王卿权
徐州徐工基础工程机械有限公司 221000
摘要：水平定向钻机是20世纪80年代在发达国家兴起并形成的一种新产品．作为非开挖施工技术中最具活力的一项技术，在世界范围内已成为一种在障碍物下铺设管线的高效、可靠的方法。国外水平定向钻机的生产厂家主要有Vermeer、Dichwitch、Case以及奥格等。国内一些厂家也已经推出了自己的水平定向钻机产品，虽然价格较低，但在可靠性、整机性能、自动化程度、节能措施、作业效率等方面都还存在着缺陷。随着技术的发展，如何在施工过程中提高作业质量和工作效率，减少设备故障，就显得越来越重要[2]。
关键词：水平定向钻机;电气系统;故障排查;相关设计
引言
水平定向钻机是在不开挖地表面的条件下,铺设多种地下公用设施(管道、电缆等)的一种施工机械,水平定向钻进技术将石油工业的定向钻进技术和传统的管线施工方法结合在一起,它具有施工速度快、精度高、成本低等优点,广泛应用于供水、煤气、电力、电讯、天然气等管线铺设工程中,一般适用于铺设管径300～1200mm的钢管、PE管,最大铺管长度可达1500m,适应于软土、硬岩多种地质条件,应用前景广阔。目前水平定向钻机正朝着大型化和微型化、适应硬岩作业、自备式锚固系统、钻杆自动堆放与提取、钻杆连接自动润滑、防触电系统、超深度导向监控等特征发展.
1.故障排查
该水平定向钻机动力头的推拉、钻杆旋转及钻机的前后行走等由电控系统控制，其原理如附图所示。动力头前部设有钻铤，钻铤连接钻杆，动力头通过钻铤带动钻杆旋转。动力头可在钻架上前、后滑动，动力头顶进或回拉带动钻杆顶进、回拉。动力头的顶进、回拉由推拉速度调节钮、推拉手柄控制，钻杆的旋转由旋转速度调节钮、旋转手柄控制。当需要动力头顶进或回拉时，用推拉速度调节钮设定好推拉速度后，操纵推拉手柄，动力头即可顶进或回拉。当需要钻杆旋转时，用旋转速度调节钮设定好钻杆旋转速度后，操纵旋转手柄，动力头即可通过钻铤带动钻杆旋转。
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图1 XZ4200水平定向钻机电器控制系统
左、右行走手柄控制钻机左、右履带的前进与后退。为了适应复杂地下钻进工况，该水平定向钻机设置多种动力头推拉运行速度及钻杆左、右旋转速度。根据水平定向钻机动力头推拉及钻杆旋转的控制原理分析，由于控制器控制的PWM信号（脉宽调整信号）均无动作，初步怀疑控制器端口损坏，更换新的控制器后，故障依旧。随即怀疑控制器255端输出的5V电源+及146端或连接停钻按钮的158端可能有问题，并逐步进行了以下排查。
（1）检测电源将万用电表红表笔与黑表笔分别接控制器255及146端，测得控制器输出的直流电压为5V，这说明推拉手柄、旋转手柄、推拉速度调节旋钮、旋转速度调节旋钮、左右履带行走手柄的供电电源正常。
（2）检测输入端将万用电表红表笔分别接控制器169、170、119、120、164、166端，将黑表笔接控制器146端，分别前、后推动推拉手柄、旋转手柄、左履带行走手柄、右履带行走手柄，顺时针转动推拉速度调节旋钮、旋转速度调节旋钮，均能测得直流电压为0～5V之间变化，这说明推拉手柄、旋转手柄、推拉速度调节旋钮、旋转速度调节旋钮、左履带行走手柄、右履带行走手柄输入到控制器的电压信号变化正常。
（3）检测停钻按钮将万用电表红表笔与黑表笔分别接控制器158及146端，测得悬空时直流电压为3V左右，连接停钻按钮时为0V，此时显示器显示的端子输入电压信号与用万用表测得的结果一致，这说明停钻按钮线路正常。
（4）检测PWM信号输出将万用电表红表笔分别接控制器154、178、149、173端，将黑表笔接地，分别前、后推动推拉手柄、旋转手柄，均无直流电压变化。将操作箱上的工作/行走转换开关打到行走位置，将红表笔分别接控制器151、175、152、176端，将黑表笔接地，前、后推动左行走手柄、右行走手柄，均无直流电压变化，通过显示器显示的上述端子输出的电流也为0。
（5）检测开关量信号输出将万用电表红表笔分别接控制器190、189、194、193、243、241端，将黑表笔接地，顺时针旋转推拉速度调节旋钮，动力头前推或回拉Ⅰ挡时，控制器190、189端有24V电压输出，此时动力头推拉马达电磁阀Y5及Y6有24V电压，动力头推拉马达电磁阀Y9也有24V电压；动力头前推或回拉Ⅱ挡时，控制器190、189、194、193端有24V电压输出，此时动力头推拉马达电磁阀Y5、Y6、Y7、Y8有电24V电压，动力头推拉马达电磁阀Y9仍有24V电压；动力头前推或回拉Ⅲ挡时，控制器190、189、194、193、241端有24V电压输出，此时动力头推拉马达电磁阀Y5、Y6、Y7、Y8、Y10有24V电压；而Y9仍有24V电压。
（6）确定故障点以上检测说明，控制器243端到动力头推拉马达电磁阀Y9之间的线路连有24V电压。经仔细检查后发现，动力头推拉马达电磁阀Y9的信号线与水平定向钻机压力传感器的24V电源线因挤压连在一起，造成控制器自行开启了端口保护功能，导致无信号输出。对以上线路修复后，所有PWM输出信号（脉宽调整信号）均正常。
2.控制系统软件设计
软件流程见图2。
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图2系统设计示例图
程序首先对各输入、输出口进行设定，接着采样各手柄及泥浆电位器信号,然后判断操作人员是否在座椅上。
(1)若不在，再去判断履带控制是否在遥控状态，若是，则转人行走子程序完成履带的直线行走、单边转向和差动转向3种工作方式计算和输出。
(2)若在，程序转入动力头控制、钻杆添加和拆卸程序。其中自动拆卸子程序完成单键控制的拆卸钻杆的辅助工作;自动添加子程序完成单键控制的添加钻杆的辅助工作;自动钻进子程序完成动力头按设定速度自动推进或回拉控制;手动控制子程序按照动力头操纵手柄、泥浆电位器的输入信号,控制动力头高速或低速的推进或回拉，以及各种动作间的顺序保护。
(3)把各子程序处理的结果送入PWM输出子程序，完成各电液比例阀的初始电流、最大电流的调整及驱动。程序最后一步故障诊断子程序完成对输入、输出硬件故障的诊断并储存故障代码。
3.优点及效果
由于选用的PLC为工程车辆专用可编程逻辑控制器PLC模块，防护等级达IP67,同时有较高的温度适用范围及抗振动条件,完全适合工程机械行业应用，克服以往现场总线类PLC的温度范围窄、防护等级低的缺陷。
由于系统采用PLC技术，整机性能有了很大的提高。与以往非开挖定向钻机控制技术相比，该机在保留了动力头推拉或旋转、泥浆流量的手动控制基础上，增加了动力头记忆推进或回拉控制，钻杆的自动添加、拆卸控制及故障诊断功能，从而提高了设备的工作效率，减少操作人员的劳动强度,并且对机器保养、维修提供了一些指导信息，方便故障排查。由于很多硬件设计工作都转化为软件设计工作，因此当产品性能提高和功能扩展时,有些情况下只须对软件进行修改即可，因此方便了产品的改造和升级。
结束语
水平定向钻机具有施工速度快,精度高、安全性好、综合费用低等优点,应用越来越广泛,有较好的经济和社会效益,堪称为绿色环保设备。而我国非开挖定向钻机技术相对落后,无法满足我国经济不断发展的需要,急需开展智能定位导向监控技术、钻进规划软件、多种施工工艺等核心技术的研究,推动我国水平定向钻非开挖产品和施工工艺的发展。
参考文献：
[1]张启君，张忠海冰平定向钻机技术现状与可行性研究的分析[J]．筑路机械与施工机械化，2004，21(1)：48—51．
[2]杨力夫，游善兰，魏瑞华．非开挖水平定向钻智能化控制系统[J]．工程机械，2004，35(2)：3—5．
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[4]常斗南.可编程序控制器[M].机械工业出版社，第2版，2002.
[5] Tan Haoqiang. C Programming [M]. Tsinghua University Publishing House, 1995.[4] Gu Bo et al. Additional Function and Application of ER81 Current Controller-Example [J]. Construction Machinery, 2001, (2).