CN102251767B - 旋挖钻机桅杆全轨迹控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋挖钻机桅杆全轨迹控制系统及其控制方法，该系统包括分别对应安装于旋挖钻机的上桅杆、中桅杆和下桅杆上且在旋挖钻机处于钻孔工作状态时位于同一条直线上的上桅杆倾角传感器、中桅杆倾角传感器和下桅杆倾角传感器，安装于旋挖钻机的底盘上的底盘倾角传感器，PLC、显示器、报警装置和控制阀。本发明的旋挖钻机桅杆全轨迹控制系统及其控制方法实现了全轨迹显示旋挖钻机的上桅杆、中桅杆和下桅杆在不同自由度位置下的倾角情况，并实现了钻机桅杆的自动调整控制。

Description

旋挖钻机桅杆全轨迹控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种旋挖钻机的桅杆控制技术，尤其涉及一种旋挖钻机桅杆全轨迹控制系统及其控制方法。

背景技术

旋挖钻机是一种适合建筑基础工程中成孔作业的施工机械。该类钻机一般采用液压履带式伸缩底盘、自行起落可折叠钻桅、伸缩式钻杆、带有垂直度自动检测调整、孔深数码显示等，整机操纵一般采用液压先导控制、负荷传感，具有操作轻便、舒适等特点。主要用于市政建设、公路桥梁、工业和民用建筑、地下连续墙、水利、防渗护坡等基础施工。

目前，旋挖钻机的桅杆控制已经实现了自动化操作，但多数情况下还是需要借助于驾驶员的经验和桅杆上布置的限位开关。申请号为CN200910052713.1的中国发明专利申请公开了一种旋挖钻机的桅杆控制系统，其主要包括主控模块、传感器模块、液压控制模块、显示模块等。控制方法以PID控制方法为主，主控模块负责处理传感器信号，根据处理结果输出PWM信号，PWM信号可驱动液压比例阀以实现桅杆的立桅、倒桅、调垂等操作。而旋挖钻机的桅杆通常包括上桅杆、中桅杆和下桅杆三部分，钻孔时上桅杆、中桅杆和下桅杆要处在同一条直线上且垂直于海平面，当其中有任意一个桅杆与其他两个桅杆不在同一条直线上时，无论怎样调整个桅杆钻孔都会倾斜。而上述桅杆控制系统只是在整个桅杆和油缸之间安装有一个倾角传感器，其只能显示整个桅杆的一部分在不同自由度位置下的倾角情况(例如中桅杆)，进而据此去调整个桅杆与海平面垂直。如果其中有任意一个桅杆与其他两个桅杆不在同一条直线上，由于上述桅杆控制系统不能全轨迹显示上桅杆、中桅杆和下桅杆在不同自由度位置下的倾角情况，上述桅杆控制系统也就无法判定是上桅杆、中桅杆和下桅杆的中哪一个与其他两个桅杆不在同一条直线上，也就无法精准的去做出相应调整。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能全轨迹显示旋挖钻机的上桅杆、中桅杆和下桅杆在不同自由度位置下的倾角情况的旋挖钻机桅杆全轨迹控制系统及其控制方法。

为达到上述目的，本发明一方面提供了一种旋挖钻机桅杆全轨迹控制系统，包括：

分别对应安装于旋挖钻机的上桅杆、中桅杆和下桅杆上且在所述旋挖钻机处于钻孔工作状态时位于同一条直线上的上桅杆倾角传感器、中桅杆倾角传感器和下桅杆倾角传感器，用于采集所述上桅杆、中桅杆和下桅杆的倾角信息生成对应的桅杆倾角信号；

安装于所述旋挖钻机的底盘上的底盘倾角传感器，用于采集所述底盘的倾角信息生成底盘倾角信号；

PLC，用于接收所述桅杆倾角信号以及所述底盘倾角信号；对其进行AD转换后生成所述上桅杆、中桅杆和下桅杆以及所述底盘在对应自由度位置时的倾角数据；将所述倾角数据转换成显示器可读数据，同时根据所述倾角数据判断所述上桅杆、中桅杆和下桅杆是否同在一条直线上且垂直于海平面，根据判断结果生成对应的报警控制信号和PID调节控制信号；

安装于所述旋挖钻机的操作室内的显示器，用于接收并实时显示所述PLC发送的所述上桅杆、中桅杆和下桅杆以及所述底盘在对应自由度位置时的倾角数据；

报警装置，用于接收所述PLC发送的报警控制信号，根据所述报警控制信号输出报警信号；

与所述旋挖钻机的液压系统相连的控制阀，包括上桅杆阀、中桅杆阀、下桅杆阀和底盘阀，用于接收所述PLC发送的PID调节控制信号，根据所述PID调节控制信号调整所述上桅杆、中桅杆和下桅杆同在一条直线上且垂直于海平面。

本发明的旋挖钻机桅杆全轨迹控制系统，所述上桅杆倾角传感器、中桅杆倾角传感器、下桅杆倾角传感器和底盘倾角传感器均为每20毫秒采集一次数据。

本发明的旋挖钻机桅杆全轨迹控制系统，所述根据判断结果生成PID调节控制信号，具体包括：

当所述上桅杆、中桅杆和下桅杆不同在一条直线上时，生成对应的PID调节控制信号使之同在一条直线上；

当所述上桅杆、中桅杆和下桅杆同在一条直线上时，判断所述上桅杆、中桅杆和下桅杆是否垂直于海平面，当不垂直于海平面时生成对应的PID调节控制信号发送至所述底盘阀，通过调节所述底盘阀使所述上桅杆、中桅杆和下桅杆垂直于海平面。

本发明的旋挖钻机桅杆全轨迹控制系统，所述根据判断结果生成报警控制信号，具体包括：

当所述上桅杆、中桅杆、下桅杆或所述底盘的倾角超过所述旋挖钻机的重心稳定极限值时，生成报警控制信号。

本发明的旋挖钻机桅杆全轨迹控制系统，在将所述桅杆倾角信号以及所述底盘倾角信号进行AD转换之后，生成所述上桅杆、中桅杆和下桅杆以及所述底盘在对应自由度位置时的倾角数据之前，还包括：

对数字化的桅杆倾角信号和底盘倾角信号进行分类暂存和峰值滤波，滤除干扰信号。

本发明的旋挖钻机桅杆全轨迹控制系统，在调整所述上桅杆、中桅杆和下桅杆同在一条直线上且垂直于海平面时，以及所述旋挖钻机处于钻孔工作状态时，还包括：

所述PLC至少对所述旋挖钻机的液压动力是否充足、传感器是否失效、桅杆动作是否异常和电气线路是否故障进行监测，当检测到桅杆不能在预设时间内完成执行动作时发出液压动力不足报警，当在预设时间持续接收不到传感器信号时发出传感器失效报警，当桅杆动作偏离预设值轨迹时发出桅杆动作异常警告，当发命令后在预设时间未收到反馈时发出电气故障报警。

再一方面，本发明还提供了一种上述旋挖钻机桅杆全轨迹控制系统的控制方法，包括以下步骤：

获取上桅杆、中桅杆和下桅杆的桅杆倾角信号，以及底盘的底盘倾角信号；

将所述桅杆倾角信号和所述底盘倾角信号进行AD转换后生成所述上桅杆、中桅杆和下桅杆以及所述底盘在对应自由度位置时的倾角数据；

将所述倾角数据转换成显示器可读数据实时显示，同时根据所述倾角数据判断所述上桅杆、中桅杆和下桅杆是否同在一条直线上且垂直于海平面，并根据判断结果生成对应的报警控制信号和PID调节控制信号；

根据PID调节控制信号调整所述上桅杆、中桅杆和下桅杆同在一条直线上且垂直于海平面。

本发明的旋挖钻机桅杆全轨迹控制系统的控制方法，所述上桅杆倾角传感器、中桅杆倾角传感器、下桅杆倾角传感器和底盘倾角传感器均为每20毫秒采集一次数据。

本发明的旋挖钻机桅杆全轨迹控制系统的控制方法，在将所述桅杆倾角信号和所述底盘倾角信号进行AD转换之后，生成所述上桅杆、中桅杆和下桅杆以及所述底盘在对应自由度位置时的倾角数据之前，还包括：

对数字化的桅杆倾角信号和底盘倾角信号进行分类暂存和峰值滤波，滤除干扰信号。

本发明的旋挖钻机桅杆全轨迹控制系统的控制方法，所述根据判断结果生成PID调节控制信号，具体为：

当所述上桅杆、中桅杆和下桅杆不同在一条直线上时，生成对应的PID调节控制信号使之同在一条直线上；

当所述上桅杆、中桅杆和下桅杆同在一条直线上时，判断所述上桅杆、中桅杆和下桅杆是否垂直于海平面，当不垂直于海平面时则生成对应的PID调节控制信号发送至所述底盘阀，通过调节所述底盘阀使所述上桅杆、中桅杆和下桅杆垂直于海平面。

本发明的旋挖钻机桅杆全轨迹控制系统的控制方法，所述根据判断结果生成报警控制信号，具体为：

当所述上桅杆、中桅杆、下桅杆或所述底盘的倾角超过所述旋挖钻机的重心稳定极限值时，生成报警控制信号。

本发明的旋挖钻机桅杆全轨迹控制系统的控制方法，在调整所述上桅杆、中桅杆和下桅杆同在一条直线上且垂直于海平面时，以及所述旋挖钻机处于钻孔工作状态时，还包括：

所述PLC至少对所述旋挖钻机的液压动力是否充足、传感器是否失效、桅杆动作是否异常和电气线路是否故障进行监测，当检测到桅杆不能在预设时间内完成执行动作时发出液压动力不足报警，当在预设时间持续接收不到传感器信号时发出传感器失效报警，当桅杆动作偏离预设值轨迹时发出桅杆动作异常警告，当发命令后在预设时间未收到反馈时发出电气故障报警。

本发明的旋挖钻机桅杆全轨迹控制系统的PLC将接收到的桅杆倾角信号以及底盘倾角信号生成上桅杆、中桅杆和下桅杆以及底盘在对应自由度位置时的倾角数据；将倾角数据转换成显示器可读数据供显示器实时显示，同时根据倾角数据判断上桅杆、中桅杆和下桅杆是否同在一条直线上且垂直于海平面，根据判断结果生成PID调节控制信号，以调整上桅杆、中桅杆和下桅杆同在一条直线上且垂直于海平面，从而实现了全轨迹显示旋挖钻机的上桅杆、中桅杆和下桅杆在不同自由度位置下的倾角情况，并实现了钻机桅杆的自动调整控制。

附图说明

图1为本发明一个实施例的旋挖钻机桅杆全轨迹控制系统的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述：

参考图1所示，本实施例的旋挖钻机桅杆全轨迹控制系统包括一个PLC(也可以用如嵌入式系统等性能稳定、功能强大、扩展性强的其他控制器替代)，该PLC通过CAN HI和CAN LO总线连接有四个倾角传感器(即上桅杆倾角传感器、中桅杆倾角传感器、下桅杆倾角传感器和底盘倾角传感器)和一个用于人机交互的显示器(由于旋挖钻机的工作环境复杂，显示器最好选用固化好的断码液晶屏，断码液晶屏驱动简单、使用寿命长、成熟稳定、能够适应长时间恶劣的环境)，即采用CAN总线连接方式，每一个传感器都有唯一的物理地址，总线上的传感器都与PLC实时通讯，PLC采用轮询方式采集每一个传感器的信号。该PLC通过四个I/O接口分别对应连接有四个控制阀(即上桅杆比例阀、中桅杆比例阀、下桅杆比例阀和底盘比例阀)，该PLC通过另外两个I/O接口分别对应连接有用于接收PLC发送的报警控制信号，根据报警控制信号输出报警信号的扬声器SP和报警灯L。

其中，上桅杆倾角传感器、中桅杆倾角传感器和下桅杆倾角传感器分别对应安装于旋挖钻机的上桅杆、中桅杆和下桅杆上且在旋挖钻机处于钻孔工作状态时他们同在一条直线上，用于采集上桅杆、中桅杆和下桅杆的倾角信息生成对应的桅杆倾角信号。底盘倾角传感器安装于旋挖钻机的底盘上，用于采集底盘的倾角信息生成底盘倾角信号。PLC，用于接收桅杆倾角信号以及底盘倾角信号；对其进行AD转换后生成上桅杆、中桅杆和下桅杆以及底盘在对应自由度位置(即空间位置)时的倾角数据；将倾角数据转换成显示器可读数据，同时根据倾角数据判断上桅杆、中桅杆和下桅杆是否同在一条直线上且垂直于海平面，根据判断结果生成对应的报警控制信号和PID调节控制信号显示器。显示器安装于旋挖钻机的操作室内，用于接收并实时显示PLC发送的上桅杆、中桅杆和下桅杆以及底盘在对应自由度位置时的倾角数据。上桅杆比例阀、中桅杆比例阀、下桅杆比例阀和底盘比例阀与旋挖钻机的液压系统相连，用于接收PLC发送的PID调节控制信号，根据PID调节控制信号调整上桅杆、中桅杆和下桅杆同在一条直线上且垂直于海平面。这样，通过传感器、PLC、显示器和控制阀的配合，整个旋挖钻机就形成了一套闭环控制系统。

上述实施例的旋挖钻机桅杆全轨迹控制系统的工作过程如下：

1)、上桅杆倾角传感器、中桅杆倾角传感器、下桅杆倾角传感器和底盘倾角传感器每20毫秒发送当前数据至PLC，PLC采用顺序方式采集每个倾角传感器的信号(即上桅杆、中桅杆和下桅杆的桅杆倾角信号，以及底盘的底盘倾角信号)，每个信号经过A/D转换后进入PLC的专用寄存器组。

2)、当PLC采集足够的数据后，将数据进行分类暂存并进行峰值滤波，滤除干扰信号后的数据进入PLC的算法寄存器组，算法控制器对分类后的数据形进行排列，从而生成上桅杆、中桅杆和下桅杆以及底盘在对应自由度位置时的倾角数据，即能反映桅杆各个自由度位置的二维表单，如下表所示，

3)、将倾角数据转换成显示器可读数据发送至显示器实时显示，同时根据倾角数据判断上桅杆、中桅杆和下桅杆是否同在一条直线上且垂直于海平面，并根据判断结果生成对应的报警控制信号和PID调节控制信号，具体判断如下：

当上桅杆、中桅杆和下桅杆不同在一条直线上时，生成对应的PID调节控制信号使之同在一条直线上；

当上桅杆、中桅杆和下桅杆同在一条直线上时，判断上桅杆、中桅杆和下桅杆是否垂直于海平面，当不垂直于海平面时则生成对应的PID调节控制信号发送至底盘阀，通过调节底盘阀使上桅杆、中桅杆和下桅杆垂直于海平面。

当上桅杆、中桅杆、下桅杆或底盘的倾角超过旋挖钻机的重心稳定极限值时，生成报警控制信号。

4)、根据PID调节控制信号调整上桅杆、中桅杆和下桅杆同在一条直线上且垂直于海平面。至于如何进行PID调节是则本领域较为成熟的现有技术，而且申请号为CN200910052713.1的中国发明专利申请文件中也已公开，本文就不再赘述。

此外，为保证系统的可靠性和稳定性，在调整上桅杆、中桅杆和下桅杆同在一条直线上且垂直于海平面时，以及旋挖钻机处于钻孔工作状态时，PLC还对旋挖钻机的液压动力是否充足、传感器是否失效、桅杆动作是否异常和电气线路是否故障等进行监测，当检测到桅杆不能在预设时间内完成执行动作时发出液压动力不足报警，当在预设时间持续接收不到传感器信号时发出传感器失效报警，当桅杆动作偏离预设值轨迹时发出桅杆动作异常警告，当发命令后在预设时间未收到反馈时发出电气故障报警。

以上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，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (2)

1.一种旋挖钻机桅杆全轨迹控制系统，其特征在于，包括：

分别对应安装于旋挖钻机的上桅杆、中桅杆和下桅杆上且在所述旋挖钻机处于钻孔工作状态时位于同一条直线上的上桅杆倾角传感器、中桅杆倾角传感器和下桅杆倾角传感器，用于采集所述上桅杆、中桅杆和下桅杆的倾角信息生成对应的桅杆倾角信号；

安装于所述旋挖钻机的底盘上的底盘倾角传感器，用于采集所述底盘的倾角信息生成底盘倾角信号；

PLC，用于接收所述桅杆倾角信号以及所述底盘倾角信号；对其进行AD转换后生成所述上桅杆、中桅杆和下桅杆以及所述底盘在对应自由度位置时的倾角数据；将所述倾角数据转换成显示器可读数据，同时根据所述倾角数据判断所述上桅杆、中桅杆和下桅杆是否同在一条直线上且垂直于海平面，根据判断结果生成对应的报警控制信号和PID调节控制信号；

安装于所述旋挖钻机的操作室内的显示器，用于接收并实时显示所述PLC发送的所述上桅杆、中桅杆和下桅杆以及所述底盘在对应自由度位置时的倾角数据；

报警装置，用于接收所述PLC发送的报警控制信号，根据所述报警控制信号输出报警信号；

与所述旋挖钻机的液压系统相连的控制阀，包括上桅杆阀、中桅杆阀、下桅杆阀和底盘阀，PLC通过四个I/O接口分别向对应的控制阀发送PID调节控制信号，相应控制阀根据所述PID调节控制信号调整所述上桅杆、中桅杆和下桅杆同在一条直线上且垂直于海平面；

所述上桅杆倾角传感器、中桅杆倾角传感器、下桅杆倾角传感器和底盘倾角传感器均为每20毫秒采集一次数据；

所述根据判断结果生成PID调节控制信号，具体包括：

当所述上桅杆、中桅杆和下桅杆不同在一条直线上时，生成对应的PID调节控制信号使之同在一条直线上；

当所述上桅杆、中桅杆和下桅杆同在一条直线上时，判断所述上桅杆、中桅杆和下桅杆是否垂直于海平面，当不垂直于海平面时生成对应的PID调节控制信号发送至所述底盘阀，通过调节所述底盘阀使所述上桅杆、中桅杆和下桅杆垂直于海平面；

所述根据判断结果生成报警控制信号，具体包括：

当所述上桅杆、中桅杆、下桅杆或所述底盘的倾角超过所述旋挖钻机的重心稳定极限值时，生成报警控制信号；在将所述桅杆倾角信号以及所述底盘倾角信号进行AD转换之后，生成所述上桅杆、中桅杆和下桅杆以及所述底盘在对应自由度位置时的倾角数据之前，还包括：

对数字化的桅杆倾角信号和底盘倾角信号进行分类暂存和峰值滤波，滤除干扰信号；在调整所述上桅杆、中桅杆和下桅杆同在一条直线上且垂直于海平面时，以及所述旋挖钻机处于钻孔工作状态时，还包括：

所述PLC至少对所述旋挖钻机的液压动力是否充足、传感器是否失效、桅杆动作是否异常和电气线路是否故障进行监测，当检测到桅杆不能在预设时间内完成执行动作时发出液压动力不足报警，当在预设时间持续接收不到传感器信号时发出传感器失效报警，当桅杆动作偏离预设值轨迹时发出桅杆动作异常警告，当发命令后在预设时间未收到反馈时发出电气故障报警。

2.一种权利要求1所述旋挖钻机桅杆全轨迹控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取上桅杆、中桅杆和下桅杆的桅杆倾角信号，以及底盘的底盘倾角信号；

将所述桅杆倾角信号和所述底盘倾角信号进行AD转换后生成所述上桅杆、中桅杆和下桅杆以及所述底盘在对应自由度位置时的倾角数据；

将所述倾角数据转换成显示器可读数据实时显示，同时根据所述倾角数据判断所述上桅杆、中桅杆和下桅杆是否同在一条直线上且垂直于海平面，并根据判断结果生成对应的报警控制信号和PID调节控制信号；

将PID调节控制信号分别以独立传输通道传送至相应控制阀；

各控制阀根据相应的PID调节控制信号调整所述上桅杆、中桅杆和下桅杆同在一条直线上且垂直于海平面；

所述上桅杆倾角传感器、中桅杆倾角传感器、下桅杆倾角传感器和底盘倾角传感器均为每20毫秒采集一次数据；

在将所述桅杆倾角信号和所述底盘倾角信号进行AD转换之后，生成所述上桅杆、中桅杆和下桅杆以及所述底盘在对应自由度位置时的倾角数据之前，还包括：

对数字化的桅杆倾角信号和底盘倾角信号进行分类暂存和峰值滤波，滤除干扰信号；

所述根据判断结果生成PID调节控制信号，具体为：

当所述上桅杆、中桅杆和下桅杆不同在一条直线上时，生成对应的PID调节控制信号使之同在一条直线上；

当所述上桅杆、中桅杆和下桅杆同在一条直线上时，判断所述上桅杆、中桅杆和下桅杆是否垂直于海平面，当不垂直于海平面时则生成对应的PID调节控制信号发送至所述底盘阀，通过调节所述底盘阀使所述上桅杆、中桅杆和下桅杆垂直于海平面；

所述根据判断结果生成报警控制信号，具体为：

当所述上桅杆、中桅杆、下桅杆或所述底盘的倾角超过所述旋挖钻机的重心稳定极限值时，生成报警控制信号；

在调整所述上桅杆、中桅杆和下桅杆同在一条直线上且垂直于海平面时，以及所述旋挖钻机处于钻孔工作状态时，还包括：

所述PLC至少对所述旋挖钻机的液压动力是否充足、传感器是否失效、桅杆动作是否异常和电气线路是否故障进行监测，当检测到桅杆不能在预设时间内完成执行动作时发出液压动力不足报警，当在预设时间持续接收不到传感器信号时发出传感器失效报警，当桅杆动作偏离预设值轨迹时发出桅杆动作异常警告，当发命令后在预设时间未收到反馈时发出电气故障报警。

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