佘江雪，趙立宏，王湘江，鄧搴

(南華大學(xué) a. 電氣工程學(xué)院; b. 機(jī)械工程學(xué)院 ，湖南 衡陽 421001)

0 引言

挖掘機(jī)作業(yè)范圍廣泛，是一種重要的工程機(jī)械設(shè)備，但是在一些復(fù)雜危險場合中，如核輻射環(huán)境中，工作人員的安全無法得到保障，因此對挖掘機(jī)實(shí)現(xiàn)無線遙控是最佳選項(xiàng)之一。國外對挖掘機(jī)的遙控研究較早，并取得了大量成果，目前國外一些研究所把重點(diǎn)放在基于穿戴式設(shè)備的挖掘機(jī)器人上[1]。我國對機(jī)器人技術(shù)在工程機(jī)械性能和質(zhì)量提升的重要性認(rèn)識較晚，受此影響國內(nèi)對工程機(jī)械無線遙控研究與應(yīng)用較國外落后。例如，浙江大學(xué)研制的遙控采掘機(jī)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控、智能操作、節(jié)能控制、工況監(jiān)測和故障診斷等多種功能。但是受限于成本，并未推廣[2]。中南大學(xué)和山河智能聯(lián)合研制的電控挖掘機(jī)可實(shí)現(xiàn)100 m的良好控制效果[3]。吉林大學(xué)機(jī)械學(xué)院以WY1.5挖掘機(jī)為基礎(chǔ)，研制了具有近距離有線遙控和自動控制功能的挖掘機(jī)[4]。山河智能研發(fā)了具有遙控、在線學(xué)習(xí)、自動挖掘等功能的挖掘機(jī)樣機(jī)[5]。

根據(jù)現(xiàn)有的無線遙控技術(shù)，本文提出了基于EPEC2024控制器的無線遙控挖掘機(jī)電氣系統(tǒng)設(shè)計方案，為挖掘機(jī)遙控功能的實(shí)用化提供了一種思路，在應(yīng)急搶險等裝備研發(fā)方面具有研究價值。

1 挖掘機(jī)電氣設(shè)計

1.1 總體電氣設(shè)計

以某微型挖掘機(jī)為例，該挖掘機(jī)是機(jī)械液壓先導(dǎo)控制系統(tǒng)，將其改造成電液比例控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)手動和遙控且手動優(yōu)先控制。改造后挖掘機(jī)電氣原理圖如圖1所示，即在已有電氣系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加2臺EPEC2024控制器、遙控裝置接收端、若干繼電器、手動/自動切換開關(guān)、電液比例閥組、油門電機(jī)等電氣元件實(shí)現(xiàn)。EPEC2024控制器和遙控器接收端采用CAN總線協(xié)議進(jìn)行通訊。

當(dāng)進(jìn)行手動控制時，駕駛室操作起作用，遙控操作無效；當(dāng)進(jìn)行遙控操作時，需要工作人員按下安裝在駕駛室內(nèi)的手動/自動切換開關(guān)并拉起先導(dǎo)拉桿。這時，遙控有效，手動操作無效。在遙控狀態(tài)時，EPEC2024控制器接收來自遙控器的指令信號，對柴油發(fā)動機(jī)而言，通過對啟動、熄火繼電器通電斷電，對油門電機(jī)伸縮實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)的啟停、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)；對工作和行走裝置而言，通過輸出PWM電流信號，控制電液比例閥組動作，實(shí)現(xiàn)操作手柄的運(yùn)動控制要求。與此同時，控制器實(shí)時采集水溫、轉(zhuǎn)速、燃油液位量、變量泵壓力值等傳感器數(shù)據(jù)，并傳輸至遙控器顯示屏供操作人員及時了解挖掘機(jī)工作狀態(tài)信息。

圖1 挖掘機(jī)電氣原理圖

1.2 控制器簡介

EPEC2024控制器是車載PLC設(shè)備，主要用于工程機(jī)械領(lǐng)域。該控制器具有52路I/O引腳，且為一針多用，用戶可根據(jù)需求對針腳功能進(jìn)行配置，其中PWM輸出為24路，電流反饋接口為4路[6]。

EPEC2024控制器支持CANopen協(xié)議和CAN2.0B協(xié)議。文中選用CAN2.0B通訊方式。

需要注意的是挖掘機(jī)的電瓶電壓是12 V，而EPEC2024的推薦電壓是24 V，為保證系統(tǒng)正常工作，通過升壓模塊為EPEC2024提供工作電壓。

1.3 電液比例閥的油路及電路設(shè)計

挖掘機(jī)的電液比例閥組采用HCEV31系列電液比例減壓閥。EPEC2024控制器通過改變PWM信號的占空比改變比例閥驅(qū)動電流的大小，比例減壓閥的輸出壓力也隨之改變，從而改變先導(dǎo)油壓，由先導(dǎo)油液控制換向閥，最后實(shí)現(xiàn)工作裝置的控制。為不改變原液壓先導(dǎo)系統(tǒng)，以動臂控制油路為例如圖2所示，通過接入三通梭閥，實(shí)現(xiàn)電液先導(dǎo)控制系統(tǒng)和機(jī)械先導(dǎo)系統(tǒng)的并存。

挖掘機(jī)的液壓缸或液壓馬達(dá)的動作實(shí)現(xiàn)，如對斗桿控制，需要2個比例閥分別實(shí)現(xiàn)斗桿的內(nèi)收和外擺。整個系統(tǒng)的控制對象分別為：動臂、斗桿、鏟斗、回轉(zhuǎn)平臺、左右履帶和推土鏟，所以共需要增加14路電液比例減壓閥。

1—電液比例減壓閥；2—三通梭閥；3—動臂液壓缸；4—主閥；5—手柄先導(dǎo)閥；6—液壓泵圖2 動臂控制油路簡圖

為提高控制精度，將驅(qū)動比例閥的電流反饋回EPEC2024控制器。由前面的分析可知挖掘機(jī)共有14路比例閥，而每臺EPEC2024只有4路反饋電流端口。由于換向閥每次只能實(shí)現(xiàn)一個動作，所以每次只有一個線圈得電，即2個比例閥可以共用一個反饋電流端口。為防止線圈斷電后產(chǎn)生感應(yīng)電動勢對控制器EPEC2024的PWM輸出端口產(chǎn)生影響，在每個比例閥的線圈上并聯(lián)續(xù)流二級管?？刂齐娐穲D如圖3所示。

圖3 電液比例減壓閥控制電路圖

1.4 挖掘機(jī)啟動控制電路設(shè)計

在原挖掘機(jī)中，柴油發(fā)動機(jī)的啟動功能是通過鑰匙開關(guān)實(shí)現(xiàn)。鑰匙開關(guān)順時針第一檔是上電擋，即ACC和Br端從電瓶處得電；順時針轉(zhuǎn)動第二檔是啟動檔，即ACC、C和Br端得電。

需要注意的是，在實(shí)現(xiàn)對挖掘機(jī)遙控啟動前，需要手動對挖掘機(jī)上電，所以只需要在C端增加一個24 V的繼電器即可完成上述功能。如圖4所示，當(dāng)DO端有效時，控制器輸出24 V高電平，繼電器得電，直接通過EPEC2024給啟動線路提供12 V電壓。需要注意的是，原挖掘機(jī)有防重啟保護(hù)功能，即發(fā)動機(jī)啟動后，DO可以一直有效，不會危害挖掘機(jī)電路。

圖4 挖掘機(jī)啟動控制電路

1.5 挖掘機(jī)熄火控制電路設(shè)計

在原挖掘機(jī)中，熄火功能是通過熄火電磁閥實(shí)現(xiàn)。挖掘機(jī)上電的瞬間，熄火電磁閥得電將燃油油路打開，為發(fā)動機(jī)啟動作準(zhǔn)備；當(dāng)需要熄火時，將熄火電磁閥斷電，燃油油路斷開，停止為發(fā)動機(jī)供油，挖掘機(jī)熄火。

基于上述分析，改造后的熄火控制電路如圖5所示。將熄火繼電器的搭鐵端接EPEC2024控制器的DO端，當(dāng)DO端有效時，端口接地，二級管導(dǎo)通，熄火繼電器動作，熄火電磁閥上電；當(dāng)DO端無效時，輸出24 V，二級管截止，熄火繼電器斷電，發(fā)動機(jī)熄火。

圖5 熄火控制電路

1.6 挖掘機(jī)先導(dǎo)控制電路設(shè)計

在原挖掘機(jī)中，操作手通過先導(dǎo)拉桿的提降實(shí)現(xiàn)對先導(dǎo)油路的通斷控制。當(dāng)提起先導(dǎo)拉桿時，先導(dǎo)開關(guān)斷開，先導(dǎo)繼電器斷電不動作；當(dāng)放下先導(dǎo)拉桿時，先導(dǎo)開關(guān)閉合，先導(dǎo)繼電器得電動作，先導(dǎo)閥導(dǎo)通，定量泵實(shí)現(xiàn)先導(dǎo)油路供油。

根據(jù)上述分析，將先導(dǎo)控制電路改造如圖6所示。當(dāng)操作手需要遙控操作時，需先將先導(dǎo)開關(guān)斷開后按下切換開關(guān)，EPEC2024控制器檢測到高電平后，遙控模式有效。在遙控端按下先導(dǎo)開關(guān)，DO端接地，先導(dǎo)繼電器得電動作打開先導(dǎo)油路。

需要注意的是，在電氣設(shè)計中為實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)不熄火，將急停開關(guān)安裝在先導(dǎo)控制電路處。

圖6 先導(dǎo)控制電路

1.7 挖掘機(jī)傳感器控制電路設(shè)計

對于燃油位置傳感器、水溫傳感器而言，工作原理是將物理量轉(zhuǎn)化為電阻變化值進(jìn)行測量。在原挖掘機(jī)中安裝有燃油位置傳感器和水溫傳感器，所以在遙控狀態(tài)下，通過繼電器將傳感器線路接入控制器中。因?yàn)镋PEC2024控制器只能測量電壓值和電流值，不能測量電阻值，所以采用電阻分壓方式將電阻值轉(zhuǎn)化為電壓值進(jìn)行測量，電路圖如圖7所示。

對于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速而言，因?yàn)镋PEC2024只能識別脈沖信號的上升沿，所以采用霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器直接測量柴油發(fā)動機(jī)飛輪轉(zhuǎn)速；對于變量泵的壓力值，直接采用壓力傳感器進(jìn)行測量。

圖7 傳感器控制電路

1.8 油門電機(jī)控制電路設(shè)計

將原挖掘機(jī)的手動拉線式油門控制改為油門旋鈕控制，即控制器接收油門旋鈕擋位信號后，控制油門電機(jī)伸縮拉動油門拉桿實(shí)現(xiàn)柴油發(fā)動機(jī)的全程調(diào)速。

直線電機(jī)選用KECM-1524油門馬達(dá)。其控制電路如圖8所示。當(dāng)DO端無效時，即DO接地，KM1和KM2不動作，油門電機(jī)RED端接控制信號(PWM)，BLUE端接地(GND)，電機(jī)收縮拉動油門拉桿向發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速增加的方向移動；當(dāng)DO端有效時，輸出24 V高電平，油門電機(jī)BLUE端接控制信號(PWM)，RED端接地(GND)，電機(jī)延伸拉動油門拉桿向發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速降低的方向移動。

圖8 油門電機(jī)控制電路

1.9 其他功能的電路設(shè)計

為實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)行走快慢、喇叭的無線遠(yuǎn)程控制，在行走控制電路和喇叭控制電路處，增加相應(yīng)的繼電器。在遙控模式下EPEC2024控制器接收控制指令后，對相應(yīng)端口輸出高電平有效，實(shí)現(xiàn)對行走快慢和喇叭功能的控制。

1.10 遙控裝置

遙控裝置系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)1 000 m以內(nèi)的視距遙控。在遙控端，在發(fā)送控制指令的同時操作手可通過顯示屏查看挖掘機(jī)狀態(tài)信息；在接收端通過CAN總線與EPEC2024控制器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

2 總線通訊

在工程機(jī)械中使用CAN總線技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集中化處理，從而減少線束數(shù)量，縮小了布線空間，大大提高了系統(tǒng)的可靠性和可擴(kuò)展性[7]。在遙控挖掘機(jī)電氣控制系統(tǒng)中采用CAN2.0B總線協(xié)議進(jìn)行通信，CAN報文形式為標(biāo)準(zhǔn)格式。其通訊網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 遙控挖掘機(jī)通訊網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)挖掘機(jī)進(jìn)入遙控模式后，啟動CAN總線，系統(tǒng)自動將遙控器的控制指令以CAN標(biāo)準(zhǔn)報文形式發(fā)送給EPEC2024控制器。與此同時，控制器循環(huán)讀取各個傳感器的信號值，經(jīng)過相應(yīng)計算后以CAN標(biāo)準(zhǔn)報文形式發(fā)送給遙控器接收端。各報文都有唯一ID地址，當(dāng)多個節(jié)點(diǎn)同時向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時，CAN總線控制器根據(jù)ID地址進(jìn)行總線仲裁，ID最小的CAN報文獲得總線使用權(quán)[8]。遙控挖掘機(jī)通訊網(wǎng)絡(luò)的具體通訊協(xié)議如表1、表2所示。

表1 遙控器發(fā)送CAN總線報文格式

表2 遙控器接收CAN總線報文格式

3 遙控挖掘機(jī)的軟件設(shè)計

EPEC2024支持在Codesys2.1軟件上進(jìn)行程序開發(fā)?？刂瞥绦虿捎霉δ軌K方式進(jìn)行編程，系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖10所示。

具體包括以下幾個部分：

1) 初始化模塊：主要實(shí)現(xiàn)EPEC2024端口針腳和CAN模塊初始化處理。

2) 手動/遙控模式判斷程序：控制器在初始化完成后自動進(jìn)入手動模式；當(dāng)手動/遙控切換開關(guān)按下后，系統(tǒng)進(jìn)入遙控模式。

3) 總線通訊模塊：實(shí)現(xiàn)CAN總線數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。

圖10 遙控挖掘機(jī)主程序流程圖

4) 工作模塊：包括兩部分：手動程序段和遙控程序段。在手動控制模式下，除控制器對發(fā)動機(jī)擋位控制外，其他的操作由挖掘機(jī)的原電氣系統(tǒng)完成；在遙控模式下，控制器根據(jù)遙控指令完成發(fā)動機(jī)控制、傳感器信號采集、工作裝置(動臂、斗桿、鏟斗、回轉(zhuǎn)和推土鏟)控制和行走裝置(左右履帶)控制。

對遙控挖掘機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)地測試，在200 m范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)柴油發(fā)動機(jī)啟停及轉(zhuǎn)速切換、工作裝置、行走裝置的遙控功能，并實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)狀態(tài)信息的回傳。

4 結(jié)語

1) 根據(jù)遙控挖掘機(jī)的功能需求，確定了2臺EPEC2024控制器作為電氣系統(tǒng)的核心，并采用CAN2.0B協(xié)議作為控制器和遙控裝置的通訊方式。

2) 根據(jù)挖掘機(jī)的工作和行走裝置的遙控要求，設(shè)計電液比例減壓閥組的控制電路，為防止感應(yīng)電動勢對控制器的危害，在PWM輸出口增加續(xù)流二級管。

3) 根據(jù)原挖掘機(jī)電氣系統(tǒng)特點(diǎn)，設(shè)計了發(fā)動機(jī)啟動熄火電路、先導(dǎo)控制電路、傳感器電路及油門控制電路。

4) 整個控制程序在CodeSys2.1平臺上編寫，各功能塊如發(fā)動機(jī)控制程序、工作行走裝置控制程序、傳感器控制程序采用模塊化編程，提高編程效率。

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