林福龍，張永生

(中鐵隧道裝備制造有限公司，鄭州 450000)

0 引言

隧道防水板鋪設(shè)機(jī)用于隧道施工中防水卷材的自動(dòng)鋪設(shè)及支撐，既降低勞動(dòng)強(qiáng)度及人工成本，同時(shí)又提高鋪設(shè)效率和質(zhì)量。傳統(tǒng)的防水板鋪設(shè)機(jī)的主要功能是:防水板的展開，緊跟展開點(diǎn)及時(shí)焊接。雖然采用傳統(tǒng)的繼電器控制即可滿足操作要求，但其控制地點(diǎn)固定以及繼電器繁多等缺點(diǎn)，導(dǎo)致施工效率低以及故障率高等。目前施工方使用機(jī)械鋪設(shè)代替人工鋪設(shè)防水板處于更替階段，文獻(xiàn)［1－4］主要闡述防水板的施工以及質(zhì)量控制要點(diǎn)，文獻(xiàn)［5－9］主要闡述西門子PLC的基本原理以及應(yīng)用。上述研究主要是針對(duì)某一個(gè)特定的工序方法進(jìn)行分析，而沒有總體集成的運(yùn)用方案。本文提出使用西門子PLC以及無線遙控控制機(jī)械設(shè)備代替人工鋪設(shè)的方式，使得施工速度以及質(zhì)量更易受到控制。新的防水板鋪設(shè)機(jī)增設(shè)了30根油缸伸靴支撐，防水板可快速展開并被支撐在隧道輪廓面上，隨后可多人同時(shí)進(jìn)行焊接作業(yè)，提高了鋪設(shè)速度。采用PLC及遙控控制簡化了操作過程，提高了效率，滿足新型鋪設(shè)機(jī)的控制要求。

1 隧道防水板鋪設(shè)機(jī)簡介

新型防水板鋪設(shè)機(jī)主要由臺(tái)車行走系統(tǒng)、液壓及支撐系統(tǒng)、臺(tái)車架、防水板鋪設(shè)小車、電氣系統(tǒng)、作業(yè)平臺(tái)等構(gòu)成，如圖1所示。

臺(tái)車行走系統(tǒng)采用2組4 kW的電機(jī)及減速機(jī)，通過鏈條帶動(dòng)行走輪行走。電機(jī)減速機(jī)分布在設(shè)備的左下和右下位置，可以前進(jìn)、后退。

圖1 新型防水板鋪設(shè)機(jī)總圖Fig.1 General plan of new type of waterproofing membrane laying machine

液壓支撐系統(tǒng)包括電機(jī)、液壓泵、液壓油箱、液壓控制閥、升降和支撐油缸、管路及輔助元件等，液壓系統(tǒng)的工作壓力為(2.0±0.3)MPa。支撐裝置的液壓油缸上設(shè)橡膠撐靴，避免對(duì)防水卷材造成硬傷害，為防水板展開后提供臨時(shí)支撐，待防水板焊接結(jié)束后即可縮回支撐油缸。

臺(tái)車架包括門架和鋪設(shè)軌道，門架采用鋼板和型鋼拼焊聯(lián)結(jié)，是臺(tái)車的主要承力部分;臺(tái)架有足夠的凈空通過所需工程車輛。鋪設(shè)軌道為與隧道輪廓面建筑半徑同圓心但不同半徑的型鋼軌道，供鋪設(shè)小車沿隧道輪廓面展開防水板。

防水板鋪設(shè)小車包括小車行走裝置、卷揚(yáng)機(jī)循環(huán)牽引裝置、防水板展開軸裝置等。小車沿鋪設(shè)軌道被卷揚(yáng)機(jī)牽引行走，其上的展開軸裝置帶著防水板卷材隨著小車的行走沿隧道輪廓面展開。

電氣硬件及軟件系統(tǒng)主要包括控制元件、電控執(zhí)行機(jī)構(gòu)和PLC控制部分。其中電控執(zhí)行機(jī)構(gòu)是臺(tái)車行走及自動(dòng)鋪設(shè)的動(dòng)力來源;PLC控制部分是整臺(tái)機(jī)器的神經(jīng)中樞，可為設(shè)備提供必要的連鎖與警示。

作業(yè)平臺(tái)用于工人站在上面進(jìn)行土工布的鋪設(shè)、打射釘及防水板的焊接，作業(yè)平臺(tái)外部設(shè)置有翻轉(zhuǎn)平臺(tái)便于隧道邊墻處作業(yè)，在不需要作業(yè)平臺(tái)的時(shí)候保持翻轉(zhuǎn)平臺(tái)處于折合狀態(tài)。

2 電氣硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 防水板鋪設(shè)機(jī)的供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

防水板鋪設(shè)機(jī)采用三相380 V AC電源進(jìn)行供電，電源的分配如圖2所示。

設(shè)備照明采用1臺(tái)220V/36V的變壓器將市電轉(zhuǎn)換為安全電壓，驅(qū)動(dòng)12盞隧道用三防燈，由漏電保護(hù)斷路器提供漏電保護(hù)及控制其通斷。

設(shè)備行走由2臺(tái)4 kW的三相異步電機(jī)帶減速箱及鏈條拖動(dòng)，由斷路器GV2M20C進(jìn)行短路和過載保護(hù)，接觸器LC1D18M7C進(jìn)行前進(jìn)后退控制。

液壓泵站由1臺(tái)2.2 kW的三相異步電機(jī)直接拖動(dòng)，由斷路器GV2M14C進(jìn)行短路和過載保護(hù)，接觸器LC1D09M7C控制其通斷。液壓系統(tǒng)將電機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液壓能，為防水板的支撐及支腿油缸的動(dòng)作提供動(dòng)力。

圖2 電氣系統(tǒng)動(dòng)力結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Power structure of electrical system

卷揚(yáng)電機(jī)由1臺(tái)3 kW的三相異步電機(jī)帶減速機(jī)拖動(dòng)，由斷路器GV2M10C進(jìn)行短路和過載保護(hù)，接觸器LC1D09M7C進(jìn)行順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)控制。

三相動(dòng)力線同時(shí)給控制線路供電，使用DRT－960－24將三相電源轉(zhuǎn)換為24 V直流電，為PLC、遙控接收器及閥等的控制提供電力來源。

2.2 防水板鋪設(shè)機(jī)PLC硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)防水板鋪設(shè)機(jī)的控制特點(diǎn)，系統(tǒng)采用SIEMENS 300系列的PLC進(jìn)行本地的數(shù)據(jù)采集、邏輯運(yùn)算以及數(shù)據(jù)輸出;采用PROFIBUS－DP總線傳輸遙控接收器接收信號(hào);MPI網(wǎng)絡(luò)作為程序上傳下載的通道。STEP 7的組態(tài)如圖3所示。S7－300 PLC采用模塊式結(jié)構(gòu)，用搭積木的方式來組成系統(tǒng)，用戶可根據(jù)系統(tǒng)的具體情況選擇合適的模塊，使其應(yīng)用更加靈活方便。

圖3 電氣系統(tǒng)PLC組態(tài)圖Fig.3 PLC configuration diagram of electrical system

系統(tǒng)采用2塊32點(diǎn)的輸入模塊和4塊32點(diǎn)的輸出模塊作為本地控制柜的輸入輸出。輸入點(diǎn)主要是本地控制臺(tái)的按鈕和開關(guān)，輸出主要控制接觸器和中間繼電器。

系統(tǒng)中選用帶DP功能的CPU與遙控接收器建立PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)，PLC地址為2，遙控接收器地址為3。

2.3 本地及遙控操作面板設(shè)計(jì)

控制面板分為4個(gè)操作區(qū)域:油缸控制、支腿油缸控制、行走控制和控制操作區(qū)域。油缸控制區(qū)域控制15組支撐油缸伸出及回縮，用來支撐鋪設(shè)防水材料;支腿油缸控制區(qū)域用來控制支腿油缸的伸縮，以調(diào)節(jié)設(shè)備的高度來適應(yīng)洞內(nèi)的大小;行走控制區(qū)域主要用來控制鋪設(shè)小車的選擇以及設(shè)備的行走;控制操作區(qū)域主要有泵站的啟動(dòng)、急停按鈕，復(fù)位按鈕，15組油缸分組的選擇，本地及遙控控制的選擇。本地及遙控控制面板如圖4和圖5所示。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 防水板鋪設(shè)機(jī)動(dòng)作控制流程

防水板鋪設(shè)機(jī)整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)作正常的前提是操作模式被選擇，安全繼電器正常。動(dòng)作及控制流程如圖6所示。在控制操作區(qū)域選擇本地或者遙控控制、復(fù)位急停以及支撐油缸動(dòng)作的組數(shù)。待泵站啟動(dòng)完成后綠燈常亮，即可以對(duì)相應(yīng)油缸的動(dòng)作進(jìn)行控制。

支撐油缸和支腿油缸控制時(shí)，本地按鈕點(diǎn)動(dòng)或者撥動(dòng)遙控器開關(guān)即可進(jìn)行相應(yīng)操作。在遙控控制油缸伸縮工作過程中，如果泵站非正常關(guān)閉，則需要將三位撥動(dòng)開關(guān)置到中位然后對(duì)程序進(jìn)行復(fù)位才能恢復(fù)操作。使用該連鎖的目的是為了防止在液壓泵站出現(xiàn)異常關(guān)閉時(shí)，因遙控器的控制采用撥動(dòng)式?jīng)]有自復(fù)位，當(dāng)泵站恢復(fù)工作時(shí)油缸繼續(xù)上一次的動(dòng)作而造成意外的傷害。設(shè)備的行走和支撐油缸及支腿油缸動(dòng)作進(jìn)行了互鎖，在實(shí)際工況中，不可能出現(xiàn)油缸動(dòng)作和行走同時(shí)出現(xiàn)的情況，故對(duì)這2個(gè)互斥事件進(jìn)行聯(lián)鎖以防止油缸動(dòng)作時(shí)，設(shè)備行走造成油缸的損壞。

圖6 電氣系統(tǒng)PLC控制流程圖Fig.6 Flowchart of PLC control of electrical system

卷揚(yáng)機(jī)及行走動(dòng)作時(shí)，均有警報(bào)器進(jìn)行報(bào)警，可以對(duì)現(xiàn)場施工人員進(jìn)行警示。

省電模式:液壓系統(tǒng)在10 min之內(nèi)沒有任何動(dòng)作時(shí)，泵站的加載閥失電，電機(jī)卸載進(jìn)入省電模式。

3.2 程序設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，并且利用STEP7的FBD功能塊語言進(jìn)行編程，具有良好的可讀性與可維護(hù)性。由于各個(gè)控制相對(duì)獨(dú)立，并行處理，設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)主要功能采用FB功能塊實(shí)現(xiàn)，然后再由主程序OB1進(jìn)行調(diào)用。系統(tǒng)的主要功能塊有泵點(diǎn)動(dòng)啟動(dòng)塊、電機(jī)啟動(dòng)塊、油缸伸縮塊等。

3.3 故障處理

根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行中檢測到的故障進(jìn)行收集處理，并在按鈕指示燈及蜂鳴報(bào)警器上給出故障信號(hào)燈。檢修人員可以直觀地通過報(bào)警信號(hào)對(duì)故障進(jìn)行處理。

4 遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

作業(yè)人員可以在拼裝工作處進(jìn)行無線遙控控制，使得拼裝作業(yè)更加準(zhǔn)確，防水板材鋪設(shè)效果更好;同時(shí)，指揮人員兼顧操作，省去了操作平臺(tái)的操作工人，節(jié)約了人工成本。

本系統(tǒng)在接收器和PLC之間采用PROFIBUS進(jìn)行通訊，可以節(jié)省大量輸入輸出接口。它具有高速、低成本的特點(diǎn)，是設(shè)備級(jí)控制系統(tǒng)與分散式I/O的通信，用于現(xiàn)場層的高速數(shù)據(jù)傳輸，主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發(fā)送輸出信息。文獻(xiàn)［10］除周期性用戶數(shù)據(jù)傳輸外，PROFIBUS－DP還提供智能化設(shè)備所需的非周期性通信以進(jìn)行組態(tài)、診斷和報(bào)警處理。

遙控發(fā)射機(jī)與遙控接收機(jī)之間，采用跳頻技術(shù)進(jìn)行信號(hào)傳輸，抗干擾能力強(qiáng)，適合工業(yè)環(huán)境比較復(fù)雜的施工環(huán)境。遙控通訊信號(hào)傳輸如圖7所示。

圖7 無線遙控系統(tǒng)信號(hào)傳輸圖Fig.7 Signal transmission of wireless remote control system

5 結(jié)論與體會(huì)

防水板鋪設(shè)樣機(jī)在貴廣鐵路經(jīng)過3個(gè)多月的工業(yè)性實(shí)驗(yàn)，設(shè)備滿足設(shè)計(jì)要求并取得了良好的使用效果。采用PLC以及遙控控制，不僅會(huì)節(jié)約成本，又能在準(zhǔn)備位置進(jìn)行控制操作，使得設(shè)備的電氣故障率降低，從而提高了施工效率。

該設(shè)備的不足之處是卷揚(yáng)機(jī)在旋轉(zhuǎn)時(shí)的智能保護(hù)在控制上有待完善。例如卷揚(yáng)機(jī)走到1根尚未回縮的油缸處，并不會(huì)限制速度或者停止，而需靠人為的判斷，這些不足希望在下次設(shè)計(jì)時(shí)能考慮到。

隨著中國勞動(dòng)力成本的增加以及隧道機(jī)械自動(dòng)化程度要求的提高，采用無線遙控進(jìn)行操作、PLC系統(tǒng)進(jìn)行控制及聯(lián)鎖的新型防水板鋪設(shè)機(jī)，對(duì)改善工作效率有積極的作用。

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