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。隧道初期支护质量的好坏，直接影响隧道的二衬受力及安全储备。为此，TBM后配套拖车上通常安装有用于隧道初期支护的混凝土喷射机，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凝土喷射机的喷嘴处，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[1、2]。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。为克服上述技术不足，本文设计一种基于PLC的TBM混凝土喷射机电气控制系统，采用湿喷技术，混凝土回弹率小，密实性好，混凝土耐久性较好，喷射混凝土施工质量易得到保障[3、4]。

1 电气结构组成

如图1所示，电气结构包括电机、触摸屏、PLC、遥控器等，PLC作为该TBM混凝土喷射机电气控制系统的核心，将整个控制系统联系起来，型号选用西门子S7-200 SMART。以PLC为电控核心可将系统分为输入、输出以及触摸屏交互。PLC对输入信号进行逻辑处理、数据存储与信号输出，输入信号通过输入模块传输至PLC内部存储区域，经过程序处理后将控制信号输出给各部分的执行机构，从而实现控制整个系统。

（1）对加强村级组织建设重视不够。地方党委对加强村级组织建设重视程度不够，对村干部和农村党员的教育管理抓的不严，对后备村干部的培养办法不多。尤其前些年，地方领导抓农村基层组织建设不到位，制定的发展计划与思路和当地实际脱节。将一些项目推广到农村，而对后续的技术、销售等环节缺乏有效的指导和帮助，让农民承受了较大的负担，村干部夹在中间工作比较难做，使村干部的形象、信誉、权威受到影响，也影响到各项政策的贯彻落实。

  

图1 电气系统框图

输入元件包括遥控器、按钮开关、旋钮开关、接近开关和传感器。按钮开关发出电机启停、空压机启停、泵送启停、速凝剂泵启停、泵送左右缸点动信号。旋钮开关发出本地模式或遥控模式信号，设备正常工作时，旋钮旋至遥控模式，进行喷涂工作；设备调试、维保与清洗管道时，旋钮旋至本地模式进行相应操作。接近开关发出油缸换向信号，并统计泵送方量。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。输出执行机构包括电磁阀、电动机、空压机和报警灯。液压回路受电动机与执行元件作用实现应有动作，电磁阀控制油路和气路的流量大小或者通断。报警灯为声光一体报警灯,显示混凝土喷射机的运行状态。电动机为三相异步电机，为整个液压回路提供动力，并驱动速凝剂泵合理配比混凝土。空压机通过执行PLC输出的信号来调节风量大小。触摸屏即是输入控件也是显示控件，与PLC进行通讯与数据交互。在整个电控系统的相互配合下，完成喷射部分、臂架控制部分和人机交互部分，最终实现TBM混凝土喷射。

2 喷射电气控制

如图2所示，整个喷射部分由混凝土泵送系统，速凝剂泵送系统和空压机系统3部分构成。在料斗中搅拌均匀的混凝土由泵送系统经混凝土管路输送至喷头，与速凝剂泵输送的速凝剂交汇，并在喷头底部腔体内混合后经由空压机吹出高压风，喷射到受喷面上形成混凝土支护层，当混凝土和速凝剂被泵送至喷嘴刷处，通过空压机作用喷射出去，空压机为变频控制。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均匀混合，形成喷射束，喷射到待喷涂区域，速凝剂使混凝土迅速凝结。整套动作在电控系统的控制下完成。此喷射系统可以高效地完成喷射，最大泵送能力为30m3/h。

  

图2 喷射系统结构组成示意图

喷射过程中的喷射方量的统计由安装在泵送油缸上的接近开关来统计。泵送油缸由左、右油缸和摆缸组成。当泵送左油缸运动到接近开关感应区域后，接近开关动作，使泵送油缸换向同时摆缸动作；同理，右油缸也是如此。在2个接近开关的作用下，2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。经PLC计算处理后通过模拟量输出信号给放大电路板，调节比例阀开度控制单位时间泵送方量，泵送方量即是根据接近开关反馈信号进行统计的。

功能菜单主界面中包括6个功能子菜单，分为“混凝土”、“速凝剂”、“运行时间”、“故障查询”、“参考配方”以及“返回主页”。该混喷系统在正常运行情况下，默认显示第一个功能子界面（混凝土），可设置当前混凝土中水泥用量，显示当前混凝土小时喷射量以及累计混凝土喷射总量。

3 臂架电气控制

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如图3所示，遥控器可发出喷射启动和停止、反泵启动和停止、操作臂泵开和停止、底架前后左右4个方向动作、大臂伸展和收缩、喷头前后左右4个摆动方向动作以及喷嘴刷动作等控制信号。通过操作遥控器上的动作摇杆，遥控器发射器发出控制信号，由控制中的遥控器接收器接收信号并将该信号传递给PLC，PLC接收到模拟量信号后，经处理后控制比例电磁阀动作，调节流经比例电磁阀油路的开合量来控制油缸运动方向与运动速度，进而可使臂架运动到理想位置。如图4所示，喷头、大臂和底座共具备5个自由度动作，喷头和底架选用万向摇杆，操作灵活方便，可快速到达和离开制定喷射区域，喷射均匀无死角。

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图3 遥控器操作面板图

  

图4 臂架及底座结构图

4 触摸屏单元

速凝剂界面可显示速凝剂用量占水泥比例和当前速凝剂小时添加量。可在触摸屏上设置该值，传送给PLC控制模拟量输出模块，进而通过变频调速控制速凝剂泵，达到调节速凝剂占混凝土的比例的目的。增加强制润滑功能，可以在混喷之前对管壁进行润管操作。与泵送有关的信息还包括泵送速度、本次泵送方量、泵送累积方量、泵送运行时间等信息，这些都在运行时间界面中显示。

电动机启动以后，带动液压泵使液压油路导通，整个液压回路处于待命状态。液压回路包括液压泵、液压油路、液压油缸以及电磁阀。通过液压系统与电控系统的相互配合，控制喷射臂的姿态动作。臂架动作主要通过遥控的方式实现，操作人员通过无线遥控器操作臂架工作，远离工作面，降低了人员安全风险。采用负载敏感比例控制，实时自适应调节臂架系统压力和流量与工况相匹配，节能环保。

速凝剂的喷射量是由控制器内部程序根据当前混凝土含量计算得出，已将智能配比公式编写入控制程序，根据泵送方量实时、自动调节速凝剂添加量，达到最佳喷射效果，并可将综合回弹量控制在12%以内。当臂架运动至理想位置以后，按下喷射启动按钮，PLC接收到信号，经过内部配比算法处理后，控制泵送油缸与速凝剂泵启停，达到理想配比从而完成喷射工作，整个过程操作简便、安全。

本设计中触摸屏选用施耐德HMISTU855，主要用于显示混凝土和速凝剂喷射过程量、泵送时间以及故障反馈信息3个方面的实时信息。这些检测量均由混凝土喷射机上安装的传感器反馈，并将其对应的各个参数的检测值实时传送至控制器，处理后将这些值转化后传输至与之相连的触摸屏，可实时显示这些检测值。

酒店裙房热水补水来自地下室裙房变频给水设备，整个裙房热水系统为闭式系统。根据水规的要求，日用热水量大于30m3的热水系统应设置压力膨胀罐。压力膨胀罐的选型可按式（1）计算：

故障查询界面，可显示设备运转正常或故障信息，不同故障源对应不同信息显示，便于现场及时排除故障。故障分为液压油温报警、油箱液位报警、高压滤报警、吸油滤报警、速凝剂压敏开关和臂架行程限位。当以上检测值超出设定的报警值后，在显示界面的同时发出鸣笛报警信号，由控制器发出报警指令，作用于声光一体报警灯。故障实时监测，异常自动报警。同时该系统配备有安全继电器，当使用过程中遇到紧急情况时可以快速准确地将主控电路切断。遇到紧急报警情况时，拍下急停按钮，整个系统停止工作，以此来保证工作人员以及设备安全，故障解除后，将按钮复位，系统恢复正常。

5 结 论

本文设计的混凝土喷射机系统可以根据泵送方量实时、自动调节速凝剂添加量，速凝剂泵计量范围广，调整精度高，达到最佳喷射效果，可将综合回弹量控制在12%以内，远低于《锚杆喷射混凝土支护技术规范》（GB 50086-2001）关于“喷射混凝土回弹率，边墙不应大于15%，拱部不应大于25%”的规定标准，减少了混凝土的浪费，节约施工成本。操作人员通过无线或有线遥控器操作机械手工作，远离工作面，降低了人员安全风险。

本混凝土喷射机系统已在大瑞铁路高黎贡山隧道项目中使用，总体平均消耗费用6.50元/m3，最小仅为5.02元/m3，配件消耗少，使用成本低。自使用以来每月喷浆均量在2300m3以上，满足快速施工的需求，平均喷射速度约为22m3/h，有效保障了隧道施工进度。该电气控制系统故障点易检测、数据可记录、性能稳定，设备的重大故障率基本为零，其良好的喷射质量及稳定的产品性能获得了用户的充分认可，为隧道的顺利贯通提供了坚实保障。

[参考文献]

[1]赵 翔．混凝土湿喷机组控制系统设计与开发[D].成都：西南交通大学，2017．

[2]余 梅，刘国巍，孔 兵．基于PLC井下湿喷机液压控制系统设计[J]．液压与气动，2015，（2）：127-131．

[3]吴昌东．湿喷机PLC控制系统设计[D]．济南：山东科技大学，2011．

[4]高梅梅，孙 伟，蒲晓波．一种泵式混凝土湿喷机控制系统研究[J]．建筑机械化，2015，36，（3）：69-71．