旋挖鉆機電氣系統(tǒng)的研究

梁賀 胡志民 馬旭

摘要：旋挖鉆機因鉆進效率較高、鉆孔質(zhì)量高且能達到要求的深度以及噪音較低的特點而在建筑基礎(chǔ)工程中得到極為廣泛的應用。旋挖鉆機的鉆孔作業(yè)依賴于其控制系統(tǒng)的設(shè)計，為達到輸出功率、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，對旋挖鉆機電氣控制系統(tǒng)的深入研究具有一定的指導意義。

關(guān)鍵詞：旋挖鉆機;電氣控制系統(tǒng);自動控制

引言

隨著經(jīng)濟建設(shè)的持續(xù)深入、施工技術(shù)的高速進步、環(huán)保理念的不斷加強以及基礎(chǔ)建設(shè)工作的不斷拓展，使得樁基礎(chǔ)的應用范圍非常廣泛。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)的應用中占有絕對大的比例。旋挖鉆機的工作效率較高、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)中占有主導地位。為達到輸出功率、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。機電液一體化作為旋挖鉆機主導的發(fā)展方向，最終將實現(xiàn)全自動化作業(yè)。對旋挖鉆機的電氣控制系統(tǒng)進行合理、優(yōu)化的設(shè)計能夠提高其智能化水平，增強系統(tǒng)的自動控制性能及監(jiān)測保護能力，達到采用計算機系統(tǒng)及電子控制元件來提升旋挖鉆機作業(yè)效率的目的。

1.旋挖鉆機電氣系統(tǒng)控制原理

CAN總線在現(xiàn)場中的應用非常廣泛，是標準化形式的串行總線系統(tǒng)，可靠性較高。基于CAN總線的旋挖鉆機電氣系統(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、液壓泵、操作控制閥及人機交互界面的控制主要實現(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)動機轉(zhuǎn)速控制及極限載荷控制。此外，還可以實現(xiàn)多種安全保護功能及參數(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)部運算結(jié)構(gòu)進行信號的運算及放大等數(shù)據(jù)處理過程，再激活相應的PLC驅(qū)動繼電器、液壓閥或傳送工作參數(shù)至LCD顯示模塊進行顯示;由發(fā)動機底盤部分的控制器采集ECM的油門旋鈕、工作模式、接收點開火等重要狀態(tài)數(shù)據(jù)以達到自動控制發(fā)動機的啟停、轉(zhuǎn)速以及與負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現(xiàn)通信。控制器將獲取信號進行內(nèi)部處理后可控制執(zhí)行機構(gòu)完成預定的動作。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功能;遠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到對旋挖鉆機的遠程控制、鎖機等目的;在整個控制作業(yè)中，所有模塊間及串行總線系統(tǒng)傳感器和相應的控制器間均要按照一定的通信協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)及信息的傳遞。

2.旋挖鉆機電氣系統(tǒng)設(shè)計

2.1硬件設(shè)計

旋挖鉆機電氣系統(tǒng)采用總線進行數(shù)據(jù)信息的反饋，為典型的反饋式控制。控制系統(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現(xiàn)對作業(yè)壓力、油液溫度、桅桿傾角及液位等信號的實時采集，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)信息進行處理后發(fā)送控制命令至相應的執(zhí)行機構(gòu)以控制其實現(xiàn)相應的動作。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的程序即可，大大減少了工作量;液晶顯示模塊主要是進行人機界面交互以對控制動作進行指示，不僅可以對控制參數(shù)及警報系統(tǒng)進行直觀反映，還能更準確的實現(xiàn)電氣控制。交互界面所用的輸入方式為圖形文本LCD，把顯示器當作系統(tǒng)的輸入點，顯示的信息可以直觀清楚的反映設(shè)備的運行狀態(tài)以方便工作人員進行各種操作。開關(guān)電源可將波動電壓整定為穩(wěn)壓狀態(tài)，保證旋挖鉆機的各個電氣元件均能可靠運行;旋挖鉆機遠程通信裝置僅需達到總線協(xié)議通信要求就能執(zhí)行特定的遙控命令;遠程監(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，達到遠程控制的目的。

2.2軟件設(shè)計

旋挖鉆機電氣控制系統(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)信息并進行正確判斷。系統(tǒng)故障信息的判斷需要從機載自身、系統(tǒng)與總線自檢的層面進行考慮。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)點檢驗模塊及數(shù)據(jù)收發(fā)模塊等。只有在總線進行正常的數(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

旋挖鉆機電氣系統(tǒng)的設(shè)計需根據(jù)具體的控制對象和相應要求進行，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)的硬件組成及相應功能。在軟件方面的設(shè)計可以有效的提升對設(shè)備進行電氣控制的準確度。

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