HBT80拖式混凝土泵控制系统设计

李 瑶

混凝土泵送技术广泛应用于各类土木、建筑工程中，已成为建筑施工的重要技术手段。混凝土泵送系统主要由料斗、搅拌机构、混凝土、分配阀、混凝土输送缸、洗涤室以及主油缸等构成［1］。

工作原理：当液压系统压力油进入一主油缸时，活塞杆伸出，同时通过密封回路连通管的压力油使另一活塞杆回缩。与主油缸活塞杆相连的混凝土输送活塞回缩时在输送缸内产生自吸作用，料斗中的混凝土在大气压力作用和搅拌叶片的助推作用下通过滑阀吸入口被吸入输送缸。同时，另一主油缸在油压的作用下，推动主油缸的活塞杆伸出并同时推动混凝土活塞压出输送缸中的混凝土，通过滑阀输送口Y字管进入混凝土输送管。动作完成后，系统自动换向使压力油进入另一主油缸，完成另一次不同输送缸的吸、送行程。如此反复，料斗里的混凝土就源源不断地被吸入和压送出输送缸，通过Y型管和出口连接的管道到达作业点，完成泵送作业［1］。

1 控制系统简介

1.1 泵送系统控制

混凝土泵送系统控制是通过对泵送机构的控制来实现的。其中，主液压缸负责输送缸中混凝土运动方向的控制，其左右两侧主液压缸的有杆腔或无杆腔通常采用互相连通的串联方式，因此需要控制由左侧主液压缸或右侧主液压缸进油即可实现左进或右进的动作控制，且可有效保证左侧主液压缸前进时，右侧主液压缸自行后退的配合动作，反之亦然。摆阀液压缸负责分配阀与输送缸的通断控制。

以正泵控制为例，通过主液压缸及摆阀液压缸的方向电磁阀控制，可使得泵送机构中的液压油作交替配合往返运动，从而实现将混凝土从料斗中不断吸入，然后挤入S管，经由输送管道送到施工现场。

正泵、反泵控制时主液压缸、摆阀液压缸的动作顺序见表1。

目前常见的泵送换向控制技术包括液控换向和电控换向两种方式［2］。

表1 泵送系统动作顺序表

液控换向通过液压控制实现，其主要工作原理是通过压差阀输出的油压信号使得方向控制阀状态发生变化，从而实现主液压缸换向。

与液控换向不同，电控换向则一般通过检测主液压缸内活塞的运动位置信号，以此判断何时需要换向，并在液压回路中通过电磁换向阀实现对液压油运动方向的控制，从而实现主液压缸的换向。目前泵送设备电气系统中常见的电控方式是靠近洗涤室位置的主液压缸末端加装接近开关，根据开关信号判断何时进行换向，一般通过电磁阀控制对应主液压缸的运动方向［2］。

2 控制要求

2.1 HBT80控制系统设计基本要求

（1）系统采用三相四线供电，主电机采用软启动保护启动，要求相电压为380V，控制部分电压为24V。

（2）控制系统带有紧急停止保护功能，通过急停开关切断电源，停止设备运转，达到保护人身和设备的安全。

（3）只有主电机正常运行后，泵送回路才能工作。

（4）系统采用手动控制和自动控制相结合的控制方式，手动控制在自动控制开始后则不再起作用。

（5）控制回路中各支路均有短路保护。（6）具有接地保护，安全性高。

2.2 混凝土泵动作过程

泵送混凝土时，在主油缸和分配阀油缸驱动下，若左侧混凝土缸与料斗连通，则右侧混凝土缸与分配阀连通。若油压使左侧混凝土缸向后移动，将料斗中的混凝土吸入该侧混凝土缸（吸料缸）。同时油压使右侧混凝土缸活塞向前移动，将该侧混凝土缸（排料缸）中的混凝土推入分配阀，经混凝土输送管道输送到浇注现场。当左侧混凝土缸活塞后移至行程终端时，触发换向装置，两主油缸油压换向。分配阀油缸使分配阀与左侧混凝土缸连接，该侧混凝土缸活塞向前移动，将混凝土推入分配阀。同时，右侧混凝土缸与料斗连通，并使该侧混凝土缸活塞后移，将混凝土吸入混凝土缸。左侧混凝土缸活塞后移至行程终端时，触发换向装置，油缸换向，右侧混凝土缸活塞向前推送，开始下一轮泵送循环，从而实现连续泵送混凝土。以上情形为混凝土的正泵状态。

当混凝土泵出现泵送不顺，发生堵塞或需将泵（或泵车）暂停，将输送管（或布料杆）内的混凝土抽回料斗时，可通过液压系统控制分配阀，使吸料缸口与输送管道相接，从而使混凝土料抽入混凝土缸体内。而处于排料工位的混凝土缸，则将混凝土抽回料斗中，同步完成吸排料动作后，分配阀换向，开始下一个吸排料过程，从而实现反抽的连续工作循环［4］。

图1 泵送液压系统

表2 液压系统部件表

续表2

2.3 PLC的I/O地址分配

表3 电磁阀得电失电关系表

根据HBT80混凝土泵的工作要求和安全保护的考虑，一共需要14个输入点和10个点输出，指令系统能达到控制要求。具体的I/O分配如表4。

表4 I/O分配表

3 硬件选型

3.1 可编程控制器选型

PLC：可编程逻辑控制器是一种采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程［3］。

（1）用户1/0设备。

令输入设备：按钮S4-S17，压力继电器SPI。令输出设备：电磁铁DT1一DT9，交流接触器KM1-KM2。

（2）PCL选型及I/0地址分配。

根据HBT80拖式混凝土泵的控制和安全保护的基本要求，结合所要设计混凝土泵的泵送流程及混凝土泵的I/O分配表，综合分析系统要求，选用西门子S7一200系列微型可编程控制器的224型继电器输出CPU，进而确定PLC型号为6ES7214-1BD23-0XB8。该CPU基本单元共有14点输入和10点输出，可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。1个RS485通讯/编程口具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力，其指令系统完全能达到控制要求。

3.2 数字扩展模块选型

S7-200PLC包括如下的数字量扩展模块：输入模块EM221（8路扩展输入）；输出模块EM222（8路扩展输出）；I/O混合模块EM223（具有8I/O、16I/O、32I/O等多种配置）。

S7-200PLC有3种模拟量扩展模块：EM231为4路模拟量输入模块，EM232为2路模拟量输出模块，EM235为4路输入/1路输出模块。这些模拟量扩展模块中A/D、D/A转换器的位数均为12位。

为满足HBT80型混凝土泵的控制要求，需要添加扩展模块。最终选定扩展模块型号为S7223-1BF22-0XA8。

3.3 Y280S-4型三相异步电动机

Y280S-4型三相异步电动机是符合IEC标准的有关规定，三相380V电机，功率：110kw，额定电流：110*2=220A。得到额定电流、额定电压，就可根据线路的电压电流进行其它硬件的选型。

3.4 DW15-400/315A型断路器

低压断路器又称空气开关或自动开关。它相当于刀开关、熔断器、热继电器、过流继电器和欠电压继电器的组合，是一种既有手动开关作用又能自动进行欠电压、失电压、过载和短路保护的电器［6］。

根据HBT80拖式混凝土泵的控制要求，同时结合线路额定电流电压，选定DW15系列万能式断路器。DW15系列万能式断路器适用于交流50Hz、额定电流至6300A，额定工作电压交流380V、交流1140V的配电网络中，用来分配电能和供电线路及电源设备的过载、欠电压、短路保护之用。

3.5 熔断器选型

熔断器是指当电流超过规定值时，以本身产生的热量使熔体熔断，断开电路的一种电器。熔断器作为短路和过电流的保护器，是应用最普遍的保护器件之一［6］。

根据HBT80拖式混凝土泵的控制要求，同时结合线路额定电流电压，选定带有低压特性的西门子5SE2306和额定绝缘电压为220V的西门子5SG1300型熔断器。

3.6 CJX2-60 M7型接触器

根据HBT80拖式混凝土泵的控制要求，同时结合线路额定电流电压，选定线圈电压为220V的接触器，型号为CJX2-60M7。

3.7 NRE8-630 215-315A型热继电器

由于电机选用110kW、三相380V电机，得其额定电流约为220A，且根据继电器选用原则，因而选用NRE8系列电子式过载继电器。此继电器主要用于交流50/60Hz，额定工作电压690V以下，电流为机壳标定的整定电流范围内的电路中，作三相电动机过载、断相保护。

3.8 E2E-X10MF1型接近开关

接近开关是一种无需与运动部件进行机械直接接触而可以操作的位置开关，当物体接近开关的感应面到动作距离时，不需要机械接触及施加任何压力即可使开关动作，从而驱动直流电器或给PLC提供控制指令。接近开关是种开关型传感器（即无触点开关），它既有行程开关、微动开关的特性，同时又具有传感性能，且动作可靠，性能稳定，频率响应快，应用寿命长，抗干扰能力强等，并具有防水、防震、耐腐蚀等特点。

根据HBT80混凝土泵的工作要求和安全保护的考虑，接近开关选欧姆龙厂商所生产的E2EX10MF1，其额定工作距离为10mm，有常开、常闭的输出功能。

欧姆龙接近开关具有结构简单、灵敏度高、分辨力高、能感受0.01μm甚至更小的位移、无反作用力、动态响应好、能实现非接触测量、能在恶劣环境下工作等优点。

3.9 3TX4010-2A型中间继电器

中间继电器用于继电保护与自动控制系统中，以增加触点的数量及容量。它用于在控制电路中传递中间信号。

3TX系列中间继电器适用于交流50Hz或60Hz，电压至660V和直流电压至600V的控制电路中，用来控制各种电磁线圈及作为电信号的放大和传递。

3.1 0 HED 8型压力继电器

压力继电器是液压系统中当流体压力达到预定值时，使电接点动作的元件。它是将压力转换成电信号的液压元器件，可以根据自身的压力设计需要，通过调节压力继电器实现在某一设定的压力时输出一个电信号的功能。

型号HED 8电液压力继电器是柱塞式压力继电器。根据搅拌回路工作压力13MPa和泵的最大压力25MPa。可选设定压力为20MPa的压力继电器。最终选定博世力士乐型号为HED 8 0A 1X/200K14的压力继电器。

3.1 1 PILZ PNOZ X3P型安全继电器

PILZ继电器的优质特性和多功能特征在各种设备控制电路中被广泛采用［8］。急停开关是属于主令控制电器的一种，当机器处于危险状态时，通过急停开关切断电源，停止设备运转，达到保护人身和设备的安全。

PNOZ X系列安全继电器是Pilz安全自动化的基石之一，其除了传统的紧急停止功能外，还有安全门、光栅、双手控制、安全地毯、静音功能监控等其他功能［20］。PNOZ X系列安全继电器的内部由2个或3个继电器组成，触点形式为机械式触点。

3.1 2 3RW软起动器

软起动器是一种集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置，国外称为Soft Starter。它的主要构成是串接于电源与被控电机之间的三相反并联闸管及其电子控制电路［9］

3RW44电子式软起动器设计用于正常起动条件。一旦出现起动负载较大或者起停频率增加的情况，就必须选择较大额定值的产品。如果起动时间长，建议在电机中安装一个PTC热敏电阻检测器。这也适用于软停机、泵停机以及直流制动等停机类型。因为在这些停机过程中，与自由停机相比，有一个附加电流负载加在电机上。在 SIRIUS 3RW软起动器和电机之间的电机馈电装置内，不得含有电容元件（如没有无功补偿设备）。另外，在软起动器起停时，不能操作无功补偿静态系统，也不能操作动态PFC（功率因数修正）设备，从而可防止补偿设备和或软起动器故障。主电路的所有元件（如熔断器、控制设备）应该按照在直接起动发生短路的情况下进行选型。

3.1 3 电磁阀保护电路

一种电磁阀保护电路至少包括以下元件：第一晶体管，连结于电磁阀与操作电压源之间，用以施加操作电压以启动电磁阀进行动作；逻辑门，具有2个输入端与1个输出端，其中输入端分别用以接收控制信号与参考信号，输出端则连结至该第一晶体管的控制端，用以输出逻辑信号来控制晶体管的开关；电容器，耦接于逻辑门输入端，能藉由充、放电动作，来调整参考信号的电压位准；第二晶体管，耦接于电容器、逻辑门输入端、以及接地端之间，能根据逻辑信号的位准进行开关，而决定是否对电容器进行放电动作。

4 软件控制

4.1 软件设计与模拟

应用STEP7-Micro/WIN软件编写PLC程序并仿真模拟。

（1）电动机的启动程序。

首先按下控制电源按钮S4，启动控制电机，电机在软启动器的保护下正常运转。若要使混凝土泵停止泵送，则按下电机停止按钮S3。

（2）回路的卸荷。

若混凝土输送泵的分配机构出现故障时，按下分配回路按钮S11，则DT2得电，分配回路会处于卸荷状态。若主油缸泵送回路出现故障，按下油路开关按钮S10，则DT2得电，泵送回路处于卸荷状态。

（3）检修。

当接通检修启动开关S16时，主油缸的活塞杆从油缸中退出，并且液压缸里的液压油也将全部流出，混凝土泵处于不工作、检修状态。若检修完毕，按紧急停止开关、电机启动开关及油路开关中任一开关即可退出检修状态。

（4）高低压转换。

混凝土泵启动后的状态为低压状态，也称低负载状态。当工况发生改变时，由于混凝土泵液压系统的系统压力取决于外负载，因而要将系统的低压状态作以调整来匹配工况压力。当按下高低转换按钮S15时，会使得DT7得电，液压系统的压力状态得以切换。若想恢复原来低压状态，按下电机停止开关S3即可。

（5）正泵。

电动机在正常启动下，按下正泵按钮S5。当接近开关SQ1被触发时，其触发信号使得主油缸换向。但在主油缸换向的前400ms时，分配阀应尽快摆至相应位置，这样可以增大主油缸从料斗中吸入混凝土的量。当接近开关SQ2被触发时，信号再次使得油缸换向，即在油缸换向的前400ms，相应的分配阀也会实现换向。若泵送完毕，需要停止泵送，可按下按钮S9。其中，正泵流程中电磁阀线圈得电顺序为DT6-DT4-DT5-DT3。

考虑到泵送开始时接近开关SQ1与SQ2可能没在触发位置，因而SQ1不会得电，泵送无法开始。因而利用特殊继电器SM0.1，使得SQ1首次扫描为得电状态。

（6）反泵。

当混凝土泵出现泵送不顺，主油缸内部压力骤升时，可能发生堵塞。此时需要反泵，使得进入主油缸的混凝土重新推进料斗中。电动机在正常运转中，按下反泵按钮S6，接近开关SQ1被触发，其信号使得左油缸吸料。同样，在左油缸动作前400ms时分配阀左行。当接近开关SQ2被触发时，信号使得主油缸换向，同时在其之前分配阀也换向。若主油缸部分系统压力已恢复正常时，可启动泵送停止开关S9。反泵流程电磁阀得电顺序为DT6-DT3-DT5-DT4。

（7）搅拌反转。

在电动机正常运转下，若搅拌容器中的系统压力骤升，可能出现了搅拌卡死故障。此时需要搅拌系统进行反搅。在电动机正常运转下，按下马达反转开关S17，电磁线圈DT8得电，则会使得搅拌马达反转。同时，在搅拌容器上装有压力继电器，若是容器内压力超过压力容许值，压力继电器会给控制器信号，搅拌马达也会反转。当搅拌容器内的搅拌系统压力恢复至正常范围时，可按下搅拌停止开关S14来进行复位操作。

4.2 控制板面

在控制部分选用的是开关量输入、输出，这样有利于降低成本。为了让操作人员更易于操作，可设计系统的控制面板如图3所示。

图3 控制板面

4.3 总装调试

整个控制系统设计完成后，将编制好的程序下载到PCL的存储器中，利用PLC虚拟仿真箱，采用开关、继电器和指示灯作为输入和输出，动作正常，进行系统的总装调试，连续工作情况良好，满足控制指标要求。

5 总结

根据混凝土泵液压系统的控制要求，采用西门子系列的控制器为液压系统的控制部件，并进行了软件和硬件设计，大大提高了控制系统的可靠性，而且布线简单，易于维护。

［1］ 易小刚. 现代混凝土泵原理、设计与施工［M］. 北京：机械工业出版社，2014.

［2］ 陈宜通. 混凝土机械［M］. 北京：中国建材工业出版社，2002.

［3］ 郭汀. 电气简图用标准图形符号速查手册［M］. 北京：中国标准出版社，2013.

［4］ 李思忠. 活塞式液压混凝土泵动力学分析及PLC控制［D］. 西安建筑科技大学，2004，03.

［5］ 梁涛年. 活塞式液压混凝土泵研究［D］. 西安建筑科技大学，2005，06.

［6］ 滕然伟. 混凝土泵智能控制系统的研究与设计［D］. 华中科技大学，2005，04.

［7］ 王佩君，蒋桂华. PM60混凝土泵电气系统PLC方案改造设计［J］. 建筑机械学报，2003，6.

［8］ 严秀秀. 基于PILZ安全控制器的冶金急停系统［J］.可编程控制器与工厂自动化，2010，07.

［9］ 张亮. 软启动器工作原理及在电气系统中的应用Ⅱ［J］. 商品与质量·科学理论，2011，（7）.

［10］ Denis Kaplan，Francois de Larrard，Thierry Sedran.Design of Concrete Pumping Circuit［J］. ACI MATERIALS JOURNAL TECHNICAL PAPER.Title no.102-M13.

［11］ Medhat K.Bahr Khalil，Valery D.Yurkevich，Jaroslav Svoboda & Rama B.Bhat. Implementation of Single Feedback Control Loop for Constant Power Regulated Swash Plate Axial Piston Pumps［J］. International Journal of Fluid Power，2002，3：3，27-36.

［12］ Bhupinder Singh，S.P Singh，Bikramjit Singh. Some issues related to pumping of concrete［J］. The Indian Concrete Journal，September 2004：41-44.