长距离顶管机电气系统总体设计分析

毛 成

（中国铁建重工集团股份有限公司，湖南长沙 410100）

0 引言

非开挖管道施工技术在管道施工工程中的应用越来越多，其中顶管施工以其施工精度高、适用土质广、使用管径范围大、综合成本低、环境污染小等优点被广泛应用。绝大多数顶管机还是应用在短距离，其配电及控制系统较简单，自动化程度较低。长距离顶管机掘进距离远（>500 m），配电和控制更为复杂，在施工过程可能会经常发生电气故障导致元器件损坏或误动作，通信不稳定以及危及人员安全的情况，造成设备和人员损害，同时也对施工工期产生较大影响。究其原因，多数是电气系统设计不合理或可靠性较差。因此在对长距离顶管机的电气系统设计时，首先要保证电气系统的合理性、可靠性。顶管机的电气系统主要包括供配电系统、控制系统和监控系统，从上述3 个方面对长距离顶管机电气系统的合理性和可靠性进行设计分析。

1 顶管机供配电系统

根据顶管机的施工方式，供配电系统分2 路：①隧道内主机负载供配电；②地面控制室及地面其他功率负载供配电。

1.1 主机负载供配电

长距离顶管机掘进距离远，主机刀盘系统、排浆系统、辅助系统等功率较大，若采用传统的低压供配电方式，一是压降很大，电气设备无法工作，二是所需电缆数量大大增加，增加成本以及拆装电缆时间长，极大地影响工程进度，故采用高压配电方式。

1.1.1 设计供配电框架

负载容量是供配电设计的基础。顶管机主机设备负载主要以电机为主，占供配电系统总容量的90%以上。另外还有照明插座、PLC 控制、传感器及电磁阀等。

（1）根据电机功率及功能要求确定电机启动方式。交流电机对电源电压的波动较为敏感，应减小电机启动对电网的影响。小功率电机可采用直接启动。大功率电机启动应采用降压启动，常用的方式有星三角启动、软启动和变频启动。刀盘排浆系统功率较大且有调速需求，采用变频启动。辅助液压泵、空压机不频繁启动，综合成本考虑，采用星三角启动。

（2）根据各系统的负载容量，设计供配电系统的框架如图1所示，负载容量较大的负载，如刀盘变频系统、排浆变频系统直接从变压器低压侧铜排供电，其他负载从低压配电柜供电。

图1 主机负载供配电框架示意

（3）根据负载，选择不同的电压等级。插座、接触器控制电源AC 230 V，由变压器将进线电压AC 400 V 降压为AC 230 V；PLC 模块、电磁阀、传感器等控制电源为DC 24 V，由开关电源整流得到；照明电压选择安全电压AC 24 V，由变压器将进线电压AC 400 V 降压为AC 24 V。

（4）根据上述负载容量、启动方式和电压等级对回路元器件进行选型，主要依据回路电压等级、最大载流量匹配，开关保护级别匹配，上下级漏电保护相互配合等。

1.1.2 主要电气元件功能

（1）箱式变压器。箱式变压器将10 kV 降压变成AC 400 V，高压开关柜采用SF6绝缘全密封全绝缘环网柜做变压器保护，具有超温保护、速断保护、过电流保护等自动保护功能以及带电指示灯和测量仪表等显示功能元件。变压器低压侧保护开关具备过流、短路、欠压、漏电等功能，并配备多功能电计量表、相序检测仪、温湿度控制器等监测器。多功能电计量表带通信接口，PLC 可以采集这些信息到上位机显示并存储，并具有相序故障显示和温湿度检测及自动降温除湿等功能，对变压器实现多方面的保护，保护系统正常运行。

（2）变频器。主机负载共用一个变压器，由于刀盘与排浆泵是变频驱动，其余非变频负载功率较小，为尽量减少变频负载对电网的谐波干扰进而可能会对非变频负载产生影响，在变频器输入端需增加输入电抗器。

1.1.3 快速转接

随着顶管机掘进距离的增加，需延伸高压电缆。拼装管节时，需将穿管节的管线拆除，高压电缆拆除，主机变压器需先断电，管节拼装完成后，高压电缆连接后，主机变压器需合闸。顶管机主机内一般无故障情况基本没有操作人员，每次换管节都需要工作人员进洞对变压器进行分合闸，增加了人员的工作量，影响掘进效率。快速转接对工程进度的影响较为关键，快速转接由高压电缆快速拆装及变压器远程分合闸配合实现。

（1）高压电缆快速拆装：高压电缆常见拆装有两种：端子箱和插拔式电缆接头。插拔式电缆接头造价贵，制作工艺复杂，操作人员技能要求高。而端子箱造价低，结构简单，操作较为简单，综合讨论后采用端子箱进行高压电缆拆装。为减少拆装时间，满足结构强度的情况下，减少端子箱上固定螺钉的数量，同时端子箱处需频繁拆卸电缆，安全性必须考虑，在端子箱柜门上做带电指示，方便操作人员判断是否带电。

高压电缆延伸配电如图2 所示，从地面高压开关柜接一段高压电缆到始发井下，始发井处布置一中压端子箱，管节拼装时，只需从中压端子箱出线端拆除即可。从中压端子箱再连接100 m（因延伸高压电缆需八字盘在管节内，实际需根据管节直径调整长度）延伸高压电缆到拖车上的中压端子箱和变压器。掘进100 m 后，从始发井中压端子箱处新增一段100 m 高压电缆，延伸高压电缆两段之间采用中间接头连接。

图2 高压延伸配电

（2）变压器远程分合闸操作流程如图3 所示：在地面控制室操作台设置变压器远程分合闸按钮及指示灯，变压器分闸、合闸按钮各并接一个继电器触点。经过远程通信、PLC 运算，实现变压器远程分合闸及复位功能。若拼装管节前直接将地面开关柜分闸断电，变压器在通电的情况下被切断电源，失压线圈断电动作，一个工程需要频繁拆接高压电缆上百次，长期频繁操作可能损害变压器框架断路器寿命，同时增加安全风险，所以应严格按照流程规范操作。

图3 远程分合闸操作流程

1.2 地面设备供配电

地面功率部分主要有推进系统、进排浆系统和膨润土系统。因这部分功率较小，从工地客户变压器供电。参考主机配电依据设计地面负载供配电框架如图4 所示：控制室内低压配电柜设置独立框架断路器，配置漏电保护器，框架下分各级开关，顶管设备负载与工地其他辅机负载隔离，互不影响。采用集装箱式控制室，地面变频柜、配电柜及操作台都布置在集装箱内，吊运转场防护以及集中控制排查故障较为方便。

图4 地面负载供配电框架示意

2 顶管机控制系统

顶管机分系统较多，如何有效串联各分系统，实现设备的数据采集、控制算法、人机接口等功能，提高设备自动化水平和操作便捷性，保障控制系统可靠性和稳定性是需解决的问题。

2.1 控制系统

顶管机电气控制系统原理如图5 所示：采用主从方式，上下位机结构。上位机由两台工控机组成，两台工控机的数据同步显示，并具有互换性，可防止因工控机故障而造成设备停机，形成“热备”，增强系统的稳定性；下位机主要由控制室西门子S7-1500 系列可编程控制器（PLC）与主机配电柜ET200SP 子站以光纤方式实现通信，主机配电柜ET200SP 子站对顶管机内调向系统、油脂润滑系统、泥浆循环系统、数据采集等进行控制；盾体信号相对集中，设立独立子站，减少大量控制电缆的接线；刀盘变频系统配置独立S7-1512CPU，实现变频器同步控制，精度更高。

图5 控制通信系统拓扑

2.2 人机界面（HMI）

人机界面（HMI）应功能齐全、界面优美、操作简单。顶管机界面包含掘进、辅助系统、参数控制、报警、数据查询等画面，掘进界面可以详细地看到各系统、电机和泵的具体工作状态；辅助系统可以查看辅助系统数据、有害气体浓度、各子系统工作累计时间等；参数控制界面对一些重要的数据参数设置初始值、上下限值，起到预警作用，还对部分系统设置旁通权限，允许短时间旁通运行；报警界面可以查询到当前及历史报警信息，供施工人员快速排故障；数据查询界面可以按时间或管节号来查询掘进参数。地面工控机还预留发布了WebService 数据接口，方便客户将顶管机各类数据同步到项目部或指挥中心。

2.3 急停控制

由于顶管机主机在洞内往前掘进，主机内一般无操作人员，如遇到出现爆管、涌水或爆炸起火等突发情况时应安全可靠地切断电源。若采用传统安全继电器，需将控制室急停按钮用电缆连接到主机安全继电器，电缆长度大且穿过管节，每次拼装管节电缆需拆接，线路过长中间使用接插件，电缆延伸过程增加误动作的风险。为提高系统安全性，急停采用西门子故障安全型PLC，安全等级可达SIL3，通过程序编程实现对主机变压器的急停控制。

控制台急停按钮权限最高，按下急停可以将洞内主机变压器框架断路器和控制室配电柜框架断路器同时断电。由于在换管节时需要推进油缸伸缩动作来调整管节姿态，地面配电不能断电，盾体急停、变压器急停只能停洞内主机变压器框架断路器，而不能停控制室配电柜框架断路器，控制示意如图6 所示。PLC 程序如图7 所示：I0.0 为控制台急停按钮输入，I0.1 为盾体急停按钮输入，I0.2 为变压器急停按钮输入，Q0.0为主机配电柜F-RQ 输出，Q0.1 为控制室配电柜F-RQ 输出。正常急停按钮未按下时，I0.0、I0.1、I0.2 输入状态都为1，Q0.0、Q0.1 输出状态也为1，控制台急停按钮按下，I0.0 输入状态变为0，Q0.0、Q0.1 输出状态变为0，执行接触器断电，带动2 个框架断路器跳闸。同理，盾体急停、变压器急停按钮按下，只让主机变压器框架断路器跳闸。

图7 急停系统PLC 程序

3 顶管机监控系统

长距离顶管机各分系统较多，有些分系统之间控制需协作运行，如何高效协作，除了程序控制的逻辑配合外，合理便捷的通信监控系统显得尤为关键。

3.1 监控系统

监控系统由摄像头、电话、硬盘录像机及屏幕等组成（图5）。主机各摄像头监控人舱、主机内设备及人员情况，始发井摄像头监控管节推进拼装情况。摄像头信号通过硬盘录像机对画面进行管理，可以4 画面、6 画面等制式在监视器上显示。硬盘录像机具备存储功能，可以记录一周内的视频信息，通过回看功能进行视频查询。在人舱内外、中继间配置多部电话，由电话交换机分配号码，可以拨打控制室电话，实现地上司机与地下工作人员的快速联络。

3.2 长距离通信

长距离带来的信号衰减不稳定问题需要考虑。控制系统通信主要是分布式I/O 子站和其他与CPU 直接进行数据交互，实现控制功能，特点是数据量小，但实时性要求很高（毫秒级）；监控系统通信主要是视频和电话信号，特点是数据量大，但实时性要求不高。由于2种通信对安全性、传输速率、传输质量的容忍度不一样，因此采用独立的2 条网络。Profinet 通信由主机通信箱光交换机经光纤连接到通信中继箱光交换机，再经网线连接到控制室；视频电话通信由主机通信箱光端接收机经光纤连接到通信中继箱光端发射机，再经网线连接到控制室。通信中继箱放置于尾部管节内，箱子上配置3 个工业级网线插头，换管节时可实现快速拆接通信电缆。

4 结语

就长距离顶管机电气系统中供配电系统、控制系统、监控系统3 个方面进行了设计分析，重点详细分析电气系统设计的合理性和可靠性，对设计与施工中应注意的安全问题进行探讨，同时运用一些新的技术理念，提高了顶管机的性能。本电气系统设计合理，安全性和稳定性高，可以为同类型长距离顶管机电气系统设计提供借鉴。