CN106502231A - 一种基于plc的土压平衡顶管机电气控制系统 - Google Patents

Abstract

一种基于PLC的土压平衡顶管机电气控制系统，所述系统采用主从式、分布式结构，主站控制系统将控制台上开关和按钮信号，通过CC‑Link模块远程通讯传给从站控制系统，从站控制系统对现场信号进行采集、处理，并传送给上位机后，再由从站控制系统控制顶管机工作，本发明使用了自动化程度较高的PLC作为控制器，采用主从式、分布式结构，并通过CC‑Link远程通讯实现主站和从站的通讯，同时主顶控制系统、刀盘控制系统、纠偏控制系统以及螺旋输土机控制系统等各个系统之间的联动关系良好，能有效防止误操作，保护工作人员和设备的安全，具有操作简单方便，有效提高施工效率的有益效果。

Description

一种基于PLC的土压平衡顶管机电气控制系统

技术领域

本发明涉及一种电气控制系统，尤其涉及一种基于PLC的土压平衡顶管机电气控制系统。

背景技术

顶管机是现代城市建设地下管线施工的设备之一，它不须要开挖土地面层，它可以从地下穿过公路、铁路、川河、地面建筑物、地下构筑物以及各种地下管道。顶管机按维持开挖面稳定的性能可分为敞开式顶管机和平衡式顶管机，其中平衡式顶管机又分为土压平衡顶管机、泥水平衡顶管机和气压平衡顶管机。土压平衡顶管机适用土质范围较广，且工作环境比气压式和泥水式顶管机好，排出的渣土不需要进行二次处理，其运输、堆放都比较方便。

土压平衡顶管机的电气控制系统是顶管机的核心部分，传统的顶管机控制屏普遍采用指示灯、按钮开关、仪表盘组成，功能简单，不能实现复杂的控制，已满足不了当下施工的需要。

随着机械自动化技术的发展，越来越多控制设备采用PLC技术对系统进行控制。使用PLC可编程控制器废弃了许多以往使用的继电器构成的控制回路，降低了设备电气系统的故障率，极大的提高了设备的操作性能和可靠性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于PLC的土压平衡顶管机电气控制系统，提高了土压平衡顶管机的自动化程度、操作性能、安全性以及可靠性。

本发明是这样实现的，一种基于PLC的土压平衡顶管机电气控制系统，包括包括触摸屏、主站PLC、CC-Link模块一、CC-Link模块二、从站PLC、AD模块、继电器一、第一电机、第二电机、低压泵、高压泵、电磁阀一、主顶油缸、继电器二、变频器一、第三电机、电流传感器、电磁阀二、纠偏油缸、继电器三、第四电机、位移传感器、继电器四、变频器二、第五电机、压力传感器，其特征在于，所述系统采用主从式、分布式结构，主站控制系统将控制台上开关和按钮信号，通过CC-Link模块一、二远程通讯传给从站控制系统，从站控制系统对现场信号进行采集、处理，并传送给上位机后，再由从站控制系统控制顶管机工作。所述系统需控制主顶控制系统、刀盘控制系统、纠偏控制系统和螺旋输土机控制系统。所述主顶控制系统使用PLC控制第一电机、第二电机带动油泵供油，同时控制12个电磁阀使主顶控制系统实现共进、快进和快退的动作。所述刀盘控制系统采用PLC控制1台变频器使5台电机同时运转，实现多台电机同步工作。所述纠偏控制系统是利用PLC对纠偏油缸的动作信号进行组合，经过处理后输出电机运转信号和电磁阀动作信号，从而实现纠偏。所述螺旋输土机控制系统通过PLC控制变频器使螺旋输土机电机实现正转、升速和降速等动作，主站和从站的通信系统由主站PLC与CC-Link通模块过配套线连接，从站PLC、CC-Link模块和AD模块通过配线连接，其中CC-Link模块负责通讯，AD模块负责信号采集。

所述主站PLC、从站PLC通过主站CC-Link模块与从站CC-Link模块进行通讯。

所述主顶控制系统通过第一电机、第二电机分别控制高压小流量泵、低压大流量泵来调节主顶油缸的顶进和后退的速度，通过电磁阀控制主顶油缸的伸缩。

所述刀盘控制系统采用变频器的FWD、REV、X1和X2外端子控制电机正转、反转、升速和降速。

所述纠偏控制系统使用8个电磁阀来控制4组纠偏油缸的上仰、下俯、向左和向右等动作。

所述螺旋输土机控制系统采用变频器的FWD、X1和X2外端子控制电机正转、升速和降速。

所述数据采集和处理系统通过AD模块采集电流传感器、压力传感器、位移传感器的4~20mA的模拟量信号转换成数字量信号，并将数字量信号通过从站传送给主站，最后在主站进行数据处理，将真实信号在触摸屏上显示。

本发明的技术效果是：本发明使用了自动化程度较高的PLC作为控制器，采用主从式、分布式结构，并通过CC-Link远程通讯实现主站和从站的通讯，同时主顶控制系统、刀盘控制系统、纠偏控制系统以及螺旋输土机控制系统等各个系统之间的联动关系良好，能有效防止误操作，保护工作人员和设备的安全，具有操作简单方便，有效提高施工效率的特点。

附图说明

图1为土压平衡顶管机施工示意图。

图2为土压平衡顶管机的主视图。

图3为土压平衡顶管机的左视图。

图4为本发明运行的流程方框图。

图5为本系统的变频器接口示意图。

图6为本系统的主站PLC端口示意图。

图7为本系统的从站PLC端口示意图。

在图中，1、工作井2、主顶油缸3、混凝土管节和顶管机4、接收井5、刀盘6、减速器7、纠偏油缸8、第三电机9、第五电机10、螺旋输土机11、触摸屏12、主站PLC13、继电器一14、CC-Link模块一15、电磁阀一16、CC-Link模块二17、继电器二18、从站PLC19、电磁阀二20、AD模块21、继电器三22、继电器四23、变频器二24、压力传感器25、第四电机26、位移传感器27、电流传感器28、变频器一29、低压泵30、高压泵31、第一电机32、第二电机。

所述电磁阀一15包括1YV、2YV、3YV、4YV、5YV、6YV、15YV、16YV、17YV、18YV、19YV、20YV。

所述电磁阀二19包括7YV、8YV、9YV、10YV、11YV、12YV、13YV、14YV。

所述继电器一13包括1KM和2KM。

所述继电器二17包括3KM、4KM、5KM和6KM。

所述继电器三21包括7KM。

所述继电器四22包括8KM、9KM和10KM。

具体实施方式

下面将结合附图1-7来详细说明本发明所具有的有益效果，旨在帮助阅读者更好地理解本发明的实质，但不能对本发明的实施和保护范围构成任何限定。

所述主站PLC12将控制台上开关和按钮信号，通过CC-Link模块14、16进行远程通讯传，将信号传给从站PLC18，再由从站PLC18控制顶管机工作，采用AD模块20对现场信号进行采集，然后传送给主站PLC12进行处理，最后通过触摸屏11显示。

所述主顶控制系统的工进、快进和快退是这样实现的，按下控制台上的第一电机31启动按钮后，主站PLC12控制继电器一13中的1KM接通，使第一电机31启动带动低压泵给油路供油，接着按下控制台上的伸按钮，主站PLC12输出信号使电磁阀一15中的1YV、3YV和5YV接通，此时主顶控制系统为工进状态，主顶油缸2将混凝土管节和顶管机3从工作井1顶入，最后从接收井4出来；若需转为快进状态，则按下控制台第二电机32启动按钮上，继电器一13中的2KM接通，电机启动后带动低压泵29，供油量增大，同时电磁阀一15中的15YV、16YV、17YV、18YV、19YV、20YV接通，主顶控制系统快速顶进；若顶管施工完成后需将主顶油缸缩回时，按下控制台上第一电机31和第二电机32启动按钮，此时主站PLC12控制电磁阀一中的2YV、4YV、6YV、15YV、16YV、17YV、18YV、19YV、20YV接通，主顶控制系统快退。

所述刀盘控制系统的正转、反转、升速和降速是这样实现的，当需要启动刀盘系统切削泥土时，按下正转按钮，主站PLC12将第三电机7正转信号传送给从站PLC18，继电器二17中的3KM接通，外端子FWD通电使变频器控制电机正转；当刀盘正转时碰到阻碍转不动，需使刀盘反转时，先按下电机停止按钮，再按下电机反转按钮，主站PLC12将反转信号传送给从站PLC18，继电器二17中的4KM接通，外端子REV通电使变频器一28控制电机反转；其中刀盘电机正转时直接按反转是无效的，程序中对刀盘电机的正转和反转进行了互锁。若需要提高刀盘的旋转速度时，按下升速按钮，主站PLC12将第三电机7升速信号传送给从站PLC18，继电器二17中的5KM接通，外端子X1通电使变频器控制电机升速；若需要降低刀盘的旋转速度时，按下降速按钮，主站PLC12将第三电机7降速信号传送给从站PLC18，继电器四22中的6KM接通，外端子X2通电使变频器一28控制电机降速；采用AD模块20采集电流传感器27输出的4~20mA模拟信号，通过主从站通讯传送给主站PLC12进行数据处理，最终显示在触摸屏11上。

所述纠偏控制系统的上仰、下俯、向左和向右等四个方向的纠偏动作是这样实现的，当顶管机机头下沉，需调整顶管机机头上仰时，按下纠偏电机启动按钮，主站PLC12将纠偏电机启动信号传给从站PLC18，继电器三21接通，纠偏电机启动开始供油，再将四方向开关向下拨，同时按下油缸伸长按钮，11YV和13YV接通，或将四方向开关向上拨，同时按下油缸缩短按钮，8YV和10YV接通，顶管机机头上仰，姿态得到矫正。当顶管机机头上浮，需调整顶管机机头下俯时，将四方向开关向上拨，同时按下油缸伸长按钮，7YV和9YV接通，或将四方向开关向下拨，同时按下油缸缩短按钮，12YV和14YV接通，顶管机机头下俯。当顶管机机头向右，需调整顶管机机头向左时，将四方向开关向右拨，同时按下油缸伸长按钮，7YV和13YV接通，或将四方向开关向左拨，同时按下油缸缩短按钮，10YV和12YV接通，顶管机机头向左。当顶管机机头向左，需调整顶管机机头向右时，将四方向开关向左拨，同时按下油缸伸长按钮，9YV和11YV接通，或将四方向开关向右拨，同时按下油缸缩短按钮，8YV和14YV接通，顶管机机头向右。纠偏油缸的位移量是通过位移传感器26测量出来的，采用AD模块20将位移传感器26输出的4~20mA模拟信号，通过主从站通讯传送给主站PLC12进行数据处理，最终显示在触摸屏11上。

所述螺旋输土机控制系统的正转、升速和降速是这样实现的，当需要启动螺旋输土机将切削下的泥土排出时，按下正转按钮，主站PLC12将第五电机9正转信号传送给从站PLC18，继电器四22中的8KM接通，外端子FWD通电使变频器二23控制电机正转，螺旋输土机排泥；若切削下的泥土的土压力大于挖掘面土压力，需增加排土量时，按下升速按钮，主站PLC12将第三电机7升速信号传送给从站PLC18，继电器四22中的9KM接通，外端子X1通电使变频器二23控制电机升速；若切削下的泥土的土压力小于挖掘面土压力，需减少排土量时，按下降速按钮，主站PLC12将第三电机7降速信号传送给从站PLC18，继电器四22中的10KM接通，外端子X2通电使变频器控制电机降速；其中切削下来的泥土的土压力是采用压力传感器24来测量的，采用AD模块20将压力传感器24输出的4~20mA模拟信号，通过主从站通讯传送给主站PLC12进行数据处理，最终显示在触摸屏11上。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于PLC的土压平衡顶管机电气控制系统，包括触摸屏、主站PLC、CC-Link模块一、CC-Link模块二、从站PLC、AD模块、继电器一、第一电机、第二电机、低压泵、高压泵、电磁阀一、主顶油缸、继电器二、变频器一、第三电机、电流传感器、电磁阀二、纠偏油缸、继电器三、第四电机、位移传感器、继电器四、变频器二、第五电机、压力传感器，其特征在于，所述系统采用主从式、分布式结构，主站控制系统将控制台上开关和按钮信号，通过CC-Link模块远程通讯传给从站控制系统，从站控制系统对现场信号进行采集、处理，并传送给上位机后，再由从站控制系统控制顶管机工作，所述系统包括主顶控制系统、刀盘控制系统、纠偏控制系统以及螺旋输土机控制系统，所述主顶控制系统使用主站PLC（12）控制第一电机（31）、第二电机（32）带动高压泵（30）和低压泵（29）供油，同时控制电磁阀一（15）使主顶控制系统实现共进、快进和快退的动作，所述刀盘控制系统采用PLC控制1台变频器一（28）使5台第三电机（8）同时运转，实现多台电机同步工作，所述纠偏控制系统是利用PLC对纠偏油缸的动作信号进行组合，经过处理后输出电机运转信号和电磁阀动作信号，从而实现纠偏，所述螺旋输土机控制系统通过PLC控制变频器二（23）使螺旋输土机电机实现正转、升速和降速等动作，主站和从站的通信系统由主站PLC（12）与CC-Link通模块（14）过配套线连接，从站PLC（18）、CC-Link模块（16）和AD模块（20）通过配线连接，其中CC-Link模块（14、16）负责通讯，AD模块（20）负责信号采集。

2.根据权利要求1所述的一种基于PLC的土压平衡顶管机电气控制系统，其特征在于，所述主站PLC（12）、从站PLC（18）通过主站CC-Link模块（14）与从站CC-Link模块（16）进行通讯。

3.根据权利要求1所述的一种基于PLC的土压平衡顶管机电气控制系统，其特征在于，所述主顶控制系统通过第一电机（31）、第二电机（32）分别控制高压泵（30）、低压泵（29）来调节主顶油缸的顶进和后退的速度，通过电磁阀一（15）控制主顶油缸（2）的伸缩。

4.根据权利要求1所述的一种基于PLC的土压平衡顶管机电气控制系统，其特征在于，所述刀盘控制系统采用变频器一（28）的FWD、REV、X1和X2外端子控制电机正转、反转、升速和降速。

5.根据权利要求1所述的一种基于PLC的土压平衡顶管机电气控制系统，其特征在于，所述纠偏控制系统使用电磁阀二（19）来控制4组纠偏油缸的上仰、下俯、向左和向右等动作。

6.根据权利要求1所述的一种基于PLC的土压平衡顶管机电气控制系统，其特征在于，所述螺旋输土机控制系统采用变频器二（23）的FWD、X1和X2外端子控制电机正转、升速和降速。

7.根据权利要求1所述的一种基于PLC的土压平衡顶管机电气控制系统，其特征在于，所述数据采集和处理系统通过AD模块（20）采集电流传感器（27）、压力传感器（24）、位移传感器（26）的4~20mA的模拟量信号转换成数字量信号，并将数字量信号通过从站传送给主站，最后在主站进行数据处理，将真实信号在触摸屏（11）上显示。