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1.1.2 适用性要求
适用竖井直径为8.0~14.5m，最大井深45m，适用竖井结构为圆形，适用竖井建筑方法为混凝土浇筑法沉井，管片拼装法沉井，适用地质与水压为种植土、粘土层、淤泥层、砂或粉砂层、卵石层、卵砾石层、全风化与强风化等地层，及其复合地层，具有软硬不均、地下水丰富渗透水量大、松散且稳定性差的地层，岩石层抗压强度小于20MPa，最高水压4bar。适用施工工法为沉井法施工排水与不排水施工，并能按照沉井施工工艺过程、及其各项工况条件与环境下正常挖掘下沉的要求，其中包括：刃脚胎模的拆除、起始下沉挖掘、正常下沉挖掘、局部挖掘、清底挖掘、刃脚清理挖掘。
1.1.3 施工工艺
1. 竖井施工方法：不排水沉井与排水沉井法；
2. 出土方式：排水沉井采用挖斗或挖掘吊桶出土、不排水沉井水下铣挖破土渣浆泵水力排渣；
3. 挖掘方式：挖斗、铣挖机挖掘；
4. 沉井施工工艺简介：
沉井刃脚基础处理——刃脚胎模制作——沉井刃脚钢筋绑扎——沉井刃脚钢筋支模——沉井刃脚第一序浇筑（应大于6m，预埋固定钢板）——养护（混凝土强度70%）——安装井壁固定轨道——安装掘进机——井壁轨道锁紧——掘进机调试——掘进机轨迹参数设置（通过相关极限轨迹运动、自动设定或人工设定）——沉井刃脚胎模对称挖除（挖除部分刃脚胎模井筒即开始下沉）——挖斗对称挖掘出土（至地下水位以下2-3m）——换装铣挖机械——回灌水与地下水位一致——铣挖机械对称挖掘（渣浆泵通过加水冷却，直至渣浆泵全部进入水下）——掘进运动方式需要依据地形变化选择不同的掘进模式——同时依据井筒下沉与偏斜情况局部挖掘——或局部清理刃脚部位——井筒下沉到位后清理刃脚或采用对称回转或铣挖机械臂摆动——清理井底可采取摆动或回转完成——完成全部工作后机械臂收回至折叠状态——井壁轨道锁紧松开——掘进机吊装出井——水下混凝土浇筑——底板钢筋绑扎——竖井底板混凝土浇筑。
1.2 开发工具简介
本次毕业设计主要使用的PLC软件是STEP 7编程软件，这一软件是基于梯形图等逻辑编程语言，运行于PLC控制器上的底层控制软件。STEP 7具有以下功能：硬件配置和参数设置、通讯组态、编程、测试、启动和文护、文件建档、运行和诊断功能等。在STEP 7中，用项目来管理一个自动化系统的硬件和软件[1]。STEP 7用SIMATIC管理器对项目进行集中管理，它可以方便地浏览SIMATIC S7、M7、C7和WinAC的数据。实现STEP 7各种功能所需的SIMATIC软件工具都集成在STEP 7中[2]- [5]。
1.3 系统设计目标
1.3.1 总体设计
1）设计、建立挖掘机大臂、小臂和铣挖机头的三组件联动的运动模型，确定轨迹点对应的运动控制位置、角度和角速度等信息；
2）设计挖掘机系统运行时的各种运动约束条件和保护条件；
3）设计基于实时闭环反馈的液压油缸节流阀PID控制策略并整定控制参数。
1.3.2 PLC软件功能
此次毕业设计主要用step 7编程软件实现两方面功能，一方面包括大臂、小臂和铣挖机头的启停控制与运行保护、运行轨迹点、大小臂旋转角信息的采集等；另一方面要求监控挖掘机设备的运行（建立与上位机通信地址，方便上位机监控所需要数据），以总线或网络通信方式向主控计算机报告设备运行状态及故障报警信号，接受主控计算机的管理和控制命令等。总的来说，是根据系统的工作模式和工作流程要求，利用PLC控制器的逻辑调度以及闭环PID控制，实现竖井挖掘机的五种典型挖掘模式的过程控制，包括手动控制和全自动操作。并使操作人员能够根据实际工况设置挖掘模式和工作参数，实时观察系统工作状态相关的各种信息，以及系统运行轨迹的记录、回放和分析[6]- [9]。
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