CN103775050A - 旋挖钻桅杆双冗余控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种旋挖钻桅杆双冗余控制装置，由双通道电控十字手柄、双通道倾角传感器、控制器和显示器组成，双通道电控十字手柄上的两套电位计各输出一组X、Y轴信号并分别通过控制线输至控制器上一个对应通道的X、Y轴输入端，双通道倾角传感器的两套倾角传感系统分别以不同的CAN-ID向控制器发送桅杆角度值信号，控制器的两路输出控制端分别接至旋挖钻左、右桅杆油缸电磁阀的输入控制端，显示器与控制器通过CAN总线连接。采用该装置的双冗余通道输出，通过程序控制，当一条输出通道出现故障时，可自动或者手动切换到另外一条输出通道，确保起落桅安全。

Description

旋挖钻桅杆双冗余控制装置

背景技术

本发明属于工程机械安全控制技术领域，涉及一种用于旋挖钻桅杆起落安全控制的旋挖钻桅杆双冗余控制装置。

背景技术

现在的旋挖钻桅杆一般采用电控十字手柄输出桅杆动作控制信号，双轴倾角传感器反馈X轴(桅杆左右方向)、Y轴(桅杆前后方向)的角度信号，通过此两种信号的对比运算，实现桅杆动作的自动控制。现有的电控十字手柄和倾角传感器都是采用单通道输出，一旦在起落桅过程中这两者任意一个出现输出故障，由于桅杆处在举升状态下，旋挖钻机重心升高，兼之桅杆质量以及力臂等原因，如果桅杆过度倾斜，就可能会导致钻机桅杆油缸断裂或者桅杆断裂甚至发生钻机倾翻等事故，严重威胁驾驶员以及周围作业人员生命安全。

发明内容

本发明的目的在于对现有技术存在的问题加以解决，提供一种旋挖钻桅杆双冗余控制装置，采用该装置的双冗余通道输出，通过程序控制，当一条输出通道出现故障时，可自动或者手动切换到另外一条输出通道，确保起落桅安全。

为实现上述发明目的而采用的技术解决方案是这样的：所提供的旋挖钻桅杆双冗余控制装置由一个双通道电控十字手柄、一个双通道倾角传感器、一个控制器和一个显示器组成，双通道电控十字手柄上的两套电位计同向各输出一组X、Y轴信号并分别通过信号线传输至控制器上对应的第一通道X、Y轴输入端和第二通道X、Y轴输入端，双通道倾角传感器的两套倾角传感系统分别通过各自CAN接口与控制器CAN接口连接到同一个CAN网络中，并分别以不同的CAN-ID向控制器发送桅杆角度值信号，显示器与控制器通过CAN总线连接，控制器基于CodeSys软件进行编程，控制器的四路输出控制端分别接至旋挖钻左桅杆油缸升/降电磁阀和旋挖钻右桅杆油缸升/降电磁阀的输入控制端(双缸四阀)；设定双通道倾角传感器中的一套倾角传感系统与控制器通信的CAN接口为默认接口，两套传感系统同时工作，控制器同时读取两套传感系统发送桅杆角度值的两个CAN-ID上的数据，但仅使用默认CAN接口所发送CAN-ID中的数据进行程序运算，其程序逻辑为：比较两接口CAN-ID上的角度值数据，如果差值超出误差设定值，则停止控制器输出，通过显示器人机互动截面观察两CAN接口数值，在显示器上利用手动选择数据正确的CAN接口，在比较差值的同时，当默认接口出现通信故障(如接头松动、开路、传感器发送故障等)或超出测量范围时，通过程序控制自动切换至另外一个CAN接口进行程序运算，如果两个接口都出现通信故障或超出测量范围时，停止控制器输出，直到故障排除；设定双通道电控十字手柄与控制器主通道X、Y轴输入端连接的电位计为默认电位计，两组电位计同时工作，控制器同时读取两组电位计信号，但仅使用默认电位计信号进行程序运算，其逻辑为：当默认电位计的X轴和Y轴的电压值与另一组电位计电压值的差值超出设定值时，停止桅杆油缸电磁阀输出，通过显示器诊断观察，利用手动切换至数据正常通道的电位计，在判断差值同时，如果默认电位计信号超出测量范围范围，则使用另一电位计信号进行程序运算，如果两电位计信号都超出测量范围，则停止控制器输出，直到故障排除。

本发明的技术解决方案还在于：所述的双通道电控十字手柄采用JS2000电控十字手柄。

本发明的技术解决方案还在于：所述的双通道倾角传感器采用MSS521倾角传感器。

本发明的技术解决方案还在于：所述的控制器采用TTC60控制器。

本发明的技术解决方案还在于：所述的显示器采用IFM1083显示器。

旋挖钻桅杆从控制机制上来说电控十字手柄和倾角传感器对桅杆控制起着决定性的作用，这两者的稳定性关系着旋挖钻机工作的安全性。本发明从选型方面出发，选用双通道电控十字手柄，其间用于控制桅杆左右倾斜(X轴)和前后倾斜(Y轴)的信号分别存在同向双通道(第一通道和第二通道，或称主通道和副通道)，并通过各自的模拟量输入与控制器做数据传输，结构(程序)设置上，设定双通道电控十字手柄与控制器的一个通道(如第一通道)X、Y轴输入端连接的电位计为默认电位计，控制器同时接收两通道数据，但在程序处理中仅先使用默认接口上的数据。另选用双通道倾角传感器，其间集成有两套独立的倾角传感系统，分别采用两个CAN接口与控制器通信，两个CAN接口采用不同的CAN—ID号向控制器发送X轴和Y轴的倾斜角度值，结构(程序)设置上，设定控制器中与双通道倾角传感器中的一个套倾角传感器通信的CAN接口为默认接口，控制器同时接收两通道数据，但在程序处理中仅先使用默认接口上的数据。

实际工作中，控制器的切换电路的输出以采集到的电控十字手柄和倾角传感器信号为依据。当电控十字手柄变化时，X轴与Y轴分别有两个同步变化的电阻值，当这两个电阻值之间的差值在一定的误差范围(-0.05V～0.05V)之内时，程序正常使用默认接口电压值，由该通道为桅杆前后左右的倾斜运动提供指示信号；当误差超过设定范围即手柄出现故障时，停止桅杆油缸电磁阀输出，根据诊断可通过显示器观察两电压值，以手动形式切换至电压值正常的通道，实现应急处理，当手柄故障排除可恢复至原通道的输入状态；当默认接口数值超出测量范围(0.5V～4.5V)，则使用另一接口的信号参与程序运算，如果两电位计数值都超出测量范围，则停止控制器输出，直到故障排除。通过编程设定双通道倾角传感器的一个CAN接口为默认接口，当两CAN接口上的角度信号数值在一定误差范围(-0.1度～0.1度)内时，则正常使用默认CAN口上的信号，当默认接口出现通信故障(比如接头松动、开路、传感器发送故障等)或超出测量范围(-60度～60度)时，则使用另外一个CAN接口上的数据作为程序运算的参数，如果两个接口均出现通信故障时，停止控制器输出直到故障排除。当故障排除后可恢复至原默认接口工作。

本发明通过对电控十字手柄和倾角传感器的硬件冗余备份、双信号通道的比较判断以及故障状态下的自动或手动的切换，实现了旋挖钻机起落桅过程的安全控制，最大程度地避免了上述两者出现故障所导致安全事故。

附图说明

图1是本发明的结构原理图。

具体实施方式

参见图1，本发明所述的旋挖钻桅杆双冗余控制装置包括双通道电控十字手柄、双通道倾角传感器、控制器和显示器。显示器通过CAN总线与控制器联接，工作中操作者可通过显示器手动选择通道和观察各通道输入数值。本发明使用的控制器(PLC)基于CodeSys软件进行编程，该软件允许使用者使用结构化文本(类似C语言)、梯形图、顺序功能图等6种语言编程，控制器工作电压24V，集成I/O，支持直接接线输入或输出，输入可直接从传感器或开关等电子器件采集布尔型、电阻型、电流型、电压型、频率型的信号，输出可直接对外输出布尔型、电流型、PWM型等信号以驱动继电器、电磁阀等执行器件，控制器也可通过CAN总线与其他控制机构通信(比如显示器、倾角传感器等)。本发明对控制器的应用即是：将控制器的输入上所采集到的信号或从CAN总线上收集到的信号，量化成为对应的数据，将这些数据作为变量带入到程序中，通过编程处理，得到适用于执行机构(如电磁阀、继电器等)的数据，再通过控制器的输出将得到的数据转化成为电流、PWM或布尔量，用这些信号控制相应的执行机构。本发明所用双通道电控十字手柄上的两套电位计各输出一组X、Y轴信号并分别通过控制线输至控制器上对应的第一通道X、Y轴输入端和第二通道X、Y轴输入端，双通道倾角传感器的两套倾角传感器分别采用两个CAN总线与控制器中的两个输入端通信，向控制器发送旋挖钻桅杆的X轴和Y轴的角度值信号，控制器中的四路输出控制端分别接至旋挖钻左桅杆油缸升/降电磁阀和旋挖钻右桅杆油缸升/降电磁阀的输入控制端。设定双通道倾角传感器中的一套倾角传感系统与控制器通信的CAN接口为默认接口，两套传感系统同时工作，控制器同时读取两套传感系统发送的两个CAN-ID上的桅杆倾斜角度值，但仅使用默认CAN接口所发送CAN-ID中的数据进行程序运算。其程序逻辑为：比较两接口CAN-ID上的角度值的差值，如果差值未超出误差设定值(-0.1度～0.1度)，则使用默认接口上的角度值作为倾角限位(左右倾斜到达-3度～3度时停止桅杆在该方向上的运动，向前倾斜到达5度时停止桅杆在该方向上的运动)和桅杆位置定位的依据，同时将角度值发给显示器，让操作人员可以在显示器的人机互动界面中实时查看桅杆倾斜角度；反之，当默认CAN接口发生上述故障，则停止控制器输出,通过显示器人机互动界面观察两CAN接口数值，在显示器上手动选择数据正确的CAN接口。在比较差值的同时，当默认接口出现CAN总线通信故障(如接头松动、开路、传感器发送故障等)或超出测量范围(-60度～60度)时，则使用另一CAN接口上的数据参与程序运算，以此实现自动切换(当两个接口均出现通信故障或超出测量范围时,停止一切控制器输出直到故障排除)。设定双通道电控十字手柄与控制器主通道X、Y轴输入端连接的电位计为默认电位计，两组电位计同时工作，控制器同时读取两组电位计信号，但仅使用默认电位计信号进行程序运算。其程序逻辑为：当默认电位计的X轴和Y轴的电压值与另一组电位计电压值的差值未超出设定值(-0.05V～0.05V)时，使用默认电位计X轴和Y轴的电压值作为控制桅杆电磁阀的参数，随着这两个数值的变化，驱动左、右桅杆电磁阀的电流也发生相应变化，同时将两电压值发送给显示器，让操作人员可以在显示器的人机互动界面中实时查看；反之，当默认电位计发生上述故障，则停止桅杆油缸电磁阀输出，通过显示器诊断观察，利用手动切换至数据正常通道的电位计。在比较差值同时，当默认接口数值超出测量范围（0.5V～4.5V），则使用另一接口的信号参与程序运算，如果两电位计数值都超出测量范围，则停止控制器输出，直到故障排除。

具体实施结构中，本发明的双通道电控十字手柄可采用SauerDanfoss公司的JS2000电控十字手柄，其X轴与Y轴分别存在同向双通道，即电控十字手柄在硬件上存在两套电位计，可输出两组X轴、Y轴信号，并分别通过模拟量输入与控制器做数据传输；双通道倾角传感器可采用MOBA公司的MSS521倾角传感器，它集成有两套独立的倾角传感系统，分别采用两个CAN接口与控制器通信，两个CAN接口采用不同的CAN—ID号向控制器发送X轴和Y轴角度值，其双轴(X轴、Y轴)角度范围为-60度～60度或者-90度～90度，通过CAN总线与控制器做数据交换；控制器可采用派芬公司基于CoDeSys软件的控制器TTC60，以采集到的双通道电控十字手柄和双通道倾角传感器信号为依据；显示器可采用易福门(IFM)公司同样基于CoDeSys软件的IFM1083显示器，用以制作人机互动界面。

本发明的设计方案目前已应用在陕西建设机械股份有限公司的SDR280型和SDR220型旋挖钻机上，用于提高控制起落桅杆的安全性能。此方案的实施，不但避免了钻机起落桅过程中由于电气元件故障而导致的危险后果，而且故障出现短期内不会影响设备的正常施工，保证了施工效率，大大增加了设备可靠性，为公司增加了效益。

Claims (5)

1.一种旋挖钻桅杆双冗余控制装置，其特征在于：由一个双通道电控十字手柄、一个双通道倾角传感器、一个控制器和一个显示器组成，双通道电控十字手柄上的两套电位计同向各输出一组X、Y轴信号并分别通过信号线传输至控制器上对应的第一通道X、Y轴输入端和第二通道X、Y轴输入端，双通道倾角传感器的两套倾角传感系统分别通过各自CAN接口与控制器CAN接口连接到同一个CAN网络中，并分别以不同的CAN-ID向控制器发送桅杆角度值信号，显示器与控制器通过CAN总线连接，控制器基于CodeSys软件进行编程，控制器的四路输出控制端分别接至旋挖钻左桅杆油缸升/降电磁阀和旋挖钻右桅杆油缸升/降电磁阀的输入控制端；设定双通道倾角传感器中的一套倾角传感系统与控制器通信的CAN接口为默认接口，两套传感系统同时工作，控制器同时读取两套传感系统发送桅杆角度值的两个CAN-ID上的数据，但仅使用默认CAN接口所发送CAN-ID中的数据进行程序运算，其程序逻辑为：比较两接口CAN-ID上的角度值数据，如果差值超出误差设定值，则停止控制器输出；通过显示器人机互动截面观察两CAN接口数值，在显示器上利用手动选择数据正确的CAN接口，在判断差值的同时，当默认接口出现通信故障或超出测量范围时，通过程序控制自动切换至另外一个CAN接口进行程序运算，如果两接口都出现通信故障或超出测量范围，则停止控制器输出，直到故障排除；设定双通道电控十字手柄与控制器主通道X、Y轴输入端连接的电位计为默认电位计，两组电位计同时工作，控制器同时读取两组电位计信号，但仅使用默认电位计信号进行程序运算，其逻辑为：当默认电位计的X轴和Y轴的阻值与另一组电位计阻值的差值超出设定值时，停止桅杆油缸电磁阀输出，通过显示器诊断观察，利用手动切换至数据正常通道的电位计，在判断差值同时，如果默认电位计信号超出测量范围范围，则使用另一电位计信号进行程序运算，如果两电位计信号都超出测量范围，则停止控制器输出，直到故障排除。

2.根据权利要求1所述的旋挖钻桅杆双冗余控制装置，其特征在于：所述的双通道电控十字手柄采用JS2000电控十字手柄。

3.根据权利要求1所述的旋挖钻桅杆双冗余控制装置，其特征在于：所述的双通道倾角传感器采用MSS521倾角传感器。

4.根据权利要求1所述的旋挖钻桅杆双冗余控制装置，其特征在于：所述的控制器采用TTC60控制器。

5.根据权利要求1所述的旋挖钻桅杆双冗余控制装置，其特征在于：所述的显示器采用IFM1083显示器。

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