基于PLC的多錘頭破碎機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

惠記莊，曹 杰，鄒亞科，馬 妍

HUI Ji-zhuang , CAO Jie, ZOU Ya-ke, MA Yan

（長(zhǎng)安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，西安 710061）

基于PLC的多錘頭破碎機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Designation of multiple-head breaker control system based on PLC technology

惠記莊，曹 杰，鄒亞科，馬 妍

HUI Ji-zhuang , CAO Jie, ZOU Ya-ke, MA Yan

（長(zhǎng)安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，西安 710061）

利用多錘頭破碎技術(shù)可以基本上消除舊水泥砼路面改造后出現(xiàn)的反射裂縫，多錘頭破碎車(chē)是多錘頭破碎技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備。通過(guò)分析破碎車(chē)的工作原理、控制要求和液壓系統(tǒng)工作流程，結(jié)合多錘頭破碎技術(shù)的施工工藝要求，針對(duì)多錘頭破碎機(jī)的工作特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了多錘頭破碎機(jī)的PLC控制系統(tǒng)。該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可靠性好,控制方式靈活，可在運(yùn)行中對(duì)油缸的運(yùn)行速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

工程機(jī)械；多錘頭破碎車(chē)；PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引言

水泥砼路面強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、使用壽命長(zhǎng)、承載能力強(qiáng),而且其抗車(chē)轍能力、水穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性強(qiáng)于瀝青砼路面，在高速公路、國(guó)道及城市公路中得到了廣泛應(yīng)用[1,2]。但是近幾年來(lái)，隨著交通量的增加，特別是重載車(chē)輛的增多，水泥路面出現(xiàn)了諸如錯(cuò)臺(tái)、斷板、唧泥等病害，嚴(yán)重影響了路面的行車(chē)性能和結(jié)構(gòu)性能，同時(shí)上世紀(jì)九十年代修建的水泥路面，大多接近或超出設(shè)計(jì)年限，出現(xiàn)了不同程度的損壞，處于維修、待修狀態(tài)，水泥路面的修復(fù)養(yǎng)護(hù)工作已迫在眉睫。與瀝清路面相比，水泥混凝土路面的修復(fù)比較困難，傳統(tǒng)的修復(fù)方法是對(duì)舊水泥砼路面實(shí)施壓漿、灌縫等措施后加鋪瀝青砼層。這種方法經(jīng)濟(jì)環(huán)保，無(wú)須處理“白色”污染，是一種快速改造大面積破壞水泥路面的辦法，但改造后一年內(nèi)罩面層易出現(xiàn)反射裂縫，加速瀝青罩面層的破壞，因此如何防治及消除反射裂縫成了水泥路面修復(fù)的關(guān)鍵技術(shù)。

針對(duì)水泥砼路面改造中的反射裂紋問(wèn)題，歐美國(guó)家開(kāi)發(fā)、應(yīng)用多錘頭碎石化技術(shù)修復(fù)水泥砼路面,取得了巨大的成功。多錘頭碎石化技術(shù)用到的關(guān)鍵設(shè)備為多錘頭破碎機(jī)。為了提高多錘頭破碎機(jī)控制系統(tǒng)機(jī)，的可靠性、降低生產(chǎn)成本，文中針對(duì)某型多錘頭破碎分析了其破碎系統(tǒng)的工作原理、控制要求和單個(gè)液壓系統(tǒng)工作流程，根據(jù)多錘頭破碎技術(shù)的施工工藝要求，設(shè)計(jì)了PLC控制系統(tǒng)。

1 多錘頭破碎機(jī)工作原理及特點(diǎn)

多錘頭破碎機(jī)（Multiple-Head Breaker，簡(jiǎn)稱(chēng)MHB，以下簡(jiǎn)稱(chēng)破碎機(jī)）的由動(dòng)力系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)、破碎系統(tǒng)和機(jī)架等組成。破碎機(jī)的主要控制對(duì)象為破碎系統(tǒng)，破碎系統(tǒng)位于破碎機(jī)的后半部分,其中間有2排各3對(duì)650 kg的錘頭，兩側(cè)各1對(duì)850 kg的翼錘。每對(duì)錘頭由1個(gè)液壓缸進(jìn)行提升，提升高度和速度可以獨(dú)立調(diào)節(jié)，最大提升高度為1.3m。它的工作原理是以液壓油缸把懸掛在車(chē)后的重錘依次提升到一定高度后突然釋放，錘頭迅速自由落體下滑，每個(gè)錘頭產(chǎn)生650-850kg的能量，對(duì)水泥路面進(jìn)行連續(xù)的沖擊破碎，由于錘頭分散，地面受力均勻，并且破碎后呈上小下大，上面層不大于7.5cm，中間層不大于22.5cm，下面層不大于37.5cm，且相互鑲嵌的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有較好的支撐作用且基本上可消除反射裂縫[3,4]。

2 破碎機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

在滿足系統(tǒng)動(dòng)作要求的前提下，破碎機(jī)的控制系統(tǒng)要簡(jiǎn)單、實(shí)用、成本低且系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，功能完善，操作方便。系統(tǒng)設(shè)計(jì)要有一定的前瞻性，為以后生產(chǎn)發(fā)展和工藝改進(jìn)留有擴(kuò)展余地。破碎機(jī)的控制系統(tǒng)包括運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力控制，系統(tǒng)報(bào)警與緊急制動(dòng)功能，并且工作速度可調(diào)，以實(shí)現(xiàn)錘距離可調(diào)。

2.1 運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力控制

液壓缸升頂?shù)墓ぷ鬟^(guò)程就是運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的傳遞過(guò)程。液壓缸升頂是將液壓壓力能轉(zhuǎn)化成液壓缸活塞桿帶動(dòng)錘的沖擊能，通過(guò)控制各種閥的啟閉，實(shí)現(xiàn)重錘運(yùn)動(dòng)方式的切換（重錘上升、下打與保壓）調(diào)整重錘的工作行程，實(shí)現(xiàn)重錘打擊力的控制。

2.2 系統(tǒng)報(bào)警與緊急制動(dòng)功能

破碎機(jī)在破碎過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)重錘的下降速度過(guò)快，打擊能量過(guò)大，打擊行程與設(shè)定行程不一致等現(xiàn)象，因此，在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)需要安裝檢測(cè)器件對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，并自動(dòng)地做出反應(yīng)，及時(shí)報(bào)警，顯示出錯(cuò)誤信息。

3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 破碎系統(tǒng)液壓原理分析

破碎機(jī)通過(guò)設(shè)定泵和馬達(dá)起始點(diǎn)的控制參數(shù)及變量過(guò)程的模式，并將其作為控制目標(biāo)函數(shù)寫(xiě)入控制器中，依靠電子信號(hào)處理系統(tǒng)控制電液比例液壓元件實(shí)現(xiàn)路面破碎工作，破碎車(chē)的控制實(shí)際上是對(duì)電液比例液壓元件的控制，因此在設(shè)計(jì)破碎車(chē)的控制系統(tǒng)前，有必要對(duì)破碎車(chē)破碎液壓系統(tǒng)工作原理進(jìn)行分析。

圖1 單個(gè)破碎液壓系統(tǒng)圖

根據(jù)前面闡述的破碎機(jī)工作原理和施工工藝要求，破碎液壓系統(tǒng)通過(guò)液壓缸上升頂升一組（2個(gè)）重錘，提供重錘的勢(shì)能，快速回落并保壓完成水泥砼路面破碎。結(jié)合單個(gè)破碎液壓系統(tǒng)如圖1所示，對(duì)破碎液壓系統(tǒng)分析如下：

系統(tǒng)由油缸1，一個(gè)單向閥2，一個(gè)二位二通電磁閥3，一個(gè)溢流閥4，一個(gè)液控單向閥5，一個(gè)二位三通電磁閥6，一個(gè)梭閥7，液壓油泵8組成。采用梭閥、液控單向閥聯(lián)合控制回油。采用溢流閥，遇到過(guò)大的負(fù)荷引起液壓缸內(nèi)工作油的壓力異常升高時(shí)，對(duì)液壓缸、液壓回路的配管或設(shè)備等起到有效地保護(hù)。同時(shí)，在單向閥的作用下，整機(jī)停電時(shí)油缸側(cè)有保壓作用。

油缸上升工作狀態(tài)：二位二通電磁閥3得電，回油管路與進(jìn)油管路斷開(kāi)；二位三通電磁閥6失電，液控單向閥5控制油路關(guān)閉，油泵高壓作用下一個(gè)單向閥2開(kāi)啟，油泵供油給液壓缸，高壓油頂升油缸。通過(guò)溢流閥4做過(guò)載保護(hù)。

油缸下落工作狀態(tài)：二位二通電磁閥3失電，回油管路與進(jìn)油管路連通，高壓油回油箱；同時(shí)，二位三通電磁閥6得電；高壓油通過(guò)梭閥7與二位三通電磁閥6控制油路導(dǎo)通，打開(kāi)液控單向閥5，油缸快速下降；在油缸側(cè)壓強(qiáng)下降到低于控制油路a側(cè)壓強(qiáng)時(shí)，控制油路打開(kāi)梭閥7，給液控單向閥5控制油路壓力，使液控單向閥5繼續(xù)打開(kāi)，從而使油缸1繼續(xù)徹底下落。

在破碎機(jī)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，油缸側(cè)保壓作用：二位二通電磁閥3與二位三通電磁閥6失電，一個(gè)單向閥2與液控單向閥5全部關(guān)閉，達(dá)到了保壓作用。

3.2 控制方式的確定

系統(tǒng)的控制方式包括繼電器控制、單片機(jī)控制、可編程邏輯控制器（PLC）控制方式。PLC控制可以將控制邏輯以程序方式存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中，具有控制方便、可擴(kuò)展性好、控制精度高等優(yōu)點(diǎn)。因此，破碎機(jī)的控制系統(tǒng)采用PLC控制。

破碎機(jī)PLC控制系統(tǒng)主要由傳感器、控制元件、執(zhí)行元件以及連接器件組成。參考相關(guān)產(chǎn)品及液壓重錘工作要求[5,6]，利用PLC的時(shí)間模塊控制液壓閥開(kāi)啟時(shí)間進(jìn)而控制流量。壓力傳感器安裝在油泵出口、蓄能器和液壓缸上下腔等位置，用于測(cè)量對(duì)應(yīng)處的壓力變化情況。執(zhí)行元件包括各種電磁換向閥、報(bào)警器，輸出設(shè)備。

3.3 PLC的選擇

PLC的選擇主要包括兩個(gè)方面：I/O點(diǎn)數(shù)和存儲(chǔ)器容量。根據(jù)前面闡述的破碎機(jī)工作原理和施工工藝要求，破碎機(jī)需要實(shí)現(xiàn)錘頭上下運(yùn)動(dòng), 并可以在運(yùn)動(dòng)中控制油缸的運(yùn)動(dòng)頻率和行程。考慮以上因素，

根據(jù)文獻(xiàn)[7-8]的計(jì)算方法可計(jì)算得出破碎機(jī)的輸入輸出信號(hào)的I/O總點(diǎn)數(shù)，在此基礎(chǔ)上擴(kuò)展20%左右用于備用，計(jì)算得出PLC的存儲(chǔ)器容量，在此基礎(chǔ)上增加20%的余量。

3.4 控制方案

根據(jù)PLC的 I/O點(diǎn)數(shù)和存儲(chǔ)器容量，并考慮被控對(duì)象對(duì)響應(yīng)時(shí)間要求等諸多因素，最終選擇西門(mén)子公司S7-200可編程控制器作為破碎機(jī)的控制器，其輸入點(diǎn)數(shù)為24個(gè)、輸出點(diǎn)數(shù)16個(gè)、擴(kuò)展I/O模塊采用EM235模擬量擴(kuò)展模塊，模擬量輸入點(diǎn)4個(gè)，模擬量輸出點(diǎn)2個(gè)。

根據(jù)控制要求分配PLC輸入輸出端口（如表1所示）。

表1 可編程序控制器端口分配表

根據(jù)錘的動(dòng)作要求設(shè)置其動(dòng)作如表2所示，表中“+”表示通電，“-”表示斷電。

表2 動(dòng)作循環(huán)表

3.5 控制流程

根據(jù)液壓系統(tǒng)動(dòng)作，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)流程（如圖2所示）

圖2 控制流程圖

3.6 梯形指令

按照控制系統(tǒng)工作部分的流程圖，結(jié)合液壓系統(tǒng)分析結(jié)果編輯PLC梯形圖（圖3），控制過(guò)程為：選擇開(kāi)關(guān)開(kāi)，中間繼電器M0.0開(kāi)，從DB1獲得時(shí)間設(shè)定PIW0值，將其輸給延時(shí)斷開(kāi)繼電器T0，同時(shí)Q0.0得電，A組油缸油缸上升，上升時(shí)間為PIW0的值；執(zhí)行PIW0的時(shí)間值結(jié)束后，Q0.1得電，A組油缸油缸下落，下落執(zhí)行時(shí)間為550ms；Q0.0得電250ms后，執(zhí)行B組油缸；之后的B’組、C’組和C組油缸動(dòng)作重復(fù)此規(guī)律。當(dāng)選擇控制面板中的停止時(shí)，在執(zhí)行完成下落程序后Q0.0(Q0.2,Q0.4,Q0.6,Q0.8)得電，油缸上升到中位，油缸停止在中間位置有利于破碎機(jī)的行走和運(yùn)輸。

破碎機(jī)可以在運(yùn)動(dòng)中對(duì)油缸的速度經(jīng)行調(diào)節(jié)。通過(guò)調(diào)節(jié)繼電器進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，根據(jù)文獻(xiàn)[9-10]設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)梯形圖（如圖4所示）。調(diào)節(jié)信號(hào)PIW2輸給數(shù)模轉(zhuǎn)化器，存放地址為VD20；在減法器中與 （存放地址為VD22）相減，結(jié)果存在VD30，（存放地址為VD24）與 （存放地址為VD22）相減，結(jié)果存放在VD32；VD30的數(shù)值與VD32數(shù)值相除，得到的結(jié)果存放在VD34，即為運(yùn)算結(jié)果，按照PID算法進(jìn)行速度的調(diào)節(jié)。

圖3 控制梯形圖

4 結(jié)論

多錘頭破碎技術(shù)能夠基本上消除舊砼路面改造后的反射裂縫問(wèn)題,有利有水泥路面的建造和使用。多錘頭破碎機(jī)是多錘頭破碎技術(shù)中的關(guān)鍵設(shè)備，為提高多錘頭破碎機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性、降低生產(chǎn)成本，設(shè)計(jì)了一種基于PLC的控制系統(tǒng)，通過(guò)編寫(xiě)PLC的梯形圖控制液壓系統(tǒng)的液壓閥件實(shí)現(xiàn)舊砼路面的破碎工作。文中對(duì)運(yùn)動(dòng)控制模塊進(jìn)行設(shè)計(jì),并給出運(yùn)動(dòng)程序基本結(jié)構(gòu)。該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可靠性好,控制方式靈活, 可在運(yùn)行中對(duì)油缸的運(yùn)行速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖4 比例電磁閥控制梯形圖

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TH166

A

1009-0134(2010)11(下)-0105-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.11(下).37

2010-07-20

惠記莊（1963 -），男，陜西富平人，教授，博士，研究方向?yàn)闄C(jī)械CAD/CAE技術(shù)。