KTY5000鉆機電氣控制系統的設計與研究

張傳濤　冷志堅

摘要：針對鉆孔樁施工用鉆機電氣傳動系統的構成、控制、方案選擇進行了深入研究，設計了基于Profibus-DP現場總線的KTY5000鉆機控制系統。該系統現場層由控制器實時采集各傳感器的數據后在工控機上進行實時監控，并通過4G網關將數據傳送至客戶端層，動態展現鉆機的運行狀況。該系統在現場運行穩定，既提高了操作安全性又提升了生產效率，對其他工程機械的遠程監控具有很好的借鑒意義。

關鍵詞：KTY5000鉆機；Profibus-DP；現場總線；數據采集；實時監控

中圖分類號：TP23；TM921 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）02-0004-03

1 引言

近年來，隨著跨海大橋建設技術的不斷提高，對于橋梁基礎施工設備提出了更高的要求。福建平潭海峽公鐵兩用大橋是我國首座公鐵兩用跨海大橋，施工環境復雜，建設難度高，對于鉆孔樁施工設備要求高，為此而專門設計研發了具有大扭矩、大直徑全斷面鉆巖成孔能力的KTY5000型鉆機。

KTY5000型鉆機以智能控制技術、現場總線技術、微機原理、電工電子技術等理論為基礎，對鉆機的電氣控制系統進行了分析與設計。通過網絡結構設計、實驗編程、軟件調試、仿真分析、STEP7硬件組態和組態軟件來實現鉆機的控制、狀態顯示及實時檢測。

2 電氣控制原理系統功能概述

KTY5000鉆機系統設計為液壓站（可移動）、鉆機架、司機室三個主要功能區塊，電氣系統由電源供應系統、電液驅動系統、控制系統、監控系統和輔助保護系統組成。正常工作模式下，整機工作需包括液壓站和司機室設備，由司機室主控整機，司機室與液壓站需具備三線連接，即供電、總線、視頻三線。

3 電氣控制功能設計

KTY5000鉆機電氣控制系統主要是對液壓泵、電磁閥和執行元件（液壓缸、液壓變量泵）的一些溫度、壓力、速度、開關量的檢測并將有關檢測數值輸入給鉆機的控制器，控制器綜合各種測量值、設定值和操作信號發出相關控制信息，對液壓泵、液壓控制閥和整機進行控制。

3.1 電源供應系統

系統采用380V/50Hz三相五線制交流供電，供電方式采用電纜直接敷設。在操縱室設電氣操縱臺，在液壓站旁設電氣柜，機構移動處控制電纜拖放敷設。通過電氣操縱臺內的接線板與電氣柜之間的連接，構成鉆機電源供應系統。

3.2 電液驅動動力系統

鉆機的驅動系統由電機帶動液壓變量泵提供液壓動力。主泵電機由3臺110kw電機組成，啟動方式為采用軟啟動器逐臺啟動，啟動完成后旁路，根據實際工況可以選擇需要啟動的電機數量。輔助泵電機由1臺15kw電機組成，待主泵電機啟動完成后采用星三角方式啟動。冷卻泵電機由2臺2kw電機直接啟動。電氣總圖如圖1所示。

3.3 基于現場總線的主從分布式控制系統

KTY5000鉆機電控系統采用主從分布式控制系統。在電控系統中，整個系統通過Profibus-DP現場總線連接S7-300PLC、軟啟動器、拉繩傳感器等設備，相互進行數據交換，從而完成鉆機電控系統主要電氣設備的在線監測、故障診斷以及其它輔助功能。現場總線式實時在線檢測。系統網絡拓撲圖如圖2所示，在這個網絡中，以CPU315-2DP為主站，ET200M、軟啟動器、拉繩傳感器為從站。基于現場總線的鉆機控制系統的程序，包括程序采集、數據的處理和邏輯運算、鉆孔參數及設備狀態顯示、聲光報警等控制程序。

控制系統主站安裝于司機室，使用的PLC是西門子S7-300系列作為控制系統核心，控制器為西門子S7-300系列CPU315，分布式從站安裝于液壓站，選用西門子ET200分布式IO模塊單元IM153CPU，主從站各帶有數字/模擬的輸入/輸出模塊，司機室與液壓站電氣連接僅為一路電源線、一路急停控制線和一路數據總線，具有安裝簡便、性能穩定可靠、響應快速、對環境適應性強等特點。

主站輸入信號包括電控臺操作開關、液壓閥信號、鉆角雙側同步檢測信號，輸出信號為液壓開關閥驅動，從站輸入信號包括軟啟動器控制信號、熱繼電器/接觸器/斷路器動作執行安全監測信號，輸出信號有液壓開關/比例閥驅動，軟啟動器通過PROFIBUS通訊模塊與主站通訊，主站可以對軟啟動器進行控制，并讀取運行過程中電流、電壓等各種參數以及軟啟動器的故障報警。

3.4 實時在線監控系統

鉆機監控系統可分為三層，分別為現場層，即直接與西門子S7-300進行通訊的工控系統；中心層，即將各現場層采集到的數據集中接入的工控系統；客戶端層，即由中心層將數據及畫面等轉發的接收或監控端。系統軟件基于組態王軟件開發。其中，現場層配備一套組態王運行版，用于采集現場設備的數據以完成現場各組態軟件的工程開發工作，通訊方式采用TCP/IP。中心層與現場層由于現場環境不具備有線傳輸的要求，故采用4G無線通訊模塊采集現場層的數據，中心層配備一套組態王開發+運行版，負責中心層組態工程的開發及運行工作，同時需具有web授權，以實現客戶端層能不限時的了解到中心層的畫面及數據，其中中心層需具有固定公網IP。客戶端層配備一套組態王的運行版，以滿足客戶端用戶能實時了解到現場工作的情況，及時存儲現場運行的核心數據。監控系統結構圖如圖3所示。

鉆機監控系統的主要功能是對設備的運行狀態進行狀態檢測，同時能夠完成在線故障診斷。通過以太網實現數據的傳輸，對各個控制對象進行控制，并采集相關的數據，工控機實現對各個對象的監測。監控系統主界面如圖4所示。

實時監控系統安裝在工控機上，當工控機啟動后，自動加載啟動實時監控系統。其主要功能有：

（1）電控系統運行狀態。主界面顯示了動力頭馬達進油側/出右側壓力、提升油缸壓力、提升油缸高度、鉆進壓力、鉆桿扭矩、鉆桿轉速、鉆進深度、視頻監控以及桿件數量等，方便操作人員查看當前整個鉆機工作狀態和運行狀況。（2）電路/通信狀態。監控電路狀態和通信狀態，發生故障時，系統會給出相應的報警位置，提醒操作人員進行檢查。（3）報警/數據記錄。在相關信號達到報警值或傳感器、通訊系統出現故障時發出報警信號，記錄液壓系統和電氣系統的報警數據和常規數據。（4）參數設置。參數設置包括拉繩傳感器零位設置、鉆孔深度參數設置等。

3.5 輔助保護系統

輔助保護系統是保證鉆機正常工作不可或缺的重要組成部分，本機的輔助保護系統主要有：

（1）電路具有浪涌保護、相序保護、以及過電壓、欠電壓等保護功能，并在司機室、液壓站控制柜、鉆架旁設有急停開關，危險情況下可停止設備運行，確保系統的安全；（2）針對液壓系統具有油溫保護、壓力保護等措施；（3）全部的動力輸出均采用屏蔽電纜，可以有效地抑制動力輸出對控制信號的干擾，全部控制電纜也采用屏蔽電纜，屏蔽層兩頭接地，可以防止強干擾進入控制回路；（4）控制電源隔離，獨立的供電模塊提供穩定的直流24v電源，以確保控制電源的穩定和不受干擾。

4 結語

KTY5000鉆機是專門為福建平潭海峽公鐵兩用大橋大直徑基礎鉆孔樁施工而研制，動力系統采用模塊化、集成化設計，操作系統采用可視化、交互性好、更貼合操作習慣的人機界面，并有遠程監控和數據管理功能，提高了鉆機的自動化控制水平，可方便地實現現場就近操作設備，既提高了操作安全性又提升了生產效率。

參考文獻

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