（机械制造及其自动化专业论文）现场总线在牙轮钻机电气化改造中的应用.pdf

摘要 摘要：随着微电子技术、计算机技术以及通信技术的飞速发展，工业控制系统 不断发生变革。与此同时，作为控制系统的重要组成部分一工业通信网络，也不断 地向前发展。 企业综合自动化技术，以管理与控制一体化为目标，要求有更多的信息参与到 工厂管理中去，信息交换领域覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次， 从工段、车间、工厂、企业到世界各地的市场。现场总线作为工厂数字通信网络的 基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系， 促使以工业控制网络为基础的企业综合自动化系统逐步形成。 信息网络技术的迅猛发展和相关技术的成熟，对牙轮钻机的控制产生了巨大的 冲击。牙轮钻机的控制系统从传统的继电控制回路发展到了控制网络、信息网络一 体化的控制系统。 本课题将立足国内市场，研究设计出满基于p r o f i b u s 现场总线技术的交流变 频电驱动钻机的全集成控制系统。钻机动力控制系统，变频调速控制系统均采用先 进的数字化网络控制技术，系统具有优异的调速性能，过载能力强，可靠性高，抗 干扰能力强。 钻机操作控制系统实现了全数字化，系统采集电气参数和钻井参数转换为数字 信号，通过触摸屏、p l c 和总线通讯进行计算并控制电气参数，实现钻机的数字化 操作功能，满足参数( 信号) 的显示、存储、打印、远程监控和管理。 关键词：p l c 触摸屏现场总线牙轮钻机电气控制 a b s t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm i c r oe l e c t r i ct e c h n o l o g y , c o m p u t e rt e c h n o l o g y a n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , i n d u s t r yc o n t r o ls y s t e ma l w a y st r a n s f o r m e d a tt h es a m e t i m e i n d u s t r yc o m m u n i c a t i o nw h i c h 硒ai m p o r t a n tp a r to ft h ec o n t r o ls y s t e mn e t w o r k d e v e l o p e dc o n s t a n t l y e n t e r p r i s ea u t o m a t i ct e c h n o l o g yr e q u i r e sm o l ei n f o r m a t i o na p p l i e dt of a c t o r y a d m i n i s t r a t i o n ，a i m i n g a ti n t e g r a t i o no fa d m i n i s t r a t i o na n dc o n t r 0 1 i n f o r m a t i o ne x c h a n g e d o m a i nc o v e r $ w i t hf i o mt h es c e n ee q u i p m e n tt oc o n t r o la n ds u p e r v i s e ，f r o mw o r k s h o p s e c t i o n 、p l a n tf a c t o r y 、e n t e r p r i s et ot h em a r k e ti nt h ew o r l d a st h eb a s i so ff a c t o r y d i g i t a lc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，f i e l db u se s t a b l i s h e sr e l a t i o nb e t w e e np r o d u c t i o np r o c e s s w i t hc o n t r o le q u i p m e n ta n dc o n t r o la d m i n i s t r a t i o n ，a n d1 3 l a k e s e n t e r p r i s es y n t h e s i s a u t o m a t i cs y s t e mb a s e do ni n d u s t r i a lc o n l r o ln e t w o r k f o r m e dg r a d u a l l y w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nn e t w o r kt e c h n o l o g ya n dt h em a t u r i t yo f c o r r e l a t e dt e c h n o l o g y , g e a rw h e e ld r i l l sc o n t r o l s y s t e mi si m p a c t e dg r e a t l ya n d d e v e l o p e df r o mt r a d i t i o n a lr e l a yc o n t r o ls y s t e mt ot h ec o n t r o ls y s t e mt h a ti n t e g r a t e s c o n t r o ln e t w o r ka n di n f o r m a t i o nn e t w o r k b a s e di t s e l fo ni n t e r n a t i o n a lm a r k e t , t h es u b j e c tr e s e a r c h e sa n dd e s i g n se l e c t r i c a l s y s t e mo fa cv a r i a b l ef r e q u e n c yr i gb a s e d0 1 1p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l db u s ) r i g s p o w e rc o n l r o ls y s t e ma n dv a r i a b l ef r e q u e n c yt i m i n gc o n t r o ls y s t e ma p p l i e sa d v a n c e d d i g i t a ln e t w o r kc o n t r o lt e c h n o l o g y ，p o s s e s s i n go u ts t a n d i n gc a p a b i l i t yo ft i m i n g ， o v e r l o a d ，r e l i a b i l i t ya n da n t i - j a m m i n g o i g i t a lo p e r a t i o nc o n t r o ls y s t e mo fr i gi sr e a l i z e dt h r o u g ht o u c hs c r e e n ，p i , ca n d c e n t r a lc o m m u n i c a t i o n ，w h i c hg a t h e r sa r t e s i a nd r i l l i n gw e l la n de l e c t r i cp a r a m e t e r ，a n d c o n v e r t si nt od i g i t a ls i g n a la n dd i g i t a lo p e r a t i o nf u n c t i o nt om e e td i s p l a y 、s t o r a g e 、p r i n t 、 r e m o t ew a t c ha n da d m i i l is 廿a t i o n 。 k e yw o r d s ：p l c t o u c hs c r c e l lf i e l d b u sg e a rw h e e lr i ge l e c t r i c a lc o n t r 0 1 2 1 1 研究背景 第一章绪论 牙轮钻机是露天矿山、尤其是大型露天矿山的主要穿孔设备 1 2 3 。为使 牙轮钻机在不同的岩层中都能保持较佳的钻进状态，要求钻机的回转机构能根据岩 层的性质进行无级调速，钻机的提升行走机构也需要无级调速。目前，牙轮钻机的 回转机构和提升行走机构一般都是直流电动机驱动。目前主要有三种调速装置：( 1 ) 采用晶闸管直流调速装置有：y z - 5 5 ，y z - 3 5 和y z - 1 2 型：( 2 ) 大功率磁放大器调速装 置在k y - 2 5 0 型牙轮钻机和从美国的4 5 r 型上采用：( 3 ) 采用直流发电机组调速装置 的有在美国进口的6 0 r 型上采用。 牙轮钻机上应用变频调速技术不仅是为了节能，更重要的是为了提高钻机的生 产效率，降低维修工作量。回转机构电动机安装在钻杆的顶端，由于工况恶劣，导 致使用的直流电动机经常损坏，维修工作量大，从而影响牙轮钻机的正常作业和效 率。因此采用交流鼠笼型电动机替代直流电动机，用变频调速装置代替直流调速装 置，就成为人们公认的牙轮钻机电气传动的发展方向。 在牙轮钻机上应用变频调速技术的难点在于：钻机的回转机构等对调速装的性 能要求高，这是由于岩层地质条件的不同，钻机在钻进工作时有可能被卡钻，而使 回转机构堵转的现实情况，这就要求调速装置的机械特性曲线具有类似挖土机的特 性，并具有立即反转和立即重新起动、钻进的功能：牙轮钻机振动大，对调速设备 的防振要求高。变频调速在牙轮钻机中的应用首先是在美国b - e 公司在5 5 r 型牙轮 钻机上应用。我国矿山的牙轮钻机的变频调速还在开发试验之中，尚未推广应用 本论文是以中钢衡重y z 3 5 d 智能型牙轮钻机控制系统研发为研究背景的，该型 号应用于大冶特钢。控制系统的整体设计由中钢衡重自动成套分厂承担设计的，本 人主要负责了控制系统设计中的p l c 部分，同时参与监控与人机界面设计。本文系 统地描述了牙轮钻机控制系统的整体设计，包括控制系统的构成、变频调速系统以 及基于触摸屏监控系统的设计。 3 1 2p l c 技术 p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) “h 5 1 技术是2 0 世纪7 0 年代问世的通 用自动控制装置，作为一种新型、通用的自动控制装置，它综合了计算机技术、自 动控制技术和通信技术，它具有功能强、可靠性高、使用灵活方便、易于编程以及 工业环境适应性强的等一系列优点，在工业自动化、机电一体化、传统产业技术改 造等方面的应用越来越广泛，经过多年的发展，它已由原来仅仅代替继电器逻辑控 制而变成一个集顺序逻辑控制、回路调节、图形监视、网络通信于一体的综合自动 化系统，它已经成为工业自动化的三大支柱之一。 p l c 机的网络与计算机网络相比，在结构、通信原理、以及连接方式等都很相 似、不同在于p l c 机的网络还可进一步细分为上位联机系统、下位联机系统和同位 连接系统。近几年来，p l c 的应用越来越广有着多方面的原因，其主要原因是：一 方面，由于微处理机芯片及相关原件的价格大大下降，使得p l c 的成本下降；另一 方面，p l c 的功能大大加强，能解决复杂的计算和通信问题。目前p l c 在国内外已 广泛应用与钢铁、采矿、化工、电力、机械等行业。p l c 的主要应用领域主要包括： ( 1 ) 开关逻辑和顺序控制 这是p l c 应用最广泛、最基本的场合。它的主要功能是完成开关逻辑预算和进 行顺序逻辑控制，从而可以实现各种简单或十分复杂的控制要求。 ( 2 ) 模拟控制 在工业生产过程中，许多连续变化的需要进行控制的物理量，如温度、压力、 流量、液位等，这些属于模拟量。为实现工控领域对模拟量控制的广泛要求，目前 大部分p l c 产品都具有处理这类模拟量的功能。特别是当系统中模拟量控制点数不 多，同时混有较多开关量时，p l c 具备其他模块装置所无法比拟的优势。另外，有 些p l c 产品还提供了典型控制策略模块，如p i d 模块，从而实现对系统的p i d 等反 馈或其他模拟量的控制运算。 ( 3 ) 定时控制 p l c 具有很强的定时、计数功能，它可以为用户提供数十甚至上百个定时器与 计数器。对于定时器，其定时间隔可以由用户加以设定。对于计数器，如果需要对 4 频率较高的信号行计数，则可以选择高速计数器。 ( 4 ) 信号联锁系统 信号联锁是安全生产所必需的。在信号联锁系统中，采用高可靠性的p l c 是安 全生产的要求。对安全要求高的系统还可采用多重的检出元件和联锁系统，而对其 中的逻辑运算等，可采用冗余的p l c 实现。 ( 5 ) 通信联网 把p l c 作为下位机，与上位机或同级的可编程序控制器进行通信，可完成数据 的处理和信息的交换，实现对整个生产过程的信息控制和管理，因此p l c 是实现工 厂自动化的理想工业控制器。 1 3 课题任务 课题主要任务就是将现场总线技术、变频技术应用到牙轮钻机的电传动系统 中，从而设计出一套全集成自动化的交流变频电传动钻机的电气控制系统。本课题 将主要完成以下研究： ( 1 ) 钻机交流变频电气传动系统设计及控制系统通讯网络设计： ( 2 ) 变频电传动钻机控制系统主要设备选型与系统集成： ( 3 ) p l c 控制程序设计 ( 4 ) 触摸屏人机操作界面设计： 1 4 本文研究目的 研究p l c 的控制模式与控制特点 研究牙轮钻机的控制要求，特别是回转、提升行走两个动作的控制要求 研究变频器的使用，对于变频器的控制算法特别是矢量控制，p l c 与变频器通 讯研究使用通信函数。 设计监控界面。 5 第二章p l c 及p r o f ib u s 技术背景 2 1p l c 控制系统模式的设计 根据控制系统的不同要求，p l c 控制系统模式大致可以分成四种形式： ( 1 ) 单机控制系统 采用一台p l c 控制一台被控设备的形式。它是最一般的p l c 的控制形式，其输 入输出点数比较少，控制系统的结构简单明了。如图2 1 1 所示。 ( 2 ) 集中控制系统 集中控制系统是采用一台p l c 控制多台被控设备的形式。该系统多用于多种控 制，对象距离比较近且相互之间有一定的联系的场合。集中控制系统的特点是经济， 但是，当某一控制对象的程序需要修改的时候，必须停运控制器，这样，其他的控 制对象也要停止运行，或者无法控制其他控制对象，如图2 1 2 所示。 ( 3 ) 分散控制系统 分散控制系统的基本结构如图所示。在分散控制系统中，每一台控制器控制一 个对象，各控制器时间可以通过信号传递加以联系，或由上位机通过数据总线进行 通信。分散控制系统多用于多条机械生产线之间的控制。 分散控制系统的特点是：使用p l c 的数量多，成本偏高，但是，维护方便、运 行可靠性高，系统扩展方便，增加了系统的柔韧性，如图2 1 3 所示。 ( 4 ) 远程i 0 控制系统 远程i 0 控制系统如图所示，就是i o 模块不是与控制器放在一起，而是远距 离地放在控制对象附近。远程i o 控制系统适合于控制对象远离中心控制室的场合， 可以节省大量连接电缆，如图2 1 4 所示。 图2 1 1 单机控制系统 6 图2 1 2 集中控制系统 图2 1 3 分散控制系统 2 2p r o f i b u s 技术概述 图2 1 4 远程i o 控制系统 图2 1p l c 控制结构 p r o f i b u s 根据应用特点可分为p r o f i b u s d p ，p r o f i b u s f m s ，p r o f i b u s - p a 三 个兼容版本。 p r o f i b u s d p 嘲为满足自动化工厂中分散i o 和现场设备之间所需要的高速数 据通讯的需求而设计的。p r o f i b u s - d p 使用物理层、数据链接层( 第l 层、2 层) 和 7 用户接口，可取代2 4 v ( d c ) 或4 - 2 0 m a 信号传输，它采用r s - 4 8 5 传输技术和光纤。 p r o f i b u s - d p 采用主从方式和低层的令牌环传递相结合的形式进行通道分配，整个 网络可以将总线系统分割成线段分步建立，段间用中继器来连接，每个段可以有3 2 个网络站，整个网络可以达到1 2 6 个网络站。由于最大传输速率可达到1 2 m b p s ，以 及第2 层采用s r d ( s e n da n dr e q u e s td a t a ，发送并要求回送) 功能，使得输入和 输出数据可在一个周期内完成，所以传输速率有了很大的提高，总线周期可尽量减 少。 典型的p r o f i b u s - d p 网络中的逻辑令牌只含有1 个主动节点( 主站) ，有若干 个被动节点( 从站) ，1 个主站轮询多个从站，这个主站是这个从站的l 类主站；如 果网络上还有编程器和控制面板等控制从站，这个编程器和控制面板是这个从站的 2 类主站。2 类主站能选择的接收从站发给l 类主站的数据，可以进行编程、组态、 诊断等。用户数据传送采用点对点通信方式，而控制指令采用广播方式，是循环主 一从用户数据传送和非循环主一主数据传送。 p r o f i b u s - d p 主站可以是带有集成d p 口的c p u ，也可以是带有通信卡c p 5 6 1l ， c p 5 4 1 2 等的上位机，这些通信卡中加入p r o f i b u s 驱动程序就可以当作p r o f i b u s 网 卡并支持p r o f i b u s 协议。p r o f i b u s d p 从站可以是e t 2 0 0 系列，调速装置， s 7 2 0 0 3 0 0 4 0 0 站及第三方设备。第三方设备，只要支持标准d p 协议，能够提供 g s d 文件( 电子设备数据文件) ，亦可通过d p 协议进行通讯。 工厂管理系统 翮陌习画l 回 也l 凰陈传感嚣l 卢弓il l 剖l 毋ll 也鼐t i | 恩l 茹 图2 2p r o f i b u s 结构示意图 8 车同级 总线循；l ： 时嚼 l o o m s n 丽 悟蒯 i 时同 l i l o r e si _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ 一 p r o f i b u s d p ：经过优化的高速、廉价的通信连接，专为自动控制系统的设计 分散i o 之间通信设计，使用p r o f i b u s d p 模块可取代价格昂贵的2 4 v 或2 0 m a 并 行信号线，用于分布式控制系统的高速数据传输。 p r o f i b u s f m s ：盯1 解决车间级通用性通信任务，提供大量的通信服务，完成中 等传输速度的循环和非循环通信任务，用于纺织工业、楼宇自动化、电气传动、传 感器和执行器、可编程序控制器、低压开关设备等一般自动化控制。 p r o f i b u s - p a ：呻1 专为过程自动化设计，标准的本质安全的传输技术，实现了 i e c i1 5 8 2 中规定的通信规程，用于对安全性要求高的场合及由总线供电的站点。 2 3p r o fib u s 协议结构 p r o f i b u s 是一种现场总线，用于将分散的现场总线过程控制设备与集中控制系 统底层进行连接。处于底层的过程控制数字通信的基本要求是数据传输时间短、通 信协议简单、可靠，以满足控制系统与分散外围设备的快速响应要求。如果按照o s i 七层模式的参考模型，由于层间操作与转换的复杂性，网络接口造价与时间开销显 得过高。为满足实时性要求，也为了实现工业网络的低成本，现场总线采用的协议 结构大都在o s i 模型的基础上进行了不同程度的简化。p r o f i b u s 协议结构如图所示 pr of i eus 协议结构 i1 il 。啼置 p a 抒置 b f m s 静 t 鼻符一 圈i p i t i 囊 j ，r j 缀隧翳驻嘲磁豳黼搦溺溺黼溺 一 t 一皿 隧哥 啊0 1 哥霉翟甚强 l ，1 国霸曩曩曩嘣_ 啊。_ 疆搿冒暖鞠强翻 - 【，h l 囊t _ 圈豳曩豳 髓警翳翻霸豳 麟髓暖黼荔疆瀚萌鳓错鬃麓臻麓臻缬翱翻 t 一只 磊；矗麓强豳冒豳 a 归l 一 _ - _ r _ * # 0 目日女h h & 日- _ h _ _ 一 r 豳冒瞄嚣蕊：磊孑譬穿一一翟豳l 囊黼艮 i e c l l 5 8 2 】 【1 1 j 一 圜： 一d i ne l ，t 图2 3p r o f i b u s 协议结构 p r o f i b u s - d p 使用第一、二层和用户接口。这种结构确保了数据传输的快速和 有效进行，直接数据链路映像( d d l m ) 为用户接口提供第二层功能映像，户接口规 9 定了用户和系统以及不同设备可调用的应用功能，并详细说明了各种不同 p r o f i b u s d p 设备的设备行为。 p r o f i b u s f m s 定义了第一、二、七层，应用层包括现场总线信息规范( f m s ， f i e l d b u sm e s s a g es p e c i f i c a t i o n ) 和底层接口( l l i ，l o w e rl a y e ri n t e r f a c e ) 。 f m s 包括了应用协议并向用户提供了可广泛选用的强有力的通信服务。l l i 协调的 通信关系并提供不依赖设备的第二层访问接口。 p r o f i b u s - p a 的数据传输采用扩展的p r o f i b u s - d p 协议。另外，p a 还描述了设 备行为的p a 行规。根据i e c i1 5 8 - 2 标准，p a 的传输技术可确保其本征安全性，而 且还可通过总线给现场设备供电。使用连接器可在d p 上扩展p a 网络。 2 4p r o fib u s 传输技术 现场总线系统的应用在很大程度上取决于选用的传输技术，既要考虑一些总的 要求( 传输可靠，传输距离和高速) 又要考虑一些简便而又费用不大的机电因数。 当涉及过程自动化时，数据和电源的传送必须在同一根电缆上。由于单一的传输技 术不可能满足所有的要求，因此p r o f i b u s 提供以下三种类型：d p 和f m s 的r s 4 8 5 传输；p a 的i e c l l 5 8 - 2 传输；光线( f o ) 。 在本文中主要用的r s 4 8 5 传输，所以只简单介绍d p 和f m s 的r s 4 8 5 传输 r s 4 8 5 是p r o f i b u s 最常用的一种，通常称为h 2 ，采用屏蔽双绞铜线电缆，共 用一根导线对。r s 4 8 5 传输技术的基本特性如表所示。 表2 1r s 4 8 5 传输技术的基本特性 网络拓扑线性总线，两端有有源的总线终端电阻。短截线的波特率1 5 m b p s 介质屏蔽双绞线，也可取消屏蔽，取决于环境条件( e m c ) 站点数每段3 2 个站，不带转发器。带转发器最多可到1 2 7 个站。 插头连接器最好为9 针d 副插头连接器 r s 4 8 5 操作容易，总线结构允许增加或减少站点，分步投入不会影响到其它站 点的操作。传输速度可选用9 6 k b p s 1 2 m b p s ，一旦设备投入运行，全部设备均需 1 0 选用同一传输速度。电缆的最大长度取决于传输速度，如表所示。 表2 2r s 4 8 5 传输速度与电缆的距离 波特率 9 61 9 29 3 7 51 8 7 55 0 01 5 0 01 2 0 0 0 距离段 1 2 0 01 2 0 0 1 2 0 01 0 0 04 0 02 0 01 0 0 2 5p r o fib u s 总线存取协议 p r o f i b u s 的d p ，f m s 和p a 均使用单一的总线存取协议，通过o s i 参考模型的 第2 层实现，包括数据的可靠性以及传输协议和报文的处理。在p r o f i b u s 中第2 层称之为现场总线数据链路( f d l ，f i e l d b u sd a t al i n k ) 。介质存取控制( m a c ， m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) 具体控制数据传输的程序，m a c 必须确保在任何时刻只能 有一个发送数据。p r o f i b u s 协议的设计旨在满足介质存取控制要求： 在复杂的自动化系统( 主站) 间通信，必须保证在确切限定的时间间隔中，任 何一个站点要有足够的时间来完成通信任务；在复杂的程序控制器和简单i o 设备 ( 从站) 间通信，应尽可能快速又简单地完成数据的实时传输。因此，p r o f i b u s 总 线存取协议包括主站之间的令牌传递方式和主站与从的主从方式，如图2 - 4 所示。 令牌传递程序保证了每个主站在一个确切规定的时间框内得到总线存取权( 令牌) ， 令牌是一条特殊的电文，它在所有主站循环一周的最长时间是事先规定，在 p r o f i b u s 中，令牌只在各主站之间通信时使用。 主从方式允许主站在得到总线存取令牌时可与从站通信，每个主站均可向从站 发送或索取信息，通过这种方法有可能实现下列系统配置：纯主一从系统；纯主一 主系统( 带令牌传递) ；混合系统。图中的三个主站构成令牌逻辑环，当某主站得 到令牌电文后，该主站可在一定的时间内执行主站的工作，在这段时间内，它可依 照主一从关系表与所有从站通信，也可依照主一主关系表与所有主站通信令牌环是 所有主站的组织链，按照主站的地址构成逻辑环，在这个环中，令牌在规定的时间 内按照地址的升序在各主站中依次传递。在总线系统初建时，主站介质存取控制m a c 的任务是制定总线上的站点分配并建立逻辑环。在总线运行期间，断电或损坏的主 站必须从环中排除，新上电的主站必须加入环中龇1 0 1 图2 4p r o f i b u s 存取协议 2 6p r o flb u s - d p 技术基本特性 r o f i b u s d p 用于现场层的高速数据传送n 。主站周期地读取从站的输入信息并 周期地向从站输出信息。总线循环时间必须要比主站( p l c ) 程序循环时间短。除 周期性用户数据传输外，p r o f i b u s - d p 还提供智能化现场设备所需的非周期性通信 以进行组态、诊断和报警处理。 2 6 1p r o f i b u s - d p 的基本功能 ( 1 ) 传输技术u 副：r s 4 8 5 双绞线双线电缆或光缆。波特率从9 6 k b p s - - - 1 2 m b p s 。 ( 2 ) 总线存取：各主站间令牌传送，主站与从站间为主一从传送。支持单主 或多主系统，总线上最多站点( 主一从设备) 数为1 2 6 。 ( 3 ) 通信：点对点( 用户数据传送) 或广播( 控制指令) 。循环主一从用户数 据传送和非循环主一主数据传送。 ( 4 ) 运行模式：运行、清除、停止。在运行模式，主站和从站完成输入和输 出数据的循环传送：在清除模式，主站读取d p 从站的输入信息并使输出信息保持 为故障一安全状态；在停止模式，只能进行主一主数据传送，主站和从站之间没有 1 2 数据传送。 ( 5 ) 功能：d p 主站和d p 从站间的循环用户数据传送。各d p 从站的动态激活 和撤消。d p 从站组态的检查。强大的诊断功能，三级诊断信息。输入或输出的同步。 通过总线给d p 从站赋予地址。通过总线对d p 主站进行配置。每d p 从站最大为2 4 6 字节的输入和输出数据。 2 6 2p r o fib u s - d p 设备类型和系统配置 ( 1 ) 设备类型1 每个p r o f i b u s - d p 系统可包括以下三种不同类型设备： 一类d p 主站( d p m l ) ：一类d p 主站是中央控制器，它在预定的信息周期内与 分散的站( 如d p 从站) 交换信息。典型的d p m l 如p l c 或p c 。 二类d p 主站( d p m 2 ) ：二类d p 主站是编程器、组态设备或控制面板，在d p 系 统组态操作时使用，完成系统操作或监视目的。 d p 从站：d p 从站是进行输入和输出信息采集和发送的外围设备，如i o 设备、 驱动器、删i 、阀门等。 ( 2 ) 系统配置 p r o f i b u s - d p 允许构成单主站或多主站系统，这就为系统配置组态提供了高度 的灵活性。系统配置的描述包括：站点数、站地址和输入输出的格式，诊断信息的 格式以及所使用的总体参数。 输入输出信息量大小取决于设备的形式，目前允许的输入和输出信息，最多不 超过2 4 6 字节。 甲搴糯。 1 占毒寐向7 图2 5p r o f i b u s - d p 单主站系统 单主站系统中，在总线系统操作阶段，只有一个活动主站。图2 4 为一个单主 站系统的配置图，p l c 为一个中央控制部件。单主站系统可获得最短的总体循环时 间。多主站配置中，总线上的主站与各自的从站构成相互独立的子系统或是作为网 上的附加配置和诊断设备，如图2 - 6 所示。任何一个主站均可读取d p 从站的输入 输出映像，但只有一个主站( 在系统配置时指定的d p m l ) 可对d p 从站写入输出数 据，多主站系统的循环时间要比单主站系统长。 图2 6p r o f i b u s d p 多主站系统 1 4 第三章y z 3 5 d 牙轮钻机电气控制系统 y z 3 5 d 是指压力为3 5 m p a 改进型的牙轮钻机 牙轮钻机的所有动作均靠电气传动来实现。自动化程度很高，操作方便，钻机 的一切动作均可在司机室内操作台上完成。操作台上安装有各种仪表，展示出钻机 工作时各主要技术参数，供操作人员随时掌握钻机的工作情况。 钻机由矿山供电点通过三相跌落式熔断器供给三相6 0 0 0 伏、5 0 h z 交流高压 电源，再通过u g 6 0 0 0 高压橡套软电缆引入钻机高压接线盒内，再送到高压开关柜， 高压开关柜合闸后又把电源送到主变压器。经过6 0 0 0 3 8 0 伏变压后，再把3 8 0 伏 电源分配给低压交流柜、交流变频柜、空压机柜。 钻机的回转、提升和加压以及钻机的行走均采用交流变频电动机来拖动，可以 根据工作需要进行无级调速，使钻机的性能得到充分发挥。 钻机的其他传动全部采用交流鼠笼式异步电动机，而且用断路器和过载保护， 同时还采用了热继电器作过负荷保护。 为了使钻机能在严寒的冬季照常工作，司机室、机棚、水箱、油泵站油箱均设 有加热器或暖风机。 牙轮钻机交流变频调速系统由变频器、可编程序控制器( p l c ) 、变频电机和保 护电路等组成。系统构成框图如下 图3 1 系统构成框图 回转、提升行走、加压交流变频调速系统采用了矢量控制方式，调速精度 高，调速范围宽，具有挖掘机特性，低速时采用专用变频电机，转矩大，调速精度 和特性可以与液压加压系统相媲美；具有自诊断功能，人机界面好，其逻辑接口电 路采用p l c 控制，可靠性极高；在柜门上装有图形操作终端，可实时显示钻机的 运行状态；柜内外围元件少，简洁美观，外接线少，维修量大大减少。 钻机采用节能型高压开关柜作为高压电源控制柜，用于控制主变压器供电或停 电。在柜子正面进行分合闸操作，合上隔离开关t g 和断路器z k a 、z k b ，干式 变压器l ( b 对钻机照明供电，按下q a 时，真空接触器g z j 得电吸合，对主变压 器l b 供电，按下s t p 时，g z j 分闸停止供电。在紧急故障时，还可在操作台上 作紧急分断高压电源操作。同时柜内还具有过载保护。钻机不作业时，分断g z j ， 尚能保证照明供电，减少了主变压器的能耗。牙轮钻机的动力能源是三相交流电 源，在低压控制柜中控制六台不同容量的交流异步电动机，交流电动机都采用断路 器作电源控制开关，交流电动机的额定定电压为3 8 0 伏三相交流电压。 交流原理图共分二个主要部分： ( 1 ) 主回路 主变压器副边分为二路送电：一是由主变压器副边输电到主空压机柜中的断路 器、控制主空压机柜。另一路由主变压器副边输电到低压控制柜中的断路器，控 制所有的交流电源。( 照明电源除外) ( 2 ) 控制回路 本交流系统控制回路的电压有二种：a c 3 8 0 v 控制电源通过断路器控制，对交 流接触器电磁系统供电；a c 2 2 0 v 控制电源通过断路器控制，对电液换向阀、电磁 气阀、中间继电器以及指示灯等供电。 3 1 钻孔过程及其控制特点 牙轮钻机在钻孔过程中需要完成一系列的操作动作，如移位、调平、接卸钻杆、 更换钻头以及钻孔等，在这些动作的执行过程中，钻孔过程最为重要，因为钻孔是牙 轮钻机所承担的主要任务，钻孔质量的好坏对生产影响极大。所以，钻机作业微机控 1 6 制的重点是对钻孔过程的自动控制。钻机在岩石中钻孔不是一种简单的操作，而是 一个完整的操作程序和自动调节过程。为了钻出一个合格的炮孔，首先开孔必须得 当，开孔时，必须降低钻具的回转速度和轴压，以使钻头缓慢地钻过松散的表土或破 碎的岩体。一旦钻头接触到坚实的岩层，就需要增加钻具的回转速度和轴压，以获得 较高的钻孔效率。在钻孔过程中遇到岩层中有裂缝、断层、空洞或巨砾时，将会使 钻头负荷不均匀，常常会因此而造成回转电流过大和钻机剧烈振动，这时，需及时调 整钻孔参数，以消除过大的电流和剧烈振动。如果采用湿式除尘，则应通过空心钻杆 向孔底注水，并同时合理控制注水量来防止排渣风压过高。另外，应在钻孔深度达到 预定值时提起钻具，从孔中退出钻头。钻孔程序框图如图所示。 3 2 控制系统的功能设计 图3 2 钻孔程序框图 为了保证钻孔顺利完成，在钻孔过程中，微机控制系统应具备下列功能：n 羽 ( 1 ) 钻孔深度控制：连续测定钻孔深度，并根据预先整定的开孔深度、注水深度 和钻孔总深度，给控制装置发出开孔结束信号、停止注水信号和提钻信号，以实现按 钻孔深度对钻孔过程进行程序控制。 ( 2 ) 钻具回转机构和加压机构控制：根据钻孔过程中的各种指令信号，自动调 节钻具的回转速度和钻进速度，以满足开孔、正常钻孔和提钻的要求。同时，若因岩 层情况变化而导致回转电流和钻具垂直振动超过预定值时，能自动降低钻进速度。 ( 3 ) 注水控制：风水混合除尘方式时，能根据风压大小控制注水量，从而保持合 1 7 适的风水混合比。 ( 4 ) 水平振动监控：钻杆插入孔中时，钻机水平振动将导致机体水平摆动，一旦 振动幅度超过预定的允许值，将对钻机和钻具产生极大危害。所以，当钻机水平振动 强烈时，应自动发出信号，通过回转机构和加压机构，降低钻具的回转速度和钻进速 度，直到水平振动减小到其预定值以下为止。 ( 5 ) 自动保护功能：工作过程中如出现过电流、过电压、电源断相、直流电动 机失励磁、回转超速、轴压过大等异常情况，应及时发出预报信号，并采取停机、切 断电源等有效保护措施，以防止事故进一步扩大，控制模型如图3 - 3 所示。 p l c 控制 钻孔回转及加压注水 振动监控及保护 深度 参数开机 测量提钻 停止 开机 自动转速 轴压自动水量风压 参数测量 故障 指令 设定指令 及显 信号 注水 结束 信号信号 显示掉正调整检测调整调整设定 比较 显示 信号 不 3 3 控制系统的构成 图3 3 控制模型 依据控制模型，可采用两级系统，实现对钻孔过程的自动控制。第一级负责运行 参数显示、信号综合、停机故障诊断等功能，选择触摸屏一台。第二级负责数据检测 和过程控制，可选择c p us 7 3 1 5 一d p 一台。另外，配置一定数量数字输入板和数字输出 板等。控制系统的硬件结构如图所示。故障信号采集后，经转换电路转换成标准信号， 即正常时为逻辑“1 ，故障时为逻辑“0 ，由数字输入板输入。各种运行参数如电 流、电压、速度、轴压、水量、深度等经转换电路后，由a d 板和数字输入板输入。 故障处理信号和各种指令信号由数字输出板和d a 板输出。 1 8 上位机 上t l p l c r1r rr l 多路a d d i d o多路a d l tt 转换电路转换电路 1r 1，tt 电气传动系统 钻孔程序控回转及加压信号及保护注水控制装振动监控装提升行走机 制装置控制装置装置置置构 图3 4控制系统构成 图3 5牙轮钻机工作流程 1 9 第四章控制系统软件与硬件的设计 控制系统设计主要包括硬件与软件两部分。在本章中主要介绍硬件组态，在硬 件组态结束后介绍软件的实现。 4 1 硬件组态 控制系统主要由1 个低压柜，1 个高压柜，2 个变频柜，主要是控制回转，提 伸行走( 这是牙轮钻机的主要动作) ，一个p l c 柜，p l c 柜是整个系统的大脑和神 经中枢，还有就是测钻孔深度的深度显示仪。 p l c 柜由一个电源模块、主p l c ( c p u3 1 5 - d p ) 、两个数字输入模块、四个数 字输出模块、两个模拟输入模块组成。 分布式i o ( 控制台的设计) - 这部分主要是从站 ( 1 ) 从站用的模块主要介绍分布式模块e t2 0 0 m 。 ( 2 ) 控制台上面开关的布置( 主操作千斤顶液压的控制三个部分) 按钮颜色有三种：红色警告，绿色运行，黄色危险。 操作台主要按钮：工作准备、千斤顶左伸( 缩) 、千斤顶右伸( 缩) 、千斤顶 前伸( 缩) 、千斤顶后伸( 缩) 、机房风扇手自动、报警复位等等。 4 1 1 硬件的构成 用编程软件s t e p 7 可以很方便地进行硬件组态和p l c 工艺流程软件编制。在硬 件组态时，s t e p 7 己将标准站集成在内，可以直接使用：对其他的非标准产品，只要 将装置所带的* g s d 文件拷贝到s t e p 7 中，此水g s d 文件包含有d p 主站集成此装置 作为一个标准从站所需要的全部信息n 5 儿埔1 。然后此即可作为标准从站使用，非常方 便。硬件组态的任务就是在s t e p 7 中生成一个与实际的硬件系统完全相同的系统。 硬件组态时，首先在硬件组态窗口生成机架，在机架中放置所选的电源模块、c p u 模块、d l 模块、d o 模块、a i 模块、a o 模块。接下来选择i m l 5 3 - i 模块、d p n o r m 模 块，组态p r o f i b u s d p 网络从站。在硬件组态中，除对p l c 主站和e t 2 0 0 按照硬件 组成进行组态、定义各i o 地址和站地址外，还需要对总线波特率、从站的站地址、 从站i o 地址、诊断字节、总线中站的最高地址等做出定义。硬件组态完成后，根 据硬件组态和工艺流程，编制逻辑操作程序 表4 i 主站配置 名称型号数量备注 p s 3 0 7 电源 6 e s 73 0 7 一i b a 0 0 - o 从0l西门子 c p u3 1 5 - 2d p6 e s 73 1 5 2 a g i o - o a b 0 l 西门子 d o1 66 e s 73 2 2 一l b h o l o 从o2西门子 d i 1 6 6 e s 73 2 1 7 b h o o - o a b o 2西门子 a i 6 e s 73 3 1 7 k f o - o a b ol西门子 p r o f i b u s 电缆 6 x v l 8 3 e h i o5 0 i n西门子 s t o p 电源2a 6 e p13 3 4 2 a a o ol西门子 表4 2e t 2 0 0 m 从站单元配置表 名称型号数量备注 e t 2 0 0 m6 e s 71 5 3 - i a a 0 3 - o x b o1 西门子 d o1 66 e s 73 2 2 一l b h 0 1 一o a a o2 西门子 d i 1 66 e s 73 2l 一7 b h 0 0 - o a b 01西门子 s t o p 电源2a 6 e p13 3 4 2 a a 0 01西门子 4 1 2 模块功能 ( 1 ) c p u 3 1 5 - 2 d p c p u 3 1 5 - 2 d p 具有n 7 1 4 8 k b 的r a m 8 0 k b 的装载存储器，可用存储卡扩充装载存储 器容量最大到s 1 2 k b 。每执行1 0 0 0 条二进制指令约需0 3 m s ，最大可扩展i 0 2 4 点 数字量或1 2 8 个模拟量通道。c p u 3 1 5 - 2 d p 是唯一带现场总线( p r o f i b u s ) 接口的c p u 模块 2 1 ( 2 ) 数字量输入模块 s m 3 2 1 将现场过程n 8 1 送来的数字信号电平转换成s 7 - 3 0 0 内部信号电平。输入信 号进入模块后，一般都经过光电隔离和滤波，然后才送至输入缓冲器等待c p u 采样。 采样时，信号经过背板总线进入到输入映像区。数字量输入模块s m 3 2 1 有四种型号 模块可供选择，即直流1 6 点输入、直流3 2 点输入、交流1 6 点输入、交流8 点输 入模块，模块的每个输入点有一绿色发光二极管显示输入状态，输入开关闭合即有 输入电压时，二极管亮。 ( 3 ) s m 3 2 2 数字量输出模块 s m 3 2 2 数字量输出模块将n 町啪1 s 7 - 3 0 0 内部信号电平转换成过程所要求的外部信 号电平，可