新型防水板铺设机的PLC及遥控控制

林福龙，张永生

(中铁隧道装备制造有限公司，郑州 450000)

0 引言

隧道防水板铺设机用于隧道施工中防水卷材的自动铺设及支撑，既降低劳动强度及人工成本，同时又提高铺设效率和质量。传统的防水板铺设机的主要功能是:防水板的展开，紧跟展开点及时焊接。虽然采用传统的继电器控制即可满足操作要求，但其控制地点固定以及继电器繁多等缺点，导致施工效率低以及故障率高等。目前施工方使用机械铺设代替人工铺设防水板处于更替阶段，文献［1－4］主要阐述防水板的施工以及质量控制要点，文献［5－9］主要阐述西门子PLC的基本原理以及应用。上述研究主要是针对某一个特定的工序方法进行分析，而没有总体集成的运用方案。本文提出使用西门子PLC以及无线遥控控制机械设备代替人工铺设的方式，使得施工速度以及质量更易受到控制。新的防水板铺设机增设了30根油缸伸靴支撑，防水板可快速展开并被支撑在隧道轮廓面上，随后可多人同时进行焊接作业，提高了铺设速度。采用PLC及遥控控制简化了操作过程，提高了效率，满足新型铺设机的控制要求。

1 隧道防水板铺设机简介

新型防水板铺设机主要由台车行走系统、液压及支撑系统、台车架、防水板铺设小车、电气系统、作业平台等构成，如图1所示。

台车行走系统采用2组4 kW的电机及减速机，通过链条带动行走轮行走。电机减速机分布在设备的左下和右下位置，可以前进、后退。

图1 新型防水板铺设机总图Fig.1 General plan of new type of waterproofing membrane laying machine

液压支撑系统包括电机、液压泵、液压油箱、液压控制阀、升降和支撑油缸、管路及辅助元件等，液压系统的工作压力为(2.0±0.3)MPa。支撑装置的液压油缸上设橡胶撑靴，避免对防水卷材造成硬伤害，为防水板展开后提供临时支撑，待防水板焊接结束后即可缩回支撑油缸。

台车架包括门架和铺设轨道，门架采用钢板和型钢拼焊联结，是台车的主要承力部分;台架有足够的净空通过所需工程车辆。铺设轨道为与隧道轮廓面建筑半径同圆心但不同半径的型钢轨道，供铺设小车沿隧道轮廓面展开防水板。

防水板铺设小车包括小车行走装置、卷扬机循环牵引装置、防水板展开轴装置等。小车沿铺设轨道被卷扬机牵引行走，其上的展开轴装置带着防水板卷材随着小车的行走沿隧道轮廓面展开。

电气硬件及软件系统主要包括控制元件、电控执行机构和PLC控制部分。其中电控执行机构是台车行走及自动铺设的动力来源;PLC控制部分是整台机器的神经中枢，可为设备提供必要的连锁与警示。

作业平台用于工人站在上面进行土工布的铺设、打射钉及防水板的焊接，作业平台外部设置有翻转平台便于隧道边墙处作业，在不需要作业平台的时候保持翻转平台处于折合状态。

2 电气硬件系统设计

2.1 防水板铺设机的供电系统结构

防水板铺设机采用三相380 V AC电源进行供电，电源的分配如图2所示。

设备照明采用1台220V/36V的变压器将市电转换为安全电压，驱动12盏隧道用三防灯，由漏电保护断路器提供漏电保护及控制其通断。

设备行走由2台4 kW的三相异步电机带减速箱及链条拖动，由断路器GV2M20C进行短路和过载保护，接触器LC1D18M7C进行前进后退控制。

液压泵站由1台2.2 kW的三相异步电机直接拖动，由断路器GV2M14C进行短路和过载保护，接触器LC1D09M7C控制其通断。液压系统将电机的机械能转换为液压能，为防水板的支撑及支腿油缸的动作提供动力。

图2 电气系统动力结构图Fig.2 Power structure of electrical system

卷扬电机由1台3 kW的三相异步电机带减速机拖动，由断路器GV2M10C进行短路和过载保护，接触器LC1D09M7C进行顺时针和逆时针旋转控制。

三相动力线同时给控制线路供电，使用DRT－960－24将三相电源转换为24 V直流电，为PLC、遥控接收器及阀等的控制提供电力来源。

2.2 防水板铺设机PLC硬件设计

根据防水板铺设机的控制特点，系统采用SIEMENS 300系列的PLC进行本地的数据采集、逻辑运算以及数据输出;采用PROFIBUS－DP总线传输遥控接收器接收信号;MPI网络作为程序上传下载的通道。STEP 7的组态如图3所示。S7－300 PLC采用模块式结构，用搭积木的方式来组成系统，用户可根据系统的具体情况选择合适的模块，使其应用更加灵活方便。

图3 电气系统PLC组态图Fig.3 PLC configuration diagram of electrical system

系统采用2块32点的输入模块和4块32点的输出模块作为本地控制柜的输入输出。输入点主要是本地控制台的按钮和开关，输出主要控制接触器和中间继电器。

系统中选用带DP功能的CPU与遥控接收器建立PROFIBUS网络，PLC地址为2，遥控接收器地址为3。

2.3 本地及遥控操作面板设计

控制面板分为4个操作区域:油缸控制、支腿油缸控制、行走控制和控制操作区域。油缸控制区域控制15组支撑油缸伸出及回缩，用来支撑铺设防水材料;支腿油缸控制区域用来控制支腿油缸的伸缩，以调节设备的高度来适应洞内的大小;行走控制区域主要用来控制铺设小车的选择以及设备的行走;控制操作区域主要有泵站的启动、急停按钮，复位按钮，15组油缸分组的选择，本地及遥控控制的选择。本地及遥控控制面板如图4和图5所示。

3 控制系统软件设计

3.1 防水板铺设机动作控制流程

防水板铺设机整个系统的动作正常的前提是操作模式被选择，安全继电器正常。动作及控制流程如图6所示。在控制操作区域选择本地或者遥控控制、复位急停以及支撑油缸动作的组数。待泵站启动完成后绿灯常亮，即可以对相应油缸的动作进行控制。

支撑油缸和支腿油缸控制时，本地按钮点动或者拨动遥控器开关即可进行相应操作。在遥控控制油缸伸缩工作过程中，如果泵站非正常关闭，则需要将三位拨动开关置到中位然后对程序进行复位才能恢复操作。使用该连锁的目的是为了防止在液压泵站出现异常关闭时，因遥控器的控制采用拨动式没有自复位，当泵站恢复工作时油缸继续上一次的动作而造成意外的伤害。设备的行走和支撑油缸及支腿油缸动作进行了互锁，在实际工况中，不可能出现油缸动作和行走同时出现的情况，故对这2个互斥事件进行联锁以防止油缸动作时，设备行走造成油缸的损坏。

图6 电气系统PLC控制流程图Fig.6 Flowchart of PLC control of electrical system

卷扬机及行走动作时，均有警报器进行报警，可以对现场施工人员进行警示。

省电模式:液压系统在10 min之内没有任何动作时，泵站的加载阀失电，电机卸载进入省电模式。

3.2 程序设计

程序设计采用结构化设计，并且利用STEP7的FBD功能块语言进行编程，具有良好的可读性与可维护性。由于各个控制相对独立，并行处理，设计时对主要功能采用FB功能块实现，然后再由主程序OB1进行调用。系统的主要功能块有泵点动启动块、电机启动块、油缸伸缩块等。

3.3 故障处理

根据系统运行中检测到的故障进行收集处理，并在按钮指示灯及蜂鸣报警器上给出故障信号灯。检修人员可以直观地通过报警信号对故障进行处理。

4 遥控系统设计

作业人员可以在拼装工作处进行无线遥控控制，使得拼装作业更加准确，防水板材铺设效果更好;同时，指挥人员兼顾操作，省去了操作平台的操作工人，节约了人工成本。

本系统在接收器和PLC之间采用PROFIBUS进行通讯，可以节省大量输入输出接口。它具有高速、低成本的特点，是设备级控制系统与分散式I/O的通信，用于现场层的高速数据传输，主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息。文献［10］除周期性用户数据传输外，PROFIBUS－DP还提供智能化设备所需的非周期性通信以进行组态、诊断和报警处理。

遥控发射机与遥控接收机之间，采用跳频技术进行信号传输，抗干扰能力强，适合工业环境比较复杂的施工环境。遥控通讯信号传输如图7所示。

图7 无线遥控系统信号传输图Fig.7 Signal transmission of wireless remote control system

5 结论与体会

防水板铺设样机在贵广铁路经过3个多月的工业性实验，设备满足设计要求并取得了良好的使用效果。采用PLC以及遥控控制，不仅会节约成本，又能在准备位置进行控制操作，使得设备的电气故障率降低，从而提高了施工效率。

该设备的不足之处是卷扬机在旋转时的智能保护在控制上有待完善。例如卷扬机走到1根尚未回缩的油缸处，并不会限制速度或者停止，而需靠人为的判断，这些不足希望在下次设计时能考虑到。

随着中国劳动力成本的增加以及隧道机械自动化程度要求的提高，采用无线遥控进行操作、PLC系统进行控制及联锁的新型防水板铺设机，对改善工作效率有积极的作用。

［1］ 王玲，张巍，王现辉.浅议防水板在隧道施工中的应用［C］//土木建筑学术文库:第14卷.上海:商务出版社，2010:259－264.

［2］ 王宏伟，王东升.谈防水工程的质量控制要点［C］//土木建筑学术文库:第14卷.上海:商务出版社，2010:259－264.

［3］ 张超军.磨沟岭隧道二次衬砌防水板暗钉铺设技术［J］.隧道建设，2005，25(1):52 －53，44.

［4］ 管振祥.电气化铁路隧道防水板铺设技术［J］.石家庄铁道学院学报，2003(S1):29－31.(GUAN Zhenxiang.Setting technique of waterproof plate for electrification railway tunnel［J］.Journal of Shijiazhuang Railway Institute，2003(S1):29 －31.(in Chinese))

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［6］ 郭宗任.可编程序控制器及其通讯网络技术［M］.北京:人民邮电出版社，1999.

［7］ 胡学林.可编程控制器教程［M］.北京:电子工业出版社，2003.

［8］ 胡健.西门子S7－300 PLC应用教程［M］.北京:机械工业出版社，2007.

［9］ 陈忠华.可编程控制器与工业自动化系统［M］.北京:机械工业出版社，2006.

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