基于PLC控制的多功能土壤地下水調查采樣機的研發

王克虎，滿國祥，王浩

(1.河北省地礦局國土資源勘查中心，石家莊 050018；2.河北石探機械制造有限公司，石家莊 050018)

0 引言

近年來，隨著各地環保力度不斷加強，不僅僅需要對空氣進行檢測，確定空氣中的有害氣體成分，地下水和地下土的污染程度也越發受到關注。地下水與地下土的污染檢測過程比較復雜，檢測工序比較繁瑣，因此急需一種專業化較強的地下水(土)調查采樣設備。

1 采樣機概述

本文介紹的是一種多功能土壤地下水調查采樣機，該設備采用履帶底盤的移動方式。履帶底盤越障能力、地形適應能力強，可原地轉彎，可以大幅減少路況對載重車輛的限制，因此可以適用于各種復雜地形。鉆機具有以下幾個主要功能：整體設備的履帶移動、后托架起落、桅桿地腳伸縮、桅桿起落、動力頭工作、卷揚桅桿升降、液壓卷揚工作等。圖1為多功能土壤地下水調查采樣機整體示意圖。

圖1 多功能土壤地下水調查采樣機整體示意圖

本設備的具體工作步驟為：第一步，通過履帶移動，將設備移動至需要取樣工作的點位；第二步，后托架液壓缸工作，使得整個設備處于水平穩定狀態；第三步，桅桿升起，直至與地面垂直，桅桿地腳液壓缸工作，使桅桿處于穩定狀態；第四步，動力頭帶動鉆桿開始取樣工作。取樣完成后，先通過卷揚桅桿的上升帶動，再由液壓卷揚工作帶動鉆桿離開地面，將待檢土樣或者水樣取出后，進行樣品的流轉和檢測。

對于地下水(土)的取樣調查工作，目前主要以人工作業為主，但是這種操作存在很多問題，主要是效率低、速度慢、鉆桿下沉位置不準確、污染外源增多、取樣不方便、安全可靠性差等，從而影響整體工作進程和取樣結果。隨著數控技術的發展，遠程控制技術已經滲透到工程施工的眾多工序中，極大地改變了傳統的施工方式，提高了工程機械的自動化水平與生產效率。因此，研發多功能土壤地下水調查采樣機具有重要意義。

多功能土壤地下水調查采樣機設備主要由機械系統、電控系統、液壓系統組成。通過研究，確定以內裝式PLC作為控制系統，提高了控制系統的可操作性及安全性[1]。該設備采用7英寸顯示屏進行狀態顯示和報警提示，可以匯總并顯示設備工作時的各項參數，同時采用遠程遙控器控制履帶行走和后托架的工作，在方便操作的同時增加了安全性。本文主要對電控系統和液壓系統進行介紹和說明。

2 液壓控制系統的系統設計

通過對設備的工作流程和機構工作原理的分析，設計了液壓控制系統。其液壓控制回路如圖2所示，由油箱、吸油過濾器、電機、葉片泵、三位四通換向閥、單向節流閥、液控單向閥、液壓缸等組成[2]。液壓缸的換向通過三位四通換向閥控制，其中為了保證液壓缸的推進速度恒定平穩運行，采用單向節流閥來控制液壓缸的伸縮速度[3]。

1.油箱；2.吸油過濾器；3.電機；4.葉片泵；5.三位四通換向閥；6.單向節流閥；7.液控單向閥；8.后托架液壓缸；9.卷揚桅桿伸縮液壓缸；10.桅桿左右調節液壓缸；11.動力頭平移液壓缸；12.桅桿伸縮液壓缸；13.桅桿地腳伸縮液壓缸；14.桅桿起落液壓缸。

2.1 液壓系統參數

系統壓力值。鉆機的液壓系統是負載敏感液壓系統，單聯變量泵，有兩路負載敏感多路閥，兩路系統壓力坐標在多路閥的M口提取壓力值。

液壓油溫度。液壓油溫傳感器坐標點液壓油箱。

液壓油溫度控制。油溫上升至 50 ℃(閉合)→驅動液壓冷卻風扇；油溫下降到 30 ℃(斷開)液壓冷卻風扇停止。

過濾報警。①吸油濾芯(發訊開關)；②回油濾芯(發訊開關)；③高壓濾芯(發訊開關)。

液壓與電氣對接的詳細要求如表1所示。

表1 液壓與電氣對接表

2.2 液壓系統構成

液壓系統主要包括：系統壓力A組多路閥、系統壓力B組多路閥、液壓油溫傳感器、吸油過濾器(壓力開關)、回油過濾器(壓力開關)、高壓過濾器(壓力開關)[4-5]。具體說明如表2所示。

表2 液壓系統說明表

3 控制系統的系統設計

3.1 控制系統的總體方案

整機電氣及線路與部件配合，電氣系統包括發動機、控制器、鉆機操作面板、無線遙控裝置、閥門IO控制模塊、傳感器及顯示器等幾個單元。系統采用了先進的CAN總線可編程序控制器、圖形顯示控制器等，成為一個集數據采集、可編程序控制、虛擬儀表、總線傳輸、故障診斷一體的智能控制系統。發動機ECU將機身上的所有傳感器數據通過線纜傳輸給可編程序控制器，而可編程序控制器與顯示儀表則通過CANBus通訊協議進行數據交換[6]。

本設備的履帶行走(前進、后退、左轉、右轉)的控制，由手持遙控遠程操作來實現。內裝式PLC主要完成機械輔助動作(后托架起落、桅桿地腳伸縮、桅桿起落、卷揚桅桿升降)的順序控制及開關量控制工作[7]。各路傳感器對整體設備的壓力和溫度進行實時監測，并將信號反饋至顯示屏。工作人員可通過顯示屏了解和掌握設備的工作狀態和各項重要參數，從而提高設備的使用壽命，保證設備操作與使用的安全性。設備內裝式PLC系統結構框圖如圖3所示。

圖3 內裝式PLC系統結構框圖

操作人員通過操作面板或遙控發射機上的按鈕發出指令，傳感器檢測機器的工作參數和極限參數，可編程序控制器對指令信號和傳感器信號進行放大、連鎖及邏輯運算，驅動執行器(電磁閥)，完成包括發動機的監控與故障診斷、鉆機行走、鉆機沖擊旋轉、各種傳感器故障自診斷、數據存儲等功能。系統運行的各種狀態參數實時通過CAN總線傳輸到圖形顯示控制器，完成沖擊、虛擬儀表等功能，并且可以通過顯示器進行參數設定與系統標定[8]。CAN總線控制發動機部分、液壓系統部分、鉆機面板燈光部分、無線遙控部分、彩屏顯示部分共5部分。其中采樣機整機線束控制結構圖見圖4。

圖4 采樣機整車線束控制結構圖

3.2 面板部分的總體方案

3.2.1 采樣機控制面板

采樣機控制面板包括：顯示屏、燈光、急停開關、啟動和油門控制等部分。采樣機控制面板功能示意如表3所示。

表3 采樣機控制面板功能示意表

3.2.2 彩色顯示屏

選擇7英寸彩色顯示屏，可以方便查閱各項參數和工作時報警提示狀態，同時自帶密碼開機和遠程傳輸功能。彩色顯示屏的主要功能示意如表4所示。

表4 屏幕功能示意表

3.2.3 行走系統

行走系統的控制分為左行走無級變速控制和右行走無級變速控制，具體內容如表5所示。

表5 行走系統示意表

4 發動機部分

4.1 發動機選型

發動機選擇符合國家第三階段排放標準的74 kW 康明斯發動機，具有以下幾個優點：①機組品質優良，性能卓越；②機組自身的振動及噪聲在同類產品中處于較低水平，發動機與發電機采用SAE標準連接，能保證極高的同軸度，進而使得機組自身振動極低，單振幅度小于0.3 mm；③一體化結構，便于用戶使用、安裝，外形更加美觀，機組為槽鋼一體化結構，內置有高效減振裝置，可吸收機組絕大部分的振動，使得機組的安裝極為簡便，只需一平整水泥平臺或具有足夠載重的地板，將機組置于其上，不用擔心機組振動傳至墻體和地基，該減振裝置還可有效地隔絕外部振動對機組的影響，確保達到機組抗地震的要求；④機組的使用經濟性較好，達到國際先進水平,燃油油耗及機油油耗遠低于國家標準(GB/T 2820.1—2009)；⑤配套件及配套技術資料齊全，使得用戶安裝、使用更加簡便。

發動機ECU插頭B-94針腳接線如表6所示。

表6 ECU插頭針腳接線示意表

表6(續)

4.2 相關電器插件

電器插件主要包括診斷接口、R232、預熱繼電器、燃油含水器、啟動繼電器、啟動馬達、發電機、快速撥扭、前后燈。具體電器插件的型號如表7所示。

表7 電器插件的型號示意表

5 遙控發射機面板指令及功能

遙控發射機的主要功能包括：履帶方向調節、履帶行走速度調節、柴油機啟動、柴油機油門調節、后托架上下控制。遙控器具體面板指令及功能分布如表8所示。

電控系統接口型號類型包括：模擬量、開關量、IO點數、CAN、RS232匯總等。

表8 遙控器面板指令及功能分布表

6 結語

多功能土壤地下水調查采樣機的整機電氣控制系統，采用CAN總線控制，主要部件有控制器、14型閥門IO控制器、ECU發動機、無線遙控發射/接收器、顯示屏、整車線束等，另外還有翹板開關、點火開關、油門旋鈕開關、傳感器等。鉆機在轉場的過程中，主要以遙控控制行走、轉彎動作，有快慢速選擇。鉆機在現場工作的過程中，主要以操作液壓手柄控制各種動作，操作更靈活、效率更高、準確率更高，對操作工人技術水平要求低，為企業節約成本，提高企業競爭力，有廣闊的市場應用前景[9]。