CN108089541A - 一种基于plc的tbm混喷装置电气控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于PLC的TBM混喷装置电气控制系统，包括电气柜、指令元件、PLC、执行元件、触摸屏、报警灯、电动机、液压回路和空压机，电气柜、指令元件、执行元件、触摸屏、报警灯均与PLC相连接，电气柜分别与电动机和空压机相连接，电动机和执行元件均与液压回路相连接；指令元件发出指令信号输入给PLC，PLC对输入信号进行逻辑处理、数据存储和信号输出，触摸屏与PLC进行通讯与数据交换，报警灯显示混喷装置的运行状态，执行元件执行PLC输出的指令，电动机作为动力源，液压回路受电动机与执行元件作用执行动作。本发明故障点易检测、数据可记录、自动化程度高、可有效控制回弹率、环境污染小、生产效率高。

Description

一种基于PLC的TBM混喷装置电气控制系统

技术领域

本发明涉及全断面岩石隧道掘进机设计与施工的技术领域，尤其涉及一种基于PLC的TBM混喷装置电气控制系统，用于隧道的初始支护。

背景技术

全断面岩石隧道掘进机简称TBM，主要用于岩石地质结构的铁路、公路、水利水电引水导洞、地铁及地下工程隧道掘进建筑施工。与传统的钻爆法施工相比，TBM施工大大节省了人力成本，提高了施工效率。TBM后配套拖车上一般都装有用于隧道初期支护的混喷装置，其工作原理是将已配比好的混凝土通过泵送系统输送到混喷装置的喷嘴处，在高压空气的作用下形成喷射束，并与喷嘴处雾化的速凝剂混合，一起喷射到待喷涂区域。速凝剂可使混凝土迅速凝结硬化，从而形成混凝土支护层。传统的干喷装置人员数量要求多、回弹率高、环境污染严重、故障点不易检测且工作数据无法自动记录。

发明内容

为了克服上述背景技术中存在的不足，本发明提出一种基于PLC的TBM混喷装置电气控制系统，故障点易检测、数据可记录、自动化程度高、可有效控制回弹率、环境污染小、生产效率高。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种基于PLC的TBM混喷装置电气控制系统，包括电气柜、指令元件、PLC、执行元件、触摸屏、报警灯、电动机、液压回路和空压机，电气柜、指令元件、执行元件、触摸屏、报警灯均与PLC相连接，电气柜分别与电动机和空压机相连接，电动机和执行元件均与液压回路相连接；指令元件发出指令信号输入给PLC，PLC对输入信号进行逻辑处理、数据存储和信号输出，触摸屏与PLC进行通讯与数据交换，报警灯显示混喷装置的运行状态，执行元件执行PLC输出的指令，电动机作为动力源，液压回路受电动机与执行元件作用执行动作。

所述PLC包括CPU、电源模块、输入模块和输出模块，输入模块包括数字量输入模块和模拟量输入模块，输出模块包括数字量输出模块和模拟量输出模块，电源模块、数字量输入模块、模拟量输入模块、数字量输出模块和模拟量输出模块均与CPU相连接，电源模块对CPU、数字量输入模块、模拟量输入模块、数字量输出模块和模拟量输出模块供电，输入信号通过输入模块传输至PLC内部的存储区域，CPU对输入信号进行逻辑处理，通过输出模块输出信号，从而实现控制整个系统。

所述指令元件包括遥控器、按钮开关、旋钮开关、接近开关、传感器和急停按钮；遥控器上设有可发出电机启动、电机停止、空压机启动、空压机停止、泵送启动、泵送停止、泵送速度调节、风量调节、速凝剂泵启动、速凝剂添加量调节、喷射臂动作信号的遥控按钮；按钮开关包括发出电机启停、空压机启停、泵送启停、速凝剂泵启停、泵送左右缸点动信号的按钮；旋钮开关切换本地模式或遥控模式；接近开关设置在泵送油缸运动的两端，接近开关发出泵送油缸换向信号；传感器实现液压油油温、液压油油压、速凝剂压力、泵送压力、搅拌压力、空压机压力的检测，并发送信号给PLC；急停按钮实现遇到紧急情况时，停止整个系统工作。

所述执行元件包括继电器和电磁阀插头，继电器执行PLC输出的信号控制接触器的通断，从而控制电动机的启停；PLC与电磁阀插头相连接，电磁阀插头与设置在油路或气路上的电磁阀块相连接，电磁阀插头执行PLC的输出信号控制液压油路和气路的流量大小或者通断。

所述电气柜内设有电源、继电器、接触器、断路器和变频器，电源分别与PLC、触摸屏、指令元件、执行元件、空压机、电动机和报警灯相连接，PLC与继电器相连接，继电器与接触器相连接，接触器与电动机相连接，断路器与接触器相连接；PLC与变频器相连接，变频器与空压机相连接，空压机受PLC控制，通过执行PLC输出的信号来调节风量大小；所述旋钮开关、按钮开关和急停按钮设置在电气柜上。

所述电磁阀插头包括控制伸缩油缸运动方向和运动速度的第一电磁阀插头、控制控制泵送油缸与速凝剂泵动作的第二电磁阀插头、控制速凝剂管路泵送速度与速凝剂添加量的第三电磁阀插头和控制泵送油缸换向的第四电磁阀插头。

所述触摸屏显示PLC发送过来的与泵送有关的信息，包括泵送速度、本次泵送方量、泵送累积方量、泵送运行时间和速凝剂所占混凝土比例；触摸屏显示PLC发送过来的压力与温度监测信息，包括液压油油温、液压油油压、速凝剂压力、泵送压力、搅拌压力、空压机压力；触摸屏设置速凝剂所占混凝土比例值，并传送给PLC。

所述报警灯为声光一体报警灯，PLC监测到的报警信息发送至报警灯，实现报警信息的执行。

所述电动机为三相异步电机；继电器执行PLC输出的信号控制接触器的通断，接触器控制电动机的启停；电动机带动液压马达，为整个液压回路提供动力。

所述液压回路包括液压马达、液压油路、液压油缸和电磁阀块；电动机与液压马达相连接，液压马达与液压油路相连接，液压油路与液压油缸相连接，电磁阀块设置在液压油路上，电磁阀块与电磁阀插头相连接；电动机带动液压马达使液压油路产生足够的压力；带有足够压力的液压油推动液压油缸进行伸收，改变喷射臂的姿态；执行PLC输出指令的电磁阀插头使电磁阀块动作，改变液压油路流量大小或者通断。

本发明的有益效果：通过指令元件检测工作环境并发出控制指令给PLC，PLC发出控制信号给电动机、空压机和执行元件，实现泵送油缸、液压油缸、伸缩油缸、速凝剂泵的控制，从而调节喷射臂的移动，速凝剂和混凝土的喷射，实现混凝土支护层的形成；本发明故障点易检测、数据可记录、自动化程度高、可有效控制回弹率、环境污染小、生产效率高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的原理框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种基于PLC的TBM混喷装置电气控制系统，包括电气柜、指令元件、PLC、执行元件、触摸屏、报警灯、电动机、液压回路和空压机，电气柜、指令元件、执行元件、触摸屏、报警灯均与PLC相连接，电气柜分别与电动机和空压机相连接，电动机和执行元件均与液压回路相连接；指令元件发出指令信号输入给PLC，PLC对输入信号进行逻辑处理、数据存储和信号输出，触摸屏与PLC进行通讯与数据交换，报警灯显示混喷装置的运行状态，执行元件执行PLC输出的指令，电动机作为动力源，液压回路受电动机与执行元件作用实现相应的应有执行动作。

PLC为西门子S7-200 SMART。PLC包括CPU、电源模块、输入模块和输出模块，输入模块包括数字量输入模块和模拟量输入模块，输出模块包括数字量输出模块和模拟量输出模块，电源模块、数字量输入模块、模拟量输入模块、数字量输出模块和模拟量输出模块均与CPU相连接，电源模块对CPU、数字量输入模块、模拟量输入模块、数字量输出模块和模拟量输出模块供电，输入信号通过输入模块传输至PLC内部的存储区域，CPU对输入信号进行逻辑处理，通过输出模块输出信号，从而实现控制整个系统。

指令元件包括遥控器、按钮开关、旋钮开关、接近开关、传感器和急停按钮；遥控器上设有可发出电机启动、电机停止、空压机启动、空压机停止、泵送启动、泵送停止、泵送速度调节、风量调节、速凝剂泵启动、速凝剂添加量调节、喷射臂动作信号的遥控按钮；按钮开关包括发出电机启停、空压机启停、泵送启停、速凝剂泵启停、泵送左右缸点动信号的按钮；旋钮开关切换本地模式或遥控模式；接近开关设置在泵送油缸运动的两端，接近开关发出泵送油缸换向信号；传感器实现液压油油温、液压油油压、速凝剂压力、泵送压力、搅拌压力、空压机压力的检测，并发送信号给PLC；急停按钮实现遇到紧急情况时，停止整个系统工作。

执行元件包括继电器和电磁阀插头，继电器执行PLC输出的信号控制接触器的通断，从而控制电动机的启停；PLC与电磁阀插头相连接，电磁阀插头与设置在油路或气路上的电磁阀块相连接，电磁阀插头执行PLC的输出信号控制液压油路和气路的流量大小或者通断。电磁阀插头包括控制伸缩油缸运动方向和运动速度的第一电磁阀插头、控制泵送油缸与速凝剂泵动作的第二电磁阀插头、控制速凝剂管路泵送速度与速凝剂添加量的第三电磁阀插头和控制泵送油缸换向的第四电磁阀插头。

电气柜内设有电源、继电器、接触器、断路器和变频器。电源分别与PLC、触摸屏、指令元件、执行元件、空压机、电动机和报警灯相连接，电源对PLC、触摸屏、电动机、空压机、报警灯和指令元件中的接近开关、旋钮开关、遥控器、急停按钮、按钮开关、传感器进行供电，电源还给电磁阀插头供电。PLC与继电器相连接，继电器与接触器相连接，接触器与电动机相连接，实现电动机的驱动。断路器与接触器相连接，当电机出现过载、短路、缺相等故障时，断路器自动切断给电动机供电的线路，进而保护电机。PLC与变频器相连接，变频器与空压机相连接，空压机受PLC控制，通过执行PLC输出的信号来调节风量大小；所述旋钮开关、按钮开关和急停按钮设置在电气柜上。

触摸屏为施耐德HMISTU855触摸屏。触摸屏显示PLC发送过来的与泵送有关的信息，包括泵送速度、本次泵送方量、泵送累积方量、泵送运行时间和速凝剂所占混凝土比例；触摸屏显示PLC发送过来的压力与温度监测信息，包括液压油油温、液压油油压、速凝剂压力、泵送压力、搅拌压力、空压机压力；触摸屏设置速凝剂所占混凝土比例值，并传送给PLC。触摸屏可设置速凝剂所占混凝土比例值，传送给PLC，CPU将此信号处理后经模拟量输出模块输出，作用于比例阀调节速凝剂输出速度，进而调节速凝剂占混凝土的比例。

电动机为三相异步电机；继电器执行PLC输出的信号控制接触器的通断，接触器控制电动机的启停；电动机带动液压马达，为整个液压回路提供动力。报警灯为声光一体报警灯，PLC监测到的报警信息发送至报警灯，实现报警信息的执行。

液压回路包括液压马达、液压油路、液压油缸和电磁阀块；电动机与液压马达相连接，液压马达与液压油路相连接，液压油路与液压油缸相连接，电磁阀块设置在液压油路上，电磁阀块与电磁阀插头相连接；电动机带动液压马达使液压油路产生足够的压力；带有足够压力的液压油推动液压油缸进行伸收，改变喷射臂的姿态；执行PLC输出指令的电磁阀插头使电磁阀块动作，改变液压油路流量大小或者通断。

电气柜通电以后，当旋钮开关打到遥控模式时，遥控器动作有效。操作遥控器上的电机启动按钮，电动机启动并将信号发送至PLC，PLC的数字量输入模块接收到该数字信号，经过CPU处理后，输出信号经数字量输出模块输出至继电器，继电器使接触器接通，进而使电动机得电启动。电动机启动以后，带动液压马达使液压油路产生一定压力，整个液压回路处于待命状态。操作遥控器上的空压机启动按钮，空压机启动并将信号发送至PLC，PLC的数字量输入模块接收到信号，经过CPU处理后，输出信号经数字量输出模块输出至变频器，变频器接通后，空压机得电启动。

操作遥控器上喷射臂动作的摇杆，发送比例信号至PLC，PLC的模拟量输入模块接收到信号，经CPU处理后，输出信号经模拟量输出模块输出至第一电磁阀插头，第一电磁阀插头为比例电磁插头，第一电磁阀插头通过调节流经比例电磁阀油路的通断与油路流量大小来控制伸缩油缸运动方向与运动速度，进而可使臂架运动到理想位置。

臂架运动到理想位置以后，可按下遥控器上的泵送启动与速凝剂泵启动的遥控按钮，PLC的数字量输入模块接收到信号，经过CPU处理后，输出信号经数字量输出模块输出至第二电磁阀插头，第二电磁阀插头作用于电磁阀块控制液压油路通断，使泵送油缸与速凝剂泵动作。

泵送油缸运动到接近开关感应区域后，接近开关动作，信号发送给PLC的数字量输入模块，经过CPU处理后，输出信号经数字量输出模块输出至第四电磁阀插头，第四电磁阀插头作用于电磁阀块控制液压油路通断，使泵送油缸换向。同理，在两个接近开关的作用下，两个泵送油缸密切配合，泵送左油缸伸出的同时泵送右油缸收回，泵送右油缸伸出的同时泵送左油缸收回，这样就能做到不间断泵送，达到连续喷射的效果。

操作遥控器上泵送速度调节与速凝剂添加量调节的遥控旋钮，信号输入至PLC的模拟量输入模块，CPU处理后，输出信号经经数字量输出模块输出至第三电磁阀插头，第三电磁阀插头作用于电磁阀块，通过控制泵排量与油路流量来调节泵送速度与速凝剂添加量。操作遥控器上风量调节的遥控旋钮，信号输入至模拟量输入模块，CPU处理后，输出信号经模拟量输出模块输出，作用于空压机的变频器，变频器通过调节压缩机的运行速率来调节空压机的排风量。空压机输出的风使速凝剂泵输出的速凝剂与泵送油缸输出的混凝土在喷嘴处混合，形成喷射束，喷射到待喷涂区域，速凝剂使混凝土迅速凝结；同时操控遥控器上的摇杆，移动喷射臂，直至将待喷涂区域喷完，从而形成混凝土支护层。

混喷装置上安装有检测液压油油温、液压油油压、速凝剂泵送压力、混凝土泵送压力、搅拌压力、空压机气管压力的传感器，传感器可将其对应的各个参数的检测值实时传送至PLC模拟量输入模块；CPU将这些值转化后传输至与之相连的触摸屏，触摸屏上可实时显示这些检测值；这些检测值超出设定的报警值后，CPU发出报警指令，经数字量输出模块作用于声光一体报警灯。

电气柜通电以后，当旋钮开关打到本地模式时，本地的按钮开关动作有效。操作电机启停按钮控制电动机的启停；操作泵送启停按钮控制泵送的启停；操作空压机启停按钮控制空压机的启停；操作泵送左右油缸点动按钮控制泵送左右油缸点动；操作速凝剂泵启停按钮速凝剂泵的启停。

使用过程中遇到紧急情况时，拍下急停按钮，急停信号传送至PLC，PLC切断控制动力源的输出，使整个系统停止工作，以保证工作人员人身安全；危险解除后，将按钮拔起，系统恢复正常。设备正常工作时，旋钮打到遥控模式，进行喷涂工作；设备调试、维保与清洗管道时，旋钮打到本地模式进行相应操作。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于PLC的TBM混喷装置电气控制系统，其特征在于，包括电气柜、指令元件、PLC、执行元件、触摸屏、报警灯、电动机、液压回路和空压机，电气柜、指令元件、执行元件、触摸屏、报警灯均与PLC相连接，电气柜分别与电动机和空压机相连接，电动机和执行元件均与液压回路相连接；指令元件发出指令信号输入给PLC，PLC对输入信号进行逻辑处理、数据存储和信号输出，触摸屏与PLC进行通讯与数据交换，报警灯显示混喷装置的运行状态，执行元件执行PLC输出的指令，电动机作为动力源，液压回路受电动机与执行元件作用执行动作。

2.根据权利要求1所述的基于PLC的TBM混喷装置电气控制系统，其特征在于，所述PLC包括CPU、电源模块、输入模块和输出模块，输入模块包括数字量输入模块和模拟量输入模块，输出模块包括数字量输出模块和模拟量输出模块，电源模块、数字量输入模块、模拟量输入模块、数字量输出模块和模拟量输出模块均与CPU相连接，电源模块对CPU、数字量输入模块、模拟量输入模块、数字量输出模块和模拟量输出模块供电，输入信号通过输入模块传输至PLC内部的存储区域，CPU对输入信号进行逻辑处理，通过输出模块输出信号，从而实现控制整个系统。

3.根据权利要求1所述的基于PLC的TBM混喷装置电气控制系统，其特征在于，所述指令元件包括遥控器、按钮开关、旋钮开关、接近开关、传感器和急停按钮；遥控器上设有可发出电机启动、电机停止、空压机启动、空压机停止、泵送启动、泵送停止、泵送速度调节、风量调节、速凝剂泵启动、速凝剂添加量调节、喷射臂动作信号的遥控按钮；按钮开关包括发出电机启停、空压机启停、泵送启停、速凝剂泵启停、泵送左右缸点动信号的按钮；旋钮开关切换本地模式或遥控模式；接近开关设置在泵送油缸运动的两端，接近开关发出泵送油缸换向信号；传感器实现液压油油温、液压油油压、速凝剂压力、泵送压力、搅拌压力、空压机压力的检测，并发送信号给PLC；急停按钮实现遇到紧急情况时，停止整个系统工作。

4.根据权利要求1所述的基于PLC的TBM混喷装置电气控制系统，其特征在于，所述执行元件包括继电器和电磁阀插头，继电器执行PLC输出的信号控制接触器的通断，从而控制电动机的启停；PLC与电磁阀插头相连接，电磁阀插头与设置在油路或气路上的电磁阀块相连接，电磁阀插头执行PLC的输出信号控制液压油路和气路的流量大小或者通断。

5.根据权利要求4所述的基于PLC的TBM混喷装置电气控制系统，其特征在于，所述电气柜内设有电源、继电器、接触器、断路器和变频器，电源分别与PLC、触摸屏、指令元件、执行元件、空压机、电动机和报警灯相连接，PLC与继电器相连接，继电器与接触器相连接，接触器与电动机相连接，断路器与接触器相连接；PLC与变频器相连接，变频器与空压机相连接，空压机受PLC控制，通过执行PLC输出的信号来调节风量大小；所述旋钮开关、按钮开关和急停按钮设置在电气柜上。

6.根据权利要求4所述的基于PLC的TBM混喷装置电气控制系统，其特征在于，所述电磁阀插头包括控制伸缩油缸运动方向和运动速度的第一电磁阀插头、控制控制泵送油缸与速凝剂泵动作的第二电磁阀插头、控制速凝剂管路泵送速度与速凝剂添加量的第三电磁阀插头和控制泵送油缸换向的第四电磁阀插头。

7.根据权利要求1所述的基于PLC的TBM混喷装置电气控制系统，其特征在于，所述触摸屏显示PLC发送过来的与泵送有关的信息，包括泵送速度、本次泵送方量、泵送累积方量、泵送运行时间和速凝剂所占混凝土比例；触摸屏显示PLC发送过来的压力与温度监测信息，包括液压油油温、液压油油压、速凝剂压力、泵送压力、搅拌压力、空压机压力；触摸屏设置速凝剂所占混凝土比例值，并传送给PLC。

8.根据权利要求1所述的基于PLC的TBM混喷装置电气控制系统，其特征在于，所述报警灯为声光一体报警灯，PLC监测到的报警信息发送至报警灯，实现报警信息的执行。

9.根据权利要求1所述的基于PLC的TBM混喷装置电气控制系统，其特征在于，所述电动机为三相异步电机；继电器执行PLC输出的信号控制接触器的通断，接触器控制电动机的启停；电动机带动液压马达，为整个液压回路提供动力。

10.根据权利要求1所述的基于PLC的TBM混喷装置电气控制系统，其特征在于，所述液压回路包括液压马达、液压油路、液压油缸和电磁阀块；电动机与液压马达相连接，液压马达与液压油路相连接，液压油路与液压油缸相连接，电磁阀块设置在液压油路上，电磁阀块与电磁阀插头相连接；电动机带动液压马达使液压油路产生足够的压力；带有足够压力的液压油推动液压油缸进行伸收，改变喷射臂的姿态；执行PLC输出指令的电磁阀插头使电磁阀块动作，改变液压油路流量大小或者通断。