一種泵式混凝土濕噴機控制系統(tǒng)研究

高梅梅，孫 偉，蒲曉波GAO Mei-mei, SUN Wei, PU Xiao-bo（中鐵工程裝備集團設(shè)計研究總院，河南 鄭州 450016）

一種泵式混凝土濕噴機控制系統(tǒng)研究

高梅梅，孫 偉，蒲曉波
GAO Mei-mei, SUN Wei, PU Xiao-bo
（中鐵工程裝備集團設(shè)計研究總院，河南 鄭州 450016）

[摘 要]文章分析了目前國內(nèi)混凝土噴射應用的現(xiàn)狀及存在的不足，介紹了一種滿足市場需求的泵式混凝土濕噴機的工作原理，提出了基于PLC和觸摸屏技術(shù)的控制方案，并對控制系統(tǒng)軟件、硬件的設(shè)計進行了闡述。該泵式濕噴機經(jīng)過多地的工業(yè)試驗及應用，體現(xiàn)了自動化程度高、噴射效率高、可靠性高以及回彈率低等優(yōu)勢，具有很大的推廣應用前景。

[關(guān)鍵詞]混凝土濕噴機； PLC； 控制系統(tǒng)

混凝土噴射技術(shù)主要用于隧道施工、水利水電、邊坡穩(wěn)定、礦井掘進等工程中。混凝土噴射技術(shù)的使用在世界上已有一個世紀的歷史，我國是從20世紀60年代末開始采用的。近十多年來，社會經(jīng)濟及隧道施工技術(shù)的發(fā)展，對隧道的初期支護提出更高的要求，傳統(tǒng)干噴法已無法滿足隧道施工安全、高效、環(huán)保、職業(yè)健康方面的要求。而濕噴技術(shù)的發(fā)展日趨完善，具有生產(chǎn)效率高、粉塵濃度小、安全、環(huán)保、實用等特點，已成為世界各國噴射技術(shù)發(fā)展的主流[1～3]。目前已有越來越多的濕式噴射機投入使用，但國內(nèi)生產(chǎn)的大多數(shù)濕噴機均屬小型，功能單一，生產(chǎn)效率較低，噴射量通常只有5～10m3/h，回彈率也高，而國外一些品牌的濕噴機價格非常昂貴，不利于推廣使用[4～5]。所以開發(fā)高性價比、高可靠性的泵式濕噴機是我國混凝土噴射技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。

1 泵式濕噴機工作原理

泵式混凝土噴射系統(tǒng)主要包括泵送系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、添加劑系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。泵送系統(tǒng)將一定級配和水灰拌和好的混凝土料以稠密流形式，通過泵送缸泵送、輸送管擠壓輸送到噴嘴處。添加劑系統(tǒng)是通過速凝劑泵將液態(tài)速凝劑輸送到噴嘴處。壓縮空氣系統(tǒng)在噴嘴處將速凝劑和混凝土混合吹送出噴嘴，并以一定的壓力吹射到洞壁上，混凝土在速凝劑的作用下，很快凝結(jié)，從而在受噴面上形成堅固的混凝土支護層，完成噴射作業(yè)工序[6～8]。控制系統(tǒng)通過對各系統(tǒng)的控制來完成上述的噴射工作。此噴射技術(shù)具有節(jié)約材料，提高施工效率，降低工程費用等特點。噴射原理示意圖如圖1所示，整機外形圖如圖2所示。

圖1 濕噴機噴射原理圖

圖2 濕噴機整機外形圖

2 濕噴機電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)設(shè)計是根據(jù)泵送系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等控制要求，選用合理的硬件和控制策略，實現(xiàn)對混凝土噴射的控制。系統(tǒng)采用三菱PLC控制，通過編程，使線路簡單，便于維護，且可靠性高。采用觸摸屏控制，與PLC通訊簡單，通過交換數(shù)據(jù)，方便用戶讀取和設(shè)定噴射過程中的參數(shù)，實現(xiàn)了人機交互，大大提高了控制系統(tǒng)的可視化程度[9]。

2.1 硬件組成

控制系統(tǒng)硬件主要由三菱FX2N系列PLC、施耐德觸摸屏HMI STU855、變頻器以及其他低壓控制元器件組成。系統(tǒng)控制框圖如圖3所示。

圖3 濕噴機控制系統(tǒng)框圖

2.2 軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計包括三菱PLC的編程設(shè)計和施耐德觸摸屏人機交互界面設(shè)計。PLC程序是濕噴機整個控制系統(tǒng)的核心，是系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。控制系統(tǒng)使用三菱GX Developer編程軟件，采用梯形圖語言設(shè)計程序，編程方便、簡單易懂。觸摸屏程序設(shè)計是實現(xiàn)人機交互的關(guān)鍵，控制系統(tǒng)使用施耐德Vijeo Designer軟件設(shè)計人機交互界面，Vijeo Designer軟件有強大的操作環(huán)境和設(shè)計平臺，滿足從簡單到復雜的一切設(shè)計需求，為用戶提供了方便。

PLC程序設(shè)計主要包括混凝土泵送系統(tǒng)、速凝劑系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)相關(guān)檢測報警以及系統(tǒng)各種檢測保護等設(shè)計。混凝土噴射控制的邏輯圖如圖4所示。

圖4 噴射控制邏輯圖

為保證使用的合理性，程序設(shè)計了噴射模式。當噴射模式啟動以后，泵送系統(tǒng)、速凝劑泵和空壓機按照先后自動啟動。通過控制柜或者遙控器上速度設(shè)定按鈕可以設(shè)定當前泵送的速度（連續(xù)可調(diào)節(jié)范圍為5～30m3/h），程序經(jīng)過運算輸出相應的控制信號作用于泵送比例閥，從而實現(xiàn)混凝土的泵送控制。同樣可以設(shè)定當前速凝劑的比例（速凝劑占混凝土中水泥的比例），程序經(jīng)過運算輸出相應的控制信號，通過變頻器變頻完成速凝劑的輸送。同時壓縮空氣與速凝劑和混凝土在噴嘴處匯合，完成噴射。

人機界面的設(shè)計，一方面要準確形象地顯示噴射過程中的各個參數(shù)，并完成一些參數(shù)的設(shè)定；另一方面要監(jiān)測噴射狀態(tài)和故障信息，方便操作人員及時發(fā)現(xiàn)問題。

3 工業(yè)應用效果

該泵式混凝土噴射機先后在西秦嶺、烏東德水電站等多地進行了施工，使用效果良好，泵送系統(tǒng)噴射速度連續(xù)可調(diào)，回彈率低。根據(jù)噴射工藝要求，現(xiàn)場噴射速度一般設(shè)定在20m3/h以上，由于在噴射過程中難免會出現(xiàn)堵管現(xiàn)象，所以在有效的工作時間內(nèi)，達到平均20m3/h以上的噴射量，其中部分噴射量數(shù)據(jù)如表1所示。自2014 年11月4日～2015年1月23日，實際噴射天數(shù)共計55天，共噴射3 260m3，平均每天噴射60m3，其余時間等待工區(qū)作業(yè)安排和設(shè)備保養(yǎng)。

表1 部分噴射作業(yè)及堵管次數(shù)統(tǒng)計

該泵式濕噴機通過多地工業(yè)試驗及應用，取得了良好的噴射效果，具有噴射效率高、回彈率低等特點，且噴射速度最高可達30m3/h，克服了干噴危害大、效率低等缺點，為開拓國內(nèi)新型濕噴機市場打下了基礎(chǔ)。

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（編輯 吳學松）

［中圖分類號］TU64+3

［文獻標識碼］B

［文章編號］1001-1366(2015)03-0069-03

［收稿日期］2015-02-04

Control system research of the wet spraying machinery with concrete pump