新型防水板鋪設(shè)機的PLC及遙控控制

林福龍，張永生

(中鐵隧道裝備制造有限公司，鄭州 450000)

0 引言

隧道防水板鋪設(shè)機用于隧道施工中防水卷材的自動鋪設(shè)及支撐，既降低勞動強度及人工成本，同時又提高鋪設(shè)效率和質(zhì)量。傳統(tǒng)的防水板鋪設(shè)機的主要功能是:防水板的展開，緊跟展開點及時焊接。雖然采用傳統(tǒng)的繼電器控制即可滿足操作要求，但其控制地點固定以及繼電器繁多等缺點，導(dǎo)致施工效率低以及故障率高等。目前施工方使用機械鋪設(shè)代替人工鋪設(shè)防水板處于更替階段，文獻［1－4］主要闡述防水板的施工以及質(zhì)量控制要點，文獻［5－9］主要闡述西門子PLC的基本原理以及應(yīng)用。上述研究主要是針對某一個特定的工序方法進行分析，而沒有總體集成的運用方案。本文提出使用西門子PLC以及無線遙控控制機械設(shè)備代替人工鋪設(shè)的方式，使得施工速度以及質(zhì)量更易受到控制。新的防水板鋪設(shè)機增設(shè)了30根油缸伸靴支撐，防水板可快速展開并被支撐在隧道輪廓面上，隨后可多人同時進行焊接作業(yè)，提高了鋪設(shè)速度。采用PLC及遙控控制簡化了操作過程，提高了效率，滿足新型鋪設(shè)機的控制要求。

1 隧道防水板鋪設(shè)機簡介

新型防水板鋪設(shè)機主要由臺車行走系統(tǒng)、液壓及支撐系統(tǒng)、臺車架、防水板鋪設(shè)小車、電氣系統(tǒng)、作業(yè)平臺等構(gòu)成，如圖1所示。

臺車行走系統(tǒng)采用2組4 kW的電機及減速機，通過鏈條帶動行走輪行走。電機減速機分布在設(shè)備的左下和右下位置，可以前進、后退。

圖1 新型防水板鋪設(shè)機總圖Fig.1 General plan of new type of waterproofing membrane laying machine

液壓支撐系統(tǒng)包括電機、液壓泵、液壓油箱、液壓控制閥、升降和支撐油缸、管路及輔助元件等，液壓系統(tǒng)的工作壓力為(2.0±0.3)MPa。支撐裝置的液壓油缸上設(shè)橡膠撐靴，避免對防水卷材造成硬傷害，為防水板展開后提供臨時支撐，待防水板焊接結(jié)束后即可縮回支撐油缸。

臺車架包括門架和鋪設(shè)軌道，門架采用鋼板和型鋼拼焊聯(lián)結(jié)，是臺車的主要承力部分;臺架有足夠的凈空通過所需工程車輛。鋪設(shè)軌道為與隧道輪廓面建筑半徑同圓心但不同半徑的型鋼軌道，供鋪設(shè)小車沿隧道輪廓面展開防水板。

防水板鋪設(shè)小車包括小車行走裝置、卷揚機循環(huán)牽引裝置、防水板展開軸裝置等。小車沿鋪設(shè)軌道被卷揚機牽引行走，其上的展開軸裝置帶著防水板卷材隨著小車的行走沿隧道輪廓面展開。

電氣硬件及軟件系統(tǒng)主要包括控制元件、電控執(zhí)行機構(gòu)和PLC控制部分。其中電控執(zhí)行機構(gòu)是臺車行走及自動鋪設(shè)的動力來源;PLC控制部分是整臺機器的神經(jīng)中樞，可為設(shè)備提供必要的連鎖與警示。

作業(yè)平臺用于工人站在上面進行土工布的鋪設(shè)、打射釘及防水板的焊接，作業(yè)平臺外部設(shè)置有翻轉(zhuǎn)平臺便于隧道邊墻處作業(yè)，在不需要作業(yè)平臺的時候保持翻轉(zhuǎn)平臺處于折合狀態(tài)。

2 電氣硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 防水板鋪設(shè)機的供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

防水板鋪設(shè)機采用三相380 V AC電源進行供電，電源的分配如圖2所示。

設(shè)備照明采用1臺220V/36V的變壓器將市電轉(zhuǎn)換為安全電壓，驅(qū)動12盞隧道用三防燈，由漏電保護斷路器提供漏電保護及控制其通斷。

設(shè)備行走由2臺4 kW的三相異步電機帶減速箱及鏈條拖動，由斷路器GV2M20C進行短路和過載保護，接觸器LC1D18M7C進行前進后退控制。

液壓泵站由1臺2.2 kW的三相異步電機直接拖動，由斷路器GV2M14C進行短路和過載保護，接觸器LC1D09M7C控制其通斷。液壓系統(tǒng)將電機的機械能轉(zhuǎn)換為液壓能，為防水板的支撐及支腿油缸的動作提供動力。

圖2 電氣系統(tǒng)動力結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Power structure of electrical system

卷揚電機由1臺3 kW的三相異步電機帶減速機拖動，由斷路器GV2M10C進行短路和過載保護，接觸器LC1D09M7C進行順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)控制。

三相動力線同時給控制線路供電，使用DRT－960－24將三相電源轉(zhuǎn)換為24 V直流電，為PLC、遙控接收器及閥等的控制提供電力來源。

2.2 防水板鋪設(shè)機PLC硬件設(shè)計

根據(jù)防水板鋪設(shè)機的控制特點，系統(tǒng)采用SIEMENS 300系列的PLC進行本地的數(shù)據(jù)采集、邏輯運算以及數(shù)據(jù)輸出;采用PROFIBUS－DP總線傳輸遙控接收器接收信號;MPI網(wǎng)絡(luò)作為程序上傳下載的通道。STEP 7的組態(tài)如圖3所示。S7－300 PLC采用模塊式結(jié)構(gòu)，用搭積木的方式來組成系統(tǒng)，用戶可根據(jù)系統(tǒng)的具體情況選擇合適的模塊，使其應(yīng)用更加靈活方便。

圖3 電氣系統(tǒng)PLC組態(tài)圖Fig.3 PLC configuration diagram of electrical system

系統(tǒng)采用2塊32點的輸入模塊和4塊32點的輸出模塊作為本地控制柜的輸入輸出。輸入點主要是本地控制臺的按鈕和開關(guān)，輸出主要控制接觸器和中間繼電器。

系統(tǒng)中選用帶DP功能的CPU與遙控接收器建立PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)，PLC地址為2，遙控接收器地址為3。

2.3 本地及遙控操作面板設(shè)計

控制面板分為4個操作區(qū)域:油缸控制、支腿油缸控制、行走控制和控制操作區(qū)域。油缸控制區(qū)域控制15組支撐油缸伸出及回縮，用來支撐鋪設(shè)防水材料;支腿油缸控制區(qū)域用來控制支腿油缸的伸縮，以調(diào)節(jié)設(shè)備的高度來適應(yīng)洞內(nèi)的大小;行走控制區(qū)域主要用來控制鋪設(shè)小車的選擇以及設(shè)備的行走;控制操作區(qū)域主要有泵站的啟動、急停按鈕，復(fù)位按鈕，15組油缸分組的選擇，本地及遙控控制的選擇。本地及遙控控制面板如圖4和圖5所示。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 防水板鋪設(shè)機動作控制流程

防水板鋪設(shè)機整個系統(tǒng)的動作正常的前提是操作模式被選擇，安全繼電器正常。動作及控制流程如圖6所示。在控制操作區(qū)域選擇本地或者遙控控制、復(fù)位急停以及支撐油缸動作的組數(shù)。待泵站啟動完成后綠燈常亮，即可以對相應(yīng)油缸的動作進行控制。

支撐油缸和支腿油缸控制時，本地按鈕點動或者撥動遙控器開關(guān)即可進行相應(yīng)操作。在遙控控制油缸伸縮工作過程中，如果泵站非正常關(guān)閉，則需要將三位撥動開關(guān)置到中位然后對程序進行復(fù)位才能恢復(fù)操作。使用該連鎖的目的是為了防止在液壓泵站出現(xiàn)異常關(guān)閉時，因遙控器的控制采用撥動式?jīng)]有自復(fù)位，當泵站恢復(fù)工作時油缸繼續(xù)上一次的動作而造成意外的傷害。設(shè)備的行走和支撐油缸及支腿油缸動作進行了互鎖，在實際工況中，不可能出現(xiàn)油缸動作和行走同時出現(xiàn)的情況，故對這2個互斥事件進行聯(lián)鎖以防止油缸動作時，設(shè)備行走造成油缸的損壞。

圖6 電氣系統(tǒng)PLC控制流程圖Fig.6 Flowchart of PLC control of electrical system

卷揚機及行走動作時，均有警報器進行報警，可以對現(xiàn)場施工人員進行警示。

省電模式:液壓系統(tǒng)在10 min之內(nèi)沒有任何動作時，泵站的加載閥失電，電機卸載進入省電模式。

3.2 程序設(shè)計

程序設(shè)計采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計，并且利用STEP7的FBD功能塊語言進行編程，具有良好的可讀性與可維護性。由于各個控制相對獨立，并行處理，設(shè)計時對主要功能采用FB功能塊實現(xiàn)，然后再由主程序OB1進行調(diào)用。系統(tǒng)的主要功能塊有泵點動啟動塊、電機啟動塊、油缸伸縮塊等。

3.3 故障處理

根據(jù)系統(tǒng)運行中檢測到的故障進行收集處理，并在按鈕指示燈及蜂鳴報警器上給出故障信號燈。檢修人員可以直觀地通過報警信號對故障進行處理。

4 遙控系統(tǒng)設(shè)計

作業(yè)人員可以在拼裝工作處進行無線遙控控制，使得拼裝作業(yè)更加準確，防水板材鋪設(shè)效果更好;同時，指揮人員兼顧操作，省去了操作平臺的操作工人，節(jié)約了人工成本。

本系統(tǒng)在接收器和PLC之間采用PROFIBUS進行通訊，可以節(jié)省大量輸入輸出接口。它具有高速、低成本的特點，是設(shè)備級控制系統(tǒng)與分散式I/O的通信，用于現(xiàn)場層的高速數(shù)據(jù)傳輸，主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發(fā)送輸出信息。文獻［10］除周期性用戶數(shù)據(jù)傳輸外，PROFIBUS－DP還提供智能化設(shè)備所需的非周期性通信以進行組態(tài)、診斷和報警處理。

遙控發(fā)射機與遙控接收機之間，采用跳頻技術(shù)進行信號傳輸，抗干擾能力強，適合工業(yè)環(huán)境比較復(fù)雜的施工環(huán)境。遙控通訊信號傳輸如圖7所示。

圖7 無線遙控系統(tǒng)信號傳輸圖Fig.7 Signal transmission of wireless remote control system

5 結(jié)論與體會

防水板鋪設(shè)樣機在貴廣鐵路經(jīng)過3個多月的工業(yè)性實驗，設(shè)備滿足設(shè)計要求并取得了良好的使用效果。采用PLC以及遙控控制，不僅會節(jié)約成本，又能在準備位置進行控制操作，使得設(shè)備的電氣故障率降低，從而提高了施工效率。

該設(shè)備的不足之處是卷揚機在旋轉(zhuǎn)時的智能保護在控制上有待完善。例如卷揚機走到1根尚未回縮的油缸處，并不會限制速度或者停止，而需靠人為的判斷，這些不足希望在下次設(shè)計時能考慮到。

隨著中國勞動力成本的增加以及隧道機械自動化程度要求的提高，采用無線遙控進行操作、PLC系統(tǒng)進行控制及聯(lián)鎖的新型防水板鋪設(shè)機，對改善工作效率有積極的作用。

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