一種泵式混凝土濕噴機(jī)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(tuán)設(shè)計(jì)研究總院，河南 鄭州 450016）

一種泵式混凝土濕噴機(jī)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(tuán)設(shè)計(jì)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(yīng)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(jī)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(jì)進(jìn)行了闡述。該泵式濕噴機(jī)經(jīng)過多地的工業(yè)試驗(yàn)及應(yīng)用，體現(xiàn)了自動(dòng)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(yīng)用前景。

[關(guān)鍵詞]混凝土濕噴機(jī)； 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(jìn)等工程中。混凝土噴射技術(shù)的使用在世界上已有一個(gè)世紀(jì)的歷史，我國是從20世紀(jì)60年代末開始采用的。近十多年來，社會(huì)經(jīng)濟(jì)及隧道施工技術(shù)的發(fā)展，對隧道的初期支護(hù)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(shí)用等特點(diǎn)，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(jī)投入使用，但國內(nèi)生產(chǎn)的大多數(shù)濕噴機(jī)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(jī)價(jià)格非常昂貴，不利于推廣使用[4～5]。所以開發(fā)高性價(jià)比、高可靠性的泵式濕噴機(jī)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(jī)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(jiān)固的混凝土支護(hù)層，完成噴射作業(yè)工序[6～8]?？刂葡到y(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(fèi)用等特點(diǎn)。噴射原理示意圖如圖1所示，整機(jī)外形圖如圖2所示。

圖1 濕噴機(jī)噴射原理圖

圖2 濕噴機(jī)整機(jī)外形圖

2 濕噴機(jī)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)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(hù)，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(shí)現(xiàn)了人機(jī)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(jī)控制系統(tǒng)框圖

2.2 軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括三菱PLC的編程設(shè)計(jì)和施耐德觸摸屏人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)。PLC程序是濕噴機(jī)整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)程序，編程方便、簡單易懂。觸摸屏程序設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的關(guān)鍵，控制系統(tǒng)使用施耐德Vijeo Designer軟件設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面，Vijeo Designer軟件有強(qiáng)大的操作環(huán)境和設(shè)計(jì)平臺(tái)，滿足從簡單到復(fù)雜的一切設(shè)計(jì)需求，為用戶提供了方便。

PLC程序設(shè)計(jì)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(bào)警以及系統(tǒng)各種檢測保護(hù)等設(shè)計(jì)?；炷羾娚淇刂频倪壿媹D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(jì)了噴射模式。當(dāng)噴射模式啟動(dòng)以后，泵送系統(tǒng)、速凝劑泵和空壓機(jī)按照先后自動(dòng)啟動(dòng)。通過控制柜或者遙控器上速度設(shè)定按鈕可以設(shè)定當(dāng)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(yùn)算輸出相應(yīng)的控制信號作用于泵送比例閥，從而實(shí)現(xiàn)混凝土的泵送控制。同樣可以設(shè)定當(dāng)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(yùn)算輸出相應(yīng)的控制信號，通過變頻器變頻完成速凝劑的輸送。同時(shí)壓縮空氣與速凝劑和混凝土在噴嘴處匯合，完成噴射。

人機(jī)界面的設(shè)計(jì)，一方面要準(zhǔn)確形象地顯示噴射過程中的各個(gè)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(shí)發(fā)現(xiàn)問題。

3 工業(yè)應(yīng)用效果

該泵式混凝土噴射機(jī)先后在西秦嶺、烏東德水電站等多地進(jìn)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(huì)出現(xiàn)堵管現(xiàn)象，所以在有效的工作時(shí)間內(nèi)，達(dá)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(shí)際噴射天數(shù)共計(jì)55天，共噴射3 260m3，平均每天噴射60m3，其余時(shí)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(jì)

該泵式濕噴機(jī)通過多地工業(yè)試驗(yàn)及應(yīng)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(diǎn)，且噴射速度最高可達(dá)30m3/h，克服了干噴危害大、效率低等缺點(diǎn)，為開拓國內(nèi)新型濕噴機(jī)市場打下了基礎(chǔ)。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 劉生華．混凝土噴射機(jī)械手的自動(dòng)噴射控制技術(shù)[J]. 產(chǎn)品?技術(shù)，2011,（3)：105-108．

[2] MALMGREN L，NORDLUND E，ROLUND S. Adhesion strength and shrinkage of shotcrete [J]．Tunnelling and Underground Space Technology，2005，(20)：33-48.

[3] MALTESE C，PISTOLESI C，BRAVO A，et al．A case history：effect of moisture on the setting behaviour of a portland cement reacting with an alkali-free accelerator[J]．Cement and Concrete Research，2007,（37)：856-865.

[4] 劉生華．新型混凝土噴射機(jī)械手在隧道工程中的應(yīng)用[J]．施工技術(shù)，2011,（2)：86-89．

[5] 翟富強(qiáng)．混凝土機(jī)械手濕噴技術(shù)在長大隧道中的應(yīng)用[J]．隧道建設(shè)，2010,（8)：246-249．

[6] 馬井雨，馬忠誠，汪瀾，等．國內(nèi)噴射混凝土用噴射機(jī)的發(fā)展概述[J]．工藝與設(shè)備，2012，(9)：142-144．

[7] 王 蒂，廖衛(wèi)東，劉 強(qiáng)．噴射混凝土性能和配合比的試驗(yàn)研究[J]．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，（12)：53-55．

[8] 朱廣兵．噴射混凝土研究進(jìn)展[J]．預(yù)拌混凝土，2011，（4)：105-106．

[9] 肖海紅，李玉平．基于PLC的泵式濕噴機(jī)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．科技信息，2008，(12)：71．

（編輯 吳學(xué)松）

［中圖分類號］TU64+3

［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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