毛 成

（中國(guó)鐵建重工集團(tuán)股份有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410100）

0 引言

非開(kāi)挖管道施工技術(shù)在管道施工工程中的應(yīng)用越來(lái)越多，其中頂管施工以其施工精度高、適用土質(zhì)廣、使用管徑范圍大、綜合成本低、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。絕大多數(shù)頂管機(jī)還是應(yīng)用在短距離，其配電及控制系統(tǒng)較簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度較低。長(zhǎng)距離頂管機(jī)掘進(jìn)距離遠(yuǎn)（>500 m），配電和控制更為復(fù)雜，在施工過(guò)程可能會(huì)經(jīng)常發(fā)生電氣故障導(dǎo)致元器件損壞或誤動(dòng)作，通信不穩(wěn)定以及危及人員安全的情況，造成設(shè)備和人員損害，同時(shí)也對(duì)施工工期產(chǎn)生較大影響。究其原因，多數(shù)是電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理或可靠性較差。因此在對(duì)長(zhǎng)距離頂管機(jī)的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先要保證電氣系統(tǒng)的合理性、可靠性。頂管機(jī)的電氣系統(tǒng)主要包括供配電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)，從上述3 個(gè)方面對(duì)長(zhǎng)距離頂管機(jī)電氣系統(tǒng)的合理性和可靠性進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。

1 頂管機(jī)供配電系統(tǒng)

根據(jù)頂管機(jī)的施工方式，供配電系統(tǒng)分2 路：①隧道內(nèi)主機(jī)負(fù)載供配電；②地面控制室及地面其他功率負(fù)載供配電。

1.1 主機(jī)負(fù)載供配電

長(zhǎng)距離頂管機(jī)掘進(jìn)距離遠(yuǎn)，主機(jī)刀盤(pán)系統(tǒng)、排漿系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等功率較大，若采用傳統(tǒng)的低壓供配電方式，一是壓降很大，電氣設(shè)備無(wú)法工作，二是所需電纜數(shù)量大大增加，增加成本以及拆裝電纜時(shí)間長(zhǎng)，極大地影響工程進(jìn)度，故采用高壓配電方式。

1.1.1 設(shè)計(jì)供配電框架

負(fù)載容量是供配電設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。頂管機(jī)主機(jī)設(shè)備負(fù)載主要以電機(jī)為主，占供配電系統(tǒng)總?cè)萘康?0%以上。另外還有照明插座、PLC 控制、傳感器及電磁閥等。

（1）根據(jù)電機(jī)功率及功能要求確定電機(jī)啟動(dòng)方式。交流電機(jī)對(duì)電源電壓的波動(dòng)較為敏感，應(yīng)減小電機(jī)啟動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的影響。小功率電機(jī)可采用直接啟動(dòng)。大功率電機(jī)啟動(dòng)應(yīng)采用降壓?jiǎn)?dòng)，常用的方式有星三角啟動(dòng)、軟啟動(dòng)和變頻啟動(dòng)。刀盤(pán)排漿系統(tǒng)功率較大且有調(diào)速需求，采用變頻啟動(dòng)。輔助液壓泵、空壓機(jī)不頻繁啟動(dòng)，綜合成本考慮，采用星三角啟動(dòng)。

（2）根據(jù)各系統(tǒng)的負(fù)載容量，設(shè)計(jì)供配電系統(tǒng)的框架如圖1所示，負(fù)載容量較大的負(fù)載，如刀盤(pán)變頻系統(tǒng)、排漿變頻系統(tǒng)直接從變壓器低壓側(cè)銅排供電，其他負(fù)載從低壓配電柜供電。

圖1 主機(jī)負(fù)載供配電框架示意

（3）根據(jù)負(fù)載，選擇不同的電壓等級(jí)。插座、接觸器控制電源AC 230 V，由變壓器將進(jìn)線電壓AC 400 V 降壓為AC 230 V；PLC 模塊、電磁閥、傳感器等控制電源為DC 24 V，由開(kāi)關(guān)電源整流得到；照明電壓選擇安全電壓AC 24 V，由變壓器將進(jìn)線電壓AC 400 V 降壓為AC 24 V。

（4）根據(jù)上述負(fù)載容量、啟動(dòng)方式和電壓等級(jí)對(duì)回路元器件進(jìn)行選型，主要依據(jù)回路電壓等級(jí)、最大載流量匹配，開(kāi)關(guān)保護(hù)級(jí)別匹配，上下級(jí)漏電保護(hù)相互配合等。

1.1.2 主要電氣元件功能

（1）箱式變壓器。箱式變壓器將10 kV 降壓變成AC 400 V，高壓開(kāi)關(guān)柜采用SF6絕緣全密封全絕緣環(huán)網(wǎng)柜做變壓器保護(hù)，具有超溫保護(hù)、速斷保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)等自動(dòng)保護(hù)功能以及帶電指示燈和測(cè)量?jī)x表等顯示功能元件。變壓器低壓側(cè)保護(hù)開(kāi)關(guān)具備過(guò)流、短路、欠壓、漏電等功能，并配備多功能電計(jì)量表、相序檢測(cè)儀、溫濕度控制器等監(jiān)測(cè)器。多功能電計(jì)量表帶通信接口，PLC 可以采集這些信息到上位機(jī)顯示并存儲(chǔ)，并具有相序故障顯示和溫濕度檢測(cè)及自動(dòng)降溫除濕等功能，對(duì)變壓器實(shí)現(xiàn)多方面的保護(hù)，保護(hù)系統(tǒng)正常運(yùn)行。

（2）變頻器。主機(jī)負(fù)載共用一個(gè)變壓器，由于刀盤(pán)與排漿泵是變頻驅(qū)動(dòng)，其余非變頻負(fù)載功率較小，為盡量減少變頻負(fù)載對(duì)電網(wǎng)的諧波干擾進(jìn)而可能會(huì)對(duì)非變頻負(fù)載產(chǎn)生影響，在變頻器輸入端需增加輸入電抗器。

1.1.3 快速轉(zhuǎn)接

隨著頂管機(jī)掘進(jìn)距離的增加，需延伸高壓電纜。拼裝管節(jié)時(shí)，需將穿管節(jié)的管線拆除，高壓電纜拆除，主機(jī)變壓器需先斷電，管節(jié)拼裝完成后，高壓電纜連接后，主機(jī)變壓器需合閘。頂管機(jī)主機(jī)內(nèi)一般無(wú)故障情況基本沒(méi)有操作人員，每次換管節(jié)都需要工作人員進(jìn)洞對(duì)變壓器進(jìn)行分合閘，增加了人員的工作量，影響掘進(jìn)效率。快速轉(zhuǎn)接對(duì)工程進(jìn)度的影響較為關(guān)鍵，快速轉(zhuǎn)接由高壓電纜快速拆裝及變壓器遠(yuǎn)程分合閘配合實(shí)現(xiàn)。

（1）高壓電纜快速拆裝：高壓電纜常見(jiàn)拆裝有兩種：端子箱和插拔式電纜接頭。插拔式電纜接頭造價(jià)貴，制作工藝復(fù)雜，操作人員技能要求高。而端子箱造價(jià)低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作較為簡(jiǎn)單，綜合討論后采用端子箱進(jìn)行高壓電纜拆裝。為減少拆裝時(shí)間，滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的情況下，減少端子箱上固定螺釘?shù)臄?shù)量，同時(shí)端子箱處需頻繁拆卸電纜，安全性必須考慮，在端子箱柜門(mén)上做帶電指示，方便操作人員判斷是否帶電。

高壓電纜延伸配電如圖2 所示，從地面高壓開(kāi)關(guān)柜接一段高壓電纜到始發(fā)井下，始發(fā)井處布置一中壓端子箱，管節(jié)拼裝時(shí)，只需從中壓端子箱出線端拆除即可。從中壓端子箱再連接100 m（因延伸高壓電纜需八字盤(pán)在管節(jié)內(nèi)，實(shí)際需根據(jù)管節(jié)直徑調(diào)整長(zhǎng)度）延伸高壓電纜到拖車(chē)上的中壓端子箱和變壓器。掘進(jìn)100 m 后，從始發(fā)井中壓端子箱處新增一段100 m 高壓電纜，延伸高壓電纜兩段之間采用中間接頭連接。

圖2 高壓延伸配電

（2）變壓器遠(yuǎn)程分合閘操作流程如圖3 所示：在地面控制室操作臺(tái)設(shè)置變壓器遠(yuǎn)程分合閘按鈕及指示燈，變壓器分閘、合閘按鈕各并接一個(gè)繼電器觸點(diǎn)。經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)程通信、PLC 運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)變壓器遠(yuǎn)程分合閘及復(fù)位功能。若拼裝管節(jié)前直接將地面開(kāi)關(guān)柜分閘斷電，變壓器在通電的情況下被切斷電源，失壓線圈斷電動(dòng)作，一個(gè)工程需要頻繁拆接高壓電纜上百次，長(zhǎng)期頻繁操作可能損害變壓器框架斷路器壽命，同時(shí)增加安全風(fēng)險(xiǎn)，所以應(yīng)嚴(yán)格按照流程規(guī)范操作。

圖3 遠(yuǎn)程分合閘操作流程

1.2 地面設(shè)備供配電

地面功率部分主要有推進(jìn)系統(tǒng)、進(jìn)排漿系統(tǒng)和膨潤(rùn)土系統(tǒng)。因這部分功率較小，從工地客戶變壓器供電。參考主機(jī)配電依據(jù)設(shè)計(jì)地面負(fù)載供配電框架如圖4 所示：控制室內(nèi)低壓配電柜設(shè)置獨(dú)立框架斷路器，配置漏電保護(hù)器，框架下分各級(jí)開(kāi)關(guān)，頂管設(shè)備負(fù)載與工地其他輔機(jī)負(fù)載隔離，互不影響。采用集裝箱式控制室，地面變頻柜、配電柜及操作臺(tái)都布置在集裝箱內(nèi)，吊運(yùn)轉(zhuǎn)場(chǎng)防護(hù)以及集中控制排查故障較為方便。

圖4 地面負(fù)載供配電框架示意

2 頂管機(jī)控制系統(tǒng)

頂管機(jī)分系統(tǒng)較多，如何有效串聯(lián)各分系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、控制算法、人機(jī)接口等功能，提高設(shè)備自動(dòng)化水平和操作便捷性，保障控制系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性是需解決的問(wèn)題。

2.1 控制系統(tǒng)

頂管機(jī)電氣控制系統(tǒng)原理如圖5 所示：采用主從方式，上下位機(jī)結(jié)構(gòu)。上位機(jī)由兩臺(tái)工控機(jī)組成，兩臺(tái)工控機(jī)的數(shù)據(jù)同步顯示，并具有互換性，可防止因工控機(jī)故障而造成設(shè)備停機(jī)，形成“熱備”，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性；下位機(jī)主要由控制室西門(mén)子S7-1500 系列可編程控制器（PLC）與主機(jī)配電柜ET200SP 子站以光纖方式實(shí)現(xiàn)通信，主機(jī)配電柜ET200SP 子站對(duì)頂管機(jī)內(nèi)調(diào)向系統(tǒng)、油脂潤(rùn)滑系統(tǒng)、泥漿循環(huán)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集等進(jìn)行控制；盾體信號(hào)相對(duì)集中，設(shè)立獨(dú)立子站，減少大量控制電纜的接線；刀盤(pán)變頻系統(tǒng)配置獨(dú)立S7-1512CPU，實(shí)現(xiàn)變頻器同步控制，精度更高。

圖5 控制通信系統(tǒng)拓?fù)?/p>

2.2 人機(jī)界面（HMI）

人機(jī)界面（HMI）應(yīng)功能齊全、界面優(yōu)美、操作簡(jiǎn)單。頂管機(jī)界面包含掘進(jìn)、輔助系統(tǒng)、參數(shù)控制、報(bào)警、數(shù)據(jù)查詢等畫(huà)面，掘進(jìn)界面可以詳細(xì)地看到各系統(tǒng)、電機(jī)和泵的具體工作狀態(tài)；輔助系統(tǒng)可以查看輔助系統(tǒng)數(shù)據(jù)、有害氣體濃度、各子系統(tǒng)工作累計(jì)時(shí)間等；參數(shù)控制界面對(duì)一些重要的數(shù)據(jù)參數(shù)設(shè)置初始值、上下限值，起到預(yù)警作用，還對(duì)部分系統(tǒng)設(shè)置旁通權(quán)限，允許短時(shí)間旁通運(yùn)行；報(bào)警界面可以查詢到當(dāng)前及歷史報(bào)警信息，供施工人員快速排故障；數(shù)據(jù)查詢界面可以按時(shí)間或管節(jié)號(hào)來(lái)查詢掘進(jìn)參數(shù)。地面工控機(jī)還預(yù)留發(fā)布了WebService 數(shù)據(jù)接口，方便客戶將頂管機(jī)各類(lèi)數(shù)據(jù)同步到項(xiàng)目部或指揮中心。

2.3 急停控制

由于頂管機(jī)主機(jī)在洞內(nèi)往前掘進(jìn)，主機(jī)內(nèi)一般無(wú)操作人員，如遇到出現(xiàn)爆管、涌水或爆炸起火等突發(fā)情況時(shí)應(yīng)安全可靠地切斷電源。若采用傳統(tǒng)安全繼電器，需將控制室急停按鈕用電纜連接到主機(jī)安全繼電器，電纜長(zhǎng)度大且穿過(guò)管節(jié)，每次拼裝管節(jié)電纜需拆接，線路過(guò)長(zhǎng)中間使用接插件，電纜延伸過(guò)程增加誤動(dòng)作的風(fēng)險(xiǎn)。為提高系統(tǒng)安全性，急停采用西門(mén)子故障安全型PLC，安全等級(jí)可達(dá)SIL3，通過(guò)程序編程實(shí)現(xiàn)對(duì)主機(jī)變壓器的急停控制。

控制臺(tái)急停按鈕權(quán)限最高，按下急?？梢詫⒍磧?nèi)主機(jī)變壓器框架斷路器和控制室配電柜框架斷路器同時(shí)斷電。由于在換管節(jié)時(shí)需要推進(jìn)油缸伸縮動(dòng)作來(lái)調(diào)整管節(jié)姿態(tài)，地面配電不能斷電，盾體急停、變壓器急停只能停洞內(nèi)主機(jī)變壓器框架斷路器，而不能停控制室配電柜框架斷路器，控制示意如圖6 所示。PLC 程序如圖7 所示：I0.0 為控制臺(tái)急停按鈕輸入，I0.1 為盾體急停按鈕輸入，I0.2 為變壓器急停按鈕輸入，Q0.0為主機(jī)配電柜F-RQ 輸出，Q0.1 為控制室配電柜F-RQ 輸出。正常急停按鈕未按下時(shí)，I0.0、I0.1、I0.2 輸入狀態(tài)都為1，Q0.0、Q0.1 輸出狀態(tài)也為1，控制臺(tái)急停按鈕按下，I0.0 輸入狀態(tài)變?yōu)?，Q0.0、Q0.1 輸出狀態(tài)變?yōu)?，執(zhí)行接觸器斷電，帶動(dòng)2 個(gè)框架斷路器跳閘。同理，盾體急停、變壓器急停按鈕按下，只讓主機(jī)變壓器框架斷路器跳閘。

圖7 急停系統(tǒng)PLC 程序

3 頂管機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

長(zhǎng)距離頂管機(jī)各分系統(tǒng)較多，有些分系統(tǒng)之間控制需協(xié)作運(yùn)行，如何高效協(xié)作，除了程序控制的邏輯配合外，合理便捷的通信監(jiān)控系統(tǒng)顯得尤為關(guān)鍵。

3.1 監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)由攝像頭、電話、硬盤(pán)錄像機(jī)及屏幕等組成（圖5）。主機(jī)各攝像頭監(jiān)控人艙、主機(jī)內(nèi)設(shè)備及人員情況，始發(fā)井?dāng)z像頭監(jiān)控管節(jié)推進(jìn)拼裝情況。攝像頭信號(hào)通過(guò)硬盤(pán)錄像機(jī)對(duì)畫(huà)面進(jìn)行管理，可以4 畫(huà)面、6 畫(huà)面等制式在監(jiān)視器上顯示。硬盤(pán)錄像機(jī)具備存儲(chǔ)功能，可以記錄一周內(nèi)的視頻信息，通過(guò)回看功能進(jìn)行視頻查詢。在人艙內(nèi)外、中繼間配置多部電話，由電話交換機(jī)分配號(hào)碼，可以撥打控制室電話，實(shí)現(xiàn)地上司機(jī)與地下工作人員的快速聯(lián)絡(luò)。

3.2 長(zhǎng)距離通信

長(zhǎng)距離帶來(lái)的信號(hào)衰減不穩(wěn)定問(wèn)題需要考慮?？刂葡到y(tǒng)通信主要是分布式I/O 子站和其他與CPU 直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)控制功能，特點(diǎn)是數(shù)據(jù)量小，但實(shí)時(shí)性要求很高（毫秒級(jí)）；監(jiān)控系統(tǒng)通信主要是視頻和電話信號(hào)，特點(diǎn)是數(shù)據(jù)量大，但實(shí)時(shí)性要求不高。由于2種通信對(duì)安全性、傳輸速率、傳輸質(zhì)量的容忍度不一樣，因此采用獨(dú)立的2 條網(wǎng)絡(luò)。Profinet 通信由主機(jī)通信箱光交換機(jī)經(jīng)光纖連接到通信中繼箱光交換機(jī)，再經(jīng)網(wǎng)線連接到控制室；視頻電話通信由主機(jī)通信箱光端接收機(jī)經(jīng)光纖連接到通信中繼箱光端發(fā)射機(jī)，再經(jīng)網(wǎng)線連接到控制室。通信中繼箱放置于尾部管節(jié)內(nèi)，箱子上配置3 個(gè)工業(yè)級(jí)網(wǎng)線插頭，換管節(jié)時(shí)可實(shí)現(xiàn)快速拆接通信電纜。

4 結(jié)語(yǔ)

就長(zhǎng)距離頂管機(jī)電氣系統(tǒng)中供配電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)3 個(gè)方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析，重點(diǎn)詳細(xì)分析電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性和可靠性，對(duì)設(shè)計(jì)與施工中應(yīng)注意的安全問(wèn)題進(jìn)行探討，同時(shí)運(yùn)用一些新的技術(shù)理念，提高了頂管機(jī)的性能。本電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，安全性和穩(wěn)定性高，可以為同類(lèi)型長(zhǎng)距離頂管機(jī)電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供借鑒。