旋挖鉆機(jī)電氣系統(tǒng)的研究

梁賀 胡志民 馬旭

摘要：旋挖鉆機(jī)因鉆進(jìn)效率較高、鉆孔質(zhì)量高且能達(dá)到要求的深度以及噪音較低的特點(diǎn)而在建筑基礎(chǔ)工程中得到極為廣泛的應(yīng)用。旋挖鉆機(jī)的鉆孔作業(yè)依賴于其控制系統(tǒng)的設(shè)計，為達(dá)到輸出功率、扭矩、效率等各方面的施工需求，電氣控制系統(tǒng)的合理、優(yōu)化設(shè)計工作至關(guān)重要。在對系統(tǒng)的工作原理及具體控制流程進(jìn)行介紹的基礎(chǔ)上，分析了電氣控制系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計，對旋挖鉆機(jī)電氣控制系統(tǒng)的深入研究具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：旋挖鉆機(jī);電氣控制系統(tǒng);自動控制

引言

隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的持續(xù)深入、施工技術(shù)的高速進(jìn)步、環(huán)保理念的不斷加強(qiáng)以及基礎(chǔ)建設(shè)工作的不斷拓展，使得樁基礎(chǔ)的應(yīng)用范圍非常廣泛。鋼筋混凝土灌注樁因施工噪音低、震動較小且適用于多種地基而在樁基礎(chǔ)的應(yīng)用中占有絕對大的比例。旋挖鉆機(jī)的工作效率較高、功能較為多樣、靈活度高且所產(chǎn)生的污染較低，因此在世界范圍內(nèi)的現(xiàn)場混凝土灌注樁作業(yè)中占有主導(dǎo)地位。為達(dá)到輸出功率、扭矩、效率等各方面的施工需求，電氣控制系統(tǒng)的合理、優(yōu)化設(shè)計工作至關(guān)重要。機(jī)電液一體化作為旋挖鉆機(jī)主導(dǎo)的發(fā)展方向，最終將實(shí)現(xiàn)全自動化作業(yè)。對旋挖鉆機(jī)的電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行合理、優(yōu)化的設(shè)計能夠提高其智能化水平，增強(qiáng)系統(tǒng)的自動控制性能及監(jiān)測保護(hù)能力，達(dá)到采用計算機(jī)系統(tǒng)及電子控制元件來提升旋挖鉆機(jī)作業(yè)效率的目的。

1.旋挖鉆機(jī)電氣系統(tǒng)控制原理

CAN總線在現(xiàn)場中的應(yīng)用非常廣泛，是標(biāo)準(zhǔn)化形式的串行總線系統(tǒng)，可靠性較高?；贑AN總線的旋挖鉆機(jī)電氣系統(tǒng)的核心部分為PLC（Programmable?Logic?Controller?），該控制系統(tǒng)所使用的直流電源為24V。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多樣化的控制功能，通過對發(fā)動機(jī)、液壓泵、操作控制閥及人機(jī)交互界面的控制主要實(shí)現(xiàn)九個部分的自動控制功能：桅桿位置監(jiān)測與控制、成孔深度測量、回轉(zhuǎn)定位、主卷浮動控制、觸地提示、履帶伸縮控制、油散控制、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速控制及極限載荷控制。此外，還可以實(shí)現(xiàn)多種安全保護(hù)功能及參數(shù)設(shè)定等功能。

電氣系統(tǒng)的控制流程為：利用傳感器進(jìn)行信號采集以保障PLC可以隨時采集對象信息。PLC將采集到的信號進(jìn)行處理然后傳送至顯示模塊用于信息的儲存顯示或?qū)崿F(xiàn)內(nèi)部的反饋控制;利用工況控制器采集由開關(guān)、手柄、按鈕等操作部件發(fā)送的各種信號，經(jīng)內(nèi)部運(yùn)算結(jié)構(gòu)進(jìn)行信號的運(yùn)算及放大等數(shù)據(jù)處理過程，再激活相應(yīng)的PLC驅(qū)動繼電器、液壓閥或傳送工作參數(shù)至LCD顯示模塊進(jìn)行顯示;由發(fā)動機(jī)底盤部分的控制器采集ECM的油門旋鈕、工作模式、接收點(diǎn)開火等重要狀態(tài)數(shù)據(jù)以達(dá)到自動控制發(fā)動機(jī)的啟停、轉(zhuǎn)速以及與負(fù)載的功率匹配的目的;通過LCD顯示模塊能夠設(shè)定作業(yè)參數(shù)，并利用CAN總線將信息傳至核心控制器以實(shí)現(xiàn)通信。控制器將獲取信號進(jìn)行內(nèi)部處理后可控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成預(yù)定的動作。同時該模塊可以顯示設(shè)備作業(yè)時的油位、油壓、成孔深度、旋轉(zhuǎn)角度、桅桿傾角及各種重要工況參數(shù)，并具有故障報警功能和密碼保護(hù)功能;遠(yuǎn)程通信模塊可以把控制器的工作狀態(tài)參數(shù)返回至中心控制平臺，通過兩者間信息的相互傳遞以達(dá)到對旋挖鉆機(jī)的遠(yuǎn)程控制、鎖機(jī)等目的;在整個控制作業(yè)中，所有模塊間及串行總線系統(tǒng)傳感器和相應(yīng)的控制器間均要按照一定的通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)及信息的傳遞。

2.旋挖鉆機(jī)電氣系統(tǒng)設(shè)計

2.1硬件設(shè)計

旋挖鉆機(jī)電氣系統(tǒng)采用總線進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的反饋，為典型的反饋式控制?？刂葡到y(tǒng)的主要組成元件包括總線控制器、傳感器、顯示器、限位開關(guān)、電磁閥、開關(guān)電源、油門控制裝置、遠(yuǎn)程通信裝置及車載故障信息接口。其中傳感器的主要作用是實(shí)現(xiàn)對作業(yè)壓力、油液溫度、桅桿傾角及液位等信號的實(shí)時采集，構(gòu)成了系統(tǒng)的感知模塊并將可靠信息傳送至控制器;控制模塊主要是對接收到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理后發(fā)送控制命令至相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)以控制其實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的動作。PLC與傳統(tǒng)的繼電器比較，接線更為簡單，而且PLC的主要功能是利用程序的執(zhí)行來完成的。如需更改部分控制功能，僅需修改接線及相應(yīng)的程序即可，大大減少了工作量;液晶顯示模塊主要是進(jìn)行人機(jī)界面交互以對控制動作進(jìn)行指示，不僅可以對控制參數(shù)及警報系統(tǒng)進(jìn)行直觀反映，還能更準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)電氣控制。交互界面所用的輸入方式為圖形文本LCD，把顯示器當(dāng)作系統(tǒng)的輸入點(diǎn)，顯示的信息可以直觀清楚的反映設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)以方便工作人員進(jìn)行各種操作。開關(guān)電源可將波動電壓整定為穩(wěn)壓狀態(tài)，保證旋挖鉆機(jī)的各個電氣元件均能可靠運(yùn)行;旋挖鉆機(jī)遠(yuǎn)程通信裝置僅需達(dá)到總線協(xié)議通信要求就能執(zhí)行特定的遙控命令;遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)則由嵌入式車載終端及軟件平臺組成，能夠?qū)崿F(xiàn)對旋挖鉆機(jī)受力參數(shù)、工作參數(shù)及警報信息的數(shù)據(jù)采集及參數(shù)設(shè)定，達(dá)到遠(yuǎn)程控制的目的。

2.2軟件設(shè)計

旋挖鉆機(jī)電氣控制系統(tǒng)的軟件主要有PLC編程及液晶顯示器的程序設(shè)計。前者采用專業(yè)化軟件CoDeSys編制，后者用C++語言實(shí)現(xiàn)，然后利用一定的接口程序共享數(shù)據(jù)信息。軟件設(shè)計要達(dá)到對執(zhí)行裝置動作的可靠控制，因此控制器需可靠高效的采集傳感器所傳遞的數(shù)據(jù)信息并進(jìn)行正確判斷。系統(tǒng)故障信息的判斷需要從機(jī)載自身、系統(tǒng)與總線自檢的層面進(jìn)行考慮。為提升系統(tǒng)的智能化水平，控制模塊需具備及時報警、參數(shù)與控制命令的實(shí)時顯示和校正功能。通信程序部分采用模塊化結(jié)構(gòu)，采用主控制程序調(diào)用的執(zhí)行方式。主要有控制啟動總線通信的總線啟動模塊、節(jié)點(diǎn)檢驗?zāi)K及數(shù)據(jù)收發(fā)模塊等。只有在總線進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)通信之后，才開始監(jiān)測各模塊工作狀態(tài)，如果檢測到異常信號則啟動警報系統(tǒng)。

3.結(jié)語

旋挖鉆機(jī)電氣系統(tǒng)的設(shè)計需根據(jù)具體的控制對象和相應(yīng)要求進(jìn)行，不過從整體的設(shè)計流程角度來說大致相同。在闡述其工作原理后，給出了系統(tǒng)的硬件組成及相應(yīng)功能。在軟件方面的設(shè)計可以有效的提升對設(shè)備進(jìn)行電氣控制的準(zhǔn)確度。

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