王占輝，蓋 琛

（中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450016）

全斷面巖石隧道掘進(jìn)機(jī)簡稱TBM，主要用于巖石地質(zhì)結(jié)構(gòu)的鐵路、公路、水利水電引水導(dǎo)洞、地鐵及地下工程隧道掘進(jìn)建筑施工。隧道初期支護(hù)質(zhì)量的好壞，直接影響隧道的二襯受力及安全儲(chǔ)備。為此，TBM后配套拖車上通常安裝有用于隧道初期支護(hù)的混凝土噴射機(jī)，其工作原理是將已配比好的混凝土通過泵送系統(tǒng)輸送到混凝土噴射機(jī)的噴嘴處，在高壓空氣的作用下形成噴射束，并與噴嘴處霧化的速凝劑混合，一起噴射到待噴涂區(qū)域[1、2]。速凝劑可使混凝土迅速凝結(jié)硬化，從而形成混凝土支護(hù)層。傳統(tǒng)的干噴裝置人員數(shù)量要求多、回彈率高、環(huán)境污染嚴(yán)重、故障點(diǎn)不易檢測(cè)且工作數(shù)據(jù)無法自動(dòng)記錄。為克服上述技術(shù)不足，本文設(shè)計(jì)一種基于PLC的TBM混凝土噴射機(jī)電氣控制系統(tǒng)，采用濕噴技術(shù)，混凝土回彈率小，密實(shí)性好，混凝土耐久性較好，噴射混凝土施工質(zhì)量易得到保障[3、4]。

1 電氣結(jié)構(gòu)組成

如圖1所示，電氣結(jié)構(gòu)包括電機(jī)、觸摸屏、PLC、遙控器等，PLC作為該TBM混凝土噴射機(jī)電氣控制系統(tǒng)的核心，將整個(gè)控制系統(tǒng)聯(lián)系起來，型號(hào)選用西門子S7-200 SMART。以PLC為電控核心可將系統(tǒng)分為輸入、輸出以及觸摸屏交互。PLC對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行邏輯處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與信號(hào)輸出，輸入信號(hào)通過輸入模塊傳輸至PLC內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)域，經(jīng)過程序處理后將控制信號(hào)輸出給各部分的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)控制整個(gè)系統(tǒng)。

圖1 電氣系統(tǒng)框圖

輸入元件包括遙控器、按鈕開關(guān)、旋鈕開關(guān)、接近開關(guān)和傳感器。按鈕開關(guān)發(fā)出電機(jī)啟停、空壓機(jī)啟停、泵送啟停、速凝劑泵啟停、泵送左右缸點(diǎn)動(dòng)信號(hào)。旋鈕開關(guān)發(fā)出本地模式或遙控模式信號(hào)，設(shè)備正常工作時(shí)，旋鈕旋至遙控模式，進(jìn)行噴涂工作；設(shè)備調(diào)試、維保與清洗管道時(shí)，旋鈕旋至本地模式進(jìn)行相應(yīng)操作。接近開關(guān)發(fā)出油缸換向信號(hào)，并統(tǒng)計(jì)泵送方量。傳感器實(shí)現(xiàn)液壓油油溫、液壓油油壓、速凝劑壓力、泵送壓力、攪拌壓力、空壓機(jī)壓力的檢測(cè)。輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括電磁閥、電動(dòng)機(jī)、空壓機(jī)和報(bào)警燈。液壓回路受電動(dòng)機(jī)與執(zhí)行元件作用實(shí)現(xiàn)應(yīng)有動(dòng)作，電磁閥控制油路和氣路的流量大小或者通斷。報(bào)警燈為聲光一體報(bào)警燈,顯示混凝土噴射機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。電動(dòng)機(jī)為三相異步電機(jī)，為整個(gè)液壓回路提供動(dòng)力，并驅(qū)動(dòng)速凝劑泵合理配比混凝土?？諌簷C(jī)通過執(zhí)行PLC輸出的信號(hào)來調(diào)節(jié)風(fēng)量大小。觸摸屏即是輸入控件也是顯示控件，與PLC進(jìn)行通訊與數(shù)據(jù)交互。在整個(gè)電控系統(tǒng)的相互配合下，完成噴射部分、臂架控制部分和人機(jī)交互部分，最終實(shí)現(xiàn)TBM混凝土噴射。

2 噴射電氣控制

如圖2所示，整個(gè)噴射部分由混凝土泵送系統(tǒng)，速凝劑泵送系統(tǒng)和空壓機(jī)系統(tǒng)3部分構(gòu)成。在料斗中攪拌均勻的混凝土由泵送系統(tǒng)經(jīng)混凝土管路輸送至噴頭，與速凝劑泵輸送的速凝劑交匯，并在噴頭底部腔體內(nèi)混合后經(jīng)由空壓機(jī)吹出高壓風(fēng)，噴射到受噴面上形成混凝土支護(hù)層，當(dāng)混凝土和速凝劑被泵送至噴嘴刷處，通過空壓機(jī)作用噴射出去，空壓機(jī)為變頻控制?？諌簷C(jī)輸出的風(fēng)使速凝劑泵輸出的速凝劑與泵送油缸輸出的混凝土在噴嘴處均勻混合，形成噴射束，噴射到待噴涂區(qū)域，速凝劑使混凝土迅速凝結(jié)。整套動(dòng)作在電控系統(tǒng)的控制下完成。此噴射系統(tǒng)可以高效地完成噴射，最大泵送能力為30m3/h。

圖2 噴射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成示意圖

噴射過程中的噴射方量的統(tǒng)計(jì)由安裝在泵送油缸上的接近開關(guān)來統(tǒng)計(jì)。泵送油缸由左、右油缸和擺缸組成。當(dāng)泵送左油缸運(yùn)動(dòng)到接近開關(guān)感應(yīng)區(qū)域后，接近開關(guān)動(dòng)作，使泵送油缸換向同時(shí)擺缸動(dòng)作；同理，右油缸也是如此。在2個(gè)接近開關(guān)的作用下，2個(gè)泵送油缸密切配合，泵送左油缸伸出的同時(shí)泵送右油缸收回，泵送右油缸伸出的同時(shí)泵送左油缸收回，這樣就能做到不間斷泵送，達(dá)到連續(xù)噴射的效果。經(jīng)PLC計(jì)算處理后通過模擬量輸出信號(hào)給放大電路板，調(diào)節(jié)比例閥開度控制單位時(shí)間泵送方量，泵送方量即是根據(jù)接近開關(guān)反饋信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的。

速凝劑的噴射量是由控制器內(nèi)部程序根據(jù)當(dāng)前混凝土含量計(jì)算得出，已將智能配比公式編寫入控制程序，根據(jù)泵送方量實(shí)時(shí)、自動(dòng)調(diào)節(jié)速凝劑添加量，達(dá)到最佳噴射效果，并可將綜合回彈量控制在12%以內(nèi)。當(dāng)臂架運(yùn)動(dòng)至理想位置以后，按下噴射啟動(dòng)按鈕，PLC接收到信號(hào)，經(jīng)過內(nèi)部配比算法處理后，控制泵送油缸與速凝劑泵啟停，達(dá)到理想配比從而完成噴射工作，整個(gè)過程操作簡便、安全。

3 臂架電氣控制

電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)以后，帶動(dòng)液壓泵使液壓油路導(dǎo)通，整個(gè)液壓回路處于待命狀態(tài)。液壓回路包括液壓泵、液壓油路、液壓油缸以及電磁閥。通過液壓系統(tǒng)與電控系統(tǒng)的相互配合，控制噴射臂的姿態(tài)動(dòng)作。臂架動(dòng)作主要通過遙控的方式實(shí)現(xiàn)，操作人員通過無線遙控器操作臂架工作，遠(yuǎn)離工作面，降低了人員安全風(fēng)險(xiǎn)。采用負(fù)載敏感比例控制，實(shí)時(shí)自適應(yīng)調(diào)節(jié)臂架系統(tǒng)壓力和流量與工況相匹配，節(jié)能環(huán)保。

如圖3所示，遙控器可發(fā)出噴射啟動(dòng)和停止、反泵啟動(dòng)和停止、操作臂泵開和停止、底架前后左右4個(gè)方向動(dòng)作、大臂伸展和收縮、噴頭前后左右4個(gè)擺動(dòng)方向動(dòng)作以及噴嘴刷動(dòng)作等控制信號(hào)。通過操作遙控器上的動(dòng)作搖桿，遙控器發(fā)射器發(fā)出控制信號(hào)，由控制中的遙控器接收器接收信號(hào)并將該信號(hào)傳遞給PLC，PLC接收到模擬量信號(hào)后，經(jīng)處理后控制比例電磁閥動(dòng)作，調(diào)節(jié)流經(jīng)比例電磁閥油路的開合量來控制油缸運(yùn)動(dòng)方向與運(yùn)動(dòng)速度，進(jìn)而可使臂架運(yùn)動(dòng)到理想位置。如圖4所示，噴頭、大臂和底座共具備5個(gè)自由度動(dòng)作，噴頭和底架選用萬向搖桿，操作靈活方便，可快速到達(dá)和離開制定噴射區(qū)域，噴射均勻無死角。

圖3 遙控器操作面板圖

圖4 臂架及底座結(jié)構(gòu)圖

4 觸摸屏單元

本設(shè)計(jì)中觸摸屏選用施耐德HMISTU855，主要用于顯示混凝土和速凝劑噴射過程量、泵送時(shí)間以及故障反饋信息3個(gè)方面的實(shí)時(shí)信息。這些檢測(cè)量均由混凝土噴射機(jī)上安裝的傳感器反饋，并將其對(duì)應(yīng)的各個(gè)參數(shù)的檢測(cè)值實(shí)時(shí)傳送至控制器，處理后將這些值轉(zhuǎn)化后傳輸至與之相連的觸摸屏，可實(shí)時(shí)顯示這些檢測(cè)值。

功能菜單主界面中包括6個(gè)功能子菜單，分為“混凝土”、“速凝劑”、“運(yùn)行時(shí)間”、“故障查詢”、“參考配方”以及“返回主頁”。該混噴系統(tǒng)在正常運(yùn)行情況下，默認(rèn)顯示第一個(gè)功能子界面（混凝土），可設(shè)置當(dāng)前混凝土中水泥用量，顯示當(dāng)前混凝土小時(shí)噴射量以及累計(jì)混凝土噴射總量。

速凝劑界面可顯示速凝劑用量占水泥比例和當(dāng)前速凝劑小時(shí)添加量?？稍谟|摸屏上設(shè)置該值，傳送給PLC控制模擬量輸出模塊，進(jìn)而通過變頻調(diào)速控制速凝劑泵，達(dá)到調(diào)節(jié)速凝劑占混凝土的比例的目的。增加強(qiáng)制潤滑功能，可以在混噴之前對(duì)管壁進(jìn)行潤管操作。與泵送有關(guān)的信息還包括泵送速度、本次泵送方量、泵送累積方量、泵送運(yùn)行時(shí)間等信息，這些都在運(yùn)行時(shí)間界面中顯示。

故障查詢界面，可顯示設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常或故障信息，不同故障源對(duì)應(yīng)不同信息顯示，便于現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)排除故障。故障分為液壓油溫報(bào)警、油箱液位報(bào)警、高壓濾報(bào)警、吸油濾報(bào)警、速凝劑壓敏開關(guān)和臂架行程限位。當(dāng)以上檢測(cè)值超出設(shè)定的報(bào)警值后，在顯示界面的同時(shí)發(fā)出鳴笛報(bào)警信號(hào)，由控制器發(fā)出報(bào)警指令，作用于聲光一體報(bào)警燈。故障實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，異常自動(dòng)報(bào)警。同時(shí)該系統(tǒng)配備有安全繼電器，當(dāng)使用過程中遇到緊急情況時(shí)可以快速準(zhǔn)確地將主控電路切斷。遇到緊急報(bào)警情況時(shí)，拍下急停按鈕，整個(gè)系統(tǒng)停止工作，以此來保證工作人員以及設(shè)備安全，故障解除后，將按鈕復(fù)位，系統(tǒng)恢復(fù)正常。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的混凝土噴射機(jī)系統(tǒng)可以根據(jù)泵送方量實(shí)時(shí)、自動(dòng)調(diào)節(jié)速凝劑添加量，速凝劑泵計(jì)量范圍廣，調(diào)整精度高，達(dá)到最佳噴射效果，可將綜合回彈量控制在12%以內(nèi)，遠(yuǎn)低于《錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》（GB 50086-2001）關(guān)于“噴射混凝土回彈率，邊墻不應(yīng)大于15%，拱部不應(yīng)大于25%”的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，減少了混凝土的浪費(fèi)，節(jié)約施工成本。操作人員通過無線或有線遙控器操作機(jī)械手工作，遠(yuǎn)離工作面，降低了人員安全風(fēng)險(xiǎn)。

本混凝土噴射機(jī)系統(tǒng)已在大瑞鐵路高黎貢山隧道項(xiàng)目中使用，總體平均消耗費(fèi)用6.50元/m3，最小僅為5.02元/m3，配件消耗少，使用成本低。自使用以來每月噴漿均量在2300m3以上，滿足快速施工的需求，平均噴射速度約為22m3/h，有效保障了隧道施工進(jìn)度。該電氣控制系統(tǒng)故障點(diǎn)易檢測(cè)、數(shù)據(jù)可記錄、性能穩(wěn)定，設(shè)備的重大故障率基本為零，其良好的噴射質(zhì)量及穩(wěn)定的產(chǎn)品性能獲得了用戶的充分認(rèn)可，為隧道的順利貫通提供了堅(jiān)實(shí)保障。

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