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        基于CoDeSys的2100型銑刨機(jī)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2013-07-03 08:59:30唐紅雨冷志剛袁國(guó)宇方香彬
        制造業(yè)自動(dòng)化 2013年10期
        關(guān)鍵詞:銑刨機(jī)手柄馬達(dá)

        唐紅雨,冷志剛,袁國(guó)宇,方香彬

        (1. 鎮(zhèn)江高等??茖W(xué)校,鎮(zhèn)江 212003;2. 江蘇華通動(dòng)力重工有限公司,鎮(zhèn)江 212003)

        0 引言

        目前,我國(guó)高等級(jí)公路處于蓬勃發(fā)展期,建設(shè)規(guī)模逐漸擴(kuò)大,隨著這些道路服務(wù)年限和車(chē)流量的增加,其路面狀況逐年下降,需要及時(shí)對(duì)路面進(jìn)行科學(xué)養(yǎng)護(hù)。隨著公路養(yǎng)護(hù)工作量的增加,養(yǎng)護(hù)的質(zhì)量和效率也要求要求越來(lái)越高。銑刨機(jī)作為一種路面養(yǎng)護(hù)專用設(shè)備,其性能影響著路面的養(yǎng)護(hù),在科學(xué)化養(yǎng)護(hù)中有著不可替代的作用。目前,國(guó)內(nèi)每年的需求量大約在300多臺(tái),主要還是被WIRTGEN銑刨機(jī)占有,雖然目前國(guó)內(nèi)的三一、中聯(lián)、徐工、西筑、江蘇華通等廠家研制出大型銑刨機(jī)產(chǎn)品,但是由于技術(shù)和工藝的限制,和國(guó)外同類產(chǎn)品相比還有差距。而銑刨機(jī)的電控系統(tǒng)是整機(jī)的核心,對(duì)其性能有直接的影響,主要由于控制系統(tǒng)國(guó)內(nèi)還沒(méi)有可靠穩(wěn)定的專用控制器,限制了產(chǎn)品的發(fā)展。而小型銑刨機(jī)多數(shù)仍采用傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)、繼電器的控制方式,雖然控制技術(shù)成熟,但是技術(shù)含量不高,利潤(rùn)低,限制了銑刨機(jī)功能的擴(kuò)展。至于大型的銑刨機(jī),采用傳統(tǒng)的控制方式實(shí)現(xiàn)難度大,可靠型和穩(wěn)定性差。數(shù)字控制系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單,精度高,廠家已開(kāi)始嘗試采用數(shù)字控制器實(shí)現(xiàn)功能[1],因而其電控系統(tǒng)已成為相關(guān)技術(shù)人員研究的重點(diǎn)。

        1 銑刨機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        1.1 銑刨機(jī)工作原理

        銑刨機(jī)在工作之前,首先利用找平系統(tǒng)進(jìn)行銑刨基準(zhǔn)的確定,通過(guò)調(diào)整升降支腿的伸縮,確定銑刨深度,進(jìn)行銑刨工作時(shí),銑刨鼓上面的刀具旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)對(duì)路面材料產(chǎn)生切削作用。行進(jìn)時(shí),帶動(dòng)側(cè)滑版和浮動(dòng)刮板,同時(shí)呈“人”字型螺旋排列的刀座將碎料輸送到銑刨鼓中間位置,在相對(duì)密閉的銑刨腔內(nèi),由安裝在銑刨鼓上的拋料板將碎料從出料口拋擲皮帶輸送機(jī)上,送至廢料運(yùn)輸車(chē),從而實(shí)現(xiàn)銑刨機(jī)碎料的回收作業(yè)。銑刨機(jī)是機(jī)電液一體化專用設(shè)備,通過(guò)控制液壓馬達(dá)、液壓泵、液壓閥、油缸、輔助系統(tǒng)等部件實(shí)現(xiàn)銑刨機(jī)的整體功能。

        1.2 銑刨機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        2100型銑刨機(jī)采用前輪驅(qū)動(dòng)、后輪支承行走履帶式。前橋?yàn)檗D(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋,兩后輪為帶升降支腿獨(dú)立支承隨動(dòng)輪。車(chē)架為整體鋼板型式,車(chē)架的上部布置有發(fā)動(dòng)機(jī)及散熱系統(tǒng)、動(dòng)力傳動(dòng)裝置、液壓傳動(dòng)系統(tǒng)、液壓油箱、燃油箱、灑水箱及操縱臺(tái)等。工作裝置位于車(chē)架的尾部?jī)珊筝喼行木€上,工作裝置為整體式獨(dú)立懸掛結(jié)構(gòu),極大地方便了裝配和維修。廢料回收機(jī)構(gòu)采用后置輸送機(jī)懸掛在機(jī)器尾部,配有自動(dòng)找平裝置[2]。整機(jī)還配有可折疊、可拆卸的遮陽(yáng)頂棚。2100型銑刨機(jī)的行走系統(tǒng)、工作裝置、機(jī)器的升降、銑深調(diào)節(jié)、輸料裝置位置調(diào)節(jié)等的操縱為電氣控制。

        2100型銑刨機(jī)控制系統(tǒng)有三部分組成:1)發(fā)動(dòng)機(jī)的電氣控制;2)機(jī)械功能控制,包括行走控制系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)、支腿控制系統(tǒng)、散熱控制系統(tǒng)、找平控制系統(tǒng)、銑刨深度控制系統(tǒng)、出料及輸送料工作裝置、尾門(mén)控制;3)輔助控制系統(tǒng),包括工作燈控制、報(bào)警燈、喇叭和水泵控制。在設(shè)計(jì)銑刨機(jī)控制系統(tǒng)時(shí),以智能化、網(wǎng)絡(luò)化為基本原則,考慮系統(tǒng)的操作性、維修性及功能擴(kuò)展等方面,控制器選用派芬公司的TTC60行駛機(jī)械專用控制器[3],其主要性能參數(shù)有:該控制器有16路模擬量輸入,其中有8路10位模擬電壓輸入,范圍在0-32V之間;有4路電流檢測(cè)輸入/ 開(kāi)關(guān)量輸出,可由軟件設(shè)置為PWM輸出電流檢測(cè)輸入或開(kāi)關(guān)量輸出(NPN) ;有4路脈沖輸入/ 開(kāi)關(guān)量輸入/ 模擬量輸入,軟件設(shè)置為脈沖輸入(PNP或NPN)、開(kāi)關(guān)量輸入(PNP或NPN)或電壓輸入(10Bit);有8路PWM輸出/ 開(kāi)關(guān)量輸出/ 開(kāi)關(guān)量輸入/ 脈沖輸入,軟件設(shè)置為PWM輸出、開(kāi)關(guān)量輸出(PNP)、開(kāi)關(guān)量輸入(NPN)或脈沖輸入(NPN) ;有8路開(kāi)關(guān)量輸出/ 模擬量輸入,軟件設(shè)置為開(kāi)關(guān)量輸出(PNP)或電壓輸入(10Bit)。在系統(tǒng)控制中行走控制、發(fā)動(dòng)機(jī)控制、自動(dòng)找平控制模塊等動(dòng)作模塊均采用了CANBUS總線。

        由于TTC60控制器針腳有28針和52針兩種,單個(gè)TTC60的針腳不夠系統(tǒng)的輸入輸出,本系統(tǒng)采用3個(gè)TTC60控制器共同組成銑刨機(jī)的控制器。電控系統(tǒng)的引腳分配表如表一所示,電控系統(tǒng)的輸入主要是標(biāo)準(zhǔn)模擬量和開(kāi)關(guān)量,輸出主要是開(kāi)關(guān)量和PWM信號(hào)。

        表1 輸入輸出引腳分配表

        圖1 銑刨機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

        控制中,采集模塊對(duì)溫度、壓力、轉(zhuǎn)速等各類參數(shù)進(jìn)行采集,通過(guò)變送模塊輸入到控制器,同時(shí)接受來(lái)自于人機(jī)界面的信息和手柄信號(hào),產(chǎn)生控制信號(hào)送到對(duì)應(yīng)模塊的比例電磁閥,使模塊的油缸和機(jī)構(gòu)動(dòng)作。銑刨鼓及銑刨深度控制模塊主要完成本銑刨鼓離合器、銑刨速度、傳送帶張緊、銑刨深度等控制。出料、輸料控制模塊主要完成將銑刨腔內(nèi)的碎料拋擲推料器,再將推料器中的碎料拋擲輸送帶,送至廢料運(yùn)輸車(chē)。散熱系統(tǒng)主要完成大功率發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱和冷卻。人界界面顯示模塊主要實(shí)現(xiàn)機(jī)器的操作、參數(shù)標(biāo)定和設(shè)定,數(shù)據(jù)輸入,整體狀態(tài)監(jiān)測(cè)與報(bào)警等。銑刨機(jī)行走控制模塊包括行走速度調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)向控制模塊采用前后輪單獨(dú)轉(zhuǎn)向控制方式,通過(guò)操作前后輪手柄實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能。在手柄操作時(shí),可根據(jù)需要進(jìn)行蟹行轉(zhuǎn)向模式、全輪轉(zhuǎn)向模式、后輪回中模式轉(zhuǎn)向。發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊控制發(fā)動(dòng)機(jī)的啟停以及故障情況下的實(shí)時(shí)保護(hù),實(shí)時(shí)監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、水溫、油壓、油耗等參數(shù),散熱系統(tǒng)采用大功率風(fēng)扇來(lái)冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水、液壓油、發(fā)動(dòng)機(jī)增壓后的空氣三種介質(zhì)溫度,實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)控,降低能耗[4]。2100型銑刨機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)采用康明斯SQX15-C600-T2冷增壓電控發(fā)動(dòng)機(jī),功率為447KW,額定工作轉(zhuǎn)速2100r/min,發(fā)動(dòng)機(jī)為整機(jī)提供動(dòng)力系統(tǒng),動(dòng)力輸出通過(guò)分動(dòng)箱的五個(gè)動(dòng)力輸出端口,再經(jīng)過(guò)液壓系統(tǒng)將動(dòng)力分別傳遞給行走系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、輸料系統(tǒng)、灑散熱系統(tǒng)。

        圖2 行走系統(tǒng)控制圖

        2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

        在銑刨機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),需要對(duì)各個(gè)功能模塊進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì),每一個(gè)模塊涉及到的部件包括電磁閥、變量泵、分流閥、馬達(dá)系統(tǒng)、減壓閥、測(cè)速傳感器以及信號(hào)輸入手柄和開(kāi)關(guān)。下面以銑刨機(jī)的行走系統(tǒng)為例[5],作一詳細(xì)的介紹。銑刨機(jī)的行走通過(guò)液壓馬達(dá)減速器驅(qū)動(dòng)四個(gè)獨(dú)立的履帶實(shí)現(xiàn),具有銑刨和行走兩個(gè)速度,可以實(shí)現(xiàn)制動(dòng),可根據(jù)需要選擇高速和低速檔。履帶架上四根獨(dú)立的支腿通過(guò)油缸與車(chē)架相連,以實(shí)現(xiàn)正交升降來(lái)滿足行走需要和調(diào)整銑刨深度,兩前支腿和兩后支腿分別由橫拉桿鉸接相連,通過(guò)油缸實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng),行走、升降與轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)達(dá)到左右同步轉(zhuǎn)向要求。

        圖3 控制器(2)引腳分配

        2100型銑刨機(jī)的銑刨機(jī)行走系統(tǒng)主要是對(duì)銑刨機(jī)的行走速度和方向作業(yè)控制,通過(guò)左右兩個(gè)操作臺(tái)實(shí)現(xiàn),可以在0-Vmxa范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速。我們可以在整機(jī)啟動(dòng)時(shí)通過(guò)手柄或輸入信號(hào)確定行走的方向、路線,通過(guò)操作行走手柄離開(kāi)中位的角度及時(shí)間,確定行走速度。銑刨機(jī)的速度控制通過(guò)比例量實(shí)現(xiàn),當(dāng)行走開(kāi)始前,需要通過(guò)電磁閥解除制動(dòng)狀態(tài)。開(kāi)關(guān)打開(kāi)后,通過(guò)手柄輸入和手柄電位計(jì)的控制可以控制輸出PWM信號(hào),根據(jù)脈寬的大小控制比例電磁閥、變量泵、分流閥的電流大小,同時(shí),先導(dǎo)比例減壓閥工作,從而控制行走馬達(dá)系統(tǒng)的電流,使履帶按照設(shè)定的要求行走。變量泵和馬達(dá)系統(tǒng)的配合可以有效地?zé)o級(jí)調(diào)速,當(dāng)銑刨機(jī)處于工作狀態(tài)時(shí),可以通過(guò)電磁閥控制分流,使四個(gè)履帶獲得相同功率,實(shí)現(xiàn)同步控制。當(dāng)行走開(kāi)關(guān)打開(kāi)后,推動(dòng)控制手柄機(jī)器開(kāi)始加速,當(dāng)速度達(dá)到合適的速度后,放松手柄,手柄自動(dòng)回中位,機(jī)器以選定的速度行駛。根據(jù)手柄輸入角度不同,機(jī)器的加速度也不一樣,手柄輸入角度越大,加速度越大,達(dá)到最大速度所用的時(shí)間越短。

        控制器具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能,可以保存當(dāng)前的行走速度,并可根據(jù)需要調(diào)出該速度,使銑刨機(jī)自動(dòng)回到該行走速度。

        如圖3所示,銑刨機(jī)控制器的引腳分配情況,該機(jī)有左右兩個(gè)操作臺(tái),分為左右行走手柄和使能控制,高速、精分、載荷、發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和熄火控制。粗精分,是指行走分流閥分配的粗和精,粗分用在行走時(shí),精分用在銑刨過(guò)程中。載荷就是我們的功率自分配,防止發(fā)動(dòng)機(jī)悶車(chē),控制系統(tǒng)能根據(jù)需要自動(dòng)調(diào)節(jié),轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)出發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速并脈沖計(jì)數(shù),通過(guò)CANBUS總線送入到發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊,該模塊會(huì)通過(guò)功率分配功能自動(dòng)調(diào)節(jié),功率主要分成三部分銑刨功率、牽引功率和輔助功率。高速是我們行走馬達(dá)的高低檔切換。程序下載由引腳CAN_H(279)和CAN_L(273)實(shí)現(xiàn)。

        3 軟件設(shè)計(jì)

        3.1 控制流程

        在行走速度調(diào)節(jié)過(guò)程中,通常分為四種情況,即前進(jìn)加減速、后退加減速[5]。行走開(kāi)始前,首先判斷是否有急停信號(hào)和尾門(mén)限位信號(hào),如果有信號(hào)則直接停止動(dòng)作。設(shè)定β為行駛手柄推離中位的角度,前進(jìn)時(shí)β為正,后退時(shí)β為負(fù),△β為手柄偏離誤差,通常為正值常數(shù)。當(dāng)銑刨機(jī)正向行駛,對(duì)于加速調(diào)節(jié),通過(guò)控制器的PWM信號(hào)控制比例電磁閥輸出,逐漸增加狀態(tài)泵的排量,實(shí)現(xiàn)增量控制,當(dāng)泵的排量達(dá)到最大值時(shí),再通過(guò)電磁分流閥調(diào)節(jié)馬達(dá)的排量;對(duì)于減速調(diào)節(jié)則正好相反,先調(diào)節(jié)馬達(dá)的排量,當(dāng)馬達(dá)的排量達(dá)到最大值時(shí),再調(diào)節(jié)泵的排量。銑刨機(jī)反向行駛過(guò)程中速度的調(diào)節(jié)和正向行駛時(shí)一樣。在增量算法實(shí)現(xiàn)時(shí),可以設(shè)定采樣時(shí)間,并與加速度乘積得到增量大小。當(dāng)需要停車(chē)制動(dòng)時(shí),只需減小狀態(tài)泵排量至最小就行。

        圖4 行走前進(jìn)控制流程圖

        3.2 CoDeSys簡(jiǎn)介

        圖5 codesys系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)界面

        CoDeSys(Controlled Developement System)是可編程邏輯控制器PLC 的完整開(kāi)發(fā)環(huán)境,在PLC 程序員編程時(shí),CoDeSys為強(qiáng)大的IEC語(yǔ)言提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的方法,系統(tǒng)的編輯器和調(diào)試器的功能是建立在高級(jí)編程語(yǔ)言的基礎(chǔ)上。CoDeSys是符合IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的編程工具,可以為一臺(tái)先進(jìn)的高性能可編程控制器(PLC),另外用eSys不需要其它的組態(tài)軟件就可以輕松實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)可視化[6]。

        如圖5所示,行走控制系統(tǒng)中控制發(fā)動(dòng)機(jī)工作的PWM信號(hào)算法實(shí)現(xiàn),由兩路信號(hào)E1_PWM_Walk_F和E1_PWM_Walk_B控制發(fā)動(dòng)機(jī),CANO_E1_PWM_Walk_F_XS 和CANO_E1_PWM_Walk_B_XS總線實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)信號(hào)檢測(cè)與控制。

        4 行走系統(tǒng)試驗(yàn)

        本試驗(yàn)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 25643-2010)《道路施工與養(yǎng)護(hù)機(jī)械設(shè)備 路面銑刨機(jī)》中的要求,對(duì)銑刨機(jī)行走系統(tǒng)中的行駛速度和直線行駛性能進(jìn)行試驗(yàn),得到以下數(shù)據(jù)。試驗(yàn)時(shí),在標(biāo)準(zhǔn)瀝青路面,晴天,氣溫為20℃,風(fēng)速為2.0m/s。

        表2 行駛速度測(cè)試記錄表

        表3 直線行駛性能試驗(yàn)記錄表

        試驗(yàn)結(jié)果分析,可以得到該2100型銑刨機(jī)的行走系統(tǒng)性能能夠符合設(shè)計(jì)的要求,達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中高速檔的速度為5±0.25km/h,低速檔為1.5±0.075 km/h;直線行駛50m,跑偏距離≤1m的要求性能。

        5 結(jié)論

        本文以江蘇華通公司的2.1米銑刨機(jī)為研究對(duì)象,分析了該機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)組成。文中設(shè)計(jì)基于CANBUS總線的控制系統(tǒng)的架構(gòu),采用軟PLC技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制算法,并以行走系統(tǒng)控制為例,重點(diǎn)設(shè)計(jì)該模塊的軟硬件組成,并經(jīng)過(guò)整機(jī)出廠前試驗(yàn),其測(cè)試結(jié)果符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),具有較好的市場(chǎng)價(jià)值,目前該銑刨機(jī)已經(jīng)投產(chǎn),前景廣闊。

        [1] 王新,張旻.基于軟PLC的銑刨機(jī)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].養(yǎng)護(hù)機(jī)械與施工技術(shù)2009(9):50-54.

        [2] 姚懷新.行走機(jī)械液壓傳動(dòng)與控制[M].北京:人民交通出版社.2002.

        [3] TTC_50_Series_User_Manual_v1.0.

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        [6] 謝明,張吉?jiǎng)?等.基于CoDeSys的鐵水車(chē)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2012.8(4):61-63.

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