基于 PLC 的隧道加固機(jī)械手電氣控制技術(shù)

婁建國(guó)（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(jìn)度，因此，加固機(jī)械手的靈活、安全和穩(wěn)定性必須兼而有之。加固機(jī)械手在作業(yè)前，底部基礎(chǔ)四周的 4 個(gè)油缸應(yīng)先伸出至地面吃力，即 4 條腿把整機(jī)設(shè)備支撐起后，接通加固機(jī)械手電源，打開(kāi)液壓站動(dòng)力源，加固機(jī)械手才可以開(kāi)始正常抓起鋼管片。

在實(shí)際施工中，由于 4 條油缸腿應(yīng)伸足并著力在管片上，油缸弧狀鞋靴應(yīng)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(jī)械手控制系統(tǒng)是通過(guò) PLC 來(lái)對(duì)液壓泵、多路換向閥和執(zhí)行元件（液壓油缸、電動(dòng)機(jī)）等所構(gòu)成的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行控制[1]。

1 控制元件選型

考慮到加固機(jī)械手的安全性與穩(wěn)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(diǎn)可歸為以下幾點(diǎn)：電源、CPU、存儲(chǔ)器、輸入輸出組成一個(gè)單元的可編程控制器，同時(shí)在 AC 電源 DC 輸入型中內(nèi)置傳感器用 DC 24 V 電源。輸入輸出擴(kuò)展設(shè)備最大可擴(kuò)展至 128 點(diǎn)，擴(kuò)展模塊或擴(kuò)展單元只可以使用 FX0N系列和 FX2N 系列。通過(guò)內(nèi)置開(kāi)關(guān)可進(jìn)行 RUN/STOP 操作，同時(shí)，也可以從外圍設(shè)備或一般輸入端子 X000-X017 下達(dá) RUN/STOP 指令。內(nèi)置2 個(gè)用于調(diào)整定時(shí)器時(shí)間的模擬電位器（模擬電位器的值放入 D 8030、D 8031）。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的隧道內(nèi)壁加固機(jī)器手要能夠完成加固鋼襯的自動(dòng)抓取、位置調(diào)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(jī)械手的各個(gè)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(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。SolidWorks軟件可以真實(shí)地反映設(shè)計(jì)構(gòu)件的空間位置和運(yùn)動(dòng)關(guān)系，從而能夠更有效的完成，而常規(guī)的機(jī)械圖紙?jiān)O(shè)計(jì)方法對(duì)于展示位置和運(yùn)動(dòng)關(guān)系稍有欠缺。因此基于三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks，設(shè)計(jì)的隧道內(nèi)壁加固機(jī)器手結(jié)構(gòu)如圖 1。

圖1 隧道內(nèi)壁加固機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖

設(shè)計(jì)的隧道內(nèi)壁加固機(jī)械手主要是通過(guò)電氣來(lái)控制各機(jī)械部件的動(dòng)作，各機(jī)械部件的工作動(dòng)力是由整體的液壓體統(tǒng)來(lái)提供的。其中，電氣系統(tǒng)主要由動(dòng)力控制柜和回轉(zhuǎn)控制柜組成，動(dòng)力控制柜主要控制加固機(jī)械手的動(dòng)力輸入與輸出，回轉(zhuǎn)控制柜主要控制加固機(jī)械手各部件的自由度動(dòng)作，以便完成加固鋼管襯的拼裝。通過(guò)機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)之間的相互配合，隧道內(nèi)壁加固機(jī)械手可以完成支撐、平移、回轉(zhuǎn)、動(dòng)臂、擺臂、鉗體伸縮及鉗體的擺動(dòng)等個(gè)動(dòng)作，從而可以完成加固鋼襯的自動(dòng)抓取、位置調(diào)整和高精度安裝等工作，代替人工，實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)壁快速、高效的加固施工[2]。

實(shí)際施工中，隧道內(nèi)壁加固機(jī)械手需要在 φ 5 500 mm隧道空間內(nèi)鉗住弧長(zhǎng) 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(nèi)管線，調(diào)整安裝位置，將弧形加固鋼襯拼裝到隧道內(nèi)壁上[3]。基于鋼襯的外形尺寸和隧道空間尺寸，設(shè)計(jì)的隧道內(nèi)壁加固機(jī)械手實(shí)際工作時(shí)有 3°、70°、37.5° 和 50.5° 四個(gè)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(shè)計(jì)

隧道加固機(jī)械手由兩個(gè)電氣控制柜組成，分別是動(dòng)力控制柜和回轉(zhuǎn)控制柜。動(dòng)力控制柜內(nèi)主要有三菱 FX1N 型號(hào)PLC、三菱 FR-A740-11K 型號(hào)變頻器、11 kW 油泵電機(jī)與風(fēng)扇電機(jī)、無(wú)線遙控器信號(hào)接收系統(tǒng)、有線遙控器以及用來(lái)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(jī)推出的功能強(qiáng)大的普及型 PLC。具有擴(kuò)展輸入輸出，模擬量控制和通訊、鏈接功能等擴(kuò)展性。是一款廣泛應(yīng)用于一般的順序控制三菱 PLC。該項(xiàng)目中選用了 FX1N-60 MR 以及FX2N-2DA 模塊以滿足隧道加固機(jī)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(jī)來(lái)達(dá)成控制 1 號(hào)到 4 號(hào)千斤頂?shù)纳炜s速度的目的。

3.1 無(wú)線遙控器

無(wú)線遙控器一共以下幾個(gè)開(kāi)關(guān)量點(diǎn)位：操作盒停止、啟動(dòng)/千斤頂縮選擇、加速、減速、回轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)、回轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)、1 號(hào)千斤頂選擇、2 號(hào)千斤頂選擇、3 號(hào)千斤頂選擇、4 號(hào)千斤頂選擇以及兩個(gè)備用按鈕。無(wú)線遙控器作為正常情況下的控制手段操作加固機(jī)械手完成拼裝動(dòng)作。

3.2 有線遙控器

有線遙控器作為備用，在無(wú)線部分有故障時(shí)可以切換成有線模式，通過(guò)有線遙控器操作控制加固機(jī)械手完成拼裝動(dòng)作。

回轉(zhuǎn)控制柜內(nèi)主要有：三菱 FR-A740-2.2K 變頻器、1. 5 kW 回轉(zhuǎn)電機(jī)、5.5 kW 平移支撐電機(jī)。

3.3 回轉(zhuǎn)系統(tǒng)

回轉(zhuǎn)系統(tǒng)操作在無(wú)線遙控器上選擇控制，出于安全性考慮在回轉(zhuǎn)電機(jī)上增加了回轉(zhuǎn)剎車(chē)模塊以確保停止回轉(zhuǎn)時(shí)能及時(shí)停下并且在回轉(zhuǎn)動(dòng)作時(shí)有報(bào)警燈的聲光報(bào)警。

回轉(zhuǎn)速度通過(guò) 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(zhuǎn)的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)方向通過(guò)在遙控器上選擇正轉(zhuǎn)或者選擇反轉(zhuǎn)然后 PLC 會(huì)輸出給 FR-A 740-2.2 K 變頻器的 STF（正轉(zhuǎn)啟動(dòng)）端子或者 STR（反轉(zhuǎn)啟動(dòng)）端子一個(gè)信號(hào)來(lái)控制。

平移支撐系統(tǒng)通過(guò) 5.5 kW 電機(jī)提供動(dòng)力源控制平移油缸、一至四號(hào)支撐油缸的伸縮動(dòng)作。平移支撐系統(tǒng)需要在平移支撐控制手柄上操作。支撐系統(tǒng)的控制為硬件直接控制，按相應(yīng)油缸的伸或縮按鈕，相應(yīng)的液壓閥得電從而相應(yīng)油缸動(dòng)作。

3.4 懸臂梁控制柜

懸臂梁的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)由一個(gè) 1.5 kW 的回轉(zhuǎn)電機(jī)、正轉(zhuǎn)接觸器、反轉(zhuǎn)接觸器等部分組成。懸臂梁的行走系統(tǒng)由一個(gè)0.37 kW 的行走電機(jī)（帶剎車(chē)線圈）、電機(jī)前進(jìn)接觸器、電機(jī)后退接觸器等部分組成。由開(kāi)關(guān)控制盒上的電機(jī)前進(jìn)、電機(jī)后退按鈕控制接觸器線圈得電失電。懸臂梁的環(huán)鏈電動(dòng)葫蘆系統(tǒng)由控制柜內(nèi)的開(kāi)關(guān)控制盒葫蘆上升、葫蘆下降按鈕給環(huán)鏈電動(dòng)葫蘆接線盒信號(hào)控制電動(dòng)葫蘆的上升下降動(dòng)作。

4 軟件部分設(shè)計(jì)

本加固機(jī)械手采用 FX 系列 PLC 控制，故 PLC 編程軟件選用了 GxWorks 2 來(lái)進(jìn)行編程。PLC 運(yùn)行后第一個(gè)掃描周期復(fù)位故障點(diǎn)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(dòng)作流程圖

加固機(jī)械手的提舉、回轉(zhuǎn)、支撐與平移動(dòng)作流程圖如圖3～圖 5 所示。

圖3 提舉動(dòng)作流程圖

圖4 回轉(zhuǎn)動(dòng)作流程圖

圖5 支撐平移動(dòng)作流程圖

4.2 梯形圖程序編程

如圖 6 所示，加固機(jī)械手回轉(zhuǎn)控制通過(guò)按手柄上的加速或減速按鈕來(lái)調(diào)整控制變頻器的頻率大小即電機(jī)轉(zhuǎn)速速度大小。在滿足 M0 與 M4 信號(hào)正常、M1 有線模式信號(hào)正常，M8011 為 plc 的 10 ms 時(shí)鐘信號(hào)，在無(wú)線手柄上選擇動(dòng)力啟動(dòng)按鈕，M2 線圈輸出，M2 上升沿的時(shí)候?qū)?D8030（plc上的一個(gè)電位器的值）輸入到 D0。接下來(lái)該選擇幾號(hào)伸或縮，選好之后相應(yīng)油缸的液壓閥得電油缸動(dòng)作。

圖6 機(jī)械手液壓油缸無(wú)線控制部分示意

如圖 7 所示梯形圖，在滿足 M0 與 M4 信號(hào)正常、M1有線模式信號(hào)正常，M8011 為 plc 的 10 ms 時(shí)鐘信號(hào)，在有線手柄上選擇動(dòng)力啟動(dòng)按鈕，M5 線圈輸出，M5 上升沿的時(shí)候?qū)?D8031（plc上的一個(gè)電位器的值）輸入到D20。接下來(lái)該選擇回轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，選好之后輸出相應(yīng)線圈。

圖7 機(jī)械手液壓油缸有線控制部分示意

5 操作流程

隧道加固機(jī)械手有兩個(gè)電氣控制柜組成，分別是動(dòng)力控制柜和回轉(zhuǎn)控制柜。動(dòng)力控制柜是用來(lái)控制加固機(jī)械手的提舉動(dòng)作。加固機(jī)械手一共有四只千斤頂來(lái)完成整個(gè)提舉動(dòng)作。加固機(jī)械手的提舉動(dòng)作有兩種操作模式：無(wú)線模式和有線模式。在柜門(mén)上有選擇開(kāi)關(guān)來(lái)選擇無(wú)線模式和有線模式。正常情況下使用無(wú)線模式操作，在無(wú)線部分有故障時(shí)可以切換成有線模式來(lái)操作。

5.1 無(wú)線模式

啟動(dòng)：將安全鎖插上，同時(shí)按下減速和啟動(dòng)/縮兩只鍵2s后變頻器開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)為 0 HZ。千斤頂伸縮：在按下相應(yīng)的千斤頂伸鍵后，再按加速動(dòng)力電機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，放開(kāi)加速保持當(dāng)前設(shè)定速度值，最高為 50 HZ。如果速度過(guò)快，可以按減速動(dòng)力電機(jī)轉(zhuǎn)速即可下降。放開(kāi)相應(yīng)的千斤頂伸鍵，則相應(yīng)的千斤頂伸動(dòng)作停止，變頻器保持當(dāng)前頻率。在同時(shí)按下啟動(dòng)/縮和相應(yīng)的千斤頂伸鍵后，變?yōu)橄鄳?yīng)的千斤頂縮動(dòng)作，加減速操作同上。停止：按下停止變頻器停止運(yùn)轉(zhuǎn)。所有動(dòng)作停止。

5.2 有線模式

將柜門(mén)上的選擇開(kāi)關(guān)選到有線模式。啟動(dòng)：檢查緊急按鈕處于放開(kāi)的位置后，將手柄上的選擇開(kāi)關(guān)選到開(kāi)，變頻器運(yùn)轉(zhuǎn)。千斤頂伸縮：在手柄上按下相應(yīng)的千斤頂伸或縮鍵后，再按加速動(dòng)力電機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，放開(kāi)加速保持當(dāng)前設(shè)定速度值。最高為 50 HZ。如果速度過(guò)快，可以按減速動(dòng)力電機(jī)轉(zhuǎn)速即可下降。放開(kāi)相應(yīng)的千斤頂伸或縮鍵，則相應(yīng)的千斤頂伸或縮動(dòng)作停止，變頻器保持當(dāng)前頻率。停止：將手柄上的選擇開(kāi)關(guān)選到關(guān)變頻器停止運(yùn)轉(zhuǎn)。所有動(dòng)作停止。

5.3 平移支撐動(dòng)作

平移支撐動(dòng)作在有線操作手柄上控制。啟動(dòng)：按回轉(zhuǎn)控制柜上的啟動(dòng)按鈕，動(dòng)力泵啟動(dòng)。檢查緊急按鈕處于放開(kāi)的位置后，將手柄上的選擇開(kāi)關(guān)選到開(kāi)允許操作。平移動(dòng)作：按平移的伸或縮鍵，加固機(jī)械手將做相應(yīng)的平移動(dòng)作。支撐動(dòng)作：按相應(yīng)支撐的伸或縮鍵，加固機(jī)械手的相應(yīng)支撐將做伸或縮的動(dòng)作。停止：按回轉(zhuǎn)控制柜上的停止按鈕，動(dòng)力泵停止。將手柄上的選擇開(kāi)關(guān)選到關(guān)停止操作。

6 結(jié) 語(yǔ)

為了能夠提高隧道內(nèi)壁加固的施工效率和施工精度，設(shè)計(jì)和研究了一種新型的隧道內(nèi)壁加固機(jī)械手。相比于常規(guī)的人力加固的方法，使用設(shè)計(jì)的隧道內(nèi)壁加固機(jī)械手能夠自動(dòng)地完成隧道內(nèi)壁加固工程，能夠在不影響城市地下交通隧道正常運(yùn)營(yíng)的情況下，快速、高效地對(duì)隧道內(nèi)襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行維修加固，保證隧道的正常安全通行。本設(shè)計(jì)首先對(duì)闡述了這種新型隧道內(nèi)壁加固機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和工作原理，根據(jù)不同工作條件，電氣系統(tǒng)的選型和 PLC 排查隨后，對(duì)狀態(tài)控制分析和硬件選型、PLC 軟件編程。