惠記莊，曹 杰，鄒亞科，馬 妍

HUI Ji-zhuang , CAO Jie, ZOU Ya-ke, MA Yan

（長安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，西安 710061）

基于PLC的多錘頭破碎機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Designation of multiple-head breaker control system based on PLC technology

惠記莊，曹 杰，鄒亞科，馬 妍

HUI Ji-zhuang , CAO Jie, ZOU Ya-ke, MA Yan

（長安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，西安 710061）

利用多錘頭破碎技術(shù)可以基本上消除舊水泥砼路面改造后出現(xiàn)的反射裂縫，多錘頭破碎車是多錘頭破碎技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備。通過分析破碎車的工作原理、控制要求和液壓系統(tǒng)工作流程，結(jié)合多錘頭破碎技術(shù)的施工工藝要求，針對多錘頭破碎機(jī)的工作特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了多錘頭破碎機(jī)的PLC控制系統(tǒng)。該方案結(jié)構(gòu)簡單,可靠性好,控制方式靈活，可在運(yùn)行中對油缸的運(yùn)行速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

工程機(jī)械；多錘頭破碎車；PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引言

水泥砼路面強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、使用壽命長、承載能力強(qiáng),而且其抗車轍能力、水穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性強(qiáng)于瀝青砼路面，在高速公路、國道及城市公路中得到了廣泛應(yīng)用[1,2]。但是近幾年來，隨著交通量的增加，特別是重載車輛的增多，水泥路面出現(xiàn)了諸如錯(cuò)臺、斷板、唧泥等病害，嚴(yán)重影響了路面的行車性能和結(jié)構(gòu)性能，同時(shí)上世紀(jì)九十年代修建的水泥路面，大多接近或超出設(shè)計(jì)年限，出現(xiàn)了不同程度的損壞，處于維修、待修狀態(tài)，水泥路面的修復(fù)養(yǎng)護(hù)工作已迫在眉睫。與瀝清路面相比，水泥混凝土路面的修復(fù)比較困難，傳統(tǒng)的修復(fù)方法是對舊水泥砼路面實(shí)施壓漿、灌縫等措施后加鋪瀝青砼層。這種方法經(jīng)濟(jì)環(huán)保，無須處理“白色”污染，是一種快速改造大面積破壞水泥路面的辦法，但改造后一年內(nèi)罩面層易出現(xiàn)反射裂縫，加速瀝青罩面層的破壞，因此如何防治及消除反射裂縫成了水泥路面修復(fù)的關(guān)鍵技術(shù)。

針對水泥砼路面改造中的反射裂紋問題，歐美國家開發(fā)、應(yīng)用多錘頭碎石化技術(shù)修復(fù)水泥砼路面,取得了巨大的成功。多錘頭碎石化技術(shù)用到的關(guān)鍵設(shè)備為多錘頭破碎機(jī)。為了提高多錘頭破碎機(jī)控制系統(tǒng)機(jī)，的可靠性、降低生產(chǎn)成本，文中針對某型多錘頭破碎分析了其破碎系統(tǒng)的工作原理、控制要求和單個(gè)液壓系統(tǒng)工作流程，根據(jù)多錘頭破碎技術(shù)的施工工藝要求，設(shè)計(jì)了PLC控制系統(tǒng)。

1 多錘頭破碎機(jī)工作原理及特點(diǎn)

多錘頭破碎機(jī)（Multiple-Head Breaker，簡稱MHB，以下簡稱破碎機(jī)）的由動力系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)、破碎系統(tǒng)和機(jī)架等組成。破碎機(jī)的主要控制對象為破碎系統(tǒng)，破碎系統(tǒng)位于破碎機(jī)的后半部分,其中間有2排各3對650 kg的錘頭，兩側(cè)各1對850 kg的翼錘。每對錘頭由1個(gè)液壓缸進(jìn)行提升，提升高度和速度可以獨(dú)立調(diào)節(jié)，最大提升高度為1.3m。它的工作原理是以液壓油缸把懸掛在車后的重錘依次提升到一定高度后突然釋放，錘頭迅速自由落體下滑，每個(gè)錘頭產(chǎn)生650-850kg的能量，對水泥路面進(jìn)行連續(xù)的沖擊破碎，由于錘頭分散，地面受力均勻，并且破碎后呈上小下大，上面層不大于7.5cm，中間層不大于22.5cm，下面層不大于37.5cm，且相互鑲嵌的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有較好的支撐作用且基本上可消除反射裂縫[3,4]。

2 破碎機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

在滿足系統(tǒng)動作要求的前提下，破碎機(jī)的控制系統(tǒng)要簡單、實(shí)用、成本低且系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，功能完善，操作方便。系統(tǒng)設(shè)計(jì)要有一定的前瞻性，為以后生產(chǎn)發(fā)展和工藝改進(jìn)留有擴(kuò)展余地。破碎機(jī)的控制系統(tǒng)包括運(yùn)動和動力控制，系統(tǒng)報(bào)警與緊急制動功能，并且工作速度可調(diào)，以實(shí)現(xiàn)錘距離可調(diào)。

2.1 運(yùn)動和動力控制

液壓缸升頂?shù)墓ぷ鬟^程就是運(yùn)動和動力的傳遞過程。液壓缸升頂是將液壓壓力能轉(zhuǎn)化成液壓缸活塞桿帶動錘的沖擊能，通過控制各種閥的啟閉，實(shí)現(xiàn)重錘運(yùn)動方式的切換（重錘上升、下打與保壓）調(diào)整重錘的工作行程，實(shí)現(xiàn)重錘打擊力的控制。

2.2 系統(tǒng)報(bào)警與緊急制動功能

破碎機(jī)在破碎過程中會出現(xiàn)重錘的下降速度過快，打擊能量過大，打擊行程與設(shè)定行程不一致等現(xiàn)象，因此，在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)需要安裝檢測器件對其進(jìn)行檢測，并自動地做出反應(yīng)，及時(shí)報(bào)警，顯示出錯(cuò)誤信息。

3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 破碎系統(tǒng)液壓原理分析

破碎機(jī)通過設(shè)定泵和馬達(dá)起始點(diǎn)的控制參數(shù)及變量過程的模式，并將其作為控制目標(biāo)函數(shù)寫入控制器中，依靠電子信號處理系統(tǒng)控制電液比例液壓元件實(shí)現(xiàn)路面破碎工作，破碎車的控制實(shí)際上是對電液比例液壓元件的控制，因此在設(shè)計(jì)破碎車的控制系統(tǒng)前，有必要對破碎車破碎液壓系統(tǒng)工作原理進(jìn)行分析。

圖1 單個(gè)破碎液壓系統(tǒng)圖

根據(jù)前面闡述的破碎機(jī)工作原理和施工工藝要求，破碎液壓系統(tǒng)通過液壓缸上升頂升一組（2個(gè)）重錘，提供重錘的勢能，快速回落并保壓完成水泥砼路面破碎。結(jié)合單個(gè)破碎液壓系統(tǒng)如圖1所示，對破碎液壓系統(tǒng)分析如下：

系統(tǒng)由油缸1，一個(gè)單向閥2，一個(gè)二位二通電磁閥3，一個(gè)溢流閥4，一個(gè)液控單向閥5，一個(gè)二位三通電磁閥6，一個(gè)梭閥7，液壓油泵8組成。采用梭閥、液控單向閥聯(lián)合控制回油。采用溢流閥，遇到過大的負(fù)荷引起液壓缸內(nèi)工作油的壓力異常升高時(shí)，對液壓缸、液壓回路的配管或設(shè)備等起到有效地保護(hù)。同時(shí)，在單向閥的作用下，整機(jī)停電時(shí)油缸側(cè)有保壓作用。

油缸上升工作狀態(tài)：二位二通電磁閥3得電，回油管路與進(jìn)油管路斷開；二位三通電磁閥6失電，液控單向閥5控制油路關(guān)閉，油泵高壓作用下一個(gè)單向閥2開啟，油泵供油給液壓缸，高壓油頂升油缸。通過溢流閥4做過載保護(hù)。

油缸下落工作狀態(tài)：二位二通電磁閥3失電，回油管路與進(jìn)油管路連通，高壓油回油箱；同時(shí)，二位三通電磁閥6得電；高壓油通過梭閥7與二位三通電磁閥6控制油路導(dǎo)通，打開液控單向閥5，油缸快速下降；在油缸側(cè)壓強(qiáng)下降到低于控制油路a側(cè)壓強(qiáng)時(shí)，控制油路打開梭閥7，給液控單向閥5控制油路壓力，使液控單向閥5繼續(xù)打開，從而使油缸1繼續(xù)徹底下落。

在破碎機(jī)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，油缸側(cè)保壓作用：二位二通電磁閥3與二位三通電磁閥6失電，一個(gè)單向閥2與液控單向閥5全部關(guān)閉，達(dá)到了保壓作用。

3.2 控制方式的確定

系統(tǒng)的控制方式包括繼電器控制、單片機(jī)控制、可編程邏輯控制器（PLC）控制方式。PLC控制可以將控制邏輯以程序方式存儲到存儲器中，具有控制方便、可擴(kuò)展性好、控制精度高等優(yōu)點(diǎn)。因此，破碎機(jī)的控制系統(tǒng)采用PLC控制。

破碎機(jī)PLC控制系統(tǒng)主要由傳感器、控制元件、執(zhí)行元件以及連接器件組成。參考相關(guān)產(chǎn)品及液壓重錘工作要求[5,6]，利用PLC的時(shí)間模塊控制液壓閥開啟時(shí)間進(jìn)而控制流量。壓力傳感器安裝在油泵出口、蓄能器和液壓缸上下腔等位置，用于測量對應(yīng)處的壓力變化情況。執(zhí)行元件包括各種電磁換向閥、報(bào)警器，輸出設(shè)備。

3.3 PLC的選擇

PLC的選擇主要包括兩個(gè)方面：I/O點(diǎn)數(shù)和存儲器容量。根據(jù)前面闡述的破碎機(jī)工作原理和施工工藝要求，破碎機(jī)需要實(shí)現(xiàn)錘頭上下運(yùn)動, 并可以在運(yùn)動中控制油缸的運(yùn)動頻率和行程。考慮以上因素，

根據(jù)文獻(xiàn)[7-8]的計(jì)算方法可計(jì)算得出破碎機(jī)的輸入輸出信號的I/O總點(diǎn)數(shù)，在此基礎(chǔ)上擴(kuò)展20%左右用于備用，計(jì)算得出PLC的存儲器容量，在此基礎(chǔ)上增加20%的余量。

3.4 控制方案

根據(jù)PLC的 I/O點(diǎn)數(shù)和存儲器容量，并考慮被控對象對響應(yīng)時(shí)間要求等諸多因素，最終選擇西門子公司S7-200可編程控制器作為破碎機(jī)的控制器，其輸入點(diǎn)數(shù)為24個(gè)、輸出點(diǎn)數(shù)16個(gè)、擴(kuò)展I/O模塊采用EM235模擬量擴(kuò)展模塊，模擬量輸入點(diǎn)4個(gè)，模擬量輸出點(diǎn)2個(gè)。

根據(jù)控制要求分配PLC輸入輸出端口（如表1所示）。

表1 可編程序控制器端口分配表

根據(jù)錘的動作要求設(shè)置其動作如表2所示，表中“+”表示通電，“-”表示斷電。

表2 動作循環(huán)表

3.5 控制流程

根據(jù)液壓系統(tǒng)動作，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)流程（如圖2所示）

圖2 控制流程圖

3.6 梯形指令

按照控制系統(tǒng)工作部分的流程圖，結(jié)合液壓系統(tǒng)分析結(jié)果編輯PLC梯形圖（圖3），控制過程為：選擇開關(guān)開，中間繼電器M0.0開，從DB1獲得時(shí)間設(shè)定PIW0值，將其輸給延時(shí)斷開繼電器T0，同時(shí)Q0.0得電，A組油缸油缸上升，上升時(shí)間為PIW0的值；執(zhí)行PIW0的時(shí)間值結(jié)束后，Q0.1得電，A組油缸油缸下落，下落執(zhí)行時(shí)間為550ms；Q0.0得電250ms后，執(zhí)行B組油缸；之后的B’組、C’組和C組油缸動作重復(fù)此規(guī)律。當(dāng)選擇控制面板中的停止時(shí)，在執(zhí)行完成下落程序后Q0.0(Q0.2,Q0.4,Q0.6,Q0.8)得電，油缸上升到中位，油缸停止在中間位置有利于破碎機(jī)的行走和運(yùn)輸。

破碎機(jī)可以在運(yùn)動中對油缸的速度經(jīng)行調(diào)節(jié)。通過調(diào)節(jié)繼電器進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，根據(jù)文獻(xiàn)[9-10]設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)梯形圖（如圖4所示）。調(diào)節(jié)信號PIW2輸給數(shù)模轉(zhuǎn)化器，存放地址為VD20；在減法器中與 （存放地址為VD22）相減，結(jié)果存在VD30，（存放地址為VD24）與 （存放地址為VD22）相減，結(jié)果存放在VD32；VD30的數(shù)值與VD32數(shù)值相除，得到的結(jié)果存放在VD34，即為運(yùn)算結(jié)果，按照PID算法進(jìn)行速度的調(diào)節(jié)。

圖3 控制梯形圖

4 結(jié)論

多錘頭破碎技術(shù)能夠基本上消除舊砼路面改造后的反射裂縫問題,有利有水泥路面的建造和使用。多錘頭破碎機(jī)是多錘頭破碎技術(shù)中的關(guān)鍵設(shè)備，為提高多錘頭破碎機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性、降低生產(chǎn)成本，設(shè)計(jì)了一種基于PLC的控制系統(tǒng)，通過編寫PLC的梯形圖控制液壓系統(tǒng)的液壓閥件實(shí)現(xiàn)舊砼路面的破碎工作。文中對運(yùn)動控制模塊進(jìn)行設(shè)計(jì),并給出運(yùn)動程序基本結(jié)構(gòu)。該方案結(jié)構(gòu)簡單,可靠性好,控制方式靈活, 可在運(yùn)行中對油缸的運(yùn)行速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖4 比例電磁閥控制梯形圖

[1] 方滿勝.水泥混凝土路面加鋪瀝青混凝土面層施工方法探討[J].工程與施工,2007,21(3):308-310.

[2] 盧鐵瑞,侯獻(xiàn)云,白洪嶺,白紅英.水泥混凝土路面再生利用技術(shù)應(yīng)用研究[J].公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版),2006(11):21-24.

[3] 吳新鋒.水泥混凝土路面改建方案淺談[J].公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版).2007(01):59-60.

[4] 周軍,金富根,呂偉民.混凝土路面破碎改造技術(shù)的應(yīng)用與分析[J] .技術(shù)探討,2003(12):74-76.

[5] 游小平,袁海洋,李自光,張景臣.多錘頭碎石化技術(shù)探討[J].公路與汽運(yùn).2008(1):61-63.

[6] 姚懷新.行走機(jī)械液壓傳動與控制[M].北京:人民交通出版社,2002,2.

[7] 周萬珍.PLC分析與設(shè)計(jì)應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004.

[8] 高欽可.可編程控制器應(yīng)用技術(shù)也設(shè)計(jì)實(shí)例[M].人民郵電出版社,2004.

[9] 吳永萍,姚懷新.工程機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京:人民交通出版,2005.

[10]吳慶明.工程機(jī)械設(shè)計(jì)[M].湖北:武漢大學(xué)出版社,2006.

TH166

A

1009-0134(2010)11(下)-0105-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.11(下).37

2010-07-20

惠記莊（1963 -），男，陜西富平人，教授，博士，研究方向?yàn)闄C(jī)械CAD/CAE技術(shù)。