KTY5000钻机电气控制系统的设计与研究

张传涛　冷志坚

摘要：针对钻孔桩施工用钻机电气传动系统的构成、控制、方案选择进行了深入研究，设计了基于Profibus-DP现场总线的KTY5000钻机控制系统。该系统现场层由控制器实时采集各传感器的数据后在工控机上进行实时监控，并通过4G网关将数据传送至客户端层，动态展現钻机的运行状况。该系统在现场运行稳定，既提高了操作安全性又提升了生产效率，对其他工程机械的远程监控具有很好的借鉴意义。

关键词：KTY5000钻机；Profibus-DP；现场总线；数据采集；实时监控

中图分类号：TP23；TM921 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）02-0004-03

1 引言

近年来，随着跨海大桥建设技术的不断提高，对于桥梁基础施工设备提出了更高的要求。福建平潭海峡公铁两用大桥是我国首座公铁两用跨海大桥，施工环境复杂，建设难度高，对于钻孔桩施工设备要求高，为此而专门设计研发了具有大扭矩、大直径全断面钻岩成孔能力的KTY5000型钻机。

KTY5000型钻机以智能控制技术、现场总线技术、微机原理、电工电子技术等理论为基础，对钻机的电气控制系统进行了分析与设计。通过网络结构设计、实验编程、软件调试、仿真分析、STEP7硬件组态和组态软件来实现钻机的控制、状态显示及实时检测。

2 电气控制原理系统功能概述

KTY5000钻机系统设计为液压站（可移动）、钻机架、司机室三个主要功能区块，电气系统由电源供应系统、电液驱动系统、控制系统、监控系统和辅助保护系统组成。正常工作模式下，整机工作需包括液压站和司机室设备，由司机室主控整机，司机室与液压站需具备三线连接，即供电、总线、视频三线。

3 电气控制功能设计

KTY5000钻机电气控制系统主要是对液压泵、电磁阀和执行元件（液压缸、液压变量泵）的一些温度、压力、速度、开关量的检测并将有关检测数值输入给钻机的控制器，控制器综合各种测量值、设定值和操作信号发出相关控制信息，对液压泵、液压控制阀和整机进行控制。

3.1 电源供应系统

系统采用380V/50Hz三相五线制交流供电，供电方式采用电缆直接敷设。在操纵室设电气操纵台，在液压站旁设电气柜，机构移动处控制电缆拖放敷设。通过电气操纵台内的接线板与电气柜之间的连接，构成钻机电源供应系统。

3.2 电液驱动动力系统

钻机的驱动系统由电机带动液压变量泵提供液压动力。主泵电机由3台110kw电机组成，启动方式为采用软启动器逐台启动，启动完成后旁路，根据实际工况可以选择需要启动的电机数量。辅助泵电机由1台15kw电机组成，待主泵电机启动完成后采用星三角方式启动。冷却泵电机由2台2kw电机直接启动。电气总图如图1所示。

3.3 基于现场总线的主从分布式控制系统

KTY5000钻机电控系统采用主从分布式控制系统。在电控系统中，整个系统通过Profibus-DP现场总线连接S7-300PLC、软启动器、拉绳传感器等设备，相互进行数据交换，从而完成钻机电控系统主要电气设备的在线监测、故障诊断以及其它辅助功能。现场总线式实时在线检测。系统网络拓扑图如图2所示，在这个网络中，以CPU315-2DP为主站，ET200M、软启动器、拉绳传感器为从站。基于现场总线的钻机控制系统的程序，包括程序采集、数据的处理和逻辑运算、钻孔参数及设备状态显示、声光报警等控制程序。

控制系统主站安装于司机室，使用的PLC是西门子S7-300系列作为控制系统核心，控制器为西门子S7-300系列CPU315，分布式从站安装于液压站，选用西门子ET200分布式IO模块单元IM153CPU，主从站各带有数字/模拟的输入/输出模块，司机室与液压站电气连接仅为一路电源线、一路急停控制线和一路数据总线，具有安装简便、性能稳定可靠、响应快速、对环境适应性强等特点。

主站输入信号包括电控台操作开关、液压阀信号、钻角双侧同步检测信号，输出信号为液压开关阀驱动，从站输入信号包括软启动器控制信号、热继电器/接触器/断路器动作执行安全监测信号，输出信号有液压开关/比例阀驱动，软启动器通过PROFIBUS通讯模块与主站通讯，主站可以对软启动器进行控制，并读取运行过程中电流、电压等各种参数以及软启动器的故障报警。

3.4 实时在线监控系统

钻机监控系统可分为三层，分别为现场层，即直接与西门子S7-300进行通讯的工控系统；中心层，即将各现场层采集到的数据集中接入的工控系统；客户端层，即由中心层将数据及画面等转发的接收或监控端。系统软件基于组态王软件开发。其中，现场层配备一套组态王运行版，用于采集现场设备的数据以完成现场各组态软件的工程开发工作，通讯方式采用TCP/IP。中心层与现场层由于现场环境不具备有线传输的要求，故采用4G无线通讯模块采集现场层的数据，中心层配备一套组态王开发+运行版，负责中心层组态工程的开发及运行工作，同时需具有web授权，以实现客户端层能不限时的了解到中心层的画面及数据，其中中心层需具有固定公网IP。客户端层配备一套组态王的运行版，以满足客户端用户能实时了解到现场工作的情况，及时存储现场运行的核心数据。监控系统结构图如图3所示。

钻机监控系统的主要功能是对设备的运行状态进行状态检测，同时能够完成在线故障诊断。通过以太网实现数据的传输，对各个控制对象进行控制，并采集相关的数据，工控机实现对各个对象的监测。监控系统主界面如图4所示。

实时监控系统安装在工控机上，当工控机启动后，自动加载启动实时监控系统。其主要功能有：

（1）电控系统运行状态。主界面显示了动力头马达进油侧/出右侧压力、提升油缸压力、提升油缸高度、钻进压力、钻杆扭矩、钻杆转速、钻进深度、视频监控以及杆件数量等，方便操作人员查看当前整个钻机工作状态和运行状况。（2）电路/通信状态。监控电路状态和通信状态，发生故障时，系统会给出相应的报警位置，提醒操作人员进行检查。（3）报警/数据记录。在相关信号达到报警值或传感器、通讯系统出现故障时发出报警信号，记录液压系统和电气系统的报警数据和常规数据。（4）参数设置。参数设置包括拉绳传感器零位设置、钻孔深度参数设置等。

3.5 辅助保护系统

辅助保护系统是保证钻机正常工作不可或缺的重要组成部分，本机的辅助保护系统主要有：

（1）电路具有浪涌保护、相序保护、以及过电压、欠电压等保护功能，并在司机室、液压站控制柜、钻架旁设有急停开关，危险情况下可停止设备运行，确保系统的安全；（2）针对液压系统具有油温保护、压力保护等措施；（3）全部的动力输出均采用屏蔽电缆，可以有效地抑制动力输出对控制信号的干扰，全部控制电缆也采用屏蔽电缆，屏蔽层两头接地，可以防止强干扰进入控制回路；（4）控制电源隔离，独立的供电模块提供稳定的直流24v电源，以确保控制电源的稳定和不受干扰。

4 结语

KTY5000钻机是专门为福建平潭海峡公铁两用大桥大直径基础钻孔桩施工而研制，动力系统采用模块化、集成化设计，操作系统采用可视化、交互性好、更贴合操作习惯的人机界面，并有远程监控和数据管理功能，提高了钻机的自动化控制水平，可方便地实现现场就近操作设备，既提高了操作安全性又提升了生产效率。

参考文献

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