全斷面破巖模擬試驗鉆機控制系統(tǒng)設(shè)計

馮景浦，渠婷婷，王盼，張學剛

寧夏天地奔牛實業(yè)集團有限公司 寧夏銀川 753400

模 擬試驗鉆機是研究機械破巖時鉆壓、轉(zhuǎn)矩、刀齒布置、破巖深度、進給速度、鉆頭轉(zhuǎn)速等影響因子對破巖效果影響的關(guān)鍵設(shè)備。其控制系統(tǒng)是研究破巖效果最好、效率最高、最安全的破巖參數(shù)的核心內(nèi)容。模擬試驗鉆機控制系統(tǒng)較反井鉆機控制系統(tǒng)、頂驅(qū)鉆機控制系統(tǒng)更加復雜、更加靈活[1-4]，筆者針對模擬試驗鉆機多變量輸入、多模式轉(zhuǎn)換、混合信號采集等特點，研究并設(shè)計了全斷面破巖模擬試驗鉆機控制系統(tǒng)。

1 控制系統(tǒng)功能

全斷面破巖模擬試驗鉆機控制系統(tǒng)的主要功能包括：電動機控制與保護、多參數(shù)輸入控制、混合信號監(jiān)測與數(shù)據(jù)存儲、開機自檢、閥組控制及比例控制等。

(1) 電動機控制與保護 整個系統(tǒng)的動力來源于液壓泵站，這就要求控制系統(tǒng)具備對液壓泵站的 2臺 110 kW 主泵電動機、1 臺 18.5 kW 副泵電動機、1臺 7.5 kW 油冷機及 3 臺 3 kW 加熱器進行控制，同時滿足電動機的過載、缺相及短路等保護。

(2) 多參數(shù)輸入及控制 全斷面破巖模擬試驗鉆機主要是用于尋求最優(yōu)的破巖參數(shù)，這就要求試驗鉆機控制系統(tǒng)必須具備鉆壓、轉(zhuǎn)矩、進給速度、鉆頭轉(zhuǎn)速等多參數(shù)輸入和控制功能。

(3) 混合信號監(jiān)測與數(shù)據(jù)存儲 試驗鉆機所需監(jiān)測的工況數(shù)據(jù)傳感器類型有 PT100 電阻型、4～20 mA 電流型、0.5～4.5 V 電壓型及無線應變監(jiān)測 4 類信號類型，其中無線監(jiān)測的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)直接進入上位機監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，其他監(jiān)測數(shù)據(jù)通過 PLC 采集后傳輸至上位機監(jiān)測數(shù)據(jù)庫?？刂葡到y(tǒng)通過搭建的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫具備工況試驗數(shù)據(jù)存儲和歷史數(shù)據(jù)查詢功能?；旌闲盘柋O(jiān)測與存儲功能框圖如圖 1 所示。

圖1 混合信號監(jiān)測與存儲功能框圖Fig.1 Block diagram of mixed signal monitoring and storage function

(4) 開機自檢 試驗鉆機屬于實驗室設(shè)備，為保障鉆機穩(wěn)定、安全可靠運行，需要對液壓泵站的油位高低、控制系統(tǒng)按鈕是否歸零等內(nèi)容進行自檢。

(5) 閥組控制 試驗鉆機的主推缸進給、動力頭旋轉(zhuǎn)等動作均是通過三位四通換向閥實現(xiàn)控制，為此，控制系統(tǒng)必須具備對應的閥組控制功能。

(6) 比例控制 試驗鉆機的系統(tǒng)主泵出口壓力、副泵出口壓力、主泵排量等參數(shù)均是通過比例閥控制實現(xiàn)，所以試驗鉆機控制系統(tǒng)還需具備比例驅(qū)動控制功能，實現(xiàn)對比例電磁鐵的控制。

(7) 遠程遙控 試驗鉆機整機體積大，目視范圍有限，為更好、更安全地對試驗鉆機進行控制，特增加遠程遙控功能，實現(xiàn)鉆機附近就近控制。

2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

模擬試驗鉆機控制系統(tǒng)主要由硬件、軟件兩大模塊組成。兩大模塊相輔相成，共同實現(xiàn)模擬試驗鉆機的控制、監(jiān)測和數(shù)據(jù)存儲功能。

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖 2 所示。

圖2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Block diagram of hardware software of control system

(1) 采用軟啟動器實現(xiàn)對 110 kW 主泵電動機軟啟動，同時實現(xiàn)電動機的過載、缺相等保護。

(2) 采用熱磁斷路器、接觸器、熱繼電器等關(guān)鍵元器件實現(xiàn)對輔泵電動機、油冷器、加熱器、強制潤滑用電動機的控制和保護。

(3) 選用西門子 S7-1200 系列 PLC 做控制核心，實現(xiàn)邏輯計算和指令控制，同時與遙控器、上位機通信實現(xiàn)控制指令下達和數(shù)據(jù)共享[5]。

(4) 選用工控機作為上位機，并選用 Top Link 組態(tài)軟件，以鼠標、鍵盤的方式進行多參數(shù)輸入和數(shù)據(jù)存儲操作。

(5) 選用無線應變節(jié)點和帶有無線射頻模塊的網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)對旋轉(zhuǎn)部件鉆桿的鉆壓和轉(zhuǎn)矩的監(jiān)測，并通過局域網(wǎng)以 BeeNet 協(xié)議與上位機通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

(6) 選用遙控器實現(xiàn)對模擬試驗鉆機的無線控制。遙控接收器與 PLC 間采用 RS485 通信，以Modbus RTU 協(xié)議實現(xiàn)控制指令的傳輸。

(7) 選用傳感器信號變送器，將模擬試驗鉆機的溫度、壓力、流量、轉(zhuǎn)速、位移等傳感器信號轉(zhuǎn)換成標準的 4～20 mA 信號，接入 PLC 內(nèi)進行數(shù)據(jù)采集。

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)軟件主要包括上位機組態(tài)軟件和下位機PLC 控制軟件。上位機采用圖形化組態(tài)編程和寄存器關(guān)聯(lián)方式，實現(xiàn)上位機界面組態(tài)和控件指令映射。下位機 PLC 由于要實現(xiàn)控制動作，過程、保護機制比較繁瑣，為此 PLC 程序采用模塊化編程，即將整個控制邏輯和保護機制劃分成對應功能模塊，然后按功能模塊進行編程。同時根據(jù)不同工況、不同模式按邏輯調(diào)用不同模塊程序?？刂葡到y(tǒng)主要流程圖如圖 3 所示。

圖3 控制系統(tǒng)主要流程圖Fig.3 Main program flow of control system

(1) 開機自檢功能模塊 控制系統(tǒng)首次啟動液壓泵站電動機之前，對操作按鈕、旋鈕是否處于初始位置進行檢測，對各電動機供電回路的斷路器、接觸器狀態(tài)進行檢測，對液壓泵站液壓油油位、油溫進行檢測。只有在滿足條件的情況下，才可以啟動液壓泵站電動機。

(2) 調(diào)試功能模塊 模擬試驗鉆機各功能動作間存在互鎖或聯(lián)鎖關(guān)系。為適應調(diào)試階段工作，特設(shè)置調(diào)試功能模塊，即屏蔽所有互鎖、聯(lián)鎖關(guān)系，使得各控制邏輯及動作在不開啟液壓泵站的條件下，仍可以操作。

(3) 工況監(jiān)測及存儲功能模塊 根據(jù)模擬試驗鉆機硬件 PLC 模擬量輸入模塊特點及所要監(jiān)測的物理量，設(shè)計對應的采集通道驅(qū)動程序，并根據(jù)量程大小進行標定，實現(xiàn)工況數(shù)據(jù)采集。同時，利用上位機自帶的數(shù)據(jù)庫，通過寄存器地址映射的方式，將數(shù)據(jù)存儲在工控機數(shù)據(jù)庫內(nèi)，以備查詢分析使用。控制系統(tǒng)工況監(jiān)測組態(tài)界面如圖 4 所示。

圖4 控制系統(tǒng)工況監(jiān)測組態(tài)界面Fig.4 Interface of operating state monitoring configuration of control system

(4) 比例電磁鐵驅(qū)動控制 模擬試驗鉆機的鉆壓、轉(zhuǎn)速、進給速度均通過比例電磁鐵進行驅(qū)動控制。為此，將比例電磁鐵驅(qū)動控制相關(guān)內(nèi)容作為一個特定的功能模塊進行編程。通過 PLC 模擬量輸出模塊輸出 0～10 V 電壓信號，直接驅(qū)動內(nèi)置電控器的比例溢流閥，實現(xiàn)鉆機壓力控制；通過 PLC 模擬量輸出模塊輸出 0～10 V 電壓信號，驅(qū)動 RA2-1/10 比例放大器輸出 200～600 mA 電流，控制主泵輸出排量呈比例變化，進而實現(xiàn)鉆機動力頭轉(zhuǎn)速控制[6]；通過PLC 模擬量輸出模塊輸出 0～10 V 電壓信號，驅(qū)動VT-3017 比例放大器輸出 500～1 500 mA 電流，控制比例換向閥開口大小，實現(xiàn)鉆機進給速度控制。比例電磁鐵控制原理如圖 5 所示。

圖5 比例電磁鐵控制原理Fig.5 Control principle of proportional electromagnet

(5) 常規(guī)電磁鐵驅(qū)動控制 根據(jù)模擬試驗鉆機液壓執(zhí)行元件 (液壓馬達及液壓缸) 的相關(guān)動作要求，利用 PLC 的梯形圖進行邏輯編程，形成執(zhí)行元件的控制功能模塊，即常規(guī)電磁鐵驅(qū)動控制模塊。

(6) 遠程控制 依據(jù)與遙控接收器約定的通信地址點表，將遠程控制指令、關(guān)鍵數(shù)據(jù) (轉(zhuǎn)速、系統(tǒng)壓力、轉(zhuǎn)矩等) 轉(zhuǎn)換與共享內(nèi)容，編制成一個特定的程序功能模塊，方便整個控制系統(tǒng)軟件編程。

(7) 報警機制 將整個模擬試驗鉆機所有報警信息匯總、分類并劃定優(yōu)先級，通過根據(jù)不同類別不同優(yōu)先級的報警，設(shè)定不同的處理措施，形成模擬試驗鉆機的特定的報警機制。所設(shè)計的報警機制作為獨立的功能模塊運行在整個軟件程序中，以中斷的方式觸發(fā)，保障報警處理的時效性，從而保障設(shè)備安全穩(wěn)定運行。報警機制功能模塊框圖如圖 6 所示。

圖6 報警機制功能模塊框圖Fig.6 Block diagram of alarming function module

3 控制系統(tǒng)原理設(shè)計

模擬試驗鉆機具備恒定壓力、恒定轉(zhuǎn)矩、恒定進給速度 3 種特殊工況模式的試驗能力。為此，設(shè)計控制的控制系統(tǒng)采集壓力、位移及轉(zhuǎn)速的相關(guān)數(shù)據(jù)，通過分析、判斷并控制相應的比例電磁鐵動作，實現(xiàn) 3種特殊工況穩(wěn)定運行。

3.1 恒定壓力模式

在模擬破巖試驗過程中保證鉆機鉆頭最大推力不變，進給速度隨負載情況自動調(diào)整。該模式采用壓力閉環(huán)控制方式，利用 PLC自帶的 PID_Compact 通用PID 控制器進行控制，實現(xiàn)主推缸恒壓鉆進工藝。利用壓力傳感器實時采集主推缸進口壓力，作為閉環(huán)控制系統(tǒng)的反饋信號。恒定壓力模式閉環(huán)控制原理如圖7 所示。

圖7 恒定壓力模式閉環(huán)控制原理Fig.7 Closed-loop control principle of constant pressure mode

3.2 恒定進給速度模式

在模擬破巖實驗過程中保證鉆機在進給時速度保持不變，鉆頭推力隨負載情況在系統(tǒng)保護壓力下自動調(diào)整。該模式采用速度閉環(huán)控制方式，利用 PLC 自帶的 PID_Compact 通用 PID 控制器控制比例放大器輸出相應驅(qū)動電流，控制比例換向閥閥芯位移，實現(xiàn)恒定進給速度鉆進工藝。利用位移傳感器實時采集主推缸位移，并計算進給速度，作為閉環(huán)控制系統(tǒng)的反饋信號。恒定進給速度模式控制原理如圖 8 所示。

圖8 恒定進給速度模式閉環(huán)控制原理Fig.8 Closed-loop control principle of constant feeding speed mode

3.3 恒定轉(zhuǎn)矩模式

在模擬破巖實驗過程中保證鉆機鉆頭輸出轉(zhuǎn)矩恒定不變，主推進給速度隨負載變化而變化。該模式采用壓力閉環(huán)控制方式，利用 PLC 自帶的 PID_Compact通用 PID 控制器控制比例放大器輸出相應驅(qū)動電流控制比例溢流閥閥芯位移，實現(xiàn)恒定轉(zhuǎn)矩鉆進工藝。利用壓力傳感器實時采集動力頭液壓馬達進口壓力，并根據(jù)液壓馬達排量、進口壓力計算實時轉(zhuǎn)矩，作為閉環(huán)控制系統(tǒng)的反饋信號。恒定轉(zhuǎn)矩模式控制原理如圖9 所示。

圖9 恒定轉(zhuǎn)矩模式閉環(huán)控制原理Fig.9 Closed-loop control principle of constant torque mode

4 結(jié)語

全斷面破巖模擬試驗鉆機控制系統(tǒng)較反井鉆機、頂驅(qū)鉆機控制系統(tǒng)，增加了特定模式轉(zhuǎn)換、多參數(shù)輸入、遠程遙控以及無線監(jiān)測等內(nèi)容，使控制系統(tǒng)功能更加豐富、控制形式更加多樣。同時引入完善的報警機制，使控制系統(tǒng)更加安全、可靠，滿足了實驗室模擬破巖的使用要求。測試結(jié)果表明，設(shè)計的控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定、響應迅速、監(jiān)測數(shù)據(jù)準確、操作柔和，完全符合開展破巖效果研究的各項要求。