CN219570073U - 一种基于plc的钻机工况监测与油温自调整装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于PLC的钻机工况监测与油温自调整装置，其包括PLC控制器，与PLC控制器通信连接的编码器、双轴倾角传感器、转速传感器、温度传感器，装置还包括液压油温度自调整单元，液压油温度自调整单元与PLC控制器电连接；液压油温度自调整单元包括设置于液压油箱本体上的对液压油进行加热的加热子单元以及对液压油进行降温的冷却子单元。本实用新型可以实现对液压油温度、钻头转速、钻杆倾角、钻杆钻入深度等方面工况参数，相较于现有技术对钻杆工作深度单方面监测，监测更全面，保障钻机运作安全性，提高可靠性。

Description

一种基于PLC的钻机工况监测与油温自调整装置

技术领域

本实用新型属于钻机技术领域，涉及钻机工况监控及油温调整，具体涉及一种基于PLC的钻机工况监测与油温自调整装置。

背景技术

旋挖钻机作为目前常见工程机械设备，在各类工程中得到广泛应用。当旋挖钻机工作时，需要液压油处于一定合适温度，当液压油温度过高(＞80℃)时，液压油的粘度降低，容易导致泄漏、光滑油膜强度降低、加速设备磨损、生成碳化物和淤碴、油液氧化加速、油质恶化、油封、高压胶管过早老化等；当液压油温度过低(＜30℃)时，还容易导致油的粘度大、流动性较差、阻力大、工作效率低等。

同时，旋挖钻机钻孔受地质、地形、环境条件等影响，可能使得所成孔与竖直方向产生角度偏差，由于成孔深度可达数十米，角度微小偏差可能会很大程度影响成孔质量，而仅凭技术人员直接观测经验来调整钻杆位置，不准确性高且效率低下。而且，不同项目对成孔深度要求不一，需根据实际工程要求进行深度调整，但实际工作中，钻机地下实际钻孔深度难以直接获得。

此外，钻头在地下工作时，技术人员难以直接观测得到地下工作情况，当遇到钻机最大输出扭矩大于实际扭矩等不良工作情况可能会造成钻机损坏，影响钻机使用寿命。

专利申请号为CN202110724908.7公开了一种旋挖钻机钻杆工作状态监控预警保护模拟可视***，采用主卷扬深度传感器、动力头位置传感器、动力头重量传感器与显示控制一体机相连并连接至电源，通过各传感器接收工况数据传输至一体机内进行监测。然而由于只考虑了对钻杆的监控保护，对于其他参数如工作温度、钻头转速、倾角等其他工况参数没有进行监测，工况监测不够全面。且在面对异常情况时***仅制动处理，无法实现对异常情况的自动调整与解决，需人工进行干预与调整，耗费人力，智能程度低。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对目前现有技术存在的不足，提供一种基于PLC的钻机工况监测与油温自调整装置，针对钻机液压油温度、实际工作转速、钻头倾角、钻孔深度等进行实时监测，同时可实现油温自调整，使液压油处于工作温度范围内。

为了达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案来实现。

本实用新型提供的基于PLC的钻机工况监测与油温自调整装置，其包括PLC控制器，与PLC控制器通信连接的编码器、双轴倾角传感器、转速传感器、温度传感器，所述编码器安装于主卷扬上，所述双轴倾角传感器安装于桅杆上，所述转速传感器安装于动力头支架上，所述温度传感器安装于液压油箱内壁；所述装置还包括液压油温度自调整单元，液压油温度自调整单元与PLC控制器电连接；所述液压油温度自调整单元包括设置于液压油箱本体上的对液压油进行加热的加热子单元以及对液压油进行降温的冷却子单元，所述加热子单元和冷却子单元均与PLC控制器电连接。

上述基于PLC的钻机工况监测与油温自调整装置，所述编码器置于编码器支座内，与主卷扬卷筒轴通过联轴器进行连接。编码器通过串口连接PLC控制器和电源。通过编码器测量卷筒的转角，进而得到钻杆下行深度。

上述基于PLC的钻机工况监测与油温自调整装置，所述双轴倾角传感器对X轴(左右倾斜)、Y轴(前后倾斜)两轴进行监测，安装于桅杆侧面且两轴方向均与钻杆长度方向垂直，通过测量重力加速度在其安装位置上分量大小可分别得到两轴相对于水平面的倾角。

上述基于PLC的钻机工况监测与油温自调整装置，所述钻杆与转速传感器对应位置设置有感应片，通过转速传感器对感应片的感应测量钻头的实时工作转速。

上述基于PLC的钻机工况监测与油温自调整装置，所述温度传感器设置于液压油箱内壁，用于实时检测液压油的温度。

上述基于PLC的钻机工况监测与油温自调整装置，所述加热子单元为电阻式加热棒，电阻式加热棒固定于液压油箱本体侧面，且加热端伸入液压油箱内。所述冷却子单元包括固定于液压油箱顶部的风冷式散热器；液压油箱与风冷式散热器之间设置有与两者连通的第一油管和第二油管；第一油管包括通过管道连通的油泵和电磁阀。当温度传感器检测的液压油温度低于设定阈值范围的下限值时，PLC控制器控制电阻式加热棒加热；当温度传感器检测的液压油温度高于设定阈值范围的上限值时，PLC控制器启动风冷式散热器，同时开启油泵和电磁阀，温度过高的液压油在油泵作用下，通过第一油管进入风冷式散热器，经风冷式散热器冷却后的液压油经第二油管返回液压油箱。

上述基于PLC的钻机工况监测与油温自调整装置，还包括为PLC控制器、编码器、双轴倾角传感器、转速传感器、温度传感器、液压油温度自调整单元等供电的电源。

上述基于PLC的钻机工况监测与油温自调整装置，PLC控制器设置于钻机驾驶室内，PLC控制器与上位机连接，将从编码器、温度传感器、双轴倾角传感器和转速传感器接收的数据发送给上位机，由与上位机连接的显示屏进行显示。上位机同时将接收的数据与预设的阈值进行对比，当超出阈值时，上位机控制与上位机连接的报警器发出警报。上位机还可以与LED灯连接，当超出阈值时，上位机控制LED灯闪烁。上位机还存储超出阈值的异常数据和异常数据产生时间，同时通过PLC控制器，控制与PLC控制器连接的动力头的驱动电机关机，使钻机停止工作。

本实用新型提供的基于PLC的钻机工况监测与油温自调整装置具有以下有益效果：

(1)可以实现对液压油温度、钻头转速、钻杆倾角、钻杆钻入深度等方面工况参数，相较于现有技术对钻杆工作深度单方面监测，监测更全面，保障钻机运作安全性，提高可靠性。

(2)当液压油温度不属于合理工作范围时，装置可通过设置的冷却子单元、加热子单元将温度自动调节至合理范围，无需人工干预，有效避免不良工况发生，保障设备使用安全性，延长设备使用寿命。

(3)当遇到不良工况时，装置上位机可以自动存储异常数据和异常数据产生时间，有利于后续检修人员针对性地进行问题排查与检修，大大缩短设备检查时间。

附图说明

图1为基于PLC的钻机工况监测与油温自调整装置在钻机上的安装示意图。

图2为基于PLC的钻机工况监测与油温自调整装置原理框图。

图3为编码器安放示意图。

图4为双轴倾角传感器安放示意图。

图5为转速传感器安放示意图。

图6为设置液压油温度自调整单元的液压油箱示意图。

图7为设置液压油温度自调整单元的液压油箱另一视角的示意图。

图中，01-车体，02-主卷扬，021-主卷扬支座，022-主卷扬卷筒轴，03-桅杆，04-钻杆，05-动力头支架，06-钻头，07-驾驶室，08-液压油箱，081-供油出口，082-回油入口，083-加油口，1-编码器，2-双轴倾角传感器，3-转速传感器，31-感应片，4-温度传感器，5-加热子单元，6-冷却子单元，601-风冷式散热器，602-油泵，603-电磁阀，604-冷却油入口，605-冷却油出口。

具体实施方式

结合附图对本实用新型各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本实用新型。

实施例1

本实施例所针对的旋挖钻机主体结构如图1所示，其包括车体01，车体上安装有主卷扬02，车体前部固定安装有桅杆03，主卷扬的绳索经滑轮后与钻杆04一端连接，钻杆另一端安装有动力头以及位于动力头下方的钻头06。钻杆04与桅杆03平行设置。车体上还设置有驾驶室07和液压油箱08。

本实用新型提供的基于PLC的钻机工况监测与油温自调整装置，如图2所示，其包括PLC控制器，与PLC控制器通信连接的编码器1、双轴倾角传感器2、转速传感器3、温度传感器4以及与PLC控制器电连接的液压油温度自调整单元，还包括为PLC控制器、编码器、双轴倾角传感器、转速传感器、温度传感器、液压油温度自调整单元供电的电源。此外，旋挖钻机动力头驱动电机也与PLC控制器电连接。PLC控制器安装于驾驶室07内，并与上位机连接，上位机还连接有显示屏、报警器和LED灯。PLC控制器与编码器1、双轴倾角传感器2、转速传感器3、温度传感器4之间可以通过常规无线传输模块(例如WiFi模块、蓝牙等)进行通信连接。

如图3所示，本实施例中编码器1为增量式编码器。编码器1本体置于主卷扬支座021内，与主卷扬卷筒轴022通过联轴器连接。编码器通过串口连接PLC控制器、电源。编码器工作原理为：编码器置于卷扬上，编码器码盘与卷扬轴相连，码盘上设有一定数量的圆周分布的光通道，编码器内光源透过码盘向接收器上照射，每当轴旋转一定角度时，光会透过通道射向接收器，接收器得到信号并产生脉冲信号。故编码器输出通道按主卷扬卷筒轴的转速以一定的频率发出脉冲信号，通过统计脉冲的个数并确定码盘的分辨率，即可测出主卷扬卷筒轴的转角，进而可以得到钻杆下行深度。编码器将采集的数据发送给PLC控制器。

如图4所示，双轴倾角传感器2安装至桅杆03侧面，其双轴倾角传感器2两轴方向均与钻杆长度方向垂直。以左右倾斜为X轴，以前后倾斜为Y轴，通过测量重力加速度在其安装位置上分量大小可分别得到两轴相对于水平面的倾角。双轴倾角传感器2将采集的数据发送给PLC控制器。

如图5所示，转速传感器3置于动力头支架05上，在钻杆04上与转速传感器3对应的位置设置两个感应片31，两个感应片对称设置于钻杆上。转速传感器3可以为激光测速传感器。转速传感器3对两个感应片感应后相当于钻杆转过半圈，因此，通过转速传感器测量感应次数，可以计算得到动力头工作转速数据。转速传感器3将采集的数据发送给PLC控制器。

如图6所示，温度传感器4置于液压油箱08侧壁，方向朝向油箱内部。温度传感器用于对液压油箱内的油温进行实时监测，并将采集的数据传输至PLC控制器。

如图6、图7所示，液压油温度自调整单元包括加热子单元5和冷却子单元6。加热子单元5为电阻式加热棒，电阻式加热棒固定于液压油箱本体侧面，且加热端伸入液压油箱内。冷却子单元6包括风冷式散热器601，液压油箱08与风冷式散热器之间设置有与两者连通的第一油管和第二油管；第一油管包括通过管道连通的油泵602和电磁阀603；第一油管进油口与液压油箱上设置的供油出口081连接，第一油管出油口与风冷式散热器上的冷却油入口604连接；第二油管进油口与风冷式散热器上的冷却油出口605连接，第二油管出油口通过管道与液压油箱上设置的回油入口082连接。此外，液压油箱上还设置有加油口083。油泵、电磁阀和风冷式散热器均与PLC控制器连接。

当温度传感器检测的液压油温度低于设定阈值范围的下限值时，PLC控制器控制电阻式加热棒加热；当温度传感器检测的液压油温度高于设定阈值范围的上限值时，PLC控制器启动风冷式散热器，同时开启油泵和电磁阀，温度过高的液压油在油泵作用下，通过第一油管进入风冷式散热器，风冷散热器通过热交换降低液压油油温，冷却后的液压油由冷却油出口经第二油管返回液压油箱。

上述基于PLC的钻机工况监测与油温自调整装置主要具有以下功能：

(一)显示与报警

PLC控制器设置于钻机驾驶室内，PLC控制器与上位机连接，将从编码器、温度传感器、双轴倾角传感器和转速传感器接收的数据发送给上位机，由与上位机连接的显示屏进行显示。上位机同时将接收的数据与预设的阈值(包括钻杆倾角阈值，钻头工作转速阈值，液压油温阈值等)进行对比，当超出阈值时，上位机控制与上位机连接的报警器发出警报。上位机还可以与LED灯连接，当超出阈值时，上位机控制LED灯闪烁。上位机还存储超出阈值的异常数据和异常数据产生时间，同时通过PLC控制器，控制与PLC控制器连接的动力头的驱动电机关机，使钻机停止工作。

阈值设置：

(1)钻杆倾角设置范围分为以下三类情况，当x轴、y轴倾斜角度均不大于0.4度时，为合理范围；当x轴、y轴至少一方向上倾斜角度大于0.4度且两轴倾角均不大于4度时，为注意范围；当x轴、y轴至少一方向上倾斜角度大于4度时，为危险范围。

(2)钻头最大转速范围应根据不同钻机设备理论工作转速，由技术人员手动输入，阈值由理论工作转速减去300得到。

(3)液压油合理工作温度范围为30℃至80℃，液压油最佳工作温度范围为40℃至55℃。当液压油温度超出[30℃,80℃]的范围时，可以按照液压油温度自控制来实现自调节。

钻杆深入钻孔深度不设报警阈值，仅显示实时深度，供技术人员进行施工参考。

(二)液压油温度自控制

液压油合理工作温度范围为30℃至80℃，液压油最佳工作温度范围为40℃至55℃，另考虑到加热棒断电后仍存留大量余热，故本实施例设置加热棒自动断电阈值温度略低于液压油最佳工作温度范围，设置加热棒自动断电温度为35℃。即当温度传感器检测到液压油温度大于35℃，PLC控制器控制加热棒断电。

当温度传感器检测到液压油温度小于30℃时，PLC控制器控制加热棒通电，从而实现液压油加热；并通过温度传感器实时检测液压油温度，当液压油温度大于35℃时，由PLC控制器控制加热棒断电，电阻式加热棒不再持续得电发热，由加热棒断电后剩余热量进一步提高液压油温度。

当温度传感器检测到液压油温度大于80℃时，PLC控制器控制风冷式散热器通电，同时启动油泵、打开电磁阀，通过空气热量交换实现液压油降温；并通过温度传感器实时检测液压油温度，当液压油温度小于55℃时，由PLC控制器控制风冷式散热器、油泵和电磁阀断电。从而使液压油温度工作在最佳工作范围。

(三)工况数据存储

***工况数据采集存储包括传感器采集存储、手动采集存储和异常数据自动存储。记录数据通过掉电可保持类型存储卡进行保存，避免***因断电造成数据丢失，同时便于数据的迁移与查询。

当需要记录特定环境中特定工作情况参数时，可通过手动采集这些数据(例如当钻机需要连续长时间工作时，可由工作人员在设备每工作一定时间时手动记录该时刻液压油温度等工况参数，以检查设备连续长时间工作下工作状况是否良好)，并手动录入至上位机，将相应数据进行记录存储。

为方便技术人员后续技术人员进行数据查看，每组数据名称按照“日期+时间”进行命名。当存储数据达到可存储数量上限后，继续进行数据记录存储时，最新一组数据将自动覆盖日期最早一组数据，以保证数据完整性与时效性。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本实用新型的原理，应被理解为本实用新型的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本实用新型公开的这些技术启示做出各种不脱离本实用新型实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于PLC的钻机工况监测与油温自调整装置，其特征在于，包括PLC控制器，与PLC控制器通信连接的编码器、双轴倾角传感器、转速传感器、温度传感器，所述编码器安装于主卷扬上，所述双轴倾角传感器安装于桅杆上，所述转速传感器安装于动力头支架上，所述温度传感器安装于液压油箱内壁；所述装置还包括液压油温度自调整单元，液压油温度自调整单元与PLC 控制器电连接；所述液压油温度自调增单元包括设置于液压油箱本体上的对液压油进行加热的加热子单元以及对液压油进行降温的冷却子单元，所述加热子单元和冷却子单元均与PLC控制器电连接。

2.根据权利要求1所述的基于PLC的钻机工况监测与油温自调整装置，其特征在于，所述编码器置于编码器支座内，与主卷扬卷筒轴通过联轴器连接。

3.根据权利要求1所述的基于PLC的钻机工况监测与油温自调整装置，其特征在于，所述双轴倾角传感器安装于桅杆侧面且两轴方向与钻杆长度方向垂直。

4.根据权利要求3所述的基于PLC的钻机工况监测与油温自调整装置，其特征在于，所述钻杆与转速传感器对应位置设置有感应片。

5.根据权利要求1所述的基于PLC的钻机工况监测与油温自调整装置，其特征在于，所述加热子单元为电阻式加热棒，电阻式加热棒固定于液压油箱本体侧面，且加热端伸入液压油箱内。

6.根据权利要求1所述的基于PLC的钻机工况监测与油温自调整装置，其特征在于，所述冷却子单元包括固定于液压油箱顶部的风冷式散热器；液压油箱与风冷式散热器之间设置有与两者连通的第一油管和第二油管；第一油管包括通过管道连通的油泵和电磁阀，第一油管进油口与液压油箱上设置的供油出口连接，第一油管出油口与风冷式散热器上的冷却油入口连接；第二油管进油口与风冷式散热器上的冷却油出口连接，第二油管出油口通过管道与液压油箱上设置的回油入口连接。

7.根据权利要求1所述的基于PLC的钻机工况监测与油温自调整装置，其特征在于，还包括为PLC控制器、编码器、双轴倾角传感器、转速传感器、温度传感器、液压油温度自调整单元供电的电源。

8.根据权利要求1所述的基于PLC的钻机工况监测与油温自调整装置，其特征在于，PLC控制器设置于钻机驾驶室内，PLC控制器与上位机连接，将从编码器、温度传感器、双轴倾角传感器和转速传感器接收的数据发送给上位机，由与上位机连接的显示屏进行显示。

9.根据权利要求8所述的基于PLC的钻机工况监测与油温自调整装置，其特征在于，上位机与报警器连接。

10.根据权利要求9所述的基于PLC的钻机工况监测与油温自调整装置，其特征在于，上位机还与LED灯连接。