基于PLC井下濕噴機液壓控制系統(tǒng)設計

　， ， 　(.安徽理工大學, 安徽 淮南　300； .巢湖學院, 安徽 巢湖　38000)

引言

隨著煤炭工業(yè)的發(fā)展，煤炭在我國一次能源的生產和消費中占有重要的地位。礦山支護是指在煤炭開采過程中為了防止工作面頂板坍塌而采用的一種防護技術，是煤礦安全開采的重要保障。錨噴支護是礦山支護中應用較廣泛的一種聯合支護技術，包括混凝土噴漿和錨桿，其中噴射混凝土又分為干(或潮，以下簡稱干噴)式工藝和濕式工藝。

由表1所示，干、濕噴涂工藝對比可知，濕噴工藝具有工作效率高、浪費少、回彈率低等優(yōu)點，更適合現在節(jié)能環(huán)保要求。目前干噴技術已經禁止在隧道施工中使用，由此可知濕噴技術也將在井下巷道混凝土施工中被廣泛采用[1，2]。

1　井下濕噴機組結構與原理

1.1　井下濕噴機的組成

由于井下環(huán)境惡劣，地面凹凸不平，空間狹小，賦存瓦斯、粉塵等易燃易爆的物質，所以對濕噴機組的要求比較高。要求濕噴機機型不能過大(結構緊湊、布局合理)，造價不能太高(操作簡單、穩(wěn)定可靠)，噴射連續(xù)性能好 (濕料摩擦力大、裝置耐磨性能高)， 此設計適用于井下工作的濕噴機，主要由液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、空壓機系統(tǒng)、噴漿裝置、速凝劑計量添加裝置、行走裝置幾大部分組成，圖1為其總體結構圖。

表1　干、濕噴涂工藝對比

圖1　井下濕噴機結構圖

1.2　濕噴機泵送液壓系統(tǒng)

濕噴機的泵送液壓系統(tǒng)包括泵送回路、擺動回路和攪拌回路[3]。如圖2所示是濕噴機泵送液壓原理圖[4]。

1.3　泵送回路組成及工作原理

泵送液壓回路由梭閥6、15，泵組7、8，沖洗閥12，單向閥13、換向閥23，蓄能器18，泵送油缸19、20和主泵排量控制閥組等構成。沖洗閥12起到冷卻系統(tǒng)的作用(沖洗量是通過調節(jié)它的溢流閥的壓差和主泵7的安全溢流閥的壓力來實現)，其工作原理是因為主泵7的流量要比控制回路的需求量和液壓系統(tǒng)的泄漏量大的多，約有60%的流量先流至泵送系統(tǒng)的低壓側再通過沖洗閥12與散熱器10后到達油箱[5]。泵送油缸19、20選用串聯，當一個油缸推送濕料時，另一個油缸則吸入濕料，以此完成混凝土的連續(xù)泵送[6]。

1.齒輪泵　2.壓力計組合　3.攪拌馬達　4、16、23三位四通電磁換向閥 5、27.溢流閥　6、15.梭閥　7、8主泵　9.流量壓力控制閥 10.散熱器　11.過濾器　12.沖洗閥　13、25、26.單向閥 14.擺動油泵　17、24、29.二位四通電磁換向閥　18、28.蓄能器 19、20.泵送油缸　21、22.擺動油缸　30.泵送量調節(jié)閥　31.液位計 32.溫度計　33.球閥　34、35.主(輔助)防爆電機　(圖中表示傳感器)圖2　濕噴機泵送液壓原理圖

1.4　擺動回路組成及工作原理

擺動液壓回路由擺動油泵14，擺動油缸21、22，換向閥23、24，單向閥26，溢流閥27，蓄能器28和球閥33等組成，主要功能是快速準確地驅動擺動油缸隨泵送液壓系統(tǒng)的換向而換向。蓄能器28的作用是向換向油缸提供瞬時的大流量液壓油，使S管閥迅速換向的同時減小它在擺動回路中受到的液壓沖擊。單向閥26可以防止蓄能器工作時液壓油倒流。該回路的工作原理是當換向閥24通電時，從擺動油泵14流出的液壓油通過單向閥26流入蓄能器28，給蓄能器充入液壓油，等到泵送油缸換向時，換向閥23得到排量控制系統(tǒng)信號，工作在上位(下位)，此時從齒輪泵1和蓄能器28流出的液壓油同時驅動擺動油缸21(22)，從而達到擺動油缸迅速換向的目的。

1.5　攪拌回路組成及工作原理

攪拌回路主要由齒輪泵1、攪拌馬達3、換向閥4、溢流閥5組成。系統(tǒng)工作時泵1和泵7串聯，從泵1流出的液壓油通過換向閥4流至攪拌馬達13的進油口，攪拌馬達的正反方向變換可由換向閥4控制，通過對溢流閥5的設定合適壓力可以保護液壓系統(tǒng)。

2　控制系統(tǒng)硬件設計

PLC、工業(yè)機器人和數控技術被譽為工業(yè)自動化三大支柱。PLC與單片機相比，具有抗干擾能力強、簡單靈活等優(yōu)點，比DCS(在相同I/O點數的系統(tǒng)中)的結構緊湊、成本低、體積小，因此本研究采用PLC控制系統(tǒng)，不僅可以使其操作簡單靈活，而且能夠減少人力投入和材料浪費，達到井下濕噴機安全高效穩(wěn)定工作的目的。

2.1　PLC選型及I/O分配

根據濕噴機工作時的要求，PLC控制程序I/O端口分配如表2(數字量)和表3(模擬量)所示。

表2　數字量I/O端口分配表

表3　模擬量I/O端口分配表

續(xù)表3

在濕噴機的PLC控制中，有32個輸入信號和25個輸出信號，因此選用某公司生產的S7-200系列CPU226型PLC。

2.2　PLC控制系統(tǒng)

PLC控制系統(tǒng)連接圖如圖3所示。

圖3　PLC控制系統(tǒng)連接圖

3　控制系統(tǒng)軟件設計

3.1　泵送工作

首先啟動控制電源(SB1)，電源指示燈HL1亮起，接著按下電機開關(SB2)，電機按星三角方式啟動，然后選擇泵送方式(SA1自動，SA2手動)，待電機正常運行后，啟動泵送按鈕(SB4)，YV3通電，開始正常泵送，泵送指示燈HL2亮起，等工作完成后，斷開泵送停止開關(SB5)，YV3斷電，泵送工作停止。當泵送中油缸的壓力值超出設定值范圍時，左(右)缸油壓傳感器發(fā)出信號，系統(tǒng)根據設置的安全壓力值對信號進行判斷是否進行壓力自切斷功能。

3.2　攪拌工作

齒輪泵1工作，啟動攪拌馬達 (SB13)， YV5通電，YV6斷電，攪拌馬達正攪拌。如果在正攪拌過程中發(fā)生卡料，攪拌回路系統(tǒng)的液壓升高，攪拌油壓傳感器發(fā)出信號，要求YV5斷電， YV6通電，迫使攪拌軸反轉(反轉時間控制為5 s)。反轉之前由時間繼電器控制對卡料和瞬時沖擊的判斷，以此實現對攪拌回路的卡料保護控制。

3.3　反泵工況

反泵工況指的是在濕噴機工作時需要停機或者發(fā)生堵管現象時，應該首先抽回混凝土管道中的濕料而進行的操作。當反抽換向閥YV7通電時，泵送液壓系統(tǒng)可進行反泵工作。

3.4　換向工況

因為初吸入的濕料具有較強的壓縮性，所以泵送液壓系統(tǒng)換向后，要求主油泵向主油缸提供最大輸入量，可以快速壓實濕料，當管路和輸送缸中的壓實濕料相遇時，主油泵快速減小輸出量，向濕料提供輸送動力，恢復正常流量泵送。當泵送油缸行程到位時，擺動油缸和泵送油缸保持同時換向，并要求主泵換向時S管閥口與送料缸缸口分離，防止倒吸濕料。具體工作是當YV4通電后，泵送液壓系統(tǒng)換向，換向閥29得電，通過流量壓力控制閥9的作用使泵送控制系統(tǒng)達到最大壓力，控制液壓油通過換向閥16、反抽換向閥17流入主油泵的YV1處，主油泵斜盤左傾，泵送油缸20快速壓實濕料，然后YV4斷電，再通過對泵送量調節(jié)閥30 壓力的設定使泵送油缸20平穩(wěn)地泵送濕料。

3.5　主程序流程圖

根據井下濕噴機的控制要求，設計出濕噴機的主程序流程，如圖4所示。PLC主要工作是對泵送、攪拌工作的控制以及對整個油路系統(tǒng)的監(jiān)控。

圖4　控制系統(tǒng)主程序流程圖

3.6　油溫檢測

濕噴機工作時，如果油溫過高，會縮短密封件壽命，加快油液劣化速度，增加漏油量，甚至發(fā)生運動副卡死等故障[7]。所以對整個液壓系統(tǒng)油溫的控制可以有效提高濕噴機工作的安全性和穩(wěn)定性。

首先根據工況設定油溫范圍(20 ℃～80 ℃)[8]，當高于80 ℃(低于20 ℃)時，指示燈HL6亮起， PLC發(fā)出指令，散熱器(加熱器)開始工作，待溫度降至80 ℃(升到20 ℃)時，HL6熄滅，PLC發(fā)出指令，散熱器(加熱器)結束工作。當油溫超過100 ℃，報警鈴響起，設置定時器，信號持續(xù)3 s后，判斷故障嚴重，切斷總電源，停止整機工作。如圖5所示是油溫監(jiān)控程序流程圖。

3.7　電機電壓、電流檢測

電機正常功率約為90%(可通過檢測電機的電流、電壓獲得)，浮動范圍在5%左右，當效率小于75%時，指示燈HL9或HL10亮起，提示電機出現問題， 可繼續(xù)工作，當效率小于60%時，報警鈴響起，設置定時器，信號持續(xù)3 s后，認定故障嚴重，打開總停按扭，停止整機工作。如圖6所示是電機功率監(jiān)控程序流程圖。

圖5　油溫監(jiān)控程序流程圖

圖6　電機功率監(jiān)控程序流程圖

4　結論

介紹了井下濕噴機的總體結構、泵送液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的軟硬件設計。敘述了該系統(tǒng)通過PLC控制濕噴機的泵送、換向和攪拌工作，大大提高了濕噴機的工作效率。通過對液壓系統(tǒng)的油溫、油壓，電機的電壓、電流和攪拌油缸的油壓的實時監(jiān)控，不僅有效地減少了工作中出現的堵管、卡料、超載、內泄等問題，而且可以快速排查工作中出現的故障，有效地提高了工程的進度和質量，降低了成本，很好地適應了井下惡劣的現場作業(yè)，是煤礦安全生產的重要保障。

參考文獻：

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