一种泵式混凝土湿喷机控制系统研究

高梅梅，孙 伟，蒲晓波GAO Mei-mei, SUN Wei, PU Xiao-bo（中铁工程装备集团设计研究总院，河南 郑州 450016）

一种泵式混凝土湿喷机控制系统研究

高梅梅，孙 伟，蒲晓波
GAO Mei-mei, SUN Wei, PU Xiao-bo
（中铁工程装备集团设计研究总院，河南 郑州 450016）

[摘 要]文章分析了目前国内混凝土喷射应用的现状及存在的不足，介绍了一种满足市场需求的泵式混凝土湿喷机的工作原理，提出了基于PLC和触摸屏技术的控制方案，并对控制系统软件、硬件的设计进行了阐述。该泵式湿喷机经过多地的工业试验及应用，体现了自动化程度高、喷射效率高、可靠性高以及回弹率低等优势，具有很大的推广应用前景。

[关键词]混凝土湿喷机； PLC； 控制系统

混凝土喷射技术主要用于隧道施工、水利水电、边坡稳定、矿井掘进等工程中。混凝土喷射技术的使用在世界上已有一个世纪的历史，我国是从20世纪60年代末开始采用的。近十多年来，社会经济及隧道施工技术的发展，对隧道的初期支护提出更高的要求，传统干喷法已无法满足隧道施工安全、高效、环保、职业健康方面的要求。而湿喷技术的发展日趋完善，具有生产效率高、粉尘浓度小、安全、环保、实用等特点，已成为世界各国喷射技术发展的主流[1～3]。目前已有越来越多的湿式喷射机投入使用，但国内生产的大多数湿喷机均属小型，功能单一，生产效率较低，喷射量通常只有5～10m3/h，回弹率也高，而国外一些品牌的湿喷机价格非常昂贵，不利于推广使用[4～5]。所以开发高性价比、高可靠性的泵式湿喷机是我国混凝土喷射技术发展的必然趋势。

1 泵式湿喷机工作原理

泵式混凝土喷射系统主要包括泵送系统、液压系统、压缩空气系统、添加剂系统、控制系统。泵送系统将一定级配和水灰拌和好的混凝土料以稠密流形式，通过泵送缸泵送、输送管挤压输送到喷嘴处。添加剂系统是通过速凝剂泵将液态速凝剂输送到喷嘴处。压缩空气系统在喷嘴处将速凝剂和混凝土混合吹送出喷嘴，并以一定的压力吹射到洞壁上，混凝土在速凝剂的作用下，很快凝结，从而在受喷面上形成坚固的混凝土支护层，完成喷射作业工序[6～8]。控制系统通过对各系统的控制来完成上述的喷射工作。此喷射技术具有节约材料，提高施工效率，降低工程费用等特点。喷射原理示意图如图1所示，整机外形图如图2所示。

图1 湿喷机喷射原理图

图2 湿喷机整机外形图

2 湿喷机电气控制系统设计

控制系统设计是根据泵送系统、液压系统等控制要求，选用合理的硬件和控制策略，实现对混凝土喷射的控制。系统采用三菱PLC控制，通过编程，使线路简单，便于维护，且可靠性高。采用触摸屏控制，与PLC通讯简单，通过交换数据，方便用户读取和设定喷射过程中的参数，实现了人机交互，大大提高了控制系统的可视化程度[9]。

2.1 硬件组成

控制系统硬件主要由三菱FX2N系列PLC、施耐德触摸屏HMI STU855、变频器以及其他低压控制元器件组成。系统控制框图如图3所示。

图3 湿喷机控制系统框图

2.2 软件设计

控制系统软件设计包括三菱PLC的编程设计和施耐德触摸屏人机交互界面设计。PLC程序是湿喷机整个控制系统的核心，是系统设计的关键。控制系统使用三菱GX Developer编程软件，采用梯形图语言设计程序，编程方便、简单易懂。触摸屏程序设计是实现人机交互的关键，控制系统使用施耐德Vijeo Designer软件设计人机交互界面，Vijeo Designer软件有强大的操作环境和设计平台，满足从简单到复杂的一切设计需求，为用户提供了方便。

PLC程序设计主要包括混凝土泵送系统、速凝剂系统、压缩空气系统、液压系统相关检测报警以及系统各种检测保护等设计。混凝土喷射控制的逻辑图如图4所示。

图4 喷射控制逻辑图

为保证使用的合理性，程序设计了喷射模式。当喷射模式启动以后，泵送系统、速凝剂泵和空压机按照先后自动启动。通过控制柜或者遥控器上速度设定按钮可以设定当前泵送的速度（连续可调节范围为5～30m3/h），程序经过运算输出相应的控制信号作用于泵送比例阀，从而实现混凝土的泵送控制。同样可以设定当前速凝剂的比例（速凝剂占混凝土中水泥的比例），程序经过运算输出相应的控制信号，通过变频器变频完成速凝剂的输送。同时压缩空气与速凝剂和混凝土在喷嘴处汇合，完成喷射。

人机界面的设计，一方面要准确形象地显示喷射过程中的各个参数，并完成一些参数的设定；另一方面要监测喷射状态和故障信息，方便操作人员及时发现问题。

3 工业应用效果

该泵式混凝土喷射机先后在西秦岭、乌东德水电站等多地进行了施工，使用效果良好，泵送系统喷射速度连续可调，回弹率低。根据喷射工艺要求，现场喷射速度一般设定在20m3/h以上，由于在喷射过程中难免会出现堵管现象，所以在有效的工作时间内，达到平均20m3/h以上的喷射量，其中部分喷射量数据如表1所示。自2014 年11月4日～2015年1月23日，实际喷射天数共计55天，共喷射3 260m3，平均每天喷射60m3，其余时间等待工区作业安排和设备保养。

表1 部分喷射作业及堵管次数统计

该泵式湿喷机通过多地工业试验及应用，取得了良好的喷射效果，具有喷射效率高、回弹率低等特点，且喷射速度最高可达30m3/h，克服了干喷危害大、效率低等缺点，为开拓国内新型湿喷机市场打下了基础。

[参考文献]

[1] 刘生华．混凝土喷射机械手的自动喷射控制技术[J]. 产品・技术，2011,（3)：105-108．

[2] MALMGREN L，NORDLUND E，ROLUND S. Adhesion strength and shrinkage of shotcrete [J]．Tunnelling and Underground Space Technology，2005，(20)：33-48.

[3] MALTESE C，PISTOLESI C，BRAVO A，et al．A case history：effect of moisture on the setting behaviour of a portland cement reacting with an alkali-free accelerator[J]．Cement and Concrete Research，2007,（37)：856-865.

[4] 刘生华．新型混凝土喷射机械手在隧道工程中的应用[J]．施工技术，2011,（2)：86-89．

[5] 翟富强．混凝土机械手湿喷技术在长大隧道中的应用[J]．隧道建设，2010,（8)：246-249．

[6] 马井雨，马忠诚，汪澜，等．国内喷射混凝土用喷射机的发展概述[J]．工艺与设备，2012，(9)：142-144．

[7] 王 蒂，廖卫东，刘 强．喷射混凝土性能和配合比的试验研究[J]．武汉理工大学学报，2012，（12)：53-55．

[8] 朱广兵．喷射混凝土研究进展[J]．预拌混凝土，2011，（4)：105-106．

[9] 肖海红，李玉平．基于PLC的泵式湿喷机电气控制系统设计[J]．科技信息，2008，(12)：71．

（编辑 吴学松）

［中图分类号］TU64+3

［文献标识码］B

［文章编号］1001-1366(2015)03-0069-03

［收稿日期］2015-02-04

Control system research of the wet spraying machinery with concrete pump