基于PLC的多锤头破碎机控制系统设计

2010-04-11惠记庄邹亚科

制造业自动化 2010年13期

关键词：重锤锤头单向阀

惠记庄，曹杰，邹亚科，马妍

HUI Ji-zhuang , CAO Jie, ZOU Ya-ke, MA Yan

（长安大学道路施工技术与装备教育部重点试验室，西安 710061）

基于PLC的多锤头破碎机控制系统设计

Designation of multiple-head breaker control system based on PLC technology

惠记庄，曹杰，邹亚科，马妍

HUI Ji-zhuang , CAO Jie, ZOU Ya-ke, MA Yan

（长安大学道路施工技术与装备教育部重点试验室，西安 710061）

利用多锤头破碎技术可以基本上消除旧水泥砼路面改造后出现的反射裂缝，多锤头破碎车是多锤头破碎技术的关键设备。通过分析破碎车的工作原理、控制要求和液压系统工作流程，结合多锤头破碎技术的施工工艺要求，针对多锤头破碎机的工作特点，设计了多锤头破碎机的PLC控制系统。该方案结构简单,可靠性好,控制方式灵活，可在运行中对油缸的运行速度进行调节。

工程机械；多锤头破碎车；PLC系统设计

0 引言

水泥砼路面强度高、稳定性好、使用寿命长、承载能力强,而且其抗车辙能力、水稳定性和温度稳定性强于沥青砼路面，在高速公路、国道及城市公路中得到了广泛应用[1,2]。但是近几年来，随着交通量的增加，特别是重载车辆的增多，水泥路面出现了诸如错台、断板、唧泥等病害，严重影响了路面的行车性能和结构性能，同时上世纪九十年代修建的水泥路面，大多接近或超出设计年限，出现了不同程度的损坏，处于维修、待修状态，水泥路面的修复养护工作已迫在眉睫。与沥清路面相比，水泥混凝土路面的修复比较困难，传统的修复方法是对旧水泥砼路面实施压浆、灌缝等措施后加铺沥青砼层。这种方法经济环保，无须处理“白色”污染，是一种快速改造大面积破坏水泥路面的办法，但改造后一年内罩面层易出现反射裂缝，加速沥青罩面层的破坏，因此如何防治及消除反射裂缝成了水泥路面修复的关键技术。

针对水泥砼路面改造中的反射裂纹问题，欧美国家开发、应用多锤头碎石化技术修复水泥砼路面,取得了巨大的成功。多锤头碎石化技术用到的关键设备为多锤头破碎机。为了提高多锤头破碎机控制系统机，的可靠性、降低生产成本，文中针对某型多锤头破碎分析了其破碎系统的工作原理、控制要求和单个液压系统工作流程，根据多锤头破碎技术的施工工艺要求，设计了PLC控制系统。

1 多锤头破碎机工作原理及特点

多锤头破碎机（Multiple-Head Breaker，简称MHB，以下简称破碎机）的由动力系统、转向系统、液压控制系统、破碎系统和机架等组成。破碎机的主要控制对象为破碎系统，破碎系统位于破碎机的后半部分,其中间有2排各3对650 kg的锤头，两侧各1对850 kg的翼锤。每对锤头由1个液压缸进行提升，提升高度和速度可以独立调节，最大提升高度为1.3m。它的工作原理是以液压油缸把悬挂在车后的重锤依次提升到一定高度后突然释放，锤头迅速自由落体下滑，每个锤头产生650-850kg的能量，对水泥路面进行连续的冲击破碎，由于锤头分散，地面受力均匀，并且破碎后呈上小下大，上面层不大于7.5cm，中间层不大于22.5cm，下面层不大于37.5cm，且相互镶嵌的结构，这种结构具有较好的支撑作用且基本上可消除反射裂缝[3,4]。

2 破碎机控制系统设计要求

在满足系统动作要求的前提下，破碎机的控制系统要简单、实用、成本低且系统稳定可靠，功能完善，操作方便。系统设计要有一定的前瞻性，为以后生产发展和工艺改进留有扩展余地。破碎机的控制系统包括运动和动力控制，系统报警与紧急制动功能，并且工作速度可调，以实现锤距离可调。

2.1 运动和动力控制

液压缸升顶的工作过程就是运动和动力的传递过程。液压缸升顶是将液压压力能转化成液压缸活塞杆带动锤的冲击能，通过控制各种阀的启闭，实现重锤运动方式的切换（重锤上升、下打与保压）调整重锤的工作行程，实现重锤打击力的控制。

2.2 系统报警与紧急制动功能

破碎机在破碎过程中会出现重锤的下降速度过快，打击能量过大，打击行程与设定行程不一致等现象，因此，在设计控制系统时需要安装检测器件对其进行检测，并自动地做出反应，及时报警，显示出错误信息。

3 控制系统的设计

3.1 破碎系统液压原理分析

破碎机通过设定泵和马达起始点的控制参数及变量过程的模式，并将其作为控制目标函数写入控制器中，依靠电子信号处理系统控制电液比例液压元件实现路面破碎工作，破碎车的控制实际上是对电液比例液压元件的控制，因此在设计破碎车的控制系统前，有必要对破碎车破碎液压系统工作原理进行分析。

图1 单个破碎液压系统图

根据前面阐述的破碎机工作原理和施工工艺要求，破碎液压系统通过液压缸上升顶升一组（2个）重锤，提供重锤的势能，快速回落并保压完成水泥砼路面破碎。结合单个破碎液压系统如图1所示，对破碎液压系统分析如下：

系统由油缸1，一个单向阀2，一个二位二通电磁阀3，一个溢流阀4，一个液控单向阀5，一个二位三通电磁阀6，一个梭阀7，液压油泵8组成。采用梭阀、液控单向阀联合控制回油。采用溢流阀，遇到过大的负荷引起液压缸内工作油的压力异常升高时，对液压缸、液压回路的配管或设备等起到有效地保护。同时，在单向阀的作用下，整机停电时油缸侧有保压作用。

油缸上升工作状态：二位二通电磁阀3得电，回油管路与进油管路断开；二位三通电磁阀6失电，液控单向阀5控制油路关闭，油泵高压作用下一个单向阀2开启，油泵供油给液压缸，高压油顶升油缸。通过溢流阀4做过载保护。

油缸下落工作状态：二位二通电磁阀3失电，回油管路与进油管路连通，高压油回油箱；同时，二位三通电磁阀6得电；高压油通过梭阀7与二位三通电磁阀6控制油路导通，打开液控单向阀5，油缸快速下降；在油缸侧压强下降到低于控制油路a侧压强时，控制油路打开梭阀7，给液控单向阀5控制油路压力，使液控单向阀5继续打开，从而使油缸1继续彻底下落。

在破碎机运行状态时，油缸侧保压作用：二位二通电磁阀3与二位三通电磁阀6失电，一个单向阀2与液控单向阀5全部关闭，达到了保压作用。

3.2 控制方式的确定

系统的控制方式包括继电器控制、单片机控制、可编程逻辑控制器（PLC）控制方式。PLC控制可以将控制逻辑以程序方式存储到存储器中，具有控制方便、可扩展性好、控制精度高等优点。因此，破碎机的控制系统采用PLC控制。

破碎机PLC控制系统主要由传感器、控制元件、执行元件以及连接器件组成。参考相关产品及液压重锤工作要求[5,6]，利用PLC的时间模块控制液压阀开启时间进而控制流量。压力传感器安装在油泵出口、蓄能器和液压缸上下腔等位置，用于测量对应处的压力变化情况。执行元件包括各种电磁换向阀、报警器，输出设备。

3.3 PLC的选择

PLC的选择主要包括两个方面：I/O点数和存储器容量。根据前面阐述的破碎机工作原理和施工工艺要求，破碎机需要实现锤头上下运动, 并可以在运动中控制油缸的运动频率和行程。考虑以上因素，

根据文献[7-8]的计算方法可计算得出破碎机的输入输出信号的I/O总点数，在此基础上扩展20%左右用于备用，计算得出PLC的存储器容量，在此基础上增加20%的余量。

3.4 控制方案

根据PLC的 I/O点数和存储器容量，并考虑被控对象对响应时间要求等诸多因素，最终选择西门子公司S7-200可编程控制器作为破碎机的控制器，其输入点数为24个、输出点数16个、扩展I/O模块采用EM235模拟量扩展模块，模拟量输入点4个，模拟量输出点2个。

根据控制要求分配PLC输入输出端口（如表1所示）。

表1 可编程序控制器端口分配表

根据锤的动作要求设置其动作如表2所示，表中“+”表示通电，“-”表示断电。

表2 动作循环表

3.5 控制流程

根据液压系统动作，设计控制系统流程（如图2所示）

图2 控制流程图

3.6 梯形指令

按照控制系统工作部分的流程图，结合液压系统分析结果编辑PLC梯形图（图3），控制过程为：选择开关开，中间继电器M0.0开，从DB1获得时间设定PIW0值，将其输给延时断开继电器T0，同时Q0.0得电，A组油缸油缸上升，上升时间为PIW0的值；执行PIW0的时间值结束后，Q0.1得电，A组油缸油缸下落，下落执行时间为550ms；Q0.0得电250ms后，执行B组油缸；之后的B’组、C’组和C组油缸动作重复此规律。当选择控制面板中的停止时，在执行完成下落程序后Q0.0(Q0.2,Q0.4,Q0.6,Q0.8)得电，油缸上升到中位，油缸停止在中间位置有利于破碎机的行走和运输。

破碎机可以在运动中对油缸的速度经行调节。通过调节继电器进行速度调节，根据文献[9-10]设计调节梯形图（如图4所示）。调节信号PIW2输给数模转化器，存放地址为VD20；在减法器中与（存放地址为VD22）相减，结果存在VD30，（存放地址为VD24）与（存放地址为VD22）相减，结果存放在VD32；VD30的数值与VD32数值相除，得到的结果存放在VD34，即为运算结果，按照PID算法进行速度的调节。

图3 控制梯形图

4 结论

多锤头破碎技术能够基本上消除旧砼路面改造后的反射裂缝问题,有利有水泥路面的建造和使用。多锤头破碎机是多锤头破碎技术中的关键设备，为提高多锤头破碎机控制系统的可靠性、降低生产成本，设计了一种基于PLC的控制系统，通过编写PLC的梯形图控制液压系统的液压阀件实现旧砼路面的破碎工作。文中对运动控制模块进行设计,并给出运动程序基本结构。该方案结构简单,可靠性好,控制方式灵活, 可在运行中对油缸的运行速度进行调节。