基于 PLC 的隧道加固機械手電氣控制技術

婁建國（上海隧道工程有限公司，上海 200232）

鋼管片安裝的速度決定了工程的進度，因此，加固機械手的靈活、安全和穩定性必須兼而有之。加固機械手在作業前，底部基礎四周的 4 個油缸應先伸出至地面吃力，即 4 條腿把整機設備支撐起后，接通加固機械手電源，打開液壓站動力源，加固機械手才可以開始正常抓起鋼管片。

在實際施工中，由于 4 條油缸腿應伸足并著力在管片上，油缸弧狀鞋靴應最大面積作用與管片面上，所以，油缸支撐腿有固定的角度。加固機械手控制系統是通過 PLC 來對液壓泵、多路換向閥和執行元件（液壓油缸、電動機）等所構成的動力系統進行控制[1]。

1 控制元件選型

考慮到加固機械手的安全性與穩定性，故選用三菱公司較為成熟的 FX 1 N 系列可編程控制器。其特點可歸為以下幾點：電源、CPU、存儲器、輸入輸出組成一個單元的可編程控制器，同時在 AC 電源 DC 輸入型中內置傳感器用 DC 24 V 電源。輸入輸出擴展設備最大可擴展至 128 點，擴展模塊或擴展單元只可以使用 FX0N系列和 FX2N 系列。通過內置開關可進行 RUN/STOP 操作，同時，也可以從外圍設備或一般輸入端子 X000-X017 下達 RUN/STOP 指令。內置2 個用于調整定時器時間的模擬電位器（模擬電位器的值放入 D 8030、D 8031）。

2 結構設計

設計的隧道內壁加固機器手要能夠完成加固鋼襯的自動抓取、位置調整和固定拼裝的功能，并且保持一定的施工精度，需要加固機械手的各個部件之間保持緊密配合，還能直觀展示其各部件之間加固機械手的結構設計。SolidWorks軟件可以真實地反映設計構件的空間位置和運動關系，從而能夠更有效的完成，而常規的機械圖紙設計方法對于展示位置和運動關系稍有欠缺。因此基于三維設計軟件SolidWorks，設計的隧道內壁加固機器手結構如圖 1。

圖1 隧道內壁加固機器人結構示意圖

設計的隧道內壁加固機械手主要是通過電氣來控制各機械部件的動作，各機械部件的工作動力是由整體的液壓體統來提供的。其中，電氣系統主要由動力控制柜和回轉控制柜組成，動力控制柜主要控制加固機械手的動力輸入與輸出，回轉控制柜主要控制加固機械手各部件的自由度動作，以便完成加固鋼管襯的拼裝。通過機械系統、液壓系統和電氣系統之間的相互配合，隧道內壁加固機械手可以完成支撐、平移、回轉、動臂、擺臂、鉗體伸縮及鉗體的擺動等個動作，從而可以完成加固鋼襯的自動抓取、位置調整和高精度安裝等工作，代替人工，實現隧道內壁快速、高效的加固施工[2]。

實際施工中，隧道內壁加固機械手需要在 φ 5 500 mm隧道空間內鉗住弧長 3 300 mm、寬 850 mm、厚 30 mm、R=2 750 mm 的弧形鋼管襯，安全地穿越隧道內管線，調整安裝位置，將弧形加固鋼襯拼裝到隧道內壁上[3]。基于鋼襯的外形尺寸和隧道空間尺寸，設計的隧道內壁加固機械手實際工作時有 3°、70°、37.5° 和 50.5° 四個安裝位置，如圖 2所示。

圖23° 鋼管襯拼裝示意圖

3 硬件部分設計

隧道加固機械手由兩個電氣控制柜組成，分別是動力控制柜和回轉控制柜。動力控制柜內主要有三菱 FX1N 型號PLC、三菱 FR-A740-11K 型號變頻器、11 kW 油泵電機與風扇電機、無線遙控器信號接收系統、有線遙控器以及用來控制千斤頂伸縮電磁閥的中間繼電器。三菱 FX1N-60MR-001是三菱電機推出的功能強大的普及型 PLC。具有擴展輸入輸出，模擬量控制和通訊、鏈接功能等擴展性。是一款廣泛應用于一般的順序控制三菱 PLC。該項目中選用了 FX1N-60 MR 以及FX2N-2DA 模塊以滿足隧道加固機械手的輸入輸出與模擬量控制需求。三菱 FR-A740-11 K 變頻器用于變頻控制 11 kW 油泵電機來達成控制 1 號到 4 號千斤頂的伸縮速度的目的。

3.1 無線遙控器

無線遙控器一共以下幾個開關量點位：操作盒停止、啟動/千斤頂縮選擇、加速、減速、回轉正轉、回轉反轉、1 號千斤頂選擇、2 號千斤頂選擇、3 號千斤頂選擇、4 號千斤頂選擇以及兩個備用按鈕。無線遙控器作為正常情況下的控制手段操作加固機械手完成拼裝動作。

3.2 有線遙控器

有線遙控器作為備用，在無線部分有故障時可以切換成有線模式，通過有線遙控器操作控制加固機械手完成拼裝動作。

回轉控制柜內主要有：三菱 FR-A740-2.2K 變頻器、1. 5 kW 回轉電機、5.5 kW 平移支撐電機。

3.3 回轉系統

回轉系統操作在無線遙控器上選擇控制，出于安全性考慮在回轉電機上增加了回轉剎車模塊以確保停止回轉時能及時停下并且在回轉動作時有報警燈的聲光報警。

回轉速度通過 PLC 的 4-20 mA電流模擬量輸出至 FR-A 740-2.2K 變頻器的端子 4 輸入即 4-20 mA 電流輸入控制，回轉的正轉反轉方向通過在遙控器上選擇正轉或者選擇反轉然后 PLC 會輸出給 FR-A 740-2.2 K 變頻器的 STF（正轉啟動）端子或者 STR（反轉啟動）端子一個信號來控制。

平移支撐系統通過 5.5 kW 電機提供動力源控制平移油缸、一至四號支撐油缸的伸縮動作。平移支撐系統需要在平移支撐控制手柄上操作。支撐系統的控制為硬件直接控制，按相應油缸的伸或縮按鈕，相應的液壓閥得電從而相應油缸動作。

3.4 懸臂梁控制柜

懸臂梁的回轉系統由一個 1.5 kW 的回轉電機、正轉接觸器、反轉接觸器等部分組成。懸臂梁的行走系統由一個0.37 kW 的行走電機（帶剎車線圈）、電機前進接觸器、電機后退接觸器等部分組成。由開關控制盒上的電機前進、電機后退按鈕控制接觸器線圈得電失電。懸臂梁的環鏈電動葫蘆系統由控制柜內的開關控制盒葫蘆上升、葫蘆下降按鈕給環鏈電動葫蘆接線盒信號控制電動葫蘆的上升下降動作。

4 軟件部分設計

本加固機械手采用 FX 系列 PLC 控制，故 PLC 編程軟件選用了 GxWorks 2 來進行編程。PLC 運行后第一個掃描周期復位故障點M0以及輸出 0 給變頻器頻率的模擬量輸出地址 D 0 與 D 2。

4.1 動作流程圖

加固機械手的提舉、回轉、支撐與平移動作流程圖如圖3～圖 5 所示。

圖3 提舉動作流程圖

圖4 回轉動作流程圖

圖5 支撐平移動作流程圖

4.2 梯形圖程序編程

如圖 6 所示，加固機械手回轉控制通過按手柄上的加速或減速按鈕來調整控制變頻器的頻率大小即電機轉速速度大小。在滿足 M0 與 M4 信號正常、M1 有線模式信號正常，M8011 為 plc 的 10 ms 時鐘信號，在無線手柄上選擇動力啟動按鈕，M2 線圈輸出，M2 上升沿的時候將 D8030（plc上的一個電位器的值）輸入到 D0。接下來該選擇幾號伸或縮，選好之后相應油缸的液壓閥得電油缸動作。

圖6 機械手液壓油缸無線控制部分示意

如圖 7 所示梯形圖，在滿足 M0 與 M4 信號正常、M1有線模式信號正常，M8011 為 plc 的 10 ms 時鐘信號，在有線手柄上選擇動力啟動按鈕，M5 線圈輸出，M5 上升沿的時候將 D8031（plc上的一個電位器的值）輸入到D20。接下來該選擇回轉正轉或反轉，選好之后輸出相應線圈。

圖7 機械手液壓油缸有線控制部分示意

5 操作流程

隧道加固機械手有兩個電氣控制柜組成，分別是動力控制柜和回轉控制柜。動力控制柜是用來控制加固機械手的提舉動作。加固機械手一共有四只千斤頂來完成整個提舉動作。加固機械手的提舉動作有兩種操作模式：無線模式和有線模式。在柜門上有選擇開關來選擇無線模式和有線模式。正常情況下使用無線模式操作，在無線部分有故障時可以切換成有線模式來操作。

5.1 無線模式

啟動：將安全鎖插上，同時按下減速和啟動/縮兩只鍵2s后變頻器開始運轉，此時為 0 HZ。千斤頂伸縮：在按下相應的千斤頂伸鍵后，再按加速動力電機開始轉動，放開加速保持當前設定速度值，最高為 50 HZ。如果速度過快，可以按減速動力電機轉速即可下降。放開相應的千斤頂伸鍵，則相應的千斤頂伸動作停止，變頻器保持當前頻率。在同時按下啟動/縮和相應的千斤頂伸鍵后，變為相應的千斤頂縮動作，加減速操作同上。停止：按下停止變頻器停止運轉。所有動作停止。

5.2 有線模式

將柜門上的選擇開關選到有線模式。啟動：檢查緊急按鈕處于放開的位置后，將手柄上的選擇開關選到開，變頻器運轉。千斤頂伸縮：在手柄上按下相應的千斤頂伸或縮鍵后，再按加速動力電機開始轉動，放開加速保持當前設定速度值。最高為 50 HZ。如果速度過快，可以按減速動力電機轉速即可下降。放開相應的千斤頂伸或縮鍵，則相應的千斤頂伸或縮動作停止，變頻器保持當前頻率。停止：將手柄上的選擇開關選到關變頻器停止運轉。所有動作停止。

5.3 平移支撐動作

平移支撐動作在有線操作手柄上控制。啟動：按回轉控制柜上的啟動按鈕，動力泵啟動。檢查緊急按鈕處于放開的位置后，將手柄上的選擇開關選到開允許操作。平移動作：按平移的伸或縮鍵，加固機械手將做相應的平移動作。支撐動作：按相應支撐的伸或縮鍵，加固機械手的相應支撐將做伸或縮的動作。停止：按回轉控制柜上的停止按鈕，動力泵停止。將手柄上的選擇開關選到關停止操作。

6 結 語

為了能夠提高隧道內壁加固的施工效率和施工精度，設計和研究了一種新型的隧道內壁加固機械手。相比于常規的人力加固的方法，使用設計的隧道內壁加固機械手能夠自動地完成隧道內壁加固工程，能夠在不影響城市地下交通隧道正常運營的情況下，快速、高效地對隧道內襯砌結構進行維修加固，保證隧道的正常安全通行。本設計首先對闡述了這種新型隧道內壁加固機械手的結構和工作原理，根據不同工作條件，電氣系統的選型和 PLC 排查隨后，對狀態控制分析和硬件選型、PLC 軟件編程。