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2 0 1 5 年 5月 第 4 3卷 第 1 0期 机床与液压 MACHI NE T00L HYDRAUL I CS Ma v 2 01 5 Vo 1 ． 4 3 No ．1 0 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 0 1 0 ． 0 5 3 基于 P L C和 H M I 的液压锚杆钻机变频调速控制系统改造 王晓瑜 西安航空学院电气学院，陕西西安 7 1 0 0 7 7 摘要用西门子 s 7 ． 2 0 0 P L C、变频器和人机界面，对某型号液压锚杆钻机冲击回转电气控制系统进行改造。分析系统 的控制原理 ，设计系统流程图及软件程序，给出改造后 P L C端子接线图。运行结果证明改造后控制系统工作可靠，操作 方便直观，故障率低 ，提高了工效。 关键词 锚杆钻机 ；P L C；变频器 ；H MI 中图分类号 T P 2 9 文献标 志码 B 文章编号 1 0 0 1 - 3 8 8 1 2 0 1 5 1 0 1 7 2 3 液压锚杆钻 机是锚杆支护工程施工 的关键设备之 一 ，影响着支护质量的好坏与支护速度的快慢。不同 的支护工程应选 择不同种类 的锚杆钻机 。 目前 ，在煤 巷矿道和岩土锚固工程施工中，普遍使用机载型液压 锚杆钻机 。但 目前机载型液压锚杆钻机 的电气控制 系 统 ，其逻辑为继 电一 接触 器逻辑 ，存 在电路 复杂 、可 靠性差、故障诊断与排除困难、维修任务较大等缺 点。为解决上述问题，采用西门子公司的 s 7 ． 2 0 0系 列 P L C对其 电气控制 系统进行改造 。 1 液压锚杆钻机变频调速控制系统改进方案 图 1 所示为改造后液压锚杆钻机变频调速控制系 统 原理 图 ，由一 台 P L C 、一 台变频 器 、压力 传感 器 、 流量传感器 、位移传感器和速度传感器、液压冲击单 元 、液压 回转单元 、液压 冲击器 、主泵 、马达 、储能 罐等组成。 图 1 液压锚杆钻机变频调速控制系统原理图 锚杆钻机工作时，回转单元和冲击单元皆由定量 系统流量 ，冲击器部分装有压力传感器 、位移传感器 泵提供压力油。回转单元工作时，三位四通电磁换向 和速度传感器，分别用来检测冲击系统油压、冲击活 阀左位电磁铁得电或右位电磁铁得电工作，驱动锚杆 塞的冲击位移和冲击速度。当系统工作时，各个传感 钻机动力头正转钻进或反转钻进，中位时，各油路 口 器将检测到的信号 电压或电流信号进行 A ／ D转 互通 ，液压泵卸荷 ，动力头停止回转钻进。冲击单元 换，变成模拟量信号，并把这些信号送给 P L C，与控 工作时，二位四通电磁换向阀左位电磁铁得电，驱动 制系统设定的数值进行对比，进行 P I D运算。P L C根 锚杆钻机冲击器进行钻孔 ，溢流阀配合使用调定系统 据运算结果 ，将运算数据进行 D ／ A转换，控制变频 压力 。定量泵出口的流量传感器用以测量泵出口处的 器运转频率 ，提速或降速 由变频器的多段速控制 ， 收稿 日期 2 0 1 4 0 4 1 0 基金项目陕西省科技攻关项 目 2 0 1 1 K 1 0 ． 1 8 ；陕西省教育厅专项科研项 目 0 9 J K 5 5 9 作者简介王晓瑜 1 9 7 4 一 ，女，博士研究生，高级工程师，从事机械 电子工 程教学与科研工作。E ma i l l s h R t t 1 2 6． t o m。 第 l O期 王晓瑜基于 P L C和 H MI 的液压锚杆钻机变频调速控制系统改造 1 7 3 从而控制液压泵转速，增加或减小液压泵的供油量。 流量大冲击器 冲击频率高，冲击器 中的活塞位移量 小 ，冲击能小 ，说 明岩石硬度不高 ，此 时应输 出较小 冲击能 反之则说明岩石较坚硬且没有被破碎 ，应输 出较大的冲击能以利于破碎，这样可提高凿岩效率。 根据传感器的反馈信号 ，P L C对冲击器的旋转冲击 进行 实时调 节 ，针对 不 同地 层 、工 况 ，调 整 系统 工 作压力，实现锚杆钻机输出冲击能量 、冲击频率及 冲击 位移 的 自动 连续无 级 调节 ，以及 三 者之 间 的最 优 匹配 。 系统中增加了人机界面H MI 。在人机界面里能显 示系统的故障、工作状态及参数的设置，兼报警功 能 ，同时可以向导式地对系统进行操作 ，使得系统控 制更加方便 明了【 1 - 2 ] 。 2 硬件系统设计 2 ． 1 主 机 P L C的选择 与设 计 控制 系统 主 回路部 分 不变 ，对控 制 回路 进 行改 造 。改造后 。将原手 动换 向阀全 部改 为 电磁换 向阀 ， 增加冲击器位移 、速度和压力传感器 。以及液压泵流 量传感器。系统的启动／ 停止按钮 、油箱的高／ 低液位 传感器 、高／ 低温传感器等为开关量输入信号；电磁 阀、电机等为开关量输出信号 ；冲击器位移、速度、 压力传感器和液压泵流量传感器为模拟量输入信号， 控制变频器频率电压信号为模拟量输出信号。经 I ／ O 点数 分 配 选 用 S I E ME N S的 S 7 ． 2 0 0 C P U 2 2 4 A C ／ R E ． L A Y 1 6 DI ／ 1 0 D0P L C，挂一块 E M2 3 5 4 AL ／ 1 A0 模拟量混合模块。I ／ O地址分配见表 1 和表 2 C 。 D C O、 o Dc 2 4v 高低 液 Vf 液液 压 复 位 位泵 位 报 报电 控 警警 机 制 2 4V 而] 表 1 输入信号地址分 配表 表 2 输 出信号地址分 配表 功能 元件地址 2 ． 2 P L C端子接 线 图 P L C端子接线 图如 图 2所示 。 N I L 击活塞l冲击活塞l 冲击系统l 泵流量 移信号 l速度信号 I 油压信号I 信号 Dl 0l 01 01 0I l 0l Dl 01 0 J l 01 0l 0I Ol 0l Dl 0I l pl 01 0l 0l 0l 0l 01 0l 0l 01 0I p 1 LIo ． o l o ． 1 1 o ． 2 1o ． 3 l l 2 L10 ． 4 lo ． 5 l O ． 6 1 0 l 3 L1 0 ． 7 [1 ． o l 1 ． 1 1 -- _-j N ILl l AlA l A- lRBl B l B dC州C- IRDID l D- CP U2 2 4■■_ E M2 3 5 I M1 0 ． 0 l 0 ． I 1 0 ． 2 1 0 ． 3 1o ．4 [ 0 ． 5 1 o ． 6 lo ． 7 1 2 M ] 1 ．0 f 1 ． 1 11 ． 2 l1 ． 3 l 1 ． 4 I1 ．5 l M lL l I M l L 叫地 d 0 1V0 I I O I} - 益 儡 移l 配置 0 l 0l Dl Q l 0 1 0 1 0l 0l 0l 0 1 0l D1 0 l Dl Qf Dl 0 l 0 l I DI QI ＆l 0 l 01 0 I I l - 系系 手 自 统 统 动 动 启 停 运 运 动 止 行 行 变 频器 图 2 P L C端子接线图 2 ． 2 变频器选择 5 5 K ． C H变频调速器，功率 5 5 k W。该变频器具有高 根据液 压泵 的额 定 功率，选 用 三菱 F R ． A 5 4 0 ． 输出转速和强抗干扰能力 ，工作时显示屏可显示电机 液压油箱低温 液压油箱高温 液压油箱低液位 液压油箱高液位
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