全斷面破巖模擬試驗鉆機控制系統設計

馮景浦，渠婷婷，王盼，張學剛

寧夏天地奔牛實業集團有限公司 寧夏銀川 753400

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

1 控制系統功能

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

(1) 電動機控制與保護 整個系統的動力來源于液壓泵站，這就要求控制系統具備對液壓泵站的 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的破巖參數，這就要求試驗鉆機控制系統必須具備鉆壓、轉矩、進給速度、鉆頭轉速等多參數輸入和控制功能。

(3) 混合信號監測與數據存儲 試驗鉆機所需監測的工況數據傳感器類型有 PT100 電阻型、4～20 mA 電流型、0.5～4.5 V 電壓型及無線應變監測 4 類信號類型，其中無線監測的數據通過網關直接進入上位機監測數據庫，其他監測數據通過 PLC 采集后傳輸至上位機監測數據庫。控制系統通過搭建的關系型數據庫具備工況試驗數據存儲和歷史數據查詢功能。混合信號監測與存儲功能框圖如圖 1 所示。

圖1 混合信號監測與存儲功能框圖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備，為保障鉆機穩定、安全可靠運行，需要對液壓泵站的油位高低、控制系統按鈕是否歸零等內容進行自檢。

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

(6) 比例控制 試驗鉆機的系統主泵出口壓力、副泵出口壓力、主泵排量等參數均是通過比例閥控制實現，所以試驗鉆機控制系統還需具備比例驅動控制功能，實現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，實現鉆機附近就近控制。

2 控制系統結構設計

模擬試驗鉆機控制系統主要由硬件、軟件兩大模塊組成。兩大模塊相輔相成，共同實現模擬試驗鉆機的控制、監測和數據存儲功能。

2.1 硬件系統設計

控制系統硬件結構框圖如圖 2 所示。

圖2 控制系統硬件結構框圖Fig.2 Block diagram of hardware software of control system

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

(2) 采用熱磁斷路器、接觸器、熱繼電器等關鍵元器件實現對輔泵電動機、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，實現邏輯計算和指令控制，同時與遙控器、上位機通信實現控制指令下達和數據共享[5]。

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

(5) 選用無線應變節點和帶有無線射頻模塊的網關，實現對旋轉部件鉆桿的鉆壓和轉矩的監測，并通過局域網以 BeeNet 協議與上位機通信，實現數據傳輸。

(6) 選用遙控器實現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 協議實現控制指令的傳輸。

(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、轉速、位移等傳感器信號轉換成標準的 4～20 mA 信號，接入 PLC 內進行數據采集。

2.2 軟件系統設計

控制系統軟件主要包括上位機組態軟件和下位機PLC 控制軟件。上位機采用圖形化組態編程和寄存器關聯方式，實現上位機界面組態和控件指令映射。下位機 PLC 由于要實現控制動作，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。同時根據不同工況、不同模式按邏輯調用不同模塊程序。控制系統主要流程圖如圖 3 所示。

圖3 控制系統主要流程圖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) 調試功能模塊 模擬試驗鉆機各功能動作間存在互鎖或聯鎖關系。為適應調試階段工作，特設置調試功能模塊，即屏蔽所有互鎖、聯鎖關系，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) 工況監測及存儲功能模塊 根據模擬試驗鉆機硬件 PLC 模擬量輸入模塊特點及所要監測的物理量，設計對應的采集通道驅動程序，并根據量程大小進行標定，實現工況數據采集。同時，利用上位機自帶的數據庫，通過寄存器地址映射的方式，將數據存儲在工控機數據庫內，以備查詢分析使用。控制系統工況監測組態界面如圖 4 所示。

圖4 控制系統工況監測組態界面Fig.4 Interface of operating state monitoring configuration of control system

(4) 比例電磁鐵驅動控制 模擬試驗鉆機的鉆壓、轉速、進給速度均通過比例電磁鐵進行驅動控制。為此，將比例電磁鐵驅動控制相關內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，直接驅動內置電控器的比例溢流閥，實現鉆機壓力控制；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，進而實現鉆機動力頭轉速控制[6]；通過PLC 模擬量輸出模塊輸出 0～10 V 電壓信號，驅動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) 常規電磁鐵驅動控制 根據模擬試驗鉆機液壓執行元件 (液壓馬達及液壓缸) 的相關動作要求，利用 PLC 的梯形圖進行邏輯編程，形成執行元件的控制功能模塊，即常規電磁鐵驅動控制模塊。

(6) 遠程控制 依據與遙控接收器約定的通信地址點表，將遠程控制指令、關鍵數據 (轉速、系統壓力、轉矩等) 轉換與共享內容，編制成一個特定的程序功能模塊，方便整個控制系統軟件編程。

(7) 報警機制 將整個模擬試驗鉆機所有報警信息匯總、分類并劃定優先級，通過根據不同類別不同優先級的報警，設定不同的處理措施，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，保障報警處理的時效性，從而保障設備安全穩定運行。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 控制系統原理設計

模擬試驗鉆機具備恒定壓力、恒定轉矩、恒定進給速度 3 種特殊工況模式的試驗能力。為此，設計控制的控制系統采集壓力、位移及轉速的相關數據，通過分析、判斷并控制相應的比例電磁鐵動作，實現 3種特殊工況穩定運行。

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整。該模式采用壓力閉環控制方式，利用 PLC自帶的 PID_Compact 通用PID 控制器進行控制，實現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，作為閉環控制系統的反饋信號。恒定壓力模式閉環控制原理如圖7 所示。

圖7 恒定壓力模式閉環控制原理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保護壓力下自動調整。該模式采用速度閉環控制方式，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動電流，控制比例換向閥閥芯位移，實現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，作為閉環控制系統的反饋信號。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控制原理Fig.8 Closed-loop control principle of constant feeding speed mode

3.3 恒定轉矩模式

在模擬破巖實驗過程中保證鉆機鉆頭輸出轉矩恒定不變，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動電流控制比例溢流閥閥芯位移，實現恒定轉矩鉆進工藝。利用壓力傳感器實時采集動力頭液壓馬達進口壓力，并根據液壓馬達排量、進口壓力計算實時轉矩，作為閉環控制系統的反饋信號。恒定轉矩模式控制原理如圖9 所示。

圖9 恒定轉矩模式閉環控制原理Fig.9 Closed-loop control principle of constant torque mode

4 結語

全斷面破巖模擬試驗鉆機控制系統較反井鉆機、頂驅鉆機控制系統，增加了特定模式轉換、多參數輸入、遠程遙控以及無線監測等內容，使控制系統功能更加豐富、控制形式更加多樣。同時引入完善的報警機制，使控制系統更加安全、可靠，滿足了實驗室模擬破巖的使用要求。測試結果表明，設計的控制系統運行穩定、響應迅速、監測數據準確、操作柔和，完全符合開展破巖效果研究的各項要求。