旋挖钻机双机冗余电控系统

目前旋挖钻机的电控系统无论是集中式控制还是分布式控制，大都只有1台主控制器及若干子模块形成一个控制网络，如果这个主控制器不能正常工作，设备就会处于瘫痪状态，严重影响工程进度，甚至导致施工事故。为此，由北京南车时代公司研制的TR500C型超大型旋挖钻机的电控系统采用了双机冗余电控技术。

1.双机冗余电控技术

TR500C型旋挖钻机的电控系统设置了2台控制器和2台显示器，形成2套控制系统。在正常工况下，由1台主控制器和1台主显示器工作，为主控制系统；另1台控制器和1台显示器为副控制系统。2套控制系统之间采用双机热备冗余的运行模式，即当主控制系统出现故障时，自动切换到副控制系统，使设备继续正常运行。

双机热备系统是指2个互相独立的模块组成的系统，都能独立完成设定的同样的功能。在双机热备系统中，每1个模块相当于一个单机。正常工作时，2个模块都得电并工作，不过只有1个模块输出的信号经过切换去控制被控对象，即输出有效，而另1模块则输出无效。每个模块都有自检、自诊断功能，当模块发现自身出现故障时，就会给出控制信号，驱使切换开关进行适当切换并给出故障报警和提示。双机热备系统在工作时有如下几种工作模式：当2个模块都无故障时，1个模块工作，另1模块热备；当1个模块待修或维修时，另1个模块工作，系统可以完成设定功能；当2个模块都有故障时，则系统失效。

电控系统的硬件和软件采用模块化、标准化、系列化配置，并充分考虑系统的扩展能力。以双机热备为核心，充分注重系统的可靠性、可维护性和可测试性，保证系统能够可靠工作和便于维护保养。电控系统具有电磁兼容性，能确保在比较恶劣的电磁环境中正常工作。

2.双机冗余电控系统结构和原理

如图1所示，该系统由控制模块、显示模块、传感器、电磁阀、按钮及操作手柄等组成。2台控制器分别为主控制器和副控制器，用于控制整机所有动作及数据的处理、运算；显示模块也分为主显示模块和副显示模块，作为人机交互界面，用于显示设备的运行状态以及重要参数，同时在主机工作时，副机的显示模块可作为设备某一视频监视窗口，用于观察设备的外部状况；传感器用于采集设备的压力、流量、温度、角度和距离等各种数据；电磁阀用于控制相关执行机构的动作；按钮和操作手柄把操作者的控制指令以不同形式传递给控制器。

图1

（1） 主控制器和副控制器

控制器是整个控制系统中最为核心的部件，负责整个控制系统的管理，并执行数据的采集、运算、解析、处理和发送等功能。该机选用2台芬兰EPEC公司生产的2024型控制器作为控制系统的主控制器和副控制器，EPEC2024采用C167处理器，具有40 MHz的主频和256 KB存储器，采用CoDeSys软件编写程序，防护等级达到IP67，具有高压和过载保护、输出短路与过热保护功能，拥有52路可编程IO端口、1路CANopen通信接口和1路CAN2.0B通讯接口。

（2） 主显示器和副显示器

主显示器采用奥地利B&R公司生产的4PP480型真彩触摸屏显示器，该显示器采用AMD公司生产的Geode LX800型处理器，主频达到500 MHz，主内存为128 MB，图形内存为8 MB，共有20个可编程按键（带黄色LED指示灯），通讯接口极为丰富，含2个CAN总线接口，1个以太网接口，2个USB接口，编辑环境为Automation Studio 2.7，支持图形编辑、C语言、ST语言和梯形图编程。

副显示器采用德国GRAF公司生产的AT8200型5.7英寸显示器，该显示器采用TFT-LCD显示屏，含8个可编程按键，编程语言为C，通过ITE8X16编辑器进行编程，另外支持视频输入功能。

（3） 系统原理

如图2所示，系统中的电磁阀等执行机构与主控制器和副控制器的输出直接相连，为了避免某个控制器的输出信号倒灌到另一控制器的输出管脚，在2个控制器的输出线路中增加二极管。而模拟量输入信号分为电压型和电流型信号，电流型信号由于直接与2个控制器内部的检测电阻形成并联回路，故采集到模拟量信号为实际信号的1/2，这就需要先将电流型传感器信号转换为电压型，然后再被2套控制器采集，剩下的数字量输入和脉冲输入就可以直接与2个控制器的输入针脚相并联，不用采取其他任何措施。

图2

3.双机冗余电控系统软件

系统软件分为主控程序和监控程序。主控程序用来控制旋挖钻机的各种动作，采集系统的各个参数，保证钻机在不同工况下实现不同的功能。监控程序的主要任务是保证程序的正常运行，包括系统初始化、系统自检、双机通讯、主副切换等。双机冗余电控系统软件工作流程见图3。

图3