晏 岱

(福建工程學(xué)院， 福州 350118)

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遙控駕駛壓路機(jī)遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

晏 岱

(福建工程學(xué)院， 福州 350118)

傳統(tǒng)振動(dòng)壓路機(jī)存在操作人員工作環(huán)境惡劣、作業(yè)品質(zhì)不高等問題。對(duì)此，以XG6021D串聯(lián)式振動(dòng)壓路機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行由機(jī)械式操作到遙控駕駛的改造，旨在提高其作業(yè)性能。從壓路機(jī)的遙控改造的功能需求入手，設(shè)計(jì)遙控系統(tǒng)并確定其控制方式、采集顯示的數(shù)據(jù)及控制內(nèi)容；利用Delphi開發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程遙控界面及通訊功能，采用無線數(shù)傳作為通信媒介，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓路機(jī)基本操作的遠(yuǎn)程控制及工作參數(shù)的采集，最后通過上機(jī)調(diào)試實(shí)現(xiàn)了各控制功能。

振動(dòng)壓路機(jī)；遙控駕駛；控制系統(tǒng)

振動(dòng)壓路機(jī)作為工程機(jī)械的重要組成部分，在市政建設(shè)、交通水利中均扮演著不可或缺的角色[1-2]。隨著新技術(shù)革命與高新技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品向自動(dòng)化、智能化、無人化與機(jī)器人化的方向發(fā)展[3-4]。壓實(shí)機(jī)械作為傳統(tǒng)的工程機(jī)械，應(yīng)用廣泛且往往處于較為惡劣的作業(yè)環(huán)境，因此應(yīng)盡可能實(shí)現(xiàn)智能化與無人化的作業(yè)模式[4-5]。

振動(dòng)壓路機(jī)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，其智能化技術(shù)已經(jīng)越來越成熟[6]。振動(dòng)壓路機(jī)的遙控駕駛方面，國(guó)內(nèi)外通過不同的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)壓路機(jī)的操作控制，大多數(shù)為直接研究無人駕駛或遙控駕駛壓路機(jī)的設(shè)計(jì)，對(duì)傳統(tǒng)振動(dòng)壓路機(jī)的遙控式改造尚未見報(bào)道。然而，無人駕駛壓路機(jī)成本較高，運(yùn)用局限性較高，而且全部傳統(tǒng)壓路機(jī)向無人駕駛壓路機(jī)轉(zhuǎn)變也會(huì)對(duì)資源造成極大的浪費(fèi)。本文在現(xiàn)有的XG6021D串聯(lián)式振動(dòng)壓路機(jī)基礎(chǔ)上實(shí)施遙控式改造，實(shí)現(xiàn)遙控駕駛。

1 遙控系統(tǒng)的需求分析

基于XG6021D串聯(lián)式振動(dòng)壓路機(jī)的駕駛室進(jìn)行遙控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并根據(jù)壓路機(jī)遙控系統(tǒng)的功能要求和操作界面要求，對(duì)遙控系統(tǒng)進(jìn)行需求分析。

1.1 遙控系統(tǒng)的功能要求

針對(duì)壓路機(jī)的基本操作進(jìn)行遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使其可以實(shí)現(xiàn)用戶遠(yuǎn)程控制壓路機(jī)的基本動(dòng)作，完成壓實(shí)作業(yè)。遙控系統(tǒng)要求遠(yuǎn)程遙控的距離可以達(dá)到200 m，操作系統(tǒng)要有一定的穩(wěn)定性，可控制壓路機(jī)的前進(jìn)與后退動(dòng)作，調(diào)節(jié)壓路機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，控制壓路機(jī)的轉(zhuǎn)向以及手動(dòng)和遙控的切換功能。同時(shí)，需要開發(fā)遠(yuǎn)程遙控的界面，采集壓路機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，方便操作人員進(jìn)行操作調(diào)整。

根據(jù)上述要求，確定需要從壓路機(jī)采集的信號(hào)主要包括轉(zhuǎn)向角度、油門上限位、油門下限位、行走上限位、停止位、行走下限位等。遠(yuǎn)程遙控的信號(hào)包括壓路機(jī)前進(jìn)/后退動(dòng)作、壓路機(jī)左轉(zhuǎn)/右轉(zhuǎn)動(dòng)作、壓路機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整動(dòng)作、手動(dòng)/遙控切換動(dòng)作。

1.2 遙控系統(tǒng)的界面要求

操作系統(tǒng)的界面使操作人員可以直觀地了解壓路機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，便于控制操作動(dòng)作。系統(tǒng)界面要求可以顯示壓路機(jī)的轉(zhuǎn)向角度，控制壓路機(jī)前后動(dòng)作的極限位置的信號(hào)、控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的極限以及壓路機(jī)停止位置的信號(hào)。同時(shí)，可以清晰、直觀地顯示需讀取的信號(hào)，且界面運(yùn)行穩(wěn)定，界面可以由PC端作為顯示平臺(tái)。

根據(jù)上述要求，確定在遙控界面需要顯示的信息包括：指示燈1-油門推桿下限位、指示燈2-油門推桿上限位、指示燈3-行走推桿下限位、指示燈4-行走推桿中位、指示燈5-行走推桿上限位、轉(zhuǎn)向角度表、手動(dòng)/遙控切換信號(hào)。

1.3 遙控系統(tǒng)運(yùn)行流程分析

本設(shè)計(jì)是針對(duì)壓路機(jī)基本操作控制的遙控設(shè)計(jì)，包括壓路機(jī)的前進(jìn)與后退動(dòng)作、運(yùn)動(dòng)速度控制和轉(zhuǎn)向控制。對(duì)壓路機(jī)動(dòng)作的控制均是通過PC端發(fā)送指令至PLC，再通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)用戶需求。由行走推桿與雙向變量泵之間的軟軸改變泵的斜盤角度來控制壓路機(jī)的前后運(yùn)動(dòng)；由油門推桿與油門之間的軟軸驅(qū)動(dòng)油門增減來實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制；由轉(zhuǎn)向閥來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向油缸的位置實(shí)現(xiàn)對(duì)壓路機(jī)方向的控制。具體的控制流程如圖1所示。

圖1 遙控系統(tǒng)運(yùn)行流程

2 遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

遙控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括總體設(shè)計(jì)、硬件設(shè)備的選型、線路的設(shè)計(jì)和布局。通過建立PC端與PLC端的數(shù)據(jù)通訊，開發(fā)遠(yuǎn)程遙控界面和編程控制程序。

2.1 遙控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)遙控駕駛壓路機(jī)的遠(yuǎn)程遙控功能，需要選擇作為信息通信的傳輸設(shè)備用于搭建遠(yuǎn)程遙控端與壓路機(jī)的PLC端的信息交互。除此之外，還需構(gòu)建遠(yuǎn)程遙控平臺(tái)作為控制中心，控制壓路機(jī)動(dòng)作，而控制平臺(tái)需要建立遙控界面用于采集壓路機(jī)工作信號(hào)以便操作人員及時(shí)了解壓路機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。本設(shè)計(jì)選擇PC端作為控制端，選用可視化程序開發(fā)工具作為程序開發(fā)環(huán)境，然后基于該開發(fā)環(huán)境編寫相關(guān)通信與控制程序，實(shí)現(xiàn)控制平臺(tái)與壓路機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，同時(shí)控制平臺(tái)可以通過鍵盤按鍵遠(yuǎn)程遙控壓路機(jī)的基本動(dòng)作。遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體思路如圖2所示。

圖2 遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體思路

2.2 遙控系統(tǒng)的硬件設(shè)備選型

為實(shí)現(xiàn)PC端與PLC端的無線數(shù)據(jù)通訊，需要添加可以雙向傳輸數(shù)據(jù)的媒介。根據(jù)數(shù)據(jù)通訊的需求，無線傳輸媒介所需達(dá)到的工作性能如下：① 可通訊的距離在200 m以上；② 具有一定的抗干擾能力和數(shù)據(jù)傳輸能力；③ 支持RS-485接口；④ 支持9600 Bit/s 的接口速率。

綜合考慮其性能要求，采用深圳市凌承芯電子公司生產(chǎn)的C50XB 無線數(shù)傳模塊，包括1個(gè)無線串口模塊(連接PC端)，1個(gè)無線串口接頭(連接PLC端)，2個(gè)TX01型SMA天線(分別連接無線串口模塊與無線串口接頭)。

無線數(shù)傳模塊基本參數(shù)包括：頻率，413～453 MHz可選；工作電壓，4.5～6.5 V；接口類型，RS-485接頭；傳輸距離，視距為3 000 m；傳輸速率，1.2～115.2 kbit/s。

2.3 遙控系統(tǒng)硬件設(shè)備的布局

無線串口接頭的RS-485接口通過6PIN排線與PLC端連接。無線串口的TXD、RXD端分別與PLC端的A、B相連接，VCC、GND端與5 V電源的正負(fù)極連接，天線接口連接TX01型天線。無線串口接頭安裝在控制柜中，TX01型天線通過底部的吸盤固定在壓路機(jī)駕駛室上方，使收發(fā)信號(hào)盡可能不受干擾。無線串口模塊通過USB轉(zhuǎn)接頭與PC端連接，天線接口與TX01型天線連接。具體連接如圖3所示。

圖3 無線串口接頭線路

3 遙控系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述遙控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路，對(duì)遙控系統(tǒng)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，選用程序開發(fā)工具，確定通信方案。再分別對(duì)遙控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信模塊、遠(yuǎn)程界面模塊、動(dòng)作控制信號(hào)發(fā)送模塊以及顯示模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)功能要求。

3.1 程序開發(fā)工具的選用

針對(duì)遙控駕駛壓路機(jī)的遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為了實(shí)現(xiàn)遙控功能，需選擇一款程序開發(fā)軟件來實(shí)現(xiàn)通信與動(dòng)作控制。Delphi作為面向?qū)ο蟮目梢暬绦蜷_發(fā)工具，提供了大量的VCL組件，在使用過程中，程序員可以下載所需組件，然后直接調(diào)用，根據(jù)自己的要求作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，從而減少程序員對(duì)組件的編輯，大大提高了程序員的開發(fā)效率。本文選用Delphi 7作為程序開發(fā)環(huán)境來開發(fā)遙控駕駛壓路機(jī)的遙控系統(tǒng)。

3.2 基于Delphi的通信方案

3.2.1 基于PLC的串口通訊方案

基于PLC的串口通訊方案分為PC端采集PLC端的數(shù)據(jù)以及PC端發(fā)送控制數(shù)據(jù)。

1) PC端采集PLC端發(fā)送信號(hào)通過設(shè)置固定的傳送幀格式，讀取PLC端所設(shè)定的讀取存儲(chǔ)器的位置來實(shí)現(xiàn)。通過PLC的RS指令實(shí)現(xiàn)串行通信，采集以D99為起始位置的6個(gè)寄存器(12個(gè)字節(jié))內(nèi)存儲(chǔ)的內(nèi)容，即D99、D100、D101、D102、D103和D104中的數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 采集數(shù)據(jù)幀格式

2) PC端發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)到PLC端是通過設(shè)置固定的發(fā)送數(shù)據(jù)幀格式，將所需數(shù)據(jù)發(fā)送到D51、D52、D53和D54中實(shí)現(xiàn)，如表2所示。

3.2.2 Delphi通訊控件的選擇

串口通信采用TurboPower公司為Delphi可視化程序開發(fā)軟件提供的通信程序開發(fā)工具Apdcomport串口組件，應(yīng)用程序使用Apdcomport串口組件控制串口，所有端口的訪問均可以調(diào)用TApdcomport中事件觸發(fā)的方法，通過編寫響應(yīng)串行事件的代碼進(jìn)行端口與端口之間的通信[7]。

表2 發(fā)送數(shù)據(jù)幀格式

3.3 遙控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信模塊

3.3.1 ApdComPort 控件的基本屬性

在實(shí)現(xiàn)遙控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信之前需根據(jù)實(shí)際要求設(shè)置ApdComPort 控件的基本屬性。在窗口的初始化事件中，選擇端口號(hào)，設(shè)置串口通信參數(shù)并打開串口。

3.3.2 數(shù)據(jù)采集

利用GetChar方法讀取所接收字符中的第一個(gè)字符，然后轉(zhuǎn)化為整型，再由inttohex使整型轉(zhuǎn)化為16進(jìn)制，最后將值輸出到顯示區(qū)域。當(dāng)數(shù)據(jù)接收完畢，插入1個(gè)空格用于區(qū)分兩串不同的數(shù)據(jù)。具體的現(xiàn)場(chǎng)采集信號(hào)如表3。

表3 現(xiàn)場(chǎng)采集信號(hào)

3.3.3 數(shù)據(jù)發(fā)送

PC端發(fā)送數(shù)據(jù)至PLC端通過傳輸固定的幀格式，同PC端采集數(shù)據(jù)類似，也要設(shè)置幀頭、幀尾。利用ApdComPort 控件的PutBlock方法將數(shù)據(jù)發(fā)送PLC端，再通過PLC端的RS指令將接收的數(shù)值按照一定的順序存儲(chǔ)在指定位置的寄存器中。由于PLC端接收的數(shù)據(jù)格式無法識(shí)別字符串，所以通過定義函數(shù)GetSendStr，將所要發(fā)送的數(shù)據(jù)由字符串轉(zhuǎn)化為整型，然后輸出。

3.4 遙控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程界面模塊

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，PC端的遠(yuǎn)程遙控界面需顯示壓路機(jī)轉(zhuǎn)向的角度表、控制壓路機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的步進(jìn)推桿1的上下限位開關(guān)信號(hào)，以及控制壓路機(jī)前進(jìn)和后退的步進(jìn)推桿2的上下限位開關(guān)信號(hào)和中位信號(hào)?？傮w效果如圖4所示。

圖4 遙控界面效果圖

3.5 遙控系統(tǒng)的動(dòng)作控制信號(hào)發(fā)送模塊

根據(jù)本設(shè)計(jì)要求，確定遙控系統(tǒng)所要控制的信號(hào)，具體控制信號(hào)見表4。

3.6 遙控系統(tǒng)的顯示模塊

根據(jù)研究要求，需在PC端顯示的內(nèi)容包括步進(jìn)推桿1的上下限位開關(guān)信號(hào)、步進(jìn)推桿2的上下限位開關(guān)信號(hào)和中位開關(guān)信號(hào)，以及轉(zhuǎn)向的角度信號(hào)，具體界面顯示如圖4所示。

由上述現(xiàn)場(chǎng)采集信號(hào)的數(shù)據(jù)幀格式為固定，所采集的信號(hào)為十六進(jìn)制格式，信號(hào)的顯示不能直接由十六進(jìn)制數(shù)值寫入，故需對(duì)采集的數(shù)值進(jìn)行處理。

表4 遙控系統(tǒng)控制信號(hào)

1) 限位信號(hào)通過采集幀中對(duì)應(yīng)位置的數(shù)值，定義一個(gè)可以將十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù)的函數(shù)HexToBin，將數(shù)值轉(zhuǎn)換后再一一讀出，觸發(fā)指示燈，如圖5所示。

圖5 限位信號(hào)指示燈

2) 轉(zhuǎn)向角度信號(hào)也通過取得數(shù)據(jù)幀中對(duì)應(yīng)位置的數(shù)值，將數(shù)值讀取再整合，最后把處理后的數(shù)值以轉(zhuǎn)向角度表的形式顯示在界面上，具體角度表如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)向角度表

5 結(jié)束語

本文基于Delphi開發(fā)平臺(tái)，對(duì)XG6021D串聯(lián)式振動(dòng)壓路機(jī)進(jìn)行遙控改造，完成PC端遠(yuǎn)程遙控界面，實(shí)現(xiàn)PC端與PLC端的數(shù)據(jù)通信。通過對(duì)壓路機(jī)基本動(dòng)作的遠(yuǎn)程遙控，包括壓路機(jī)的前進(jìn)與后退動(dòng)作、轉(zhuǎn)向、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)以及手動(dòng)操作與遙控操作的自由切換，完成遙控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓路機(jī)的遠(yuǎn)程遙控，為傳統(tǒng)壓路機(jī)的遙控駕駛式改造的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供理論依據(jù)。

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(責(zé)任編輯 楊黎麗)

Design of Remote Control System for Remote Driving Roller

YAN Dai

(Fujian University of Technology, Fuzhou 350118, China)

Traditional vibratory roller has the problems of poor working environment and low working quality. In this paper, XG6021D tandem vibratory roller, as the research object, was transformed from mechanical operation to remote control, which aims to improve its performance. Starting from functional requirements of remote control of road roller, this study designed the remote control system, and identified the control mode, the method of data collection and the control contents. Based on the Delphi development platform, it also designed the remote control interface and communication, and realized the remote control of basic operation of road roller and collection of the working parameters by means of wireless data transmission as a communication medium. Finally, it realized the control function through debugging.

vibratory roller; remote control; control system

2016-11-18

福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2015J01181,2016J01203)；福建省經(jīng)信委2015年省級(jí)企業(yè)技術(shù)改造專項(xiàng)

晏岱(1964—),男,福建寧化人,高級(jí)工程師,主要從事液壓傳動(dòng)、自動(dòng)控制技術(shù)研究，E-mail:619131935@qq.com。

晏岱.遙控駕駛壓路機(jī)遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2017(4):106-110.

format：YAN Dai.Design of Remote Control System for Remote Driving Roller[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(4):106-110.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.04.017

TP273

A

1674-8425(2017)04-0106-05