外接继电器无需配置安全栅。若指示灯在按钮上，则需配置安全栅，选用优倍NPEXB-C5D12L型安全栅。

对于模拟量输入模块，输入为本质安全型传感器的电流或电压信号，需配置安全栅，并选用了优倍NPEXA-CM3D11型安全栅。

对于模拟量输出模块，输出对象为放大器，放大器在隔爆腔体内，通过放大器连接隔爆电磁阀，无需配置安全栅。

2.4 安全栅的电气接线图

防爆操作台的上层、中层、下层为隔爆型腔体，内部均为安全区，各电气元件采用普通元器件即可。图5中，I100.0和I100.1为PLC的数字量输入点，S1与S2为琴台按钮，通过穿墙端子与安全栅连接，经安全栅电气隔离后，将信号输入PLC。若操作琴台暴露在危险区，则操作琴台上的控制按钮必须通过安全电气隔离才可将控制信号传送至PLC，而且电气隔离采用了连接安全栅的形式，以灯测试和过滤循环泵A控制按钮为例，其接线方式见图6。

图3 供电系统图

图4 电气原理图

图5 琴台按钮电气图

图6 按钮指示灯电气图

图6中，SS1与SS2分别为按钮S1与S2的指示灯，用于提示按钮的操作状态。按下按钮后，数字量输出点Q100.0与Q100.1通过安全栅将对应的指示灯点亮[6]。

防爆操作台的外围连接有实现各种测量功能的传感器，例如压力、温度、流量等，其信号类型有电流型、电压型、开关型，其中电流型传感器较多。以电流型传感器为例，图7为操作台传感器的电气接线图。传感器经过穿墙式接线端子引入下层的隔爆腔体内部，电流信号通过安全栅处理后接入PLC的模拟量输入模块。

2.5 工控机控制系统

操作台共配置了4台工控机，用于显示各种数据，为便于操作，设计了一套键盘鼠标。键盘鼠标为本质安全型，键盘上设置有触摸板代替鼠标，内部设置有无线收发装置，各工控机通过USB插孔共同连接于同步器，同步器设有接受装置，用于接收键盘鼠标的指令。工控机控制原理如图8所示，当需要操作其中一台工控机时，只需按键盘上的快捷键，即可实现切换操作。

图7 传感器电气图

图8 工控机控制原理

此外，工控机的监视界面还可以通过无线网络组建大数据，构成盾构云系统，实现远程监控多台盾构机的工作状态，实现盾构机运行监控、报警管理、健康诊断、掘进进度与安全风险管控、部件维护及智能掘进等应用功能，使工程施工技术更简单、更安全、更高效。

3 结论

设计了一种可用于矿井的盾构机防爆操作台，介绍了其外形结构，分析了其内部的电气隔爆原理。该操作台可弥补传统盾构操作台无法应用于煤矿开采的不足，具有良好的应用前景。该操作台已通过了防爆检验验证，在实际应用中取得了良好的效果。