基于信捷PLC对细石混凝土泵电气系统的设计

0 引言
    我国混凝土泵车的市场前景与现代化建设的进程密切相关。作为“车、泵、站”为一体的施工机械，对保证工程质量、提高施工速度、增加施工安全等起着十分重要的作用。近年来，我国的拖式混凝土泵车得到了飞速发展，按照各厂家产品生产能力等的不同，大致可以分成以三一重工、中联重科为代表的第一梯队，以鸿得利、佳尔华等为代表的第二二梯队，以及其他生产能力都相对较小的第三梯队厂家。
    对中小生产企业而言，充分发挥混凝土泵车输送效率高、操作简单、维修方便的优势；研制操性能可靠、价格低廉的产品以及时补充国内市场，然后逐步向高端产品方向发展，是目前企业得以生存的战略方针。
    关于混凝土泵车产品性能、质量的提高或生产成本的降低，目前研究主要侧重于其液压系统的改进与检测，或换向管阀及整体结构稳定性的结构设计研究。对于混凝土泵车控制系统的设计研究涉及不多，刘会勇等开发了功能完备的混凝土泵智能监测和控制系统；王佩君等采用PLC对混凝土泵的电气系统进行了改造设计。也有厂家尝试采用单片机自行开发微控制器进行控制系统设计，这种方法可降低整个系统成本，但自行开发的微处理器可靠性较低。从市场使用来看，目前细石混凝土泵车的控制系统己大多采用PLC，但所使用PLC大多为价格相对较高的德国西门子系列或日本三菱系列。相对而言，在细石混凝土泵车上采用性价比相对较高的国产信捷PLC，在降低细石混凝土泵成本、提高其使用维修性能等方面具有积极的市场意义。

1 系统构成
1．1 工作原理
    细石混凝土泵的基本原理是由电动机带动液压泵产生压力油驱动液压缸，液压缸活塞杆再带动混凝土缸活塞把混凝土推入输送管道，通过混凝土分配阀和液压缸之间的顺序动作，使混凝土不断从混凝土料斗吸入混凝土缸，并通过输送管道输送到浇注地点。
    细石混凝土泵车的整机结构如图1所示。

1．2 液压系统
    细石混凝土泵车液压系统由主油路和分配阀油路两部分组成。其液压系统回路图如图2所示。

    电机启动，液压泵5向系统供油。压力油液经主换向阀7驱动两个主液压缸1差动进行泵送工作。不工作时，进入主换向阀7的液压油经中位流回油箱，液压泵处于卸荷状态。液压泵最大工作压力由溢流阀6控制。两个主液压缸的无杆腔相通，形成闭合油路。每当活塞运动到行程终点后，压力油会自动打开油缸的单向阀向闭合油路补油一次，实现自动补油功能。
    电机启动，压力油液经减压阀4、分配换向阀3驱动两分配阀液压缸2工作。两分配阀液压缸有杆腔与油箱相通。当一个分配阀液压缸活塞杆伸出时，分配阀向另一个液压缸方向摆动，使其活塞杆缩回，同时由油箱向有杆腔补充油液。[page]

1．3 其他辅助系统
    加散热器，采用风冷对液压系统散热。用两只电接点温度表控制油温上下限，温度高于60℃时风冷开始工作，当油温冷却至30℃以下时，风冷停止工作。
    配备自动润滑系统，润滑泵每隔一段时间注油30秒对相对转动件进行润滑。
    振动系统可为设置的料斗筛提供动力，若料斗中物料不足时，可单独启动振动电机向料斗中筛取充足的物料。

2 电气系统设计
2．1 工作过程
    接通电源并上电后，按下“启动”按钮，控制电源启动。旋开“电机启动”，主电机工作。旋开“泵送”按钮，电磁阀Y0和Y2先得电，开始正常泵送；主液压缸1的活塞触发限位传感器X0后，电磁阀Y1和Y3得电，继续进行泵送工作；待主液压缸1的活塞再次触发限位传感器X1后，电磁阀Y0和Y2再次得电；如此循环。工作完成后，旋回“泵送”按钮，泵送停止。旋回“电机启动”按钮，主电机停止工作；按下急停按钮，断开控制电源，整机停止工作。
    如果在正常工作过程中输送管发生堵管现象，系统压力升高，主油路液压表指示异常，需使系统反泵一段时间。
2．2 硬件系统的设计
    由细石混凝土泵车的工作系统组成和工作过程可知，需控制的执行电气元件为：主电机、分配阀换向阀与主换向阀中的电磁铁、散热器、润滑系统中的润滑电机以及振动电机等。
    根据设计要求，选择信捷XC2-16R-E型号的PLC即可满足要求。为了尽量减轻PLC的运行负担，采用PLC和外置继电器共同控制换向阀中的电磁阀以及散热器。
    根据主电机功率，采用漏电断路器以及两接触器利用“星-三角”接法来进行启动保护和控制。
    润滑电机采用接触器和继电器组合使用，利用PLC控制。时间继电器可用于调试润滑间隔所需时间，待时间确定后在PLC中更改，最终完成电机所需要的启动和停止。
    振动电机的保护和控制由漏电断路器与接触器的组合使用来实现，其启动和停止由旋转按钮来控制。
    所选用漏电断路器、接触器与继电器均为国产德力西品牌。具有较高的性价比优势。
    所设计的控制箱内部结构如图3所示。

    控制箱所使用按钮及显示根据功能需要设置，如图4所示。

    其中“启动”按钮用于启动和停止控制电源。“正反泵”按钮表明旋开正泵时料斗内的混凝土料向目的地输送，反泵时将料往料斗内抽回。“泵送”按钮旋开时开始泵送，旋回后停止泵送。“点动1、2”按钮可使按住其中之一按钮时，其一主液压缸活塞杆向前移动，另一活塞杆后退；按住另一点动按钮，活塞杆移动方向相反。“振动”主要用于控制振动电机的启停。

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2．3 软件系统的设计
    根据系统功能需要，对PLC上输入、输出点的分配如表1所示。

    采用XCPPro利用梯形图编程模块对相关功能情况进行编程，其中正反泵部分的相关程序如图5所示。

3 结论
    在满足同样性能要求的情况下，信捷的产品价格要比国外品牌同等产品的价格低40％左右，这对于在保证产品性能的前提下节省产品成本来说是一个有效途径。
    采用以信捷XC2-16R-E型号PLC为主的国产电气元件对细石混凝土泵电气系统进行开发设计。所设计电气系统经菏泽永安机械制造有限公司检验使用，反映其在环境恶劣的建筑施工现场运行一年多来，稳定性良好。