基于PLC控制的多功能土壤地下水调查采样机的研发

王克虎，满国祥，王浩

(1.河北省地矿局国土资源勘查中心，石家庄 050018；2.河北石探机械制造有限公司，石家庄 050018)

0 引言

近年来，随着各地环保力度不断加强，不仅仅需要对空气进行检测，确定空气中的有害气体成分，地下水和地下土的污染程度也越发受到关注。地下水与地下土的污染检测过程比较复杂，检测工序比较繁琐，因此急需一种专业化较强的地下水(土)调查采样设备。

1 采样机概述

本文介绍的是一种多功能土壤地下水调查采样机，该设备采用履带底盘的移动方式。履带底盘越障能力、地形适应能力强，可原地转弯，可以大幅减少路况对载重车辆的限制，因此可以适用于各种复杂地形。钻机具有以下几个主要功能：整体设备的履带移动、后托架起落、桅杆地脚伸缩、桅杆起落、动力头工作、卷扬桅杆升降、液压卷扬工作等。图1为多功能土壤地下水调查采样机整体示意图。

图1 多功能土壤地下水调查采样机整体示意图

本设备的具体工作步骤为：第一步，通过履带移动，将设备移动至需要取样工作的点位；第二步，后托架液压缸工作，使得整个设备处于水平稳定状态；第三步，桅杆升起，直至与地面垂直，桅杆地脚液压缸工作，使桅杆处于稳定状态；第四步，动力头带动钻杆开始取样工作。取样完成后，先通过卷扬桅杆的上升带动，再由液压卷扬工作带动钻杆离开地面，将待检土样或者水样取出后，进行样品的流转和检测。

对于地下水(土)的取样调查工作，目前主要以人工作业为主，但是这种操作存在很多问题，主要是效率低、速度慢、钻杆下沉位置不准确、污染外源增多、取样不方便、安全可靠性差等，从而影响整体工作进程和取样结果。随着数控技术的发展，远程控制技术已经渗透到工程施工的众多工序中，极大地改变了传统的施工方式，提高了工程机械的自动化水平与生产效率。因此，研发多功能土壤地下水调查采样机具有重要意义。

多功能土壤地下水调查采样机设备主要由机械系统、电控系统、液压系统组成。通过研究，确定以内装式PLC作为控制系统，提高了控制系统的可操作性及安全性[1]。该设备采用7英寸显示屏进行状态显示和报警提示，可以汇总并显示设备工作时的各项参数，同时采用远程遥控器控制履带行走和后托架的工作，在方便操作的同时增加了安全性。本文主要对电控系统和液压系统进行介绍和说明。

2 液压控制系统的系统设计

通过对设备的工作流程和机构工作原理的分析，设计了液压控制系统。其液压控制回路如图2所示，由油箱、吸油过滤器、电机、叶片泵、三位四通换向阀、单向节流阀、液控单向阀、液压缸等组成[2]。液压缸的换向通过三位四通换向阀控制，其中为了保证液压缸的推进速度恒定平稳运行，采用单向节流阀来控制液压缸的伸缩速度[3]。

1.油箱；2.吸油过滤器；3.电机；4.叶片泵；5.三位四通换向阀；6.单向节流阀；7.液控单向阀；8.后托架液压缸；9.卷扬桅杆伸缩液压缸；10.桅杆左右调节液压缸；11.动力头平移液压缸；12.桅杆伸缩液压缸；13.桅杆地脚伸缩液压缸；14.桅杆起落液压缸。

2.1 液压系统参数

系统压力值。钻机的液压系统是负载敏感液压系统，单联变量泵，有两路负载敏感多路阀，两路系统压力坐标在多路阀的M口提取压力值。

液压油温度。液压油温传感器坐标点液压油箱。

液压油温度控制。油温上升至 50 ℃(闭合)→驱动液压冷却风扇；油温下降到 30 ℃(断开)液压冷却风扇停止。

过滤报警。①吸油滤芯(发讯开关)；②回油滤芯(发讯开关)；③高压滤芯(发讯开关)。

液压与电气对接的详细要求如表1所示。

表1 液压与电气对接表

2.2 液压系统构成

液压系统主要包括：系统压力A组多路阀、系统压力B组多路阀、液压油温传感器、吸油过滤器(压力开关)、回油过滤器(压力开关)、高压过滤器(压力开关)[4-5]。具体说明如表2所示。

表2 液压系统说明表

3 控制系统的系统设计

3.1 控制系统的总体方案

整机电气及线路与部件配合，电气系统包括发动机、控制器、钻机操作面板、无线遥控装置、阀门IO控制模块、传感器及显示器等几个单元。系统采用了先进的CAN总线可编程序控制器、图形显示控制器等，成为一个集数据采集、可编程序控制、虚拟仪表、总线传输、故障诊断一体的智能控制系统。发动机ECU将机身上的所有传感器数据通过线缆传输给可编程序控制器，而可编程序控制器与显示仪表则通过CANBus通讯协议进行数据交换[6]。

本设备的履带行走(前进、后退、左转、右转)的控制，由手持遥控远程操作来实现。内装式PLC主要完成机械辅助动作(后托架起落、桅杆地脚伸缩、桅杆起落、卷扬桅杆升降)的顺序控制及开关量控制工作[7]。各路传感器对整体设备的压力和温度进行实时监测，并将信号反馈至显示屏。工作人员可通过显示屏了解和掌握设备的工作状态和各项重要参数，从而提高设备的使用寿命，保证设备操作与使用的安全性。设备内装式PLC系统结构框图如图3所示。

图3 内装式PLC系统结构框图

操作人员通过操作面板或遥控发射机上的按钮发出指令，传感器检测机器的工作参数和极限参数，可编程序控制器对指令信号和传感器信号进行放大、连锁及逻辑运算，驱动执行器(电磁阀)，完成包括发动机的监控与故障诊断、钻机行走、钻机冲击旋转、各种传感器故障自诊断、数据存储等功能。系统运行的各种状态参数实时通过CAN总线传输到图形显示控制器，完成冲击、虚拟仪表等功能，并且可以通过显示器进行参数设定与系统标定[8]。CAN总线控制发动机部分、液压系统部分、钻机面板灯光部分、无线遥控部分、彩屏显示部分共5部分。其中采样机整机线束控制结构图见图4。

图4 采样机整车线束控制结构图

3.2 面板部分的总体方案

3.2.1 采样机控制面板

采样机控制面板包括：显示屏、灯光、急停开关、启动和油门控制等部分。采样机控制面板功能示意如表3所示。

表3 采样机控制面板功能示意表

3.2.2 彩色显示屏

选择7英寸彩色显示屏，可以方便查阅各项参数和工作时报警提示状态，同时自带密码开机和远程传输功能。彩色显示屏的主要功能示意如表4所示。

表4 屏幕功能示意表

3.2.3 行走系统

行走系统的控制分为左行走无级变速控制和右行走无级变速控制，具体内容如表5所示。

表5 行走系统示意表

4 发动机部分

4.1 发动机选型

发动机选择符合国家第三阶段排放标准的74 kW 康明斯发动机，具有以下几个优点：①机组品质优良，性能卓越；②机组自身的振动及噪声在同类产品中处于较低水平，发动机与发电机采用SAE标准连接，能保证极高的同轴度，进而使得机组自身振动极低，单振幅度小于0.3 mm；③一体化结构，便于用户使用、安装，外形更加美观，机组为槽钢一体化结构，内置有高效减振装置，可吸收机组绝大部分的振动，使得机组的安装极为简便，只需一平整水泥平台或具有足够载重的地板，将机组置于其上，不用担心机组振动传至墙体和地基，该减振装置还可有效地隔绝外部振动对机组的影响，确保达到机组抗地震的要求；④机组的使用经济性较好，达到国际先进水平,燃油油耗及机油油耗远低于国家标准(GB/T 2820.1—2009)；⑤配套件及配套技术资料齐全，使得用户安装、使用更加简便。

发动机ECU插头B-94针脚接线如表6所示。

表6 ECU插头针脚接线示意表

表6(续)

4.2 相关电器插件

电器插件主要包括诊断接口、R232、预热继电器、燃油含水器、启动继电器、启动马达、发电机、快速拨扭、前后灯。具体电器插件的型号如表7所示。

表7 电器插件的型号示意表

5 遥控发射机面板指令及功能

遥控发射机的主要功能包括：履带方向调节、履带行走速度调节、柴油机启动、柴油机油门调节、后托架上下控制。遥控器具体面板指令及功能分布如表8所示。

电控系统接口型号类型包括：模拟量、开关量、IO点数、CAN、RS232汇总等。

表8 遥控器面板指令及功能分布表

6 结语

多功能土壤地下水调查采样机的整机电气控制系统，采用CAN总线控制，主要部件有控制器、14型阀门IO控制器、ECU发动机、无线遥控发射/接收器、显示屏、整车线束等，另外还有翘板开关、点火开关、油门旋钮开关、传感器等。钻机在转场的过程中，主要以遥控控制行走、转弯动作，有快慢速选择。钻机在现场工作的过程中，主要以操作液压手柄控制各种动作，操作更灵活、效率更高、准确率更高，对操作工人技术水平要求低，为企业节约成本，提高企业竞争力，有广阔的市场应用前景[9]。