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拐臂皮带机关键电气控制技术

文档作者：关贤武文档来源：中国葛洲坝集团股份有限公司勘测设计院		点击数：	更新时间： 2025年12月30日
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上一篇：滚弄水电站岩体变形特性试验研究

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２０１６ 年第８ 期
２０１６ Ｎｕｍｂｅｒ ８
水电与新能源
ＨＹＤＲＯＰＯＷＥＲ ＡＮＤ ＮＥＷ ＥＮＥＲＧＹ
总第１４６ 期
Ｔｏｔａｌ Ｎｏ．１４６
ＤＯＩ： １０．１３６２２ ／ｊ．ｃｎｋｉ．ｃｎ４２ －１８００／ｔｖ．１６７１ －３３５４．２０１６．０８．００５
收稿日期：２０１６ －０７ －０５ 作者简介：关贤武，男，高级工程师，研究方向：电气自动化。
拐臂皮带机关键电气控制技术
关贤武
（中国葛洲坝集团股份有限公司勘测设计院，湖北武汉 ４３０２２３）
摘要：介绍了用于地下厂房混凝土施工的拐臂皮带机的关键电气控制技术，包括多任务实时控制、多数字传感器通讯、
开关式ＰＩＤ 控制技术、无线通讯等，现场应用表明，系统总体稳定可靠，控制指标合理。
关键词：实时控制；数字传感器；开关式ＰＩＤ；无线通讯
中图分类号：ＴＰ２７３ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１６７１ －３３５４（２０１６）０８ －００１８ －０４
Key Electrical Control Techniques of the Crank Arm Belt Conveyor
ＧＵＡＮ Ｘｉａｎｗｕ
（Ｃｈｉｎａ Ｇｅｚｈｏｕｂａ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ．， Ｌｔｄ．， Ｓｕｒｖｅｙ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ， Ｗｕｈａｎ ４３０２２３， Ｃｈｉｎａ）
Abstract： Ｔｈｅ ｋｅｙ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｒａｎｋ ａｒｍ ｂｅｌｔ ｃｏｎｖｅｙｏｒ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｕｎｄｅｒ －
ｇｒｏｕｎｄ ｐｏｗｅｒｈｏｕｓｅｓ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ， ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ ｍｕｌｔｉ－ｔａｓｋ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ， ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｍｕｌｔｉ ｄｉｇｉｔａｌ
ｓｅｎｓｏｒｓ， ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ， ａｎｄ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ．Ｐｒａｃｔｉｃａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ
ｏｐｅｒａｔｅｓ ｓｔａｂｌｙ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｌｙ．
Key words： ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｃｏｎｔｒｏｌ； ｄｉｇｉｔａｌ ｓｅｎｓｏｒ； ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ＰＩＤ； ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ
溪洛渡电站地下厂房是同时期国内外最大的地下
厂房，工程难度系数高，影响范围广。葛洲坝集团承担
了该电站左岸地下厂房的施工。为克服桥机挂吊罐、
泵机、溜槽等传统混凝土输送手段效率低下、覆盖范围
小、工程相互干扰多等不利因素，葛洲坝集团研制了一
种拐臂皮带机。该机具有自动化程度高、输送混凝土
能力强、覆盖范围广、操作简便等优点，是地下厂房大
体积混凝土浇筑的一种理想施工手段。
图１ 是系统的结构组成图，主要包括混凝土受料
斗、母线洞供料皮带机、拐臂皮带机、悬挂牵引卷扬系
统、桥机、电控系统等。电控系统是整个拐臂皮带机的
大脑，多项关键电气控制技术的应用，成为项目顺利实
施的重要保证。
１ 拐臂皮带机关键电气控制技术
拐臂皮带机电气控制部分包括主操作台（主控制
箱）、桥机操作室内控制箱（辅助控制箱）、料斗现地控
图1 拐臂皮带机系统组成示意图
制箱、卷扬机电控柜、各皮带驱动电机、液压泵站电机、
卷扬机电机、拐臂皮带机倾角传感器和中心回转连接
盘倾角传感器、极限位限位开关、超声位移传感器、料
筒称重报警等。电气控制系统需要实现包括各皮带顺
序起动停止在内的多项功能，部分功能的实现还须要
采用一些特殊的技术措施［１］ 。
１８
关贤武：拐臂皮带机关键电气控制技术２０１６ 年８ 月
1．1 多任务实时控制
根据拐臂皮带机总体设计方案，电气部分须完成
以下各项功能。
１）三条主皮带的起停控制（拐臂皮带机内外皮带
和母线洞皮带）。
２）中心回转盘的自动调平控制。
３）料斗斗门开闭控制。
４）卷扬机控制。
５）末端料筒堵料、拐臂皮带机上下限超限及皮带
机与岩壁距离越线报警处理。
６）主操作台与桥机室内控制箱的无线通讯。
从上面要完成的功能看，电气系统需实现的功能
很多，而且具有实时控制的特点。在技术路线选择阶
段，经综合考虑传统继电控制、ＰＬＣ、单片机、工控机等
平台的稳定可靠性、价格因素、二次开发的技术难度和
时间周期后，最终选定了ＰＬＣ 硬件平台，并综合考虑
输入输出点数、通讯功能、模拟量信号等，选取了带２
个ＲＳ４８５ 通讯口的西门子Ｓ７ －２００ 系列的２２６ 为控制
核心，另外再增加１ 个模拟量输出模块、１ 个数字量输
入模块和１ 个模拟量输入模块。增加的模拟量输出模
块用于连接２ 块数字显示表，主要用来显示中心回转
连接盘倾角值以及拐臂皮带机的内外皮带倾角值。模
拟量输入用于超声位移传感器的输入。对桥机室内的
报警，选用了１ 台Ｓ７ －２００ 系列的ＣＰＵ２２２ 做为控制
核心。桥机室ＣＰＵ２２２ 与主控台的ＣＰＵ２２６ 通过无线
通讯传递拐臂皮带机的上下倾角值信号、极限限位开
关状态、拐臂皮带机与岩壁的距离等信号。
对所要实现的主皮带起动停止控制、料斗斗门控
制、卷扬机控制相对简单，ＰＬＣ 只需通过数字输入模块
接受启动、停止按钮、电机过流热继电器辅助开关信
号，内部经过一定的互锁逻辑后再从数字量输出模块
输出相应的信号，即能达到目的。较难处理的是通讯
处理以及中心回转连接盘的控制。
为满足实时性要求，ＰＬＣ 软件编程设计时，对通讯
及ＰＩＤ 运算采用中断处理技术，其他控制任务则采取
循环扫描方式。详细软件流程图及代码从略。
1．2 基于开关式ＰＩＤ 控制方式的液压调平控制
拐臂皮带机的中心回转连接盘必须始终保持水
平，否则，拐臂皮带机垂直方向的工作范围将受影响。
为此，电气控制采用了参考文献［２］《基于开关式ＰＩＤ
控制器的液压调平系统电气控制设计》所述的控制方
案。主控制器ＣＰＵ２２６ 以通讯方式读取中心回转连接
盘的水平倾角值，与“０”进行比较，再按开关式ＰＩＤ 控
制方式输出ＰＷＭ（脉宽调制波），控制电磁液压换向
阀导通和截止，进而通过调节油缸的动作驱动中心回
转连接盘趋于水平。系统结构见图２ 和图３。
详细设计见参考文献［１］《基于开关式ＰＩＤ 控制
器的液压调平系统电气控制设计》，见图４。
1．3 基于ＰＬＣ 串口通讯的多数字传感器数据采集
拐臂皮带机需要采集的模拟量有６ 个，包括内皮
带倾角值、外皮带倾角值、和中心回转连接盘水平倾角
值，另外就是超声距离传感器，其中的倾角传感器可以
数字输出。为减少连线，节省模拟输入模块，系统选用
了３ 只数字输出倾角传感器，ＰＬＣ 按通讯方式直接读
取这些倾角传感器的值。详细设计见参考文献［３］
《基于ＰＬＣ 串口通讯的多数字传感器数据采集系统研
究》。
从参考文献［３］给出的附图来看，系统的硬件连
线非常简单，仅须通过４ 芯屏蔽电缆以总线方式将数
字倾角传感器引入主控制台内ＰＬＣ，其中两芯作为数
据线与可编程控制器的通讯口相连，另两根作为传感
器的电源线。ＰＬＣ 通过ＲＳ４８５ 串口接收来自３ 个数字
传感器的信号，不仅避免了模拟传感器信号容易被干
扰的问题，而且可以节省大量的屏蔽电缆线。
软件方面，ＰＬＣ 与传感器按主从方式进行通讯，
ＰＬＣ 对３ 个传感器进行轮询，传感器按数据请求命令
进行应答。ＰＬＣ 工作在自由口通讯模式下，数据传输
速率、数据位、奇偶校验方式、停止位与传感器保持一
致，均设为９６００，８，n，１，即波特率为９６００，数据位为８，
无奇偶校验，１ 位停止位。数据收发格式如下：
１）发送数据。同步字符（２ 字节） ＋数据长度（１
字节） ＋设备地址（１ 字节） ＋命令（２ 字节） ＋偶校验
（１ 字节） ＋奇校验（１ 字节）（共８ 字节）。
２）接收数据。同步字符（２ 字节） ＋数据长度（１
字节） ＋设备地址（１ 字节） ＋命令（２ 字节） ＋（ＤＡＴＡ
［０］⋯ ＋ＤＡＴＡ［ ］）（２ 字节或８ 字节） ＋偶校验（１ 字
节） ＋奇校验（１ 字节）。
经过适当编程设计，成功建立起ＰＬＣ 与传感器间
稳定可靠的通讯，通信速度也在实时控制所允许的时
滞范围内。
1．4 无线通讯
本拐臂皮带机的回转、卸料皮带上升和下降由桥
１９
水电与新能源２０１６ 年第８ 期
机进行操作。为便于桥机操作人员及时了解卸料皮带
与水平面的夹角，及中间皮带是否可能与岩浆壁相碰
撞，系统在桥机操作室设一控制箱，包括１ 台Ｓ７ －２００
（ＣＰＵ２２２）、１ 块数显表和１ 台数传电台，通过无线通
信方式，接受来自Ｓ７ －２００（２２６）的卸料皮带倾角值与
极限位报警信号，并作出相应处理，避免发生事故［４］ 。
图2 电气控制系统组成结构示意图
图3 液压调平系统结构图图4 开关式PID 控制系统结构框图
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关贤武：拐臂皮带机关键电气控制技术２０１６ 年８ 月
ＣＰＵ２２２ 与ＣＰＵ２２６ 各接１ 台ＭＤＳ２７１６ 数传电
台，电台的参数设为９６００，８，n，１。ＣＰＵ２２２ 和ＣＰＵ２２６
工作在自由口通讯模式，两ＣＰＵ 按主从方式通讯，
ＣＰＵ２２６ 为通讯发起方，每３０ ｍｓ 定时向ＣＰＵ２２２ 发送
拐臂皮带机倾角值、极限限位开关状态。ＣＰＵ２２２ 为
从属方，其平时处于等待信息接收状态，收到信息后，
给主ＣＰＵ 发反馈信号。
两ＣＰＵ 之间的数据接口协议与前述倾角传感器
与ＣＰＵ２２６ 的数据协议相同。
1．5 报警监视控制
包括末端料筒堵料报警、拐臂皮带机上下倾角极
限位报警和拐臂皮带机与岩壁距离超限报警，由主控
ＰＬＣ———ＣＰＵ２２６ 集中进行处理，其中拐臂皮带机上下
倾角极限位报警同时送ＣＰＵ２２２ 进行处理，具体处理
过程如下。
１）末端料筒堵料报警。料筒配两只２ ｔ 的称重传
感器和１ 块称重仪表，仪表可直观地显示料筒当前重
量，并在到达预设的重量值时发出报警信号，ＣＰＵ２２６
接收到一级超重报警信号时，进行声光报警，提醒操作
人员注意。接到二级超重报警信号时，在进行声光报
警的同时，立即停止所有皮带机运行。
２）拐臂皮带机上下倾角极限位报警。如１．３ 节
所述，ＣＰＵ２２６ 的ＰＬＣ 以通讯方式读取拐臂皮带机的
内皮带与外皮带的倾角值，同时ＣＰＵ２２６ 还直接通过
数字输入端口接受拐臂皮带机的内皮带与外皮带的上
下限极限开关位置信号。如果内、外皮带倾角传感器
的值达到规定的报警限值，或者极限限位开关动作，则
进行声光报警，同时停止卷扬机，阻止相应皮带继续向
超限方向进行运动。如果外皮带倾角传感器的值达到
规定的报警限值，或者极限限位开关动作，则除进行声
光报警外，还通过１．４ 节所述无线通讯通知桥机上的
ＣＰＵ２２２，该ＣＰＵ 输出声光报警，提示桥机操作人员采
取对应措施。
３）拐臂皮带机与岩壁距离超限报警。ＣＰＵ２２６ 通
过模拟量输入口读取拐臂皮带机与岩壁的距离，同时
转发给桥机上的ＣＰＵ２２２。当拐臂皮带机与岩壁的距
离达到规定的限制值时，ＣＰＵ２２６ 驱动声光报警，提示
主控台操作人员注意。与此同时，ＣＰＵ２２２ 输出声光
报警信号，提示桥机操作人员，采取相应措施。
1．6 红外视频监视
为实时监视料斗斗门开闭情况，系统设置了视频
监视系统，主要由１ 台摄像机、１ 台监视器及１ 台云镜
控制器组成。针对地下厂房阴暗、潮湿的环境，特别选
用了红外防水摄像机，可以２４ ｈ 全天候工作。监视器
选用７”液晶屏，嵌入主操作台，监视器及云镜控制器
安装于主操作台一端。通过云镜控制器调节摄像机的
焦距和放大倍数，在主操作台能方便地监视料斗斗门
开闭情况。
２ 结 语
应用本电气控制系统的拐臂皮带机于２０１０ 年７
月－２０１０ 年１２ 月在溪洛渡电站左岸地下厂房进行生
产性应用试验，随后转入正式生产，直到左岸地下主厂
房混凝土工程结束。试验结果表明，拐臂皮带机电气
控制部分总体稳定、可靠，各项控制指标合理。在成果
验收总结阶段，拐臂皮带机“覆盖范围大、输送效率
高、适用多种级配的混凝土、与其他施工项目干扰小”
等突出优点给鉴定专家组成员留下了深刻的印象，以
工程院院士为组长的鉴定小组给出的鉴定结论是：项
目总体水平属国内领先，其中的地下厂房常态混凝土
输送技术处于世界领先地位。
参考文献：
［１］周厚贵， 石义刚， 关贤武， 等．液力驱动连接盘自动水平
调节装置和驱动方法： 中国， ２０１０１０１３６５３１．５［Ｐ］．２０１２ －
０４ －２５
［２］关贤武．基于开关式ＰＩＤ 控制器的液压调平系统电气控制
设计［Ｊ］．电工技术， ２０１４， ４７（８）： ４６ －４７
［３］关贤武．基于ＰＬＣ 串口通讯的多数字传感器数据采集系统
研究［Ｊ］．四川水力发电， ２０１３， ３２（２）： ５８ －６０
［４］ 关贤武．拐臂布料皮带机电气控制装置： 中国，
２０１０２０１４５７０３．０［Ｐ］．２０１０ －１０ －２７
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