窄體混凝土輸送泵電氣系統(tǒng)設計及試驗 ①

陳義得， 李大偉， 周遠航， 石安政

(中鐵隧道局集團有限公司設備分公司，河南 洛陽 471009)

0 引 言

鐵路是具有戰(zhàn)略意義的基礎設施，也是國家客運和貨運的大動脈，鐵路設施建設的技術實力在一定程度上代表了這個國家的經(jīng)濟實力和綜合國力[1]。我國現(xiàn)在鐵路建設和運營里程均居于國際前列，特別是高鐵建設，建設里程、運營里程均居于世界第一，建造技術一流[2]。隨著國家重大戰(zhàn)略的實施，國內特別是中西部地區(qū)鐵路建設再次掀起高潮，國內鐵路建設多元化發(fā)展，單線隧道建設越來越多，在崇山峻嶺中凸現(xiàn)明顯[3]。

單線鐵路建設首先帶來的是設備問題，單線鐵路隧道斷面較窄，許多施工工序無法有效地進行組織和配合，往往會因為會錯車問題而造成施工組織混亂，開挖避車洞等問題，降低了施工效率，提高了施工成本[4]。為了解決單線鐵路隧道施工設備配套的問題，設計了一種窄體雙缸混凝土輸送泵，根據(jù)窄體雙缸混凝土輸送泵的工作原理和結構布局，配套設計了一種窄體混凝土輸送泵電氣系統(tǒng)，配合其工作機構和液壓系統(tǒng)，經(jīng)試驗電氣系統(tǒng)整體運行穩(wěn)定，無故障發(fā)生。

1 液壓系統(tǒng)及工作原理

1.1 液壓系統(tǒng)原理圖紙

根據(jù)單線鐵路隧道窄體雙缸混凝土輸送泵工作原理及液壓系統(tǒng)負載計算，液壓原理圖如圖1所示。

圖1 液壓系統(tǒng)原理圖

1.2 工作原理

單線鐵路隧道窄體雙缸混凝土輸送泵工作時，混凝土攪拌罐車將混凝土攪拌站預制好的商品混凝土運送至混凝土輸送泵處，通過混凝土攪拌罐車翻轉，將混凝土傾卸至混凝土輸送泵的料斗內，混凝土輸送泵料斗內的攪拌裝置工作，防止混凝土在料斗內出現(xiàn)凝固或石子析出，混凝土輸送泵輸送混凝土時，兩個輸送缸與擺動缸配合工作，兩個混凝土輸送缸處于相反的工作狀態(tài)，即一根輸送缸處于吸料狀態(tài)則另外一根缸處于送料狀態(tài)，當一根油缸處于吸料狀態(tài)，則與之配合的擺動缸帶動切口環(huán)將此根缸混凝土輸送管與料斗連通，對應的另外一根缸處于送料狀態(tài)，與之配合的擺動缸帶動切口環(huán)將此根缸混凝土輸送管與料斗切斷，當送料缸運動至頂端時吸料缸正好運動之相反的頂端，觸發(fā)傳感器，傳感器將信號傳輸至控制器，控制器根據(jù)信號反饋控制相應的電磁閥工作，吸料缸轉變工作狀態(tài)處于送料狀態(tài)，送料缸處于吸料狀態(tài)，擺動缸轉換工位，與兩根輸送缸進行配合工作。如此反復工作，可以實現(xiàn)將混凝土連續(xù)地輸送至二襯模板臺車。

2 電氣系統(tǒng)設計

2.1 設計要求

(1)主電機即時啟動，液壓泵延遲5s啟動。

(2)油溫判斷，使用溫度傳感器測量液壓油的油溫，如果油溫高于60℃則液壓泵和主電機無法啟動。

(3)散熱器啟動控制，當液壓油溫度高于40℃時，散熱器啟動進行散熱，直到溫度降到40℃以下，散熱器停止工作。

(4)工作過程:攪拌馬達可正反兩方向攪拌，攪拌完成后兩個泵送油缸異步泵送，兩個擺動油缸分別與其中一個泵送油缸同步工作，通過兩個泵送油缸底部的限位開關實現(xiàn)循環(huán)泵送。

2.2 硬件設計

(1)核心器件選型

電氣控制系統(tǒng)采用西門子S7-1200可編程序控制器(PLC)作為主控制器，S7-1200是一款緊湊型、模塊化的PLC，可實現(xiàn)簡單卻高度精確的自動化任務，它實現(xiàn)了簡便的通信、有效的技術任務解決方案，并能完全滿足一系列的獨立自動化需求[5]。主控制器用于整個電氣系統(tǒng)的控制，主要包括對主電機的即時啟動和液壓泵的延時啟動、主電機啟動的溫度判定、攪拌馬達的正反轉、兩個泵送油缸的異步泵送、散熱器的啟動與停止等進行控制。目前常見的溫度測量方式有熱敏電阻和熱電偶等溫度傳感器，熱敏電阻主要有模擬溫度傳感器PT100，它的阻值隨著外界溫度的變化而發(fā)生線性變化，電阻兩端的電壓值或流經(jīng)電阻的電流值能夠被PLC控制器采集，經(jīng)過PLC的工程量轉換后得到被測物體的溫度。

系統(tǒng)選擇電纜式溫度傳感器SITRANS TS100，該溫度傳感器是德國西門子公司生產(chǎn)的應用于工業(yè)自動化的溫度傳感器，測量溫度范圍在-50～+400 °C之間，測量精度達到0.1℃，帶有直接連接的電纜，采用活動螺紋接頭，安裝簡單靈活，精度高并且能夠有效抗干擾[6]。SITRANS TS100作為一種模擬量傳感器，輸出電壓值隨著被測物體溫度的變化在0～10V范圍內線性變化，PLC模擬量通道采集傳感器的電壓值傳感器信號，經(jīng)過處理器的模擬量轉換指令，將采集的電壓值轉換為被測物體的溫度。本系統(tǒng)選用的SITRANS TS100溫度傳感器如圖2所示。

圖2 SITRANS TS100溫度傳感器

(2)電氣原理圖設計

SITRANS TS100是模擬量傳感器，傳感器信號經(jīng)過控制器CPU的模擬量轉換后得到被測目標的溫度值，為保證傳感器工作穩(wěn)定，抗干擾，傳感器需要外接電源進行供電。因傳感器信號傳輸距離限制，傳感器到控制器之間的線纜長度以不超過3m為宜，否則信號損耗過大會導致測量不準確，本系統(tǒng)機械結構設計上完全滿足這一要求，保證了系統(tǒng)測量的溫度值足夠精確。

系統(tǒng)選擇的PLC的CPU型號為1214C，該CPU板載14點數(shù)字量輸入，10點數(shù)字量輸出及兩路模擬量輸入，最多擴展8個信號模塊和3個通信模塊。主電機使用380V三相交流電供電，由于S7-1200控制器屬于弱電器件，在主電機啟動時為有效驅動執(zhí)行元件和避免燒毀CPU，硬件電路上主電機的啟動設置中間繼電器，變壓器產(chǎn)生的220V交流電源通過中間繼電器后接到接觸器上，380V三相交流電通過接觸器接到主電機上。PLC控制繼電器線圈的得電與失電從而控制接觸器線圈的得電與失電繼而實現(xiàn)控制主電機的啟動與停止[7]。本系統(tǒng)采用施耐德公司生產(chǎn)的ABL6TS160U型號變壓器產(chǎn)生220V交流電。散熱風扇電源電壓220V,直接由PLC控制散熱風扇中繼的線圈得電與失電實現(xiàn)散熱的啟動與停止。PLC供電和其它元件驅動電源由施耐德ABL7RM24025開關電源提供，ABL8封閉式開關電源模塊，輸入電壓100～240 V AC，輸出電壓24 V DC ，輸出電流2.5 A，60 W帶自動保護功能，電源模塊的各項參數(shù)滿足系統(tǒng)設計需求。

電氣控制系統(tǒng)電路原理如圖3所示。

圖3 電氣控制系統(tǒng)原理圖

2.3 程序設計

PLC通電到液壓泵加載過程如圖4所示。

圖4 液壓泵加載過程

程序設計采用西門子公司的全集成化編程軟件平臺TIA Portal，使用梯形圖編寫電氣系統(tǒng)的控制程序。在PLC通電初始化以后，首先進行數(shù)據(jù)采集獲取液壓油的溫度 ，如果液壓油溫度高于40℃但小于60℃，此時會啟動散熱器，但能夠啟動主電機。若液壓油溫度高于60℃，此時會啟動散熱器并觸發(fā)聲光報警直至溫度降低到60℃以下，同時主電機無法啟動。當溫度低于60℃時按下主電機啟動按鈕主電機啟動，5s后液壓泵加載，液壓泵加載完成后能夠進行攪拌和泵送操作，在液壓泵未加載前無法進行攪拌和泵送操作，按下主電機停止按鈕主電機停止。

液壓泵加載后按下正/反轉按鈕，能夠進行正向/反向攪拌操作，按下停止攪拌按鈕后停止攪拌操作，為防止誤操作，進行換向前需按下停止按鈕，否則攪拌方向無法改變。按下泵送按鈕后開始泵送，泵送油缸1和擺動油缸1正向同步工作進行泵送過程1，泵送油缸2和擺動油缸2正向同步工作進行泵送過程2。泵送油缸1和泵送油缸2底部各有一個限位開關使泵送過程1和泵送過程2能夠反向同步循環(huán)運行實現(xiàn)不間斷泵送。一般情況下液壓泵加載后按下泵送按鈕泵送油缸1立即正向運行，在互鎖機制下泵送油缸2反向同步運行開始循環(huán)泵送。如果上一次停止時泵送油缸2位于底部極限位置，則按下泵送按鈕2s后泵送油缸2正向運行，泵送油缸1反向運行開始循環(huán)泵送。

在系統(tǒng)運行期間，CPU周期掃描采集數(shù)據(jù)獲取液壓油的溫度，液壓油溫度高于40℃即啟動散熱器，直至溫度降低至40℃以下，若溫度高于60攝氏度即停止主電機的運行并觸發(fā)聲光報警直至溫度降低至60℃以下。

3 設備試驗

設備于2017年在新建麗香鐵路站前二標中義隧道進行了試驗，試驗過程中混凝土輸送泵距離模板臺車平均距離為18.8m，泵送一車混凝土約用時12min，每輛車裝載混凝土7.8m3，累計輸送混凝土6000m3以上，在實際使用過程當中，配合窄體混凝土泵設備及液壓系統(tǒng)，使用效果良好，未發(fā)生電氣方面的故障。

4 結 語

介紹了一種窄體混凝土輸送泵電氣系統(tǒng)，根據(jù)窄體混凝土輸送的結構和工作員進行了定向設計，對相關元器件進行了選型分析，設計了電氣系統(tǒng)原理圖紙，在新建麗香鐵路站前二標中義隧道進行使用，累計輸送混凝土6000余m3，整體使用性能良好，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，無發(fā)熱等現(xiàn)象和故障產(chǎn)生。