KTY5000鉆機(jī)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

張傳濤　冷志堅(jiān)

摘要：針對(duì)鉆孔樁施工用鉆機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成、控制、方案選擇進(jìn)行了深入研究，設(shè)計(jì)了基于Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線的KTY5000鉆機(jī)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)層由控制器實(shí)時(shí)采集各傳感器的數(shù)據(jù)后在工控機(jī)上進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并通過4G網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)傳送至客戶端層，動(dòng)態(tài)展現(xiàn)鉆機(jī)的運(yùn)行狀況。該系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行穩(wěn)定，既提高了操作安全性又提升了生產(chǎn)效率，對(duì)其他工程機(jī)械的遠(yuǎn)程監(jiān)控具有很好的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：KTY5000鉆機(jī)；Profibus-DP；現(xiàn)場(chǎng)總線；數(shù)據(jù)采集；實(shí)時(shí)監(jiān)控

中圖分類號(hào)：TP23；TM921 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）02-0004-03

1 引言

近年來，隨著跨海大橋建設(shè)技術(shù)的不斷提高，對(duì)于橋梁基礎(chǔ)施工設(shè)備提出了更高的要求。福建平潭海峽公鐵兩用大橋是我國首座公鐵兩用跨海大橋，施工環(huán)境復(fù)雜，建設(shè)難度高，對(duì)于鉆孔樁施工設(shè)備要求高，為此而專門設(shè)計(jì)研發(fā)了具有大扭矩、大直徑全斷面鉆巖成孔能力的KTY5000型鉆機(jī)。

KTY5000型鉆機(jī)以智能控制技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、微機(jī)原理、電工電子技術(shù)等理論為基礎(chǔ)，對(duì)鉆機(jī)的電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì)。通過網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)編程、軟件調(diào)試、仿真分析、STEP7硬件組態(tài)和組態(tài)軟件來實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)的控制、狀態(tài)顯示及實(shí)時(shí)檢測(cè)。

2 電氣控制原理系統(tǒng)功能概述

KTY5000鉆機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為液壓站（可移動(dòng)）、鉆機(jī)架、司機(jī)室三個(gè)主要功能區(qū)塊，電氣系統(tǒng)由電源供應(yīng)系統(tǒng)、電液驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)和輔助保護(hù)系統(tǒng)組成。正常工作模式下，整機(jī)工作需包括液壓站和司機(jī)室設(shè)備，由司機(jī)室主控整機(jī)，司機(jī)室與液壓站需具備三線連接，即供電、總線、視頻三線。

3 電氣控制功能設(shè)計(jì)

KTY5000鉆機(jī)電氣控制系統(tǒng)主要是對(duì)液壓泵、電磁閥和執(zhí)行元件（液壓缸、液壓變量泵）的一些溫度、壓力、速度、開關(guān)量的檢測(cè)并將有關(guān)檢測(cè)數(shù)值輸入給鉆機(jī)的控制器，控制器綜合各種測(cè)量值、設(shè)定值和操作信號(hào)發(fā)出相關(guān)控制信息，對(duì)液壓泵、液壓控制閥和整機(jī)進(jìn)行控制。

3.1 電源供應(yīng)系統(tǒng)

系統(tǒng)采用380V/50Hz三相五線制交流供電，供電方式采用電纜直接敷設(shè)。在操縱室設(shè)電氣操縱臺(tái)，在液壓站旁設(shè)電氣柜，機(jī)構(gòu)移動(dòng)處控制電纜拖放敷設(shè)。通過電氣操縱臺(tái)內(nèi)的接線板與電氣柜之間的連接，構(gòu)成鉆機(jī)電源供應(yīng)系統(tǒng)。

3.2 電液驅(qū)動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)

鉆機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由電機(jī)帶動(dòng)液壓變量泵提供液壓動(dòng)力。主泵電機(jī)由3臺(tái)110kw電機(jī)組成，啟動(dòng)方式為采用軟啟動(dòng)器逐臺(tái)啟動(dòng)，啟動(dòng)完成后旁路，根據(jù)實(shí)際工況可以選擇需要啟動(dòng)的電機(jī)數(shù)量。輔助泵電機(jī)由1臺(tái)15kw電機(jī)組成，待主泵電機(jī)啟動(dòng)完成后采用星三角方式啟動(dòng)。冷卻泵電機(jī)由2臺(tái)2kw電機(jī)直接啟動(dòng)。電氣總圖如圖1所示。

3.3 基于現(xiàn)場(chǎng)總線的主從分布式控制系統(tǒng)

KTY5000鉆機(jī)電控系統(tǒng)采用主從分布式控制系統(tǒng)。在電控系統(tǒng)中，整個(gè)系統(tǒng)通過Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線連接S7-300PLC、軟啟動(dòng)器、拉繩傳感器等設(shè)備，相互進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從而完成鉆機(jī)電控系統(tǒng)主要電氣設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)、故障診斷以及其它輔助功能?，F(xiàn)場(chǎng)總線式實(shí)時(shí)在線檢測(cè)。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖2所示，在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，以CPU315-2DP為主站，ET200M、軟啟動(dòng)器、拉繩傳感器為從站?；诂F(xiàn)場(chǎng)總線的鉆機(jī)控制系統(tǒng)的程序，包括程序采集、數(shù)據(jù)的處理和邏輯運(yùn)算、鉆孔參數(shù)及設(shè)備狀態(tài)顯示、聲光報(bào)警等控制程序。

控制系統(tǒng)主站安裝于司機(jī)室，使用的PLC是西門子S7-300系列作為控制系統(tǒng)核心，控制器為西門子S7-300系列CPU315，分布式從站安裝于液壓站，選用西門子ET200分布式IO模塊單元IM153CPU，主從站各帶有數(shù)字/模擬的輸入/輸出模塊，司機(jī)室與液壓站電氣連接僅為一路電源線、一路急停控制線和一路數(shù)據(jù)總線，具有安裝簡(jiǎn)便、性能穩(wěn)定可靠、響應(yīng)快速、對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。

主站輸入信號(hào)包括電控臺(tái)操作開關(guān)、液壓閥信號(hào)、鉆角雙側(cè)同步檢測(cè)信號(hào)，輸出信號(hào)為液壓開關(guān)閥驅(qū)動(dòng)，從站輸入信號(hào)包括軟啟動(dòng)器控制信號(hào)、熱繼電器/接觸器/斷路器動(dòng)作執(zhí)行安全監(jiān)測(cè)信號(hào)，輸出信號(hào)有液壓開關(guān)/比例閥驅(qū)動(dòng)，軟啟動(dòng)器通過PROFIBUS通訊模塊與主站通訊，主站可以對(duì)軟啟動(dòng)器進(jìn)行控制，并讀取運(yùn)行過程中電流、電壓等各種參數(shù)以及軟啟動(dòng)器的故障報(bào)警。

3.4 實(shí)時(shí)在線監(jiān)控系統(tǒng)

鉆機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)可分為三層，分別為現(xiàn)場(chǎng)層，即直接與西門子S7-300進(jìn)行通訊的工控系統(tǒng)；中心層，即將各現(xiàn)場(chǎng)層采集到的數(shù)據(jù)集中接入的工控系統(tǒng)；客戶端層，即由中心層將數(shù)據(jù)及畫面等轉(zhuǎn)發(fā)的接收或監(jiān)控端。系統(tǒng)軟件基于組態(tài)王軟件開發(fā)。其中，現(xiàn)場(chǎng)層配備一套組態(tài)王運(yùn)行版，用于采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)以完成現(xiàn)場(chǎng)各組態(tài)軟件的工程開發(fā)工作，通訊方式采用TCP/IP。中心層與現(xiàn)場(chǎng)層由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境不具備有線傳輸?shù)囊?，故采?G無線通訊模塊采集現(xiàn)場(chǎng)層的數(shù)據(jù)，中心層配備一套組態(tài)王開發(fā)+運(yùn)行版，負(fù)責(zé)中心層組態(tài)工程的開發(fā)及運(yùn)行工作，同時(shí)需具有web授權(quán)，以實(shí)現(xiàn)客戶端層能不限時(shí)的了解到中心層的畫面及數(shù)據(jù)，其中中心層需具有固定公網(wǎng)IP?？蛻舳藢优鋫湟惶捉M態(tài)王的運(yùn)行版，以滿足客戶端用戶能實(shí)時(shí)了解到現(xiàn)場(chǎng)工作的情況，及時(shí)存儲(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的核心數(shù)據(jù)。監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

鉆機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能是對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行狀態(tài)檢測(cè)，同時(shí)能夠完成在線故障診斷。通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，對(duì)各個(gè)控制對(duì)象進(jìn)行控制，并采集相關(guān)的數(shù)據(jù)，工控機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)對(duì)象的監(jiān)測(cè)。監(jiān)控系統(tǒng)主界面如圖4所示。

實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)安裝在工控機(jī)上，當(dāng)工控機(jī)啟動(dòng)后，自動(dòng)加載啟動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。其主要功能有：

（1）電控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。主界面顯示了動(dòng)力頭馬達(dá)進(jìn)油側(cè)/出右側(cè)壓力、提升油缸壓力、提升油缸高度、鉆進(jìn)壓力、鉆桿扭矩、鉆桿轉(zhuǎn)速、鉆進(jìn)深度、視頻監(jiān)控以及桿件數(shù)量等，方便操作人員查看當(dāng)前整個(gè)鉆機(jī)工作狀態(tài)和運(yùn)行狀況。（2）電路/通信狀態(tài)。監(jiān)控電路狀態(tài)和通信狀態(tài)，發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)給出相應(yīng)的報(bào)警位置，提醒操作人員進(jìn)行檢查。（3）報(bào)警/數(shù)據(jù)記錄。在相關(guān)信號(hào)達(dá)到報(bào)警值或傳感器、通訊系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，記錄液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)的報(bào)警數(shù)據(jù)和常規(guī)數(shù)據(jù)。（4）參數(shù)設(shè)置。參數(shù)設(shè)置包括拉繩傳感器零位設(shè)置、鉆孔深度參數(shù)設(shè)置等。

3.5 輔助保護(hù)系統(tǒng)

輔助保護(hù)系統(tǒng)是保證鉆機(jī)正常工作不可或缺的重要組成部分，本機(jī)的輔助保護(hù)系統(tǒng)主要有：

（1）電路具有浪涌保護(hù)、相序保護(hù)、以及過電壓、欠電壓等保護(hù)功能，并在司機(jī)室、液壓站控制柜、鉆架旁設(shè)有急停開關(guān)，危險(xiǎn)情況下可停止設(shè)備運(yùn)行，確保系統(tǒng)的安全；（2）針對(duì)液壓系統(tǒng)具有油溫保護(hù)、壓力保護(hù)等措施；（3）全部的動(dòng)力輸出均采用屏蔽電纜，可以有效地抑制動(dòng)力輸出對(duì)控制信號(hào)的干擾，全部控制電纜也采用屏蔽電纜，屏蔽層兩頭接地，可以防止強(qiáng)干擾進(jìn)入控制回路；（4）控制電源隔離，獨(dú)立的供電模塊提供穩(wěn)定的直流24v電源，以確?？刂齐娫吹姆€(wěn)定和不受干擾。

4 結(jié)語

KTY5000鉆機(jī)是專門為福建平潭海峽公鐵兩用大橋大直徑基礎(chǔ)鉆孔樁施工而研制，動(dòng)力系統(tǒng)采用模塊化、集成化設(shè)計(jì)，操作系統(tǒng)采用可視化、交互性好、更貼合操作習(xí)慣的人機(jī)界面，并有遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)管理功能，提高了鉆機(jī)的自動(dòng)化控制水平，可方便地實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)就近操作設(shè)備，既提高了操作安全性又提升了生產(chǎn)效率。

參考文獻(xiàn)

[1]劉輝.基于現(xiàn)場(chǎng)總線的交流變頻鉆機(jī)電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[D].四川：西華大學(xué)，2007.

[2]丁業(yè)升，魏瑋. KTY5000動(dòng)力頭鉆機(jī)進(jìn)給液壓系統(tǒng)控制方法研究[J].科技視界，2014，（8）：79-80.

[3]張傳濤，劉紅.PLC和軟啟動(dòng)器在鉆機(jī)電氣控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子世界，2013，（5）：48.

[4]李崇博，李鵬飛，胡濤.基于Profibus-DP的石油鉆機(jī)電控實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].石油機(jī)械，2009，（9）：140-142.

[5]姜建芳.西門子S7-300/400PLC工程應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015.

[6]孟彥京，崔文.Profibus-DP在ABB傳動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].伺服控制，2013，（12）：65-67.