中铁隧道集团二处有限公司 河北廊坊 065000
摘要：在当前隧道施工建设中，竖井垂直运输作业几乎贯穿隧道施工始末，尤其是针对盾构法施工而言，管片垂直吊运存在着巨大的风险。在垂直吊运的过程中，由于空间原因和沟通的迟滞性，会出现吊运过程中吊装区域其他作业人员躲避不及时的情况，存在极大安全隐患。一旦因某种原因发生吊物坠落，则极可能造成人员伤亡。
关键词：垂直运输、预警、控制电路、PLC程序
0.引言
竖井垂直运输风险巨大，安全隐患众多，安全事故也并不少见。除加强设备管理及人员培训外，应当设置一种预警系统，在吊物尚未到达竖井口即通知井下作业人员提前避让，以达到吊装区域及吊物下方无人的要求，从而消除安全隐患。本文以望京隧道门式起重机预警装置（下称本装置）为例，从设计思路、方案及电气设计两个方面入手，以期为后续施工提供参考与借鉴。
1.设计思路及方案
1.1设计思路
本装置预警及控制主要分临近预警和吊装禁行。临近预警是指当系统检测到门式起重机（以下简称门吊）靠近井口时，即控制竖井内报警器播报“门吊靠近，请避让”，持续一定时长，提醒井下其他作业人员快速通过或者避让。吊装禁行是指当检测到门吊完全进入竖井范围进行吊装作业时，系统控制报警器播报“吊装作业，禁止通行”，持续30s；同时通道闸门关闭，禁止无关人员进入吊装区域。当检测到门吊完全离开竖井时，通道闸门开启，正常通行。
1.2方案
1.2.1门吊参数介绍
望京隧道垂直运输门吊部分参数如下所示。
表1 门吊参数表
1.2.2门吊状态检测方式选择
按设计思路，门吊状态可以分为临近竖井、完全进入竖井、完全离开竖井三个状态。门吊状态即是门吊与竖井口的相对位置，因此可考虑通过空间上的检测来确定其具体状态。而此类检测可使用电容式接近开关或十字限位开关。接近开关相对于十字限位开关而言，优势在于无需在门吊上安装支出构件，避免其与轨行区其他物体干涉，通过性好。但接近开关安装位置和距离要求精度高，受潮湿、灰尘等因素影响较大，裸露环境可能无法长时间正常运转 。且从门吊结构上看，接近开关检测点不便于设置。因此，本装置采用十字限位开关作为检测门吊状态的工具。拨杆安装在大车前轮及后轮正上方钢结构上。
1.2.3竖井内报警及门禁
竖井内报警采用声光语音报警器。根据门吊在不同的状态时作出不同的反应。前文已阐述，在此不作赘述。报警时长主要根据门吊从临近竖井状态①到完全进入竖井状态②所需要的时间来确定。由表1可知门吊大车前后轮距S=7.6m，按临近竖井要求慢速，即为1挡V=10m/min。因此门吊从状态①到状态②所需时间 。因此，不妨确定报警时间为30s。门禁采用电磁铁控制，一旦门吊完全进入竖井区域电磁铁得电吸合，门无法推开。门吊完全退出竖井区域后，电磁铁失电释放，门可被正常推开，并且增设一种可调节刚度弹性储能的自动关门器，提升门禁的自动化及可靠性 。
1.2.4控制流程
结合前文所述内容，本装置控制流程如下：
①门吊运行；②判断门吊是否靠近竖井边缘；③若是，则进行第四步，若否，则预警装置不工作；④预警装置控制井下报警器工作；⑤在步骤4基础上，判断门吊是否完全进入竖井；⑥若是，则进行第七步，若否，则预警装置不工作；⑦预警装置控制报警器及门禁工作；⑧门吊是否完全退出竖井；是则执行第九步；否则执行第七步；⑨门禁解除。
2.电气设计
2.1电气元件
2.1.1输入元件
在本系统中，输入元件只有一个，即十字限位开关。
本系统将采用PLC控制，因此限位开关工作电压应选用24V。十字限位状态及对应触点开合情况如下图2所示。
.png)
图1 十字限位状态图
在门吊处于竖井口外时，限位状态3如图1右侧所示。A和B所有触点均处于闭合状态；当门吊接近竖井口（或开始离开竖井口）时，限位在拨杆作用下变为图1中部所示状态2，B触点21-22断开；当门吊完全进入竖井（或完全退出竖井）时，限位在拨杆作用下变为图1左侧所示状态1，B触点11-12断开。
2.1.2控制元件
采用PLC作为逻辑控制元件，继电器作为中间控制元件。由于本系统只涉及到数字量输入输出，且输入、输出的数量分别为2和3。因此，选用数字量输入、输出模块各一个，分别编号为1-1D1和1-2D1。另外，除一个普通继电器（K3）外，由于报警有时长要求，故还需选用两个带延时触点的继电器（K1、K2）。
2.1.3执行元件
本系统执行元件的功能主要是实现语音报警以及门禁。语音报警可以通过声光语音报警器来实现，在这里选用KXB22声光语音报警器，其存在两路输入，且每路输入都可对应不同的语音信息，恰符合本系统的使用需求。门禁控制主要通过电磁门吸来控制，门吸得电，门锁死；门吸失电，正常打开。
2.2PLC程序设计
本次程序设计采用梯形图进行编程。在PLC程序图中，左、右母线类似于继电器与接触器控制电源线，输出线圈类似于负载，输入触点类似于按钮。梯形图由若干阶级构成，自上而下排列，每个阶级起于左母线，经过触点与线圈，止于右母线（一般情况下右母线省略）。
.png)
图2 梯形图触点及输出线圈指令
如上图2所示，在梯形图中a为常开触点，当位地址得到“1”信号时，此触点闭合；当位地址得到“0”信号时，此触点仍处于断开状态。b为常闭触点，当位地址得到“1”信号时，触点断开；当位地址得到“0”信号时，触点仍保持闭合状态。c为输出线圈，当其左侧线路处于联通状态时，则执行相应的输出；若左侧线路处于断开状态，则输出不被执行。
在本系统中，PLC的作用是接收十字限位的状态信号，判断十字限位所处状态，根据程序输出。其输入输出信号及对应地址如下表2所示。
表2 输入、输出信号及对应地址表
图3 门吊预警系统PLC程序梯形图
如图3所示，当十字限位B触点11-12及21-22均处于闭合状态时，I0.1、I0.2得电（“1”信号），则位地址I0.1和I0.2对应的两个常开触点变为闭合状态，则Q0.1对应的输出线圈得电，输出“1”信号；而位地址为I0.1、I0.2的两个常闭触点因得电而断开，则Q0.2及Q0.3左侧线路处于开路，则输出“0”信号。当十字限位B触点11-12闭合，21-22断开时，I0.1得“1”信号，I0.2得“0”信号，则I0.1对应的常开触点闭合，常闭触点断开，I0.2对应的常开触点处于开路，常闭触点处于闭合状态，则Q0.2对应输出线圈得电，输出“1”信号，其他两个输出线圈左侧均处于开路状态，输出“0”信号。当十字限位B触点11-12断开，21-22断开时，I0.1、I0.2得“0”信号，两者对应的常开触点仍处于开路，常闭触点处于闭合状态，则Q0.3对应的输出线圈得电，输出“1”信号，其他两个输出线圈同样由于左侧线路开路，输出“0”信号。
2.3控制电路
根据电气元件选择结合设计思路及编制的PLC程序，绘制如下图所示控制电路。
图4中，PLC通过收集十字限位四个触点的闭合状态来判断门吊所处的位置。图5中，PLC在收集输入信号之后，根据程序作出不同的输出。当门吊在竖井以外区域时，限位处于状态1，此时K1得电动作，延时触点K1闭合。当门吊靠近竖井口时，限位变成状态2，K1失电，延时触点K1延时30S断开，而K2得电使得触点K2和延时触点K2都闭合。这样，报警器输出1与正极连通，报警器工作且发出“门吊靠近，请避让”。30S后，由于延时触点K1断开，报警器失电，则停止报警。当门吊完全进入竖井时，限位变成状态3，K3继电器得电使得两触点都闭合，且K2继电器失电，但延时触点K2延时30S断开。因此，报警器输出2路会得电30S，并在报警“吊装作业，禁止通行”。同时，门吸得电，门锁死。当门吊返回时，限位从状态3变状态2，但由于K3不得电，导致报警器不得电不工作，门吸失电而失效，门正常开启。当门吊彻底退出竖井时，限位从状态2变状态1，但由于K2继电器不得电，报警器也不工作。
图5 预警系统控制
3.结语
施工安全是人们长期关注的话题，而如何控制施工安全则长期以来考验着施工管理人员。而垂直运输风险大，安全隐患多，单单靠人力盯控是无法面面俱到的。本文所提到的门吊预警装置从自动化的角度探索了垂直运输风险控制的方法，在经历望京隧道项目的实践后证明了其可行性和实用性。但值得注意的是，本装置仅仅实现了对作业面的控制，对作业人员仅仅只实现了预警，只实现了点对面的控制。但随着5G时代的来临，元器件智能化程度不断提高，垂直运输预警也必将逐渐走向智能化，更加适应安全生产的需求。
参考文献：
[1]邓重一.接近开关原理及其应用[J].自动化博览，2003，05：31-4.
[2]袁力，李太福，任连城等.可调节刚度弹性储能的自动关门器：中国，E05F1/08[P]，2017-06-13.
[3]郎菲.绘制工作流程图[M].北京：中国标准出版社，2010.
[4]杨斌.手把手教你制作流程图[J].理科爱好者：教育教学版，2014，6（2）：32-33.
[5]中国国家标准化管理委员会.GB/T 4728.1-2005：电气简图用图形符号 第1部分：一般要求[S].北京：中国质检出版社，2008.
[6]中国国家标准化管理委员会.GB/T 4728.7-2008：电气简图用图形符号 第7部分：开关、控制盒保护器件[S].北京：中国质检出版社，2008.
[7]柴瑞娟，陈海霞.西门子PLC编程技术及工程应用[M].北京：机械工业出版社，2006.
[8]阳胜峰，吴志敏.图解西门子S7-300/400编程技术[M].北京：中国电力出版社，2010.
[9]杨跃宗.浅谈PLC梯形图的设计方法[J].机床电器，2009，36（2）：39-41.
[10]杨鹏.PLC梯形图编程规范的制定[C].全国冶金自动化信息网2015年会论文集.2015.