基于PLC和觸摸屏的井下噴漿料攪拌系統(tǒng)設(shè)計

， ， ， ， 　(安徽理工大學(xué) 機械工程學(xué)院， 安徽 淮南　232001)

引言

煤礦井下巷道的支護方式中如采用錨噴、錨噴網(wǎng)或純噴射混凝土等，都需要對巷道巖石表面噴射混凝土，凝結(jié)硬化后達到支護的目的。噴射的噴漿料是將一定配比的水泥、砂子、石子和速凝劑拌合的混合物。因此，噴漿料的混合程度，直接影響噴漿工藝和支護的質(zhì)量。

目前，國內(nèi)各大煤礦對噴漿料的拌合主要存在以下問題：① 需要二次上料或二次攪拌，不能直接利用礦車進行攪拌[1]；② 需要在井下設(shè)置多個儲料倉，建立較大的攪拌站，且不能充分利用[2]；③ 攪拌不充分，難以達到支護強度要求，回彈率高；④ 大多仍采用人力現(xiàn)場攪拌，勞動強度大、工作效率低、粉塵污染、影響健康。

為克服以上缺點，設(shè)計一種噴漿料攪拌裝置，適合用在中小型巷道中，可遠(yuǎn)離掘進工作面，直接在礦車中進行攪拌。攪拌充分，結(jié)構(gòu)緊湊易拆裝，機械自動化程度較高，系統(tǒng)安全可靠，實現(xiàn)噴漿料的機械自動化攪拌。

1　工作原理

本裝置由兩個龍門立柱、水平架、攪拌螺旋、礦車牽引裝置和液壓泵站組成。如圖1所示，立柱由底板、外方鋼、內(nèi)方鋼和升降油缸組成，分別通過底板由地腳螺栓固定在水泥基礎(chǔ)上。升降液壓缸安裝在內(nèi)方鋼內(nèi)并留有油管出口，內(nèi)方鋼由兩個規(guī)格吻合的空心型鋼加工而成。整個立柱通過螺栓與底板和水平架連接，方便拆卸。水平架上進給油缸固定在油缸固定板上，推動攪拌螺旋橫向運動。采用低速大扭矩馬達驅(qū)動攪拌螺旋對物料進行攪拌，攪拌螺旋的受力通過軸承座傳遞到機架上。攪拌螺旋底部包絡(luò)面的形狀按照礦車內(nèi)部形狀進行加工，確保攪拌螺旋在任何位置都不與礦車干涉。攪拌螺旋運動軌跡通過進給油缸和牽引油缸控制實現(xiàn)。礦車通過鉸接在卡軌裝置上的牽引液壓缸推動。系統(tǒng)壓力源是可以移動的液壓泵站。

1.底板　2.外方鋼　3.水平架　4.進給油缸　5.油缸固定板 6.低速大扭矩馬達　7.聯(lián)軸器軸承座　8.攪拌螺旋 9.內(nèi)方鋼　10.升降油缸圖1　攪拌裝置結(jié)構(gòu)簡圖

攪拌過程如圖2所示，泵站開啟，為裝置提供壓力油液，升降油缸升起，進給油缸和牽引油缸分別到達準(zhǔn)備位置。連接好礦車，低速大扭矩馬達正轉(zhuǎn)，升降油缸下降，攪拌螺旋在礦車內(nèi)按照設(shè)定軌跡運動攪拌。攪拌完成后，低速大扭矩馬達反轉(zhuǎn)，升降油缸升起，到達準(zhǔn)備位置后，斷開礦車，升降油缸下降，停止泵站。綜上所述，可以實現(xiàn)攪拌螺旋在四個自由度上的運動，對噴漿料進行充分?jǐn)嚢琛?/p>

圖2　攪拌工作流程圖

2　液壓系統(tǒng)設(shè)計

攪拌裝置液壓系統(tǒng)原理圖如圖3所示。為了避免馬達回路對油缸回路的干擾，采用雙聯(lián)泵為系統(tǒng)供油。采用雙單向節(jié)流閥進行調(diào)速，對每個回路均采用雙單向節(jié)流閥進行出油節(jié)流調(diào)速，可以使回油側(cè)產(chǎn)生背壓以抗拒負(fù)載的突然變化，動作平穩(wěn)。采用液壓鎖鎖緊同步油缸，可以有效防止油缸在靜止后受外力干擾突然竄動。

1.油箱　2.溢流閥　3.電動機　4.雙聯(lián)泵　5.壓力表 6.低速大扭矩馬達　7.電磁換向閥　8.升降油缸 9.雙單向節(jié)流閥　10.液控單向閥　11.牽引油缸　12.進給油缸圖3　攪拌裝置液壓系統(tǒng)原理圖

(1) 液壓馬達選型攪拌過程需要較大的扭矩和較低的轉(zhuǎn)速，所以選用可承受徑向和軸向外力的QJM系列低速大扭矩馬達。根據(jù)垂直式螺旋輸送機的工作原理，估算出攪拌螺旋的輸送量Q=219.6 t/h。攪拌螺旋最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩：

式中：P0為軸功率；H為輸送高度，由攪拌螺旋知為600 mm；n為最小轉(zhuǎn)速，由受力分析求得為30 r/min；η為螺旋輸送效率，取0.1[3]。

由手冊[4]知排量qm=0.496 L/r，取Δpm=10 MPa，機械效率ηmm=0.97，馬達輸出轉(zhuǎn)矩：

=766 N·m

因為Tm>Tmax，故所選馬達滿足工作要求。

(2) 采用雙聯(lián)泵為系統(tǒng)供油由于低速大扭矩馬達所需流量較大，為了避免回路間干擾采用雙聯(lián)泵供油。大排量泵用于馬達回路，小排量泵用于油缸回路。

(3) 疊加集成對液壓系統(tǒng)原理圖的雙點劃線部分進行集成，選用四聯(lián)疊加閥塊。疊加閥式集成結(jié)構(gòu)緊湊，可以減少管路連接和壓力損失，操作和維修方便，使系統(tǒng)更加安全可靠和美觀緊湊[5]。

(4) 泵站設(shè)計系統(tǒng)壓力初選為10 MPa，考慮到外部空間和散熱，油箱容積取800 L。閥組和泵組及濾油器等均安裝在油箱蓋上。油箱內(nèi)設(shè)置隔板，設(shè)有放油塞，底部傾斜坡度為1/20[5]。泵站可以在巷道內(nèi)軌道上移動，工作時置于一側(cè)，通過膠管與裝置連接。

3　PLC硬件設(shè)計

本噴漿料攪拌裝置電控系統(tǒng)組成如圖4所示，主要由PLC、觸摸屏組成。以PLC為中心，接收系統(tǒng)所有輸入信號，主要是針對電機啟動的開關(guān)信號、手動運行時的開關(guān)信號和限位開關(guān)的信號，包括物理元器件和來自觸摸屏的軟元件[6]；與觸摸屏通信，完成對輸出信號的控制，用來控制電機啟動繼電器、電磁閥和指示燈。計算機用于設(shè)計修改PLC程序和觸摸屏人機操作界面。

圖4　攪拌裝置電控系統(tǒng)組成

根據(jù)噴漿料攪拌裝置的實際控制需要，選用了FX1N-60MR的PLC，采用基本模塊，繼電器輸出。FX1N-60MR共有60個I/O點的基本單元，其工作環(huán)境、抗噪聲和抗沖擊的能力均滿足要求。系統(tǒng)實際I/O端口分配如表1所示。X0～X1連接方式是選擇開關(guān)，X2～X13連接方式是手動開關(guān)，X14～X24連接方式是行程開關(guān)，Y0連接方式是繼電器，Y1～Y10是電磁閥，Y11～Y13是指示燈。噴漿料攪拌裝置PLC控制系統(tǒng)的外部接線圖如圖5所示。

4　PLC軟件及觸摸屏界面設(shè)計

PLC程序設(shè)計根據(jù)具體工作過程，主要分為公共程序的設(shè)計和手動、自動運行程序的設(shè)計[7]。公共程序主要包括對泵站啟動、到達準(zhǔn)備位置、連接礦車及返回準(zhǔn)備位置、斷開礦車和泵站停止步驟的控制。手動和自動程序則主要為攪拌過程中對攪拌螺旋運動軌跡的控制。系統(tǒng)控制流程圖如圖6所示。

表1　PLC輸入輸出接口分配表

圖5　PLC控制系統(tǒng)輸入輸出接線圖

圖6　系統(tǒng)控制流程圖

采用某公司FX系列PLC相配套的編程軟件GX Developer 7.0設(shè)計梯形圖，還可以使用仿真軟件GX Simulator 6.1進行仿真和調(diào)試[8]。

PLC的上位機是觸摸屏，針對煤礦井下惡劣的工作環(huán)境，可以選擇GT1150HS-QLBD型觸摸屏。它是一種具有先進功能的小巧圖形操作終端，320×240分辨率和256色顯示，完全滿足系統(tǒng)的需要，尤其是5.7英寸的外形和手持的優(yōu)點，更是方便操作。采用三菱GOT1000系列設(shè)計軟件GT Designer 3創(chuàng)建人機操作界面，如圖7所示。打開觸摸屏電源，顯示開機動畫后首先進入主界面，一切準(zhǔn)備工作完成后點擊開始正式開始攪拌工作流程，進入工作界面，電機泵站啟動，升降油缸伸出進給油缸和牽引油缸到達中間行程，即到達準(zhǔn)備位置，等待礦車連接好后，然后需要人為選擇攪拌過程的手動運行和自動運行模式。手動運行主要是控制液壓馬達、進給油缸和牽引油缸三個執(zhí)行元件的動作，自動運行是對攪拌螺旋所到達的每一個位置通過指示燈進行監(jiān)控。每一頁界面均有暫停、繼續(xù)、返回和急停按鈕。

對于圖7的人機操作界面，可以使用仿真軟件GT Simulator 3和GX Simulator配合，對創(chuàng)建好的界面進行仿真和調(diào)試，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計錯誤，縮短調(diào)試時間[8]。然后再將調(diào)試好的界面程序通過USB下載到觸摸屏運行。

圖7　觸摸屏人機操作界面

5　結(jié)論

煤礦井下噴漿料攪拌裝置的結(jié)構(gòu)緊湊穩(wěn)定，液壓系統(tǒng)安全可靠，以FX系列PLC為中心設(shè)計攪拌裝置電控系統(tǒng)硬件，繪出PLC接線圖和分配I/O地址，采用GOT1000系列觸摸屏對攪拌過程的手動和自動運行模式進行監(jiān)控。采用配套的梯形圖設(shè)計軟件和觸摸屏設(shè)計仿真軟件對人機界面進行設(shè)計和調(diào)試。本裝置可實現(xiàn)攪拌作業(yè)的機械化和自動化，可以遠(yuǎn)離掘進工作面工作，工作效率高、減少勞動量，在煤礦井下具有較大的推廣價值。

參考文獻：

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