李 瑤

混凝土泵送技術(shù)廣泛應(yīng)用于各類土木、建筑工程中，已成為建筑施工的重要技術(shù)手段?；炷帘盟拖到y(tǒng)主要由料斗、攪拌機構(gòu)、混凝土、分配閥、混凝土輸送缸、洗滌室以及主油缸等構(gòu)成［1］。

工作原理：當(dāng)液壓系統(tǒng)壓力油進入一主油缸時，活塞桿伸出，同時通過密封回路連通管的壓力油使另一活塞桿回縮。與主油缸活塞桿相連的混凝土輸送活塞回縮時在輸送缸內(nèi)產(chǎn)生自吸作用，料斗中的混凝土在大氣壓力作用和攪拌葉片的助推作用下通過滑閥吸入口被吸入輸送缸。同時，另一主油缸在油壓的作用下，推動主油缸的活塞桿伸出并同時推動混凝土活塞壓出輸送缸中的混凝土，通過滑閥輸送口Y字管進入混凝土輸送管。動作完成后，系統(tǒng)自動換向使壓力油進入另一主油缸，完成另一次不同輸送缸的吸、送行程。如此反復(fù)，料斗里的混凝土就源源不斷地被吸入和壓送出輸送缸，通過Y型管和出口連接的管道到達作業(yè)點，完成泵送作業(yè)［1］。

1 控制系統(tǒng)簡介

1.1 泵送系統(tǒng)控制

混凝土泵送系統(tǒng)控制是通過對泵送機構(gòu)的控制來實現(xiàn)的。其中，主液壓缸負(fù)責(zé)輸送缸中混凝土運動方向的控制，其左右兩側(cè)主液壓缸的有桿腔或無桿腔通常采用互相連通的串聯(lián)方式，因此需要控制由左側(cè)主液壓缸或右側(cè)主液壓缸進油即可實現(xiàn)左進或右進的動作控制，且可有效保證左側(cè)主液壓缸前進時，右側(cè)主液壓缸自行后退的配合動作，反之亦然。擺閥液壓缸負(fù)責(zé)分配閥與輸送缸的通斷控制。

以正泵控制為例，通過主液壓缸及擺閥液壓缸的方向電磁閥控制，可使得泵送機構(gòu)中的液壓油作交替配合往返運動，從而實現(xiàn)將混凝土從料斗中不斷吸入，然后擠入S管，經(jīng)由輸送管道送到施工現(xiàn)場。

正泵、反泵控制時主液壓缸、擺閥液壓缸的動作順序見表1。

目前常見的泵送換向控制技術(shù)包括液控?fù)Q向和電控?fù)Q向兩種方式［2］。

表1 泵送系統(tǒng)動作順序表

液控?fù)Q向通過液壓控制實現(xiàn)，其主要工作原理是通過壓差閥輸出的油壓信號使得方向控制閥狀態(tài)發(fā)生變化，從而實現(xiàn)主液壓缸換向。

與液控?fù)Q向不同，電控?fù)Q向則一般通過檢測主液壓缸內(nèi)活塞的運動位置信號，以此判斷何時需要換向，并在液壓回路中通過電磁換向閥實現(xiàn)對液壓油運動方向的控制，從而實現(xiàn)主液壓缸的換向。目前泵送設(shè)備電氣系統(tǒng)中常見的電控方式是靠近洗滌室位置的主液壓缸末端加裝接近開關(guān)，根據(jù)開關(guān)信號判斷何時進行換向，一般通過電磁閥控制對應(yīng)主液壓缸的運動方向［2］。

2 控制要求

2.1 HBT80控制系統(tǒng)設(shè)計基本要求

（1）系統(tǒng)采用三相四線供電，主電機采用軟啟動保護啟動，要求相電壓為380V，控制部分電壓為24V。

（2）控制系統(tǒng)帶有緊急停止保護功能，通過急停開關(guān)切斷電源，停止設(shè)備運轉(zhuǎn)，達到保護人身和設(shè)備的安全。

（3）只有主電機正常運行后，泵送回路才能工作。

（4）系統(tǒng)采用手動控制和自動控制相結(jié)合的控制方式，手動控制在自動控制開始后則不再起作用。

（5）控制回路中各支路均有短路保護。（6）具有接地保護，安全性高。

2.2 混凝土泵動作過程

泵送混凝土?xí)r，在主油缸和分配閥油缸驅(qū)動下，若左側(cè)混凝土缸與料斗連通，則右側(cè)混凝土缸與分配閥連通。若油壓使左側(cè)混凝土缸向后移動，將料斗中的混凝土吸入該側(cè)混凝土缸（吸料缸）。同時油壓使右側(cè)混凝土缸活塞向前移動，將該側(cè)混凝土缸（排料缸）中的混凝土推入分配閥，經(jīng)混凝土輸送管道輸送到澆注現(xiàn)場。當(dāng)左側(cè)混凝土缸活塞后移至行程終端時，觸發(fā)換向裝置，兩主油缸油壓換向。分配閥油缸使分配閥與左側(cè)混凝土缸連接，該側(cè)混凝土缸活塞向前移動，將混凝土推入分配閥。同時，右側(cè)混凝土缸與料斗連通，并使該側(cè)混凝土缸活塞后移，將混凝土吸入混凝土缸。左側(cè)混凝土缸活塞后移至行程終端時，觸發(fā)換向裝置，油缸換向，右側(cè)混凝土缸活塞向前推送，開始下一輪泵送循環(huán)，從而實現(xiàn)連續(xù)泵送混凝土。以上情形為混凝土的正泵狀態(tài)。

當(dāng)混凝土泵出現(xiàn)泵送不順，發(fā)生堵塞或需將泵（或泵車）暫停，將輸送管（或布料桿）內(nèi)的混凝土抽回料斗時，可通過液壓系統(tǒng)控制分配閥，使吸料缸口與輸送管道相接，從而使混凝土料抽入混凝土缸體內(nèi)。而處于排料工位的混凝土缸，則將混凝土抽回料斗中，同步完成吸排料動作后，分配閥換向，開始下一個吸排料過程，從而實現(xiàn)反抽的連續(xù)工作循環(huán)［4］。

圖1 泵送液壓系統(tǒng)

表2 液壓系統(tǒng)部件表

續(xù)表2

2.3 PLC的I/O地址分配

表3 電磁閥得電失電關(guān)系表

根據(jù)HBT80混凝土泵的工作要求和安全保護的考慮，一共需要14個輸入點和10個點輸出，指令系統(tǒng)能達到控制要求。具體的I/O分配如表4。

表4 I/O分配表

3 硬件選型

3.1 可編程控制器選型

PLC：可編程邏輯控制器是一種采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程［3］。

（1）用戶1/0設(shè)備。

令輸入設(shè)備：按鈕S4-S17，壓力繼電器SPI。令輸出設(shè)備：電磁鐵DT1一DT9，交流接觸器KM1-KM2。

（2）PCL選型及I/0地址分配。

根據(jù)HBT80拖式混凝土泵的控制和安全保護的基本要求，結(jié)合所要設(shè)計混凝土泵的泵送流程及混凝土泵的I/O分配表，綜合分析系統(tǒng)要求，選用西門子S7一200系列微型可編程控制器的224型繼電器輸出CPU，進而確定PLC型號為6ES7214-1BD23-0XB8。該CPU基本單元共有14點輸入和10點輸出，可連接7個擴展模塊，最大擴展至168路數(shù)字量I/O點或35路模擬量I/O點。1個RS485通訊/編程口具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力，其指令系統(tǒng)完全能達到控制要求。

3.2 數(shù)字?jǐn)U展模塊選型

S7-200PLC包括如下的數(shù)字量擴展模塊：輸入模塊EM221（8路擴展輸入）；輸出模塊EM222（8路擴展輸出）；I/O混合模塊EM223（具有8I/O、16I/O、32I/O等多種配置）。

S7-200PLC有3種模擬量擴展模塊：EM231為4路模擬量輸入模塊，EM232為2路模擬量輸出模塊，EM235為4路輸入/1路輸出模塊。這些模擬量擴展模塊中A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)均為12位。

為滿足HBT80型混凝土泵的控制要求，需要添加擴展模塊。最終選定擴展模塊型號為S7223-1BF22-0XA8。

3.3 Y280S-4型三相異步電動機

Y280S-4型三相異步電動機是符合IEC標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)規(guī)定，三相380V電機，功率：110kw，額定電流：110*2=220A。得到額定電流、額定電壓，就可根據(jù)線路的電壓電流進行其它硬件的選型。

3.4 DW15-400/315A型斷路器

低壓斷路器又稱空氣開關(guān)或自動開關(guān)。它相當(dāng)于刀開關(guān)、熔斷器、熱繼電器、過流繼電器和欠電壓繼電器的組合，是一種既有手動開關(guān)作用又能自動進行欠電壓、失電壓、過載和短路保護的電器［6］。

根據(jù)HBT80拖式混凝土泵的控制要求，同時結(jié)合線路額定電流電壓，選定DW15系列萬能式斷路器。DW15系列萬能式斷路器適用于交流50Hz、額定電流至6300A，額定工作電壓交流380V、交流1140V的配電網(wǎng)絡(luò)中，用來分配電能和供電線路及電源設(shè)備的過載、欠電壓、短路保護之用。

3.5 熔斷器選型

熔斷器是指當(dāng)電流超過規(guī)定值時，以本身產(chǎn)生的熱量使熔體熔斷，斷開電路的一種電器。熔斷器作為短路和過電流的保護器，是應(yīng)用最普遍的保護器件之一［6］。

根據(jù)HBT80拖式混凝土泵的控制要求，同時結(jié)合線路額定電流電壓，選定帶有低壓特性的西門子5SE2306和額定絕緣電壓為220V的西門子5SG1300型熔斷器。

3.6 CJX2-60 M7型接觸器

根據(jù)HBT80拖式混凝土泵的控制要求，同時結(jié)合線路額定電流電壓，選定線圈電壓為220V的接觸器，型號為CJX2-60M7。

3.7 NRE8-630 215-315A型熱繼電器

由于電機選用110kW、三相380V電機，得其額定電流約為220A，且根據(jù)繼電器選用原則，因而選用NRE8系列電子式過載繼電器。此繼電器主要用于交流50/60Hz，額定工作電壓690V以下，電流為機殼標(biāo)定的整定電流范圍內(nèi)的電路中，作三相電動機過載、斷相保護。

3.8 E2E-X10MF1型接近開關(guān)

接近開關(guān)是一種無需與運動部件進行機械直接接觸而可以操作的位置開關(guān)，當(dāng)物體接近開關(guān)的感應(yīng)面到動作距離時，不需要機械接觸及施加任何壓力即可使開關(guān)動作，從而驅(qū)動直流電器或給PLC提供控制指令。接近開關(guān)是種開關(guān)型傳感器（即無觸點開關(guān)），它既有行程開關(guān)、微動開關(guān)的特性，同時又具有傳感性能，且動作可靠，性能穩(wěn)定，頻率響應(yīng)快，應(yīng)用壽命長，抗干擾能力強等，并具有防水、防震、耐腐蝕等特點。

根據(jù)HBT80混凝土泵的工作要求和安全保護的考慮，接近開關(guān)選歐姆龍廠商所生產(chǎn)的E2EX10MF1，其額定工作距離為10mm，有常開、常閉的輸出功能。

歐姆龍接近開關(guān)具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、分辨力高、能感受0.01μm甚至更小的位移、無反作用力、動態(tài)響應(yīng)好、能實現(xiàn)非接觸測量、能在惡劣環(huán)境下工作等優(yōu)點。

3.9 3TX4010-2A型中間繼電器

中間繼電器用于繼電保護與自動控制系統(tǒng)中，以增加觸點的數(shù)量及容量。它用于在控制電路中傳遞中間信號。

3TX系列中間繼電器適用于交流50Hz或60Hz，電壓至660V和直流電壓至600V的控制電路中，用來控制各種電磁線圈及作為電信號的放大和傳遞。

3.1 0 HED 8型壓力繼電器

壓力繼電器是液壓系統(tǒng)中當(dāng)流體壓力達到預(yù)定值時，使電接點動作的元件。它是將壓力轉(zhuǎn)換成電信號的液壓元器件，可以根據(jù)自身的壓力設(shè)計需要，通過調(diào)節(jié)壓力繼電器實現(xiàn)在某一設(shè)定的壓力時輸出一個電信號的功能。

型號HED 8電液壓力繼電器是柱塞式壓力繼電器。根據(jù)攪拌回路工作壓力13MPa和泵的最大壓力25MPa。可選設(shè)定壓力為20MPa的壓力繼電器。最終選定博世力士樂型號為HED 8 0A 1X/200K14的壓力繼電器。

3.1 1 PILZ PNOZ X3P型安全繼電器

PILZ繼電器的優(yōu)質(zhì)特性和多功能特征在各種設(shè)備控制電路中被廣泛采用［8］。急停開關(guān)是屬于主令控制電器的一種，當(dāng)機器處于危險狀態(tài)時，通過急停開關(guān)切斷電源，停止設(shè)備運轉(zhuǎn)，達到保護人身和設(shè)備的安全。

PNOZ X系列安全繼電器是Pilz安全自動化的基石之一，其除了傳統(tǒng)的緊急停止功能外，還有安全門、光柵、雙手控制、安全地毯、靜音功能監(jiān)控等其他功能［20］。PNOZ X系列安全繼電器的內(nèi)部由2個或3個繼電器組成，觸點形式為機械式觸點。

3.1 2 3RW軟起動器

軟起動器是一種集電機軟起動、軟停車、輕載節(jié)能和多種保護功能于一體的新穎電機控制裝置，國外稱為Soft Starter。它的主要構(gòu)成是串接于電源與被控電機之間的三相反并聯(lián)閘管及其電子控制電路［9］

3RW44電子式軟起動器設(shè)計用于正常起動條件。一旦出現(xiàn)起動負(fù)載較大或者起停頻率增加的情況，就必須選擇較大額定值的產(chǎn)品。如果起動時間長，建議在電機中安裝一個PTC熱敏電阻檢測器。這也適用于軟停機、泵停機以及直流制動等停機類型。因為在這些停機過程中，與自由停機相比，有一個附加電流負(fù)載加在電機上。在 SIRIUS 3RW軟起動器和電機之間的電機饋電裝置內(nèi)，不得含有電容元件（如沒有無功補償設(shè)備）。另外，在軟起動器起停時，不能操作無功補償靜態(tài)系統(tǒng)，也不能操作動態(tài)PFC（功率因數(shù)修正）設(shè)備，從而可防止補償設(shè)備和或軟起動器故障。主電路的所有元件（如熔斷器、控制設(shè)備）應(yīng)該按照在直接起動發(fā)生短路的情況下進行選型。

3.1 3 電磁閥保護電路

一種電磁閥保護電路至少包括以下元件：第一晶體管，連結(jié)于電磁閥與操作電壓源之間，用以施加操作電壓以啟動電磁閥進行動作；邏輯門，具有2個輸入端與1個輸出端，其中輸入端分別用以接收控制信號與參考信號，輸出端則連結(jié)至該第一晶體管的控制端，用以輸出邏輯信號來控制晶體管的開關(guān)；電容器，耦接于邏輯門輸入端，能藉由充、放電動作，來調(diào)整參考信號的電壓位準(zhǔn)；第二晶體管，耦接于電容器、邏輯門輸入端、以及接地端之間，能根據(jù)邏輯信號的位準(zhǔn)進行開關(guān)，而決定是否對電容器進行放電動作。

4 軟件控制

4.1 軟件設(shè)計與模擬

應(yīng)用STEP7-Micro/WIN軟件編寫PLC程序并仿真模擬。

（1）電動機的啟動程序。

首先按下控制電源按鈕S4，啟動控制電機，電機在軟啟動器的保護下正常運轉(zhuǎn)。若要使混凝土泵停止泵送，則按下電機停止按鈕S3。

（2）回路的卸荷。

若混凝土輸送泵的分配機構(gòu)出現(xiàn)故障時，按下分配回路按鈕S11，則DT2得電，分配回路會處于卸荷狀態(tài)。若主油缸泵送回路出現(xiàn)故障，按下油路開關(guān)按鈕S10，則DT2得電，泵送回路處于卸荷狀態(tài)。

（3）檢修。

當(dāng)接通檢修啟動開關(guān)S16時，主油缸的活塞桿從油缸中退出，并且液壓缸里的液壓油也將全部流出，混凝土泵處于不工作、檢修狀態(tài)。若檢修完畢，按緊急停止開關(guān)、電機啟動開關(guān)及油路開關(guān)中任一開關(guān)即可退出檢修狀態(tài)。

（4）高低壓轉(zhuǎn)換。

混凝土泵啟動后的狀態(tài)為低壓狀態(tài)，也稱低負(fù)載狀態(tài)。當(dāng)工況發(fā)生改變時，由于混凝土泵液壓系統(tǒng)的系統(tǒng)壓力取決于外負(fù)載，因而要將系統(tǒng)的低壓狀態(tài)作以調(diào)整來匹配工況壓力。當(dāng)按下高低轉(zhuǎn)換按鈕S15時，會使得DT7得電，液壓系統(tǒng)的壓力狀態(tài)得以切換。若想恢復(fù)原來低壓狀態(tài)，按下電機停止開關(guān)S3即可。

（5）正泵。

電動機在正常啟動下，按下正泵按鈕S5。當(dāng)接近開關(guān)SQ1被觸發(fā)時，其觸發(fā)信號使得主油缸換向。但在主油缸換向的前400ms時，分配閥應(yīng)盡快擺至相應(yīng)位置，這樣可以增大主油缸從料斗中吸入混凝土的量。當(dāng)接近開關(guān)SQ2被觸發(fā)時，信號再次使得油缸換向，即在油缸換向的前400ms，相應(yīng)的分配閥也會實現(xiàn)換向。若泵送完畢，需要停止泵送，可按下按鈕S9。其中，正泵流程中電磁閥線圈得電順序為DT6-DT4-DT5-DT3。

考慮到泵送開始時接近開關(guān)SQ1與SQ2可能沒在觸發(fā)位置，因而SQ1不會得電，泵送無法開始。因而利用特殊繼電器SM0.1，使得SQ1首次掃描為得電狀態(tài)。

（6）反泵。

當(dāng)混凝土泵出現(xiàn)泵送不順，主油缸內(nèi)部壓力驟升時，可能發(fā)生堵塞。此時需要反泵，使得進入主油缸的混凝土重新推進料斗中。電動機在正常運轉(zhuǎn)中，按下反泵按鈕S6，接近開關(guān)SQ1被觸發(fā)，其信號使得左油缸吸料。同樣，在左油缸動作前400ms時分配閥左行。當(dāng)接近開關(guān)SQ2被觸發(fā)時，信號使得主油缸換向，同時在其之前分配閥也換向。若主油缸部分系統(tǒng)壓力已恢復(fù)正常時，可啟動泵送停止開關(guān)S9。反泵流程電磁閥得電順序為DT6-DT3-DT5-DT4。

（7）攪拌反轉(zhuǎn)。

在電動機正常運轉(zhuǎn)下，若攪拌容器中的系統(tǒng)壓力驟升，可能出現(xiàn)了攪拌卡死故障。此時需要攪拌系統(tǒng)進行反攪。在電動機正常運轉(zhuǎn)下，按下馬達反轉(zhuǎn)開關(guān)S17，電磁線圈DT8得電，則會使得攪拌馬達反轉(zhuǎn)。同時，在攪拌容器上裝有壓力繼電器，若是容器內(nèi)壓力超過壓力容許值，壓力繼電器會給控制器信號，攪拌馬達也會反轉(zhuǎn)。當(dāng)攪拌容器內(nèi)的攪拌系統(tǒng)壓力恢復(fù)至正常范圍時，可按下攪拌停止開關(guān)S14來進行復(fù)位操作。

4.2 控制板面

在控制部分選用的是開關(guān)量輸入、輸出，這樣有利于降低成本。為了讓操作人員更易于操作，可設(shè)計系統(tǒng)的控制面板如圖3所示。

圖3 控制板面

4.3 總裝調(diào)試

整個控制系統(tǒng)設(shè)計完成后，將編制好的程序下載到PCL的存儲器中，利用PLC虛擬仿真箱，采用開關(guān)、繼電器和指示燈作為輸入和輸出，動作正常，進行系統(tǒng)的總裝調(diào)試，連續(xù)工作情況良好，滿足控制指標(biāo)要求。

5 總結(jié)

根據(jù)混凝土泵液壓系統(tǒng)的控制要求，采用西門子系列的控制器為液壓系統(tǒng)的控制部件，并進行了軟件和硬件設(shè)計，大大提高了控制系統(tǒng)的可靠性，而且布線簡單，易于維護。

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