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基于PLC的凿岩钻车控制系统的研究与开发

作　者: 张宏林
导　师: 罗生梅
学　校: 兰州理工大学
专　业: 机械设计与理论
关键词: 凿岩钻车 PLC 控制系统液压冲击器触摸屏
分类号: TD63
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 334次
引　用: 2次
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内容摘要

履带式液压露天钻车是一种优良的钻孔设备,主要用于露天台阶式开挖钻凿边坡预裂孔、爆破孔和边坡锚杆孔。论文主要针对重型凿岩钻车ROC 848 HC存在的如下问题提出改进方案:1)钻臂定位精度、效率和自动化程度不高。2)液压凿岩机档位有限,无法根据岩石具体情况实现无级、调频、调幅钻进。3)纯液压式预防卡钎系统对Ⅰ,Ⅱ类卡钎判别所需时间长,预防效果不很理想。本文根据原车存在的这些问题提出了基于PLC的改进控制方案:1)机械钻臂加装角度、位置传感器,采用电液比例和脉宽调制的方法,应用PLC对钻臂定位实现闭环控制,并在触摸屏上实时显示钻臂位置和钻进情况。2)提出了一种基于PLC控制的,配合使用高速开关阀和插装阀,根据钎杆反弹速率,实现自适应凿岩的液压冲击器无级调速方案。设计出一种新型可无级、调频、调幅的前腔常压、压力反馈式液压冲击器方案,对其进行理论分析并建立了数学模型。针对现有冲击器只有三个冲击档位的具体情况,利用PLC的高速运算功能,在凿岩过程中对冲击油压、钻进油压和转钎流量这三个参数采用试行登山法进行自寻优控制,以提高钻孔效率。3)对凿岩过程中的卡钎种类进行理论分析,提出了利用PLC,根据转钎和钻进油压变化速率的卡钎判别方案,更迅速地对卡钎种类进行判别,更好地实现二路反馈三级防卡的预防卡钎方案。同时采用PLC改进原钻机电路控制系统,省略了该机电路中的一些辅助继电器、时间继电器、脉冲继电器,从而简化了电路,提高了控制系统的可靠性、维修简便性和柔性;采用触摸屏进行人机交互,改善了操作界面,简化了操作面板,更好地对整机运行状况实行监控。论文主要包括以下内容:通过分析凿岩钻车的机械结构、工作原理、液压系统和电路系统,从理论上论证了采用PLC作为控制器的合理性和可行性。围绕PLC控制进行周边设备的改造和选型,搭建凿岩钻车控制系统硬件平台,开发控制系统软件。论文使用了三菱公司的PLC编程软件Gx Developerv8.34和Gx Simluator6进行梯形图的设计与仿真,使用三菱公司的触摸屏设计软件GT Designer2和仿真软件GT Simulator2进行界面设计与仿真,提高了工作效率。

全文目录

摘要  9-10
Abstract  10-12
第1章绪论  12-18
  1.1 课题研究的目的及意义  12-13
  1.2 本课题研究领域国内外的研究动态  13-16
    1.2.1 国外研究动态  13-15
    1.2.2 国内研究动态  15-16
  1.3 国内外研究发展发展趋势  16
  1.4 凿岩钻车控制系统拟实现的功能  16-18
第2章 Roc 848 HC露天钻车控制系统  18-31
  2.1 Roc 848 HC钻车的组成部分  18
  2.2 Roc 848 HC液压系统  18-23
    2.2.1 定位液压油路  19-20
    2.2.2 DCT液压回路  20
    2.2.3 卷扬机液压回路  20-21
    2.2.4 压气系统  21
    2.2.5 RHS液压回路  21-23
    2.2.6 牵引马达液压回路  23
  2.3 凿岩钻车电器系统  23-31
    2.3.1 电池继电器电路  23-24
    2.3.2 预热电路  24-25
    2.3.3 启动发动机电路  25
    2.3.4 控制仪表电路  25-26
    2.3.5 故障指示电路  26
    2.3.6 空压机电路  26
    2.3.7 冲击电路  26
    2.3.8 钻机推进电路  26-27
    2.3.9 快速推进电路  27
    2.3.10 螺纹联接旋进电路  27
    2.3.11 DCT电路  27-28
    2.3.12 加压电路  28
    2.3.13 储杆转盘电路  28
    2.3.14 送杆电路  28-29
    2.3.15 夹杆器电路  29-30
    2.3.16 钻杆支架及联接套筒加持电路  30-31
第3章基于PLC的凿岩钻车控制系统  31-39
  3.1 PLC概述  31-33
    3.1.1 PLC的主要特点  31
    3.1.2 PLC的基本组成与各部分的作用  31-32
    3.1.3 PLC的工作过程  32-33
    3.1.4 PLC的编程语言  33
  3.2 PLC控制系统设计的内容  33-37
    3.2.1 PLC应用系统设计步骤  33-34
    3.2.2 PLC输入输出模块的选择  34-35
    3.2.3 PLC实现的凿岩钻车控制系统构成  35-36
    3.2.4 FX2N-128MRD可编程控制器  36-37
  3.3 PLC软件程序的编制与仿真  37-39
第4章凿岩钻车的人机界面  39-46
  4.1 PLC人机界面  39-40
    4.1.1 人机界面概述  39
    4.1.2 触摸屏及平台简介  39-40
  4.2 GT1595-STBD图形操作终端  40-42
    4.2.1.GT1595-STBD外观及各部分名称  40-41
    4.2.2.性能及特点  41
    4.2.3.硬件规格  41-42
  4.3 GT Designer2组态软件  42-44
  4.4.组态人机界面设计  44-46
    4.4.1.监控界面  44-45
    4.4.2 GOT画面仿真调试  45-46
第5章钻臂定位的PLC控制  46-56
  5.1 提高定位精度的必要性  46
  5.2 求解凿岩钻车机械臂的运动学方程  46-51
    5.2.1 凿岩钻车机械臂结构分析  46-47
    5.2.2 D—H法求解运动方程的一般步骤  47-48
    5.2.3 求关节和杆件参数  48-49
    5.2.4 求解相邻杆件坐标变换矩阵  49-50
    5.2.5 建立机械臂的正向运动学方程  50-51
    5.2.6 建立机械臂逆向运动学方程  51
  5.3 凿岩钻车机械臂位置控制系统  51-56
    5.3.1 电液位置伺服系统  52
    5.3.2 PWM控制工作原理  52-53
    5.3.3 定位控制  53-54
    5.3.4 钻臂定位的平稳控制  54-55
    5.3.5 触摸屏上的钻臂定位监控  55-56
第6章液压凿岩机冲击器优化设计方案  56-77
  6.1 液压凿岩机概述  56-57
  6.2 基于PLC的冲击器控制系统  57-61
    6.2.1 冲击器机、电、液控制系统原理  57-58
    6.2.2 高速开关电磁阀控制  58
    6.2.3 液压冲击器结构分析  58-60
    6.2.4 计算机控制模块软件设计  60-61
    6.2.5 结论  61
  6.3 新型压力反馈液压冲击器  61-71
    6.3.1 思路来源  61-62
    6.3.2 先导溢流阀控制阀芯换向的静特性分析  62-63
    6.3.3 新型先导式配流阀结构  63-65
    6.3.4 新型先导式配流阀的工作原理  65-66
    6.3.5 系统压力流量分析  66-68
    6.3.6 新型先导式配流阀的动态数学模型  68-70
    6.3.7 独立无级调频调幅的实现  70-71
    6.3.8 结论  71
  6.4 最优控制方案研究  71-77
    6.4.1 液压冲击器设计中的参数  71-73
    6.4.2 自适应最优控制目标  73-74
    6.4.3 自寻优控制实现方法  74-76
    6.4.4 结论  76-77
第7章基于PLC的自动防卡钎控制  77-87
  7.1 预防防卡钎的必要性  77
  7.2 冲扭破岩机理  77
  7.3 卡钎机理和防卡思路  77-79
  7.4 卡钎种类判定和防卡方法  79-82
    7.4.1 Ⅰ类卡钎——溶洞卡钎  79-80
    7.4.2 Ⅱ类卡钎——缓变卡钎  80-81
    7.4.3 Ⅲ类卡钎——裂隙卡钎  81
    7.4.4 二路反馈三级防卡钎方法  81-82
  7.5 ROC848型钻车的自动防卡钎系统  82-84
    7.5.1 第Ⅰ级防卡钎  82-84
    7.5.2 第Ⅱ级防卡钎  84
    7.5.3 第Ⅲ级防卡钎  84
  7.6 基于PLC的自动方卡钎控制  84-85
  7.7 结论  85-87
总结与展望  87-88
参考文献  88-92
致谢  92-93
附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录  93-94
附录B PLC控制的凿岩钻车I/O明细表  94-97
附录C PLC控制的凿岩钻车部分梯形图  97-100

基于PLC的凿岩钻车控制系统的研究与开发

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