SIEMENS西门子铜仁授权代理商

　0 前言

　　九曲河枢纽工程是太湖流域综合治理骨干工程之一湖西引排工程的重要组成部分，其中节制闸为二孔一联整体式结构，单孔净宽12米，闸顶高程10.3米，底板高程-1.0米。节制闸闸门采用露顶式实腹钢梁平面钢闸门，门底高程-1.0米，门顶高程9.0米。门宽12.66米。启闭机采用倒挂式液压启闭机，型号为QPPYⅡ-2*400-11.8。

　　根据液压启闭机运行实践表明：单吊点闸门启闭技术已非常成熟，而双侧传动的液压启闭机的同步控制，仍然是水利水电技术研究方面的一个重要课题。在各设计院和制造厂的努力下，尽管大部分闸门的同步控制是成功的，但也有一部分双吊点闸门，尤其是大中型宽跨度的液压启闭机双缸同步问题未获得根本解决，从而导致闸门倾斜卡死，甚至吊点拉脱，造成闸门失事。而我们九曲河枢纽工程的节制闸就是采用双吊点且为大中型宽跨度的液压启闭机系统，其双缸同步控制系统必须得到根本解决，我们引入了可编程序控制器(PLC)作为控制核心，保证了闸门能够长期平稳的运行。

　　1 同步误差的形成

　　在水利工程中使用的液压启闭机同工程机械相比有其特殊性。首先液压启闭机所操作的不是自由悬挂的重物，而是沿着导向门槽作上下移动或者是绕着支铰作旋转运动的闸门。因此闸门作为牵引构件上的载荷，不仅取决于闸门重量，还在很大程度上取决于运行阻力的大小。而且这些阻力又是不稳定的，因为它与水封和支撑行走机构摩擦表面的状态密切相关，如内外水位差，泥沙淤积，建筑垃圾和各种漂浮物落入门槽，以及埋没部件结冰等都会使运行阻力大大增加。此外，在水中操作闸门，载荷的大小还随着闸门的开度而变化的动水压力有关。这些载荷的变化使双缸承受负载不同，根据压力——流量关系，承载大的液压缸比承载小的液压缸速度慢。

　　同时，从系统本身来讲，下列因素也是造成不同步的原因。两油缸不是安装在同一闸墩上，这就产生了安装几何误差。双缸运动副摩擦力不同，由于双缸的制造精度不同，安装时的运动副摩擦力也不相等，摩擦力大的液压缸运行慢;液压系统的内外泄露和压缩不可能相等;油管长度和弯头数目的不同将造成双缸沿程阻力的不相等;长时间运行使液压缸的工作特性发生变化，而两缸的工作特性变化不可能相同等等。

　　2 系统构成

　　解决双吊点液压启闭机系统不同步问题就是在上述因素对系统影响不可避免的情况下，如何利用PLC来实时控制液压启闭机双缸同步精度。如图所示为液压系统原理图。该系统采用二台型号为YYB2255-4，功率为37KW的异步电动机带动变量液压泵为系统供油，且液压泵电机组采用一用一备工作方式。

　　2.1 硬件设计

　　主要包括下位机和上位机的硬件，共同构成一个小型控制系统。如图1。

　　下位机和上位机之间通过MPI协议进行数据传输，PLC中央机架和扩展机架之间通过IM360和IM361接口模块进行连接。

　　由于特殊的工艺特点，经充分论证选择了SIEMENS公司的SIMATICS7-300系列PLC作为控制核心。S7-300系列是模块化小型PLC系统。能满足中等性能的要求;主要有以下特点：

　　1)大范围的各种功能模块，可以满足和适应自动控制任务。

　　2)简单实用的分散式结构和多界面网络功能。

　　3)控制灵活，可靠性高，方便用户。

　　4)CUP处理速度快，集成功能强。

　　5)当控制任务增加时，模块扩展方便灵活。

　　液压启闭机系统输入信号主要有手动/自动/远程控制开关量的输入，系统压力传感器的输入，油泵电压输入，开度传感器的输入，超差信号的输入及报警信号的输入等。既有模拟量的输入又有开关量的输入。根据液压启闭机系统的控制要求和被控制器的特点，可充分利用S7-300的系统资源，S7-300可编程控制器的硬件配置如下：

　　1)电源模块：PS307，通过背板总线向各模块供电，输入电压为120/230V/AC，可提供输出24V/DC电源。

　　2)CPU313-1AD03，64kb工作存储器，负载存储器集成96kbRAM，大可以扩展512kb，MPI接口可以与OP7/DP操作面板进行通讯主要用来执行用户程序，控制I/O模块和与上位机通讯。

　　3)SM321数字量输入模块：16点输入。

　　4)SM321模拟量输入模块：8通道隔离输入。

　　5)SM322模拟量输出模块。

　　6)SM322数字量输出模块：16点输出，24V/DC。

　　7)SM338型智能计数模块：8通道，用于通用计数和测量任务，可实现超差检测，并具有比较功能以及故障中断处理功能。

　　8)CP通讯处理模块，可以实现PPI通讯Pp。

　　9)OP7/DP键盘显示及触摸屏，一个RS232通讯接口可以与PLC，计算机，打印机连接，一个RS485接口可与PLC计算机连接。

　　在控制系统的输入电路中，由压力变送器检测到实时液压系统的系统压力，输出4-20mA的压力信号，经过IC7转换为0-5V的电压信号，送入到模拟量输入模块。由系统液压到PLC控制器的输入信号或由PLC控制器到配电部分的控制信号，均经过光电耦合电路进行隔离，以提高系统的抗干扰能力。

　　上位机硬件包括：

　　1)一台PHILIPS电脑控制和Ecsy View触摸屏，电脑为远程控制站和操作员站。

　　2)一台打印机：用于报警打印，操作记录打印。

　　3)一台UPS(不间断电源)。

　　2.2 系统软件设计

　　该自动化控制系统可以方便实现三种操作方式;

　　“现地操作”(手动)即现场电气柜或机旁操作箱上按钮进行操作。

　　“远控操作”(自动)即由计算机上操作。

　　“检修操作”用于安装，检修时调试操作。

为提高系统的可靠性，PLC控制器通过继电器控制接触器的工作，而不是由PLC直接驱动接触器。程序的编制采用模块化结构。包括主程序，事件处理子程序，硬件中断程序等。下面就各模块的程序设计做简要说明。

　　1)主程序

　　主程序主要对液压系统的正常工作与安全保护进行控制。如图2。

　　2)事件处理子程序

　　事件处理子程序包括正常停机子程序，安全停机子程序，紧急停机子程序，自动启动子程序，手动启动子程序，检修启动子程序，纠偏计算子程序，继电器控制子程序，定时中断程序等。继电器控制器子程序主要完成油泵的运转和停止控制，通过纠偏计算子程序不断计算两个液压缸是否同步，当纠偏量不为零时，对系统进行纠偏，对速度快的油缸停止供油，当油缸同步时再同时供油。在定时中断程序中，要实现内外水位的监测与比较，当水位差达到设定值时，自动启动子程序启动。

　　3)硬件中断程序

　　由于选用了具有中断能力的数字量和模拟量输入模块，所以当硬件检测到现场信号发生时(发生故障)，便自动执行硬件中断处理程序块

　　(OB40)根据故障等级，在OB40中执行正常停机，安全停机或紧急停机，从而保证故障及时得到处理。

　　4)安全保护设计

　　为保证整个液压启闭系统的安全，可靠运行，安全保护环节应该在软件和硬件两方面进行，油泵电机的硬件安全设计按照faile-safe原则进行设计，即当控制系统失效时，为保证油泵电机的安全，后一级的保护措施是安全链机械保护。安全链主要有一个类似与门的双路输入多路输出继电器构成控制核心。安全链回路由DC24V供电，经多个闭合触点组成。这些组成安全链的常闭触点包括紧急停机，压力超上限开关，压力超下限开关。

　　安全链的多个触点均为常闭触点，只要其中一个触点断开，安全链就将失效，切除所有执行机构的电源，所有执行机构将全部停止工作。必须在故障排除以后，给安全链复位，系统才能正常工作。

　　3 结束语

　　实践证明，将PLC引入液压启闭系统，成功解决了双缸同步的问题，且控制方便，可靠性高，结构简单，易于实现计算机直接控制。系统自2002年投入试运行至今，效果很好。

　　但当穿爆队在井下进行Samba H1354凿岩台车实际操作和一次成井深孔施工时，由于设备采用人工定向，因而定向仪器的系统误差、人为误差均较大，致使深孔偏差率达5.2% ～10.5%(3～6。)，难以满足一次成井和下一步盘区深孔施工的精度要求，同时其定位、定向时间太长(一般为10～15 min/孔)，使得Samba H1354凿岩台车的凿岩效率不能充分发挥。

　　为此，我们决定自行研制Samba H1354凿岩台车定向定位系统，提高定向仪器的精度，降低仪器的系统误差和人为误差，从而确保深孔的质量，加快设备的定向定位系统的操作速度，大限度地发挥该设备的优越性能。

　　Samba H1354凿岩台车定向定位系统的研制首先应确保凿岩台车施工的深孔符合设计的精度要求，能为今后的盘区落矿和一次成井实验提供更为可靠的保证;其次，应大幅度节省凿岩过程总的定位、定向时间，提高设备的使用效率;后，要降低操作人员的劳动强度，节约保养维修费用，减少维修时间，降低单位固定成本和活劳动成本。

　　因此，该项目的成功实施将随着凿岩台车的大量使用而带来较大的经济效益。

　　在进口Samba H1354凿岩台车上加装的定向定位自动控制系统由旋转编码器、PIE和工业图形显示器构成，可以完成凿岩台车凿岩角度的设定并自动定向定位，大大提高了凿岩台车的工作效率。

　　根据前一阶段对凿岩台车掌握的具体数据，确定了提高定向仪器精度、减少定向仪器的系统误差和人为误差，缩短定向定位操作时间，提高凿岩台车工作效率的研制目标。具体控制要求为：定向系统精度0.6°，定向速度控制不大于1 min/孔;定向自动化率。

　　1 定向控制系统的构成

　　根据我们确定的研制目标，结合深孔凿岩台车的动作方式、控制原理及井下高频振动、高温高湿的作业环境，我们进行了深入细致的讨论分析，后确定了性能优良、价格合理、适合凿岩台车工作环境的下列设备作为本系统的主要监测元件和控制器：日本光洋公司的旋转编码器，日本欧姆龙公司的CdM1系列PLC，日本Digital公司的工业图形显示器。

　　凿岩台车定向定位系统主要由旋转编码器、PLC和工业图形显示器构成(见图1)。抬臂位置和转盘位置由旋转编码器检测，旋转编码器的角度信号进入PLC后，由PLC进行处理和运算，并通过通信口将处理后的角度信号送到工业图形显示器上显示，与此同时，通过工业图形显示器接受操作工的定位角度输入指令，根据定位角度输入指令，由PLC自动控制凿岩台车相应的电磁阀，操作凿岩臂运行到指定角度。

　　1.1 轴定位检测系统

　　Samba H1354凿岩台车凿岩定位需使轴(凿岩臂抬起放下轴、左右转动轴)在三维方向转动配合实现。尽管两轴在不同的空问运动，但它们都有各自的轴心，并绕轴心运转。对于轴定位检测系统，目前自控行业采用多的检测元件就是旋转编码器，它在机器人上得到广泛运用，具有易安装、、可靠性高等特点。对于我们这样一个系统，采用精心安装的旋转编码器，完全可以胜任这样的检测任务。因此，在本系统中，两个轴的角度检测均采用旋转编码器来完成。

　　对于凿岩臂抬起放下轴，安装值旋转编码器，使旋转编码器能检测旋转体的角位移，旋转编码器与被检测旋转体安装在相同的轴心线上，在旋转体上加装随旋转体转动的附件，此附件直接与旋转编码器轴相连，当被检测旋转体旋转时，附件带动旋转编码器旋转，就可将旋转体角位移同步变成旋转编码器的角位移，旋转编码器角位移数字量上传至PLC控制系统。

　　对于大臂左右转动轴，安装增量型旋转编码器，编码器轴由大圆盘周边传动。编码器会将旋转方向及圆盘转动线位移量输入PLC，通过PLC运算可以同样得到轴的角位移量。此方式可大大提高检测的度并便于安装。

　　1.2 PI 控制系统

　　PLC控制系统将旋转编码器送来的数字信号进行转换处理和计算后，再将角度信号送至工业图形显示器显示。

　　有两种定位方式供选择，即手动和自动方式。手动方式是操作工通过工业图形显示器显示的角度，进行角度定位操作;自动方式是操作工通过工业图形显示器进行角度设定。设定完成后由PLC自动起动液压操作系统，进行轴定位操作，至设定角后，自动停车。

　　为实现以上功能，所选CJM1系列PIE配置了CPU模块、输入模块、输出模块。CPU对旋转编码器信号进行处理、计算、控制;输入模块接收旋转编码器信号;输出模块通过中间继电器启动、停止液压操作系统的液压阀。

　　1.3 工业图形显示器操作系统

工业图形显示器(即人机接口)是为方便操作工操作而设置的，通过与PLC系统通信，显示器以模拟图及数字方式显示两个轴的实际运行角度;在自动方式下，通过工业图形显示器所附触摸屏可设定角度并控制台车自动定位。

　　工业图形显示器选用日本Digital公司的GP370系列6英寸(1英寸=2.54 cm)彩色图形显示器。这种工业图形显示器采用明亮、清晰的彩色显示而板，1MB的画面数据存储器，可以自由地设计画而，扩展了图形数据的使用能力。高性能的RISC100MHz CPU，加速了画面数据采集和画面切换。IP65f和NEMA4x/12的防护等级，可以使显示器在潮湿或多尘的现场条件下长期工作。触摸屏操作将复杂的控制操作变成简单的画面触摸，没有经验的操作工经过简单培训就可以使用。

　　图2是安装在台车远程控制台上的图形显示器。图形显示器的下方是随凿岩台车带来的远程控制台，通过工业图形显示器的触摸屏可实现台车自动定向定位操作;而通过远程控制台可实现台车手动定向定位操作。

　　1.4 定位显示系统

　　定位显示是为了操作人员方便快捷地确定排位、机高及对中而设立的，主要采用3支红外线光笔完成。其中两支红外线光笔安装在台车凿岩机的两侧，发光端向外;另一支光笔安装在其上部，发光端向上，安装时需要确保两侧的两条光线在同一水平面上，全部3条光线在同一铅垂面上，即包含3条光线的铅垂面应与台车转动臂的转动平面平行。然后标定两平面的距离和包含两条光线的水平面与台车大转盘轴心线所在水平面间的距离。以此作为今后台车现场施工排位线和机高线标注的依据。操作工根据两侧光笔发出的光线来确定施工排面的排位和机高，利用上部安装的光笔确定台车凿岩机的位置是否居中，由此提高台车的定位速度。

　　2 应用

　　本项目的实施为今后对不具有自动定位能力的台车进行改造积累了经验，为将来进一步提高全公司的劳动生产效率提供了可能