PLC在鑿巖臺(tái)車定向定位自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

概述

　　云南銅業(yè)集團(tuán)公司大紅山銅礦二期工程設(shè)計(jì)選用無(wú)軌設(shè)備開(kāi)采，四個(gè)采區(qū)用分段空?qǐng)龇ǖ幕ūP(pán)區(qū)已進(jìn)入深孔的設(shè)計(jì)和施工，其深孔主要采用瑞典阿斯特拉公司Samba H1354鑿巖臺(tái)車。由于是在井下施工，作業(yè)環(huán)境相對(duì)較差，從江蘇梅山鐵礦和靜鐵山鐵礦進(jìn)口同類型設(shè)備的使用效果來(lái)看，Samba H1354鑿巖臺(tái)車配套的定向定位控制系統(tǒng)價(jià)格昂貴，但不能適應(yīng)井下的作業(yè)環(huán)境，實(shí)際使用的時(shí)間短，維護(hù)費(fèi)用高，甚至連廠家的銷售代表也建議不必配置該系統(tǒng)。因此，大紅山銅礦二期工程設(shè)計(jì)選用的Samba H1354鑿巖臺(tái)車未定購(gòu)定向定位控制系統(tǒng)。

　　但當(dāng)穿爆隊(duì)在井下進(jìn)行Samba H1354鑿巖臺(tái)車實(shí)際操作和一次成井深孔施工時(shí)，由于設(shè)備采用人工定向，因而定向儀器的系統(tǒng)誤差、人為誤差均較大，致使深孔偏差率達(dá)5.2% ～10.5%(3～6。)，難以滿足一次成井和下一步盤(pán)區(qū)深孔施工的精度要求，同時(shí)其定位、定向時(shí)間太長(zhǎng)(一般為10～15 min/孔)，使得Samba H1354鑿巖臺(tái)車的鑿巖效率不能充分發(fā)揮。

　　為此，我們決定自行研制Samba H1354鑿巖臺(tái)車定向定位系統(tǒng)，提高定向儀器的精度，降低儀器的系統(tǒng)誤差和人為誤差，從而確保深孔的質(zhì)量，加快設(shè)備的定向定位系統(tǒng)的操作速度，最大限度地發(fā)揮該設(shè)備的優(yōu)越性能。

　　Samba H1354鑿巖臺(tái)車定向定位系統(tǒng)的研制首先應(yīng)確保鑿巖臺(tái)車施工的深孔符合設(shè)計(jì)的精度要求，能為今后的盤(pán)區(qū)落礦和一次成井實(shí)驗(yàn)提供更為可靠的保證;其次，應(yīng)大幅度節(jié)省鑿巖過(guò)程總的定位、定向時(shí)間，提高設(shè)備的使用效率;最后，要降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約保養(yǎng)維修費(fèi)用，減少維修時(shí)間，降低單位固定成本和活勞動(dòng)成本。

　　因此，該項(xiàng)目的成功實(shí)施將隨著鑿巖臺(tái)車的大量使用而帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)效益。

        在進(jìn)口Samba H1354鑿巖臺(tái)車上加裝的定向定位自動(dòng)控制系統(tǒng)由旋轉(zhuǎn)編碼器、PIE和工業(yè)圖形顯示器構(gòu)成，可以完成鑿巖臺(tái)車鑿巖角度的設(shè)定并自動(dòng)定向定位，大大提高了鑿巖臺(tái)車的工作效率。

　　根據(jù)前一階段對(duì)鑿巖臺(tái)車掌握的具體數(shù)據(jù)，確定了提高定向儀器精度、減少定向儀器的系統(tǒng)誤差和人為誤差，縮短定向定位操作時(shí)間，提高鑿巖臺(tái)車工作效率的研制目標(biāo)。具體控制要求為：定向系統(tǒng)精度0.6°，定向速度控制不大于1 min/孔;定向自動(dòng)化率100%。

　　1 定向控制系統(tǒng)的構(gòu)成

　　根據(jù)我們確定的研制目標(biāo)，結(jié)合深孔鑿巖臺(tái)車的動(dòng)作方式、控制原理及井下高頻振動(dòng)、高溫高濕的作業(yè)環(huán)境，我們進(jìn)行了深入細(xì)致的討論分析，最后確定了性能優(yōu)良、價(jià)格合理、適合鑿巖臺(tái)車工作環(huán)境的下列設(shè)備作為本系統(tǒng)的主要監(jiān)測(cè)元件和控制器：日本光洋公司的旋轉(zhuǎn)編碼器，日本歐姆龍公司的CdM1系列PLC，日本Digital公司的工業(yè)圖形顯示器。

　　鑿巖臺(tái)車定向定位系統(tǒng)主要由旋轉(zhuǎn)編碼器、PLC和工業(yè)圖形顯示器構(gòu)成(見(jiàn)圖1)。抬臂位置和轉(zhuǎn)盤(pán)位置由旋轉(zhuǎn)編碼器檢測(cè)，旋轉(zhuǎn)編碼器的角度信號(hào)進(jìn)入PLC后，由PLC進(jìn)行處理和運(yùn)算，并通過(guò)通信口將處理后的角度信號(hào)送到工業(yè)圖形顯示器上顯示，與此同時(shí)，通過(guò)工業(yè)圖形顯示器接受操作工的定位角度輸入指令，根據(jù)定位角度輸入指令，由PLC自動(dòng)控制鑿巖臺(tái)車相應(yīng)的電磁閥，操作鑿巖臂運(yùn)行到指定角度。
 

 1.1 軸定位檢測(cè)系統(tǒng)

　　Samba H1354鑿巖臺(tái)車鑿巖定位需使軸(鑿巖臂抬起放下軸、左右轉(zhuǎn)動(dòng)軸)在三維方向轉(zhuǎn)動(dòng)配合實(shí)現(xiàn)。盡管兩軸在不同的空問(wèn)運(yùn)動(dòng)，但它們都有各自的軸心，并繞軸心運(yùn)轉(zhuǎn)。對(duì)于軸定位檢測(cè)系統(tǒng)，目前自控行業(yè)采用最多的檢測(cè)元件就是旋轉(zhuǎn)編碼器，它在機(jī)器人上得到廣泛運(yùn)用，具有易安裝、精確、可靠性高等特點(diǎn)。對(duì)于我們這樣一個(gè)系統(tǒng)，采用精心安裝的旋轉(zhuǎn)編碼器，完全可以勝任這樣的檢測(cè)任務(wù)。因此，在本系統(tǒng)中，兩個(gè)軸的角度檢測(cè)均采用旋轉(zhuǎn)編碼器來(lái)完成。

　　對(duì)于鑿巖臂抬起放下軸，安裝絕對(duì)值旋轉(zhuǎn)編碼器，使旋轉(zhuǎn)編碼器能精確檢測(cè)旋轉(zhuǎn)體的角位移，旋轉(zhuǎn)編碼器與被檢測(cè)旋轉(zhuǎn)體安裝在相同的軸心線上，在旋轉(zhuǎn)體上加裝隨旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動(dòng)的附件，此附件直接與旋轉(zhuǎn)編碼器軸相連，當(dāng)被檢測(cè)旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)時(shí)，附件帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)，就可將旋轉(zhuǎn)體角位移同步變成旋轉(zhuǎn)編碼器的角位移，旋轉(zhuǎn)編碼器角

　　位移數(shù)字量上傳至PLC控制系統(tǒng)。

　　對(duì)于大臂左右轉(zhuǎn)動(dòng)軸，安裝增量型旋轉(zhuǎn)編碼器，編碼器軸由大圓盤(pán)周邊傳動(dòng)。編碼器會(huì)將旋轉(zhuǎn)方向及圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)線位移量輸入PLC，通過(guò)PLC運(yùn)算可以同樣得到軸的角位移量。此方式可大大提高檢測(cè)的精確度并便于安裝。

　　1.2 PI 控制系統(tǒng)

　　PLC控制系統(tǒng)將旋轉(zhuǎn)編碼器送來(lái)的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理和計(jì)算后，再將角度信號(hào)送至工業(yè)圖形顯示器顯示。

　　有兩種定位方式供選擇，即手動(dòng)和自動(dòng)方式。手動(dòng)方式是操作工通過(guò)工業(yè)圖形顯示器顯示的角度，進(jìn)行角度定位操作;自動(dòng)方式是操作工通過(guò)工業(yè)圖形顯示器進(jìn)行角度設(shè)定。設(shè)定完成后由PLC自動(dòng)起動(dòng)液壓操作系統(tǒng)，進(jìn)行軸定位操作，至設(shè)定角后，自動(dòng)停車。

　　為實(shí)現(xiàn)以上功能，所選CJM1系列PIE配置了CPU模塊、輸入模塊、輸出模塊。CPU對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼器信號(hào)進(jìn)行處理、計(jì)算、控制;輸入模塊接收旋轉(zhuǎn)編碼器信號(hào);輸出模塊通過(guò)中間繼電器啟動(dòng)、停止液壓操作系統(tǒng)的液壓閥。

　　1.3 工業(yè)圖形顯示器操作系統(tǒng)

　　工業(yè)圖形顯示器(即人機(jī)接口)是為方便操作工操作而設(shè)置的，通過(guò)與PLC系統(tǒng)通信，顯示器以模擬圖及數(shù)字方式顯示兩個(gè)軸的實(shí)際運(yùn)行角度;在自動(dòng)方式下，通過(guò)工業(yè)圖形顯示器所附觸摸屏可設(shè)定角度并控制臺(tái)車自動(dòng)定位。

工業(yè)圖形顯示器選用日本Digital公司的GP370系列6英寸(1英寸=2.54 cm)彩色圖形顯示器。這種工業(yè)圖形顯示器采用明亮、清晰的彩色顯示而板，1MB的畫(huà)面數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，可以自由地設(shè)計(jì)畫(huà)而，擴(kuò)展了圖形數(shù)據(jù)的使用能力。高性能的RISC100MHz CPU，加速了畫(huà)面數(shù)據(jù)采集和畫(huà)面切換。IP65f和NEMA4x/12的防護(hù)等級(jí)，可以使顯示器在潮濕或多塵的現(xiàn)場(chǎng)條件下長(zhǎng)期工作。觸摸屏操作將復(fù)雜的控制操作變成簡(jiǎn)單的畫(huà)面觸摸，沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的操作工經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單培訓(xùn)就可以使用。

　　圖2是安裝在臺(tái)車遠(yuǎn)程控制臺(tái)上的圖形顯示器。圖形顯示器的下方是隨鑿巖臺(tái)車帶來(lái)的遠(yuǎn)程控制臺(tái)，通過(guò)工業(yè)圖形顯示器的觸摸屏可實(shí)現(xiàn)臺(tái)車自動(dòng)定向定位操作;而通過(guò)遠(yuǎn)程控制臺(tái)可實(shí)現(xiàn)臺(tái)車手動(dòng)定向定位操作。

　　1.4 定位顯示系統(tǒng)

　　定位顯示是為了操作人員方便快捷地確定排位、機(jī)高及對(duì)中而設(shè)立的，主要采用3支紅外線光筆完成。其中兩支紅外線光筆安裝在臺(tái)車鑿巖機(jī)的兩側(cè)，發(fā)光端向外;另一支光筆安裝在其上部，發(fā)光端向上，安裝時(shí)需要確保兩側(cè)的兩條光線在同一水平面上，全部3條光線在同一鉛垂面上，即包含3條光線的鉛垂面應(yīng)與臺(tái)車轉(zhuǎn)動(dòng)臂的轉(zhuǎn)動(dòng)平面平行。然后標(biāo)定兩平面的距離和包含兩條光線的水平面與臺(tái)車大轉(zhuǎn)盤(pán)軸心線所在水平面間的距離。以此作為今后臺(tái)車現(xiàn)場(chǎng)施工排位線和機(jī)高線標(biāo)注的依據(jù)。操作工根據(jù)兩側(cè)光筆發(fā)出的光線來(lái)確定施工排面的排位和機(jī)高，利用上部安裝的光筆確定臺(tái)車鑿巖機(jī)的位置是否居中，由此提高臺(tái)車的定位速度。

　　2 應(yīng)用

　　本項(xiàng)目的實(shí)施為今后對(duì)不具有自動(dòng)定位能力的臺(tái)車進(jìn)行改造積累了經(jīng)驗(yàn)，為將來(lái)進(jìn)一步提高全公司的勞動(dòng)生產(chǎn)效率提供了可能。