基于PLC控制的凿岩台车电气控制系统设计的研究探索.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 22 日 作者简介：葛岩（1986），男，汉族，山东临沂人，大学本科学历，研究方向为 PLC 自动控制。-183-基于 PLC 控制的凿岩台车电气控制系统设计的研究探索 葛 岩 江西鑫通机械制造有限公司，辽宁 沈阳 110000 摘要：摘要：凿岩台车是建设工程中常见的凿岩设备之一，该设备以钻爆法技术为主，多应用于隧道以及地下工程施工当中。在传统隧道工程凿岩台车应用过程中，由于先前国内凿岩台车生产技术并不成熟，因此凿岩台车设备的可靠性非常不稳定且很难满足隧道地下施工作业需求，而国外凿岩台车造价较为昂贵，且设备配件供应周期较长，所以在国内普及应用水平并不高，针对这些情况国内开始加大凿岩台车的研发力度，并开始将可编程控制器（Programmable Controller）技术应用到凿岩台车研发当中，从现状看已经取得理想应用效果。基于此，结合前人经验，就 PLC 理论基础展开分析，并探究 PLC 在凿岩台车电气控制系统中的应用，以为凿岩台车国产化提供研究探索渠道 关键词：关键词：PLC；凿岩台车；电气控制系统 中图分类号：中图分类号：TD421 0 引言 凿岩台车也被称为钻孔台车，多见于地下与隧道施工当中，为工程领域常见的凿岩设备之一，凿岩台车是将 1 台以上凿岩机械安装在凿岩台车钻臂导轨当中，同时在机械设备行走装置的协助下展开凿岩作业的机械化设备，从一定意义上讲凿岩台车是对传统凿岩机的升级。与凿岩机相比，凿岩台车凿岩作业工作效率能够提升 2 倍以上，同时将凿岩台车与多功能挖装机、自卸汽车等设备进行联合应用后将会进一步提升隧道钻爆法工程施工速度。目前国内在凿岩台车机械设备研究中已经取突破性进展，同时机械设备企业自主研发的各类国产凿岩台车已经大面积普及应用，这在解决传统凿岩台车工作效率低、可靠性差，以及摆脱对于国外凿岩台车依赖等方面发挥了重要作用，且实践表明CHD03、DW801等凿岩台车具备作业效率高、价格合适、维护成本底以及质量可靠等优势，因此能够满足凿岩台车开展凿岩作业的大部分需求。此外，为了进一步提升凿岩台车工作性能，设备制造商与设计师开始将可编控制器应用到凿岩台车系统当中，目前高质量凿岩台车电气系统、自动锁车控制系统以及定向定位自动控制系统中均已经覆盖 PLC，其中基于 PLC 控制的凿岩台车电气控制系统已经出现众多研究成果与申请专利，这对于加快凿岩台车创新速度、提升凿岩台车工作效率等具有重要意义。1 常见凿岩台车介绍 随着当前基础设施建设工程的不断增加，现阶段凿岩台车的数量与种类呈现出多元化发展趋势，凿岩台车主要满足道路建设、水利建设以及矿山隧道工程的掘进施工需求，按照凿岩台车的控制方式可以将其分为电脑式与液压式，而依据凿岩台车的行走方式又可以将其划分为履带式、轮胎式以及轮轨式等等，不同类型的凿岩台车电气控制系统也存在很大差距，因此若要将 PLC 应用到凿岩台车电气控制系统当中，首先就需要明确各类凿岩台车的特性，以此满足 PLC 应用需求。1.1 DD41 凿岩台车 DD41 型凿岩台车多应用到矿山开凿、道路建设以及水利水电工程当中，适合隧道隧洞掘进作业，该型号凿岩台车具备打爆破孔、安装炸药，风管以及锚杆等功能，同时作业覆盖面积较大，通常能够达到 55mm。DD41 型凿岩台车主要由于凿岩机、推进器以及底盘等几部分构成：DD41 型凿岩台车凿岩机对于钎具的消耗较小，同时具备较强的抗倾弯能力，因此稳定性较强。其推进器多采用高强度合金构成，具备优良抗弯曲以及抗疲劳能力，且使用寿命比较理想，此外设备还配备高强度钻臂，能够实现各类钻进点作业的灵敏定位。DD41 型凿岩台车的电气系统主要包括电气柜与照明系统，该型号凿岩台车电气系统电气柜维护比较中国科技期刊数据库 工业 A-184-便捷，且照明系统能够满足设备在地下应用中的照明需求。1.2 Z16E 三臂凿岩台车 Z16E 型号是目前比较常见的高端型凿岩台车设备，其最大优势在于三套钻臂全部由独立液压系统控制，由于钻臂能够伸缩，因此相对比较灵活且的工作覆盖面积更大。该设备在钻臂间装备工作平台，因此可以为高空作业提供便利，设备每小时行走速度能够达到16 千米，爬坡能力超过 14。从 Z16E 三臂凿岩台车的特点来看，第一，Z16E 三臂凿岩台车的凿岩效率非常高，这主要与机械设备通过全液压式驱动有关；第二，该型号设备行走比较灵活，能够迅速满足进场作业与退场的时间需求；第三，设备内装备液压平动臂，以此满足设备全方位平衡需求；第四，三臂凿岩台车内还带有终点自动停止以及防卡钎功能；第五，可以在设备中加入智能控制系统，基于 PLC 支持下的 Z16E三臂凿岩台车能够实现自动定位、自动调整臂架姿态等功能，在应用过程中仅需要将 PLC 设定程序应用到设备控制系统当中，便能够满足设备的自动化操作需求。1.3 DW1002B 双臂凿岩台车 DW1002B 双臂凿岩台车以吊篮式为主，其内部通过先导液压控制设备，设备包括重型钻臂 2 条以及辅助钻臂 1 条，DW1002B 为 DW1002 型号的升级款，升级之后凿岩台车的工作面积更大。DW1002B 双臂凿岩台车具备作业覆盖面积大、工作效率高、定位准确以及凿岩速度快等等，由此 DW1002B 双臂凿岩台车能够应用到国防等国家重大工程建设当中。DW1002B 双臂凿岩台车具备以下几个方面的特征：第一，稳定性较强，由于DW1002B 双臂凿岩台车装备四轮驱动行走系统，因此爬坡能力较强；第二，DW1002B 双臂凿岩台车发动机性能较强且功率储备充足，能够满足严寒等恶劣环境地区的作业需求；第三，凿岩速度较快且钎具耐久性较强，同时兼备防止卡钎以及自动润滑的功能，这能够在满足凿岩效率的同时降低对于钎具的消耗。第四，从DW1002B 双臂凿岩台车的电气系统来看，其电气设备多采用西门子、施耐德等国际知名品牌，因此电气系统具备节能、安全以及高效的特性。2 PLC 概述 PLC 即可编程控制器，该技术最初属于计算机技术的 一 类，PLC 为 编 程 控 制 器 英 文 Programmable Controller 缩写，也可以简称为“PC”。PLC 作为一列全新的通用型自动控制装置，其在继承传统继电器控制技术与通讯技术的基础上，实现了与当代计算机技术相互融合的目的，虽然PLC属于计算机领域的产物，但是现阶段其已经广泛应用于工业控制领域。PLC 优势较多且设特点符合工业领域需求，PLC 的功能较多、可靠性较强且体积与重量较小，由于 PLC 具备设计施工与调试周期短的优势，因此能够在工业控制方面大面积普及应用。2.1 PLC 主要特点与优势 PLC 的特点优势较多，第一，PLC 的可靠性较高，且抗外界干扰的能力较强，研究表明 PLC 平均故障时间为几十万小时，可承受幅值为 1000V，上升时较短且抗干扰能力较强，这些特性决定了其能够适应凿岩台车隧道、地下复杂的工作环境。此外 PLC 的可靠性非常高，这与 PLC 所应用的微电子技术密切相关，在 PLC中通过无触点半导体电路即可完成众多开关动作，同时在 PLC 中还融合应用了大量硬件软件，这使得 PLC的抗干扰能力大幅提升：从硬件层面来看，PLC 首先应用光电隔离技术，这能够有效降低外界因素对 PLC 的干扰影响，其次，PLC 供电系统以及输入线路中采用多元化滤波，以此降低高频干扰影响，最后，I/0 系统有助于 PLC 构建完整保护通道，同时能够满足 PLC 信号调理的需求；从软件层面来看，PLC 内部安装故障自动诊断系统，当设备出现故障后，系统能够自动检测故障类型，因此为设备维护提供了诸多便利。此外，当设备出现故障以后 PLC 能够迅速将一些关键信息转移到用户指定的储存器当中，同时对储存器作出使用限制，如禁止读写等等，且通过 PLC 中 WDT功能还能够提升系统对各类程序的校验效率。第二，PLC 编程比较简单，对编程技术要求不高且后期应用非常方便；第三，PLC 的设计与应用相对灵活，后期维护工作较为简单；第四，性价比较高，通用性比较强且功能较多；2.2 PLC 的构成与各部分功能 PLC 的系统构成与微型计算机比较相似，PLC 系统最为重要组件为中央处理单元，此外还包括存储器、输入输出单元以及电源等，中央处理单元是 PLC 运算与控制的中心，在中央处理单元的支持下 PLC 能够通中国科技期刊数据库 工业 A-185-过扫描的方式对各类装置输出的信号进行采集，在运行阶段，PLC 可以按照操作人员设定的指令逐步完成各项操作。系统程序存储器也是 PLC 重要组成部分，其主要功能为存系统程序，常见的存放系统程序包括系统管理、监控以及模块化应用子程序等等，同时存放系统程序还涵盖用户自主设计的编译解释程序等等，而 PLC用户程序存储器的主要作用则是存放用户程序。由于PLC 多为工业生产制造服务，因此 PLC 中 I/0 单元通常与产品生产单现场相联系。PLC 内输出模块主要作用是收集输出信号，常见收集信号有开关量以及模拟量信号，PLC 输出单元主要发挥强电信号转换的功能，并控制设备中指示灯以及电磁阀等输出设备。电源主要功能为满足系统设备供电需求，此外还负责将外部输出交流电转化成为系统内部工作时所需的直流电源电路。PLC 编程起主要起到沟通用户与程序的作用，如读取、核查以及更改使用人员设定的程序。3 基于 PLC 控制的凿岩台车电气控制系统设计探索 现阶段 PLC 已经广泛应用到凿岩台车各类控制系统当中，其中具有代表性的则是 PLC 在电气系统、自动锁车控制系统以及定向定位自动控制系统中的应用，现阶段 PLC 在凿岩台车电气控制系统中的设计应用比较少见，而具有代表性的则是石家庄铁道大学与南车石家庄车辆有限公司联合开发的 CHD03 型凿岩台车，该型号凿岩台车电气系统融合 PLC 技术，经过出厂前试验后表明，基于 PLC 下凿岩台车电气系统具备稳定性强、故障率低、操作方便以及成本较低的优势，所以融合 PLC 技术的 CHD03 型凿岩台车为凿岩台车机械设备电气系统创新提供了有益探索途径。3.1 凿岩台车电气系统主要功能 以液压式凿岩台车为例，该机械设备由凿岩机、大臂、液压系统、供气系统电气系统等几部分构成，在这些系统当中凿岩台车电气系统主要发挥控制、保护、照明以及信号指示等功能，通过电气系统可以控制机械设备中空压机等程序的运行与停止，同时还能够为钻臂提供短路、漏电保护以及过载提示等等，因此凿岩台车电气系统在提升机械设备操作效率、确保设备应用安全等方面具有重要作用。3.2 基于 PLC 控制下的凿岩台车电气系统设计 通常情况下凿岩台车的电气系统包括操作回路、主回路两个部分，在 PLC 应用过程中还需要新增 PLC控制回路三部分，在上述三个操作系统当中，凿岩台车操作回路应当接入 24V 电源，主回路系统则主要应用 380V 交流供电，而 PLC 控制回路应当应用交流 220 V/交流。在凿岩台车操作回路设计当中需要包括控制系统与预警系统两部分，其中控制系统包括电机运行停止控制，设备预热系统控制、充电供电控制以及工作头灯控制等等，预警系统主要包括发动机温度预警，、水温表预警以及空滤电子预警等等；凿岩台车电气系统主回路的主要控制内容包括全部钻臂电机、空气压缩机电机的启停，此外还包括设备水泵的控制，即在电机运行且设备水压满足应用需求以后，在 PLC 的控制下水泵开始启动；凿岩台车电气系统 PLC 控制回路主要由钻臂电机、空气压缩电机以及水泵电机控制器构成，同时还包括一系列设备保护装置。钻臂是凿岩台车核心部位，由于凿岩台车钻臂结构复杂且控制对象较多，因此需要发挥 PLC 保护、控制以及预警功能。以 CHD03 型凿岩台车为例，该设备已经在电气控制系统中应用 PLC，装置系统中输入设备主要包括传感器开关以及断路器等保护装置开关，输出设备主要包括指示灯、继电器、电磁阀等等，电气系统中输入设备的主要作用为提供控制信号，输出设备则会通过指示灯提示设备出现的故障，电磁阀发挥润滑与卸载作用，计时器作用为共计凿岩台车的工作时长。4 结语 综上所述，电气系统是凿岩台车的核心构成部分，其性能与效率将会直接对凿岩台车的应用效果造成影响。为了探究PLC在凿岩台车电气系统中的设计应用，本文首先对市场中常见凿岩台车特征以及电气系统构成展开分析，而后对 PLC 功能展开介绍，最后以 CHD03型凿岩台车为例，对 PLC 在凿岩台车电气系统中的设计组成展开分析。实践表明该设备运行稳定，能够满足凿岩需求，因此能够为目前隧道工程施工设备国产化提供些许探索建议。中国科技期刊数据库 工业 A-186-参考文献 1牛勇,王伟,马建乐,刘涛.凿岩台车电气系统高海拔适应性设计J.凿岩机械气动工具,2021(04):36-38.2施升涛.基于 5G 技术的台车远程遥控系统在矿山的应用J.有色设备,2020(05):35-39.3刘进志,郑丽堃,郭京波.基于 PLC 的凿岩台车电气控制系统设计与研究J.煤矿机械,2015(02):265-267.4刘进志,高文中,任杰.WZ330 型挖装机电气系统的设计与研究J.煤矿机械,2012(01):5-7.5杨光照,邹学新,李云涛.凿岩台车的研发情况与发展趋势J.中国重型装备,2009(01):47-49.