窄体混凝土输送泵电气系统设计及试验 ①

陈义得， 李大伟， 周远航， 石安政

(中铁隧道局集团有限公司设备分公司，河南 洛阳 471009)

0 引 言

铁路是具有战略意义的基础设施，也是国家客运和货运的大动脉，铁路设施建设的技术实力在一定程度上代表了这个国家的经济实力和综合国力[1]。我国现在铁路建设和运营里程均居于国际前列，特别是高铁建设，建设里程、运营里程均居于世界第一，建造技术一流[2]。随着国家重大战略的实施，国内特别是中西部地区铁路建设再次掀起高潮，国内铁路建设多元化发展，单线隧道建设越来越多，在崇山峻岭中凸现明显[3]。

单线铁路建设首先带来的是设备问题，单线铁路隧道断面较窄，许多施工工序无法有效地进行组织和配合，往往会因为会错车问题而造成施工组织混乱，开挖避车洞等问题，降低了施工效率，提高了施工成本[4]。为了解决单线铁路隧道施工设备配套的问题，设计了一种窄体双缸混凝土输送泵，根据窄体双缸混凝土输送泵的工作原理和结构布局，配套设计了一种窄体混凝土输送泵电气系统，配合其工作机构和液压系统，经试验电气系统整体运行稳定，无故障发生。

1 液压系统及工作原理

1.1 液压系统原理图纸

根据单线铁路隧道窄体双缸混凝土输送泵工作原理及液压系统负载计算，液压原理图如图1所示。

图1 液压系统原理图

1.2 工作原理

单线铁路隧道窄体双缸混凝土输送泵工作时，混凝土搅拌罐车将混凝土搅拌站预制好的商品混凝土运送至混凝土输送泵处，通过混凝土搅拌罐车翻转，将混凝土倾卸至混凝土输送泵的料斗内，混凝土输送泵料斗内的搅拌装置工作，防止混凝土在料斗内出现凝固或石子析出，混凝土输送泵输送混凝土时，两个输送缸与摆动缸配合工作，两个混凝土输送缸处于相反的工作状态，即一根输送缸处于吸料状态则另外一根缸处于送料状态，当一根油缸处于吸料状态，则与之配合的摆动缸带动切口环将此根缸混凝土输送管与料斗连通，对应的另外一根缸处于送料状态，与之配合的摆动缸带动切口环将此根缸混凝土输送管与料斗切断，当送料缸运动至顶端时吸料缸正好运动之相反的顶端，触发传感器，传感器将信号传输至控制器，控制器根据信号反馈控制相应的电磁阀工作，吸料缸转变工作状态处于送料状态，送料缸处于吸料状态，摆动缸转换工位，与两根输送缸进行配合工作。如此反复工作，可以实现将混凝土连续地输送至二衬模板台车。

2 电气系统设计

2.1 设计要求

(1)主电机即时启动，液压泵延迟5s启动。

(2)油温判断，使用温度传感器测量液压油的油温，如果油温高于60℃则液压泵和主电机无法启动。

(3)散热器启动控制，当液压油温度高于40℃时，散热器启动进行散热，直到温度降到40℃以下，散热器停止工作。

(4)工作过程:搅拌马达可正反两方向搅拌，搅拌完成后两个泵送油缸异步泵送，两个摆动油缸分别与其中一个泵送油缸同步工作，通过两个泵送油缸底部的限位开关实现循环泵送。

2.2 硬件设计

(1)核心器件选型

电气控制系统采用西门子S7-1200可编程序控制器(PLC)作为主控制器，S7-1200是一款紧凑型、模块化的PLC，可实现简单却高度精确的自动化任务，它实现了简便的通信、有效的技术任务解决方案，并能完全满足一系列的独立自动化需求[5]。主控制器用于整个电气系统的控制，主要包括对主电机的即时启动和液压泵的延时启动、主电机启动的温度判定、搅拌马达的正反转、两个泵送油缸的异步泵送、散热器的启动与停止等进行控制。目前常见的温度测量方式有热敏电阻和热电偶等温度传感器，热敏电阻主要有模拟温度传感器PT100，它的阻值随着外界温度的变化而发生线性变化，电阻两端的电压值或流经电阻的电流值能够被PLC控制器采集，经过PLC的工程量转换后得到被测物体的温度。

系统选择电缆式温度传感器SITRANS TS100，该温度传感器是德国西门子公司生产的应用于工业自动化的温度传感器，测量温度范围在-50～+400 °C之间，测量精度达到0.1℃，带有直接连接的电缆，采用活动螺纹接头，安装简单灵活，精度高并且能够有效抗干扰[6]。SITRANS TS100作为一种模拟量传感器，输出电压值随着被测物体温度的变化在0～10V范围内线性变化，PLC模拟量通道采集传感器的电压值传感器信号，经过处理器的模拟量转换指令，将采集的电压值转换为被测物体的温度。本系统选用的SITRANS TS100温度传感器如图2所示。

图2 SITRANS TS100温度传感器

(2)电气原理图设计

SITRANS TS100是模拟量传感器，传感器信号经过控制器CPU的模拟量转换后得到被测目标的温度值，为保证传感器工作稳定，抗干扰，传感器需要外接电源进行供电。因传感器信号传输距离限制，传感器到控制器之间的线缆长度以不超过3m为宜，否则信号损耗过大会导致测量不准确，本系统机械结构设计上完全满足这一要求，保证了系统测量的温度值足够精确。

系统选择的PLC的CPU型号为1214C，该CPU板载14点数字量输入，10点数字量输出及两路模拟量输入，最多扩展8个信号模块和3个通信模块。主电机使用380V三相交流电供电，由于S7-1200控制器属于弱电器件，在主电机启动时为有效驱动执行元件和避免烧毁CPU，硬件电路上主电机的启动设置中间继电器，变压器产生的220V交流电源通过中间继电器后接到接触器上，380V三相交流电通过接触器接到主电机上。PLC控制继电器线圈的得电与失电从而控制接触器线圈的得电与失电继而实现控制主电机的启动与停止[7]。本系统采用施耐德公司生产的ABL6TS160U型号变压器产生220V交流电。散热风扇电源电压220V,直接由PLC控制散热风扇中继的线圈得电与失电实现散热的启动与停止。PLC供电和其它元件驱动电源由施耐德ABL7RM24025开关电源提供，ABL8封闭式开关电源模块，输入电压100～240 V AC，输出电压24 V DC ，输出电流2.5 A，60 W带自动保护功能，电源模块的各项参数满足系统设计需求。

电气控制系统电路原理如图3所示。

图3 电气控制系统原理图

2.3 程序设计

PLC通电到液压泵加载过程如图4所示。

图4 液压泵加载过程

程序设计采用西门子公司的全集成化编程软件平台TIA Portal，使用梯形图编写电气系统的控制程序。在PLC通电初始化以后，首先进行数据采集获取液压油的温度 ，如果液压油温度高于40℃但小于60℃，此时会启动散热器，但能够启动主电机。若液压油温度高于60℃，此时会启动散热器并触发声光报警直至温度降低到60℃以下，同时主电机无法启动。当温度低于60℃时按下主电机启动按钮主电机启动，5s后液压泵加载，液压泵加载完成后能够进行搅拌和泵送操作，在液压泵未加载前无法进行搅拌和泵送操作，按下主电机停止按钮主电机停止。

液压泵加载后按下正/反转按钮，能够进行正向/反向搅拌操作，按下停止搅拌按钮后停止搅拌操作，为防止误操作，进行换向前需按下停止按钮，否则搅拌方向无法改变。按下泵送按钮后开始泵送，泵送油缸1和摆动油缸1正向同步工作进行泵送过程1，泵送油缸2和摆动油缸2正向同步工作进行泵送过程2。泵送油缸1和泵送油缸2底部各有一个限位开关使泵送过程1和泵送过程2能够反向同步循环运行实现不间断泵送。一般情况下液压泵加载后按下泵送按钮泵送油缸1立即正向运行，在互锁机制下泵送油缸2反向同步运行开始循环泵送。如果上一次停止时泵送油缸2位于底部极限位置，则按下泵送按钮2s后泵送油缸2正向运行，泵送油缸1反向运行开始循环泵送。

在系统运行期间，CPU周期扫描采集数据获取液压油的温度，液压油温度高于40℃即启动散热器，直至温度降低至40℃以下，若温度高于60摄氏度即停止主电机的运行并触发声光报警直至温度降低至60℃以下。

3 设备试验

设备于2017年在新建丽香铁路站前二标中义隧道进行了试验，试验过程中混凝土输送泵距离模板台车平均距离为18.8m，泵送一车混凝土约用时12min，每辆车装载混凝土7.8m3，累计输送混凝土6000m3以上，在实际使用过程当中，配合窄体混凝土泵设备及液压系统，使用效果良好，未发生电气方面的故障。

4 结 语

介绍了一种窄体混凝土输送泵电气系统，根据窄体混凝土输送的结构和工作员进行了定向设计，对相关元器件进行了选型分析，设计了电气系统原理图纸，在新建丽香铁路站前二标中义隧道进行使用，累计输送混凝土6000余m3，整体使用性能良好，系统运行稳定，无发热等现象和故障产生。